Окаменелости крошечного морского существа, вымершего более полумиллиарда лет назад, могут заставить переписать учебник естествознания о том, как эволюционировал мозг.

Исследование, опубликованное в журнале Science под руководством Николаса Страусфельда, профессора кафедры неврологии Университета Аризоны, и Фрэнка Хирта, читателя эволюционной неврологии в Королевском колледже Лондона, дает первое подробное описание Cardiodictyon catenulum, червеобразного животного, сохранившегося в скалах в южной провинции Юньнань в Китае. Окаменелость длиной всего в полдюйма (менее 1,5 сантиметров), первоначально обнаруженная в 1984 году, до сих пор скрывала важнейший секрет: тонко сохранившуюся нервную систему, включая мозг.

"Насколько нам известно, это самый старый окаменелый мозг, о котором мы знаем на сегодняшний день", - сказал Страусфельд.

Кардиодиктион принадлежал к вымершей группе животных, известных как бронированные лобоподии, которые были в изобилии в начале периода, известного как кембрий, когда практически все основные линии животных появились за чрезвычайно короткое время между 540 и 500 миллионами лет назад. Лобоподии, вероятно, передвигались по морскому дну, используя несколько пар мягких, коротких ног, на которых отсутствовали суставы их потомков, эуартроподов, что по—гречески означает "настоящая суставчатая нога". Ближайшими живущими на сегодняшний день родственниками лобоподий являются бархатные черви, обитающие в основном в Австралии, Новой Зеландии и Южной Америке.

Дебаты, восходящие к 1800-м годам

Окаменелости Cardiodictyon показывают животное с сегментированным туловищем, в котором есть повторяющиеся расположения нервных структур, известных как ганглии. Это резко контрастирует с его головой и мозгом, в которых отсутствуют какие-либо признаки сегментации.

"Эта анатомия была совершенно неожиданной, потому что головы и мозг современных членистоногих и некоторых их окаменелых предков уже более ста лет считаются сегментированными", - сказал Страусфельд.

По словам авторов, находка разрешает длительные и горячие споры о происхождении и составе головы у членистоногих, самой богатой видами группы в животном мире. К членистоногим относятся насекомые, ракообразные, пауки и другие паукообразные, а также некоторые другие линии, такие как многоножки и многоножеконожки.

"С 1880-х годов биологи отмечали четко сегментированный внешний вид туловища, типичный для членистоногих, и в основном экстраполировали это на голову", - сказал Хирт. "Вот как поле пришло к предположению, что голова является передним продолжением сегментированного туловища".

"Но кардиодиктион показывает, что ранняя голова не была сегментирована, как и ее мозг, что позволяет предположить, что мозг и нервная система туловища, вероятно, развивались отдельно", - сказал Страусфельд.

Мозги действительно окаменевают

Кардиодиктион был частью фауны Чэнцзян, знаменитого месторождения окаменелостей в провинции Юньнань, открытого палеонтологом Сяньгуан Хоу. Мягкие, нежные тела лобоподий хорошо сохранились в летописи окаменелостей, но, кроме кардиодиктиона, ни у кого из них не были тщательно исследованы голова и мозг, возможно, потому, что лобоподии, как правило, маленькие. Наиболее заметными частями Cardiodictyon были серии треугольных структур в форме седла, которые определяли каждый сегмент и служили точками крепления для пар ног. Они были найдены в еще более древних породах, относящихся к началу кембрия.

"Это говорит нам о том, что бронированные лобоподии, возможно, были самыми ранними членистоногими", - сказал Страусфельд, предшествуя даже трилобитам, знаковой и разнообразной группе морских членистоногих, которые вымерли около 250 миллионов лет назад.

"До самого недавнего времени общепринятым было понимание того, что "мозги не окаменевают", - сказал Хирт. "Таким образом, вы бы не ожидали найти ископаемое с сохранившимся мозгом в первую очередь. И, во-вторых, это животное настолько маленькое, что вы даже не осмелились бы взглянуть на него в надежде найти мозг".

Однако работа за последние 10 лет, большая часть которой была проделана Страусфельдом, выявила несколько случаев сохранения мозга у различных окаменелых членистоногих.

Общий генетический план создания мозга

В своем новом исследовании авторы не только идентифицировали мозг кардиодиктиона, но и сравнили его с мозгом известных ископаемых и живых членистоногих, включая пауков и многоножек. Объединив детальные анатомические исследования окаменелостей лобоподий с анализом паттернов экспрессии генов у их ныне живущих потомков, они пришли к выводу, что общая схема организации мозга сохранялась с кембрия до сегодняшнего дня.

"Сравнивая известные паттерны экспрессии генов у живых видов, - сказал Хирт, - мы определили общую характеристику всех мозгов и то, как они формируются".

При кардиодиктионе три области мозга, каждая из которых связана с характерной парой головных придатков и с одной из трех частей передней пищеварительной системы.

"Мы поняли, что каждая область мозга и соответствующие ей особенности определяются одной и той же комбинацией генов, независимо от вида, на который мы смотрели", - добавил Хирт. "Это наводило на мысль об общем генетическом плане создания мозга".

Уроки эволюции мозга позвоночных

Хирт и Страусфельд говорят, что принципы, описанные в их исследовании, вероятно, применимы к другим существам, помимо членистоногих и их ближайших родственников. По их словам, это имеет важные последствия при сравнении нервной системы членистоногих с нервной системой позвоночных, которые демонстрируют сходную отчетливую архитектуру, в которой передний и средний мозг генетически и в процессе развития отличаются от спинного мозга.

Страусфельд сказал, что их результаты также дают представление о преемственности в то время, когда планета резко меняется под влиянием климатических сдвигов.

"В то время, когда крупные геологические и климатические события меняли облик планеты, простые морские животные, такие как кардиодиктион, дали начало самой разнообразной группе организмов в мире — эуартроподам, которые в конечном итоге распространились во все новые места обитания на Земле, но которым сейчас угрожают наши собственные эфемерные виды".

Статья "Кардиодиктион нижнекембрийских лобопод раскрывает происхождение мозга эуартропод" была написана в соавторстве Сяньгуан Хоу из Юньнаньской ключевой лаборатории палеонтологии в Юньнаньском университете в Куньмине, Китай, и Марселем Сейром, который работает в Лундском университете в Лунде, Швеция, и на факультете биологических наук. в Университете Маккуори в Сиднее.