Bauch entscheidend: Warum Kiefermäuler vier Gliedmaßen haben

27. Jänner 2014, 15:47
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Neues theoretisches Modell erklärt paarweise Anordnung von Gliedmaßen bei Wirbeltieren mit Rückgrat und Kiefer

Wien/Altenberg - Im Laufe der Evolution hat sich die Anordnung von Flossen, Flügeln, Armen und Beinen verändert. Irgendwann gaben sich aber Kiefermäuler (Gnathostoma), also Wirbeltiere mit einem Rückgrat und Kiefer, mit vier Flossen oder Gliedmaßen zufrieden - ein Paar vorne und eines hinten. Der Frage, warum das so ist, gingen Forscher der Uni Wien und des Konrad-Lorenz-Instituts nach. Ihre Antwort: Weil Kiefermäuler einen Bauch haben. Die neue Studie erschien aktuell im Fachjournal "Evolution & Development". 

Embyonale Gliedmaßen-Ansätze

Wie bei vielen ungeklärten Fragen in der Evolutionsbiologie existierten im Laufe der Zeit mehrere hypothetische Modelle, um den Ursprung der paarigen Gliedmaßen bei den Kiefermäulern zu erklären. "Es ist interessant, dass wir im Laufe der Evolution nie ein solches Tier mit sechs Gliedmaßen gesehen haben", sagt Brian Metscher vom Department für Theoretische Biologie der Universität Wien. Fische ohne Kiefer, die vor 400 bis 500 Mio. Jahren lebten, hätten dagegen noch keine gepaarten Flossen gehabt - ähnlich wie die heutigen Neunaugen und Schleimaale, die weder über Kiefer noch paarige Flossen sondern über eine vom Rücken bis zum Schwanz entlang der Mittellinie laufende Rückenflosse verfügen.

Die Forscher stützten sich bei ihren Untersuchungen auf zahlreiche Arbeiten der molekularen Embryologie sowie auf Forschungsergebnisse aus der Paläontologie und der klassischen Morphologie. "Es ging uns darum, zu erklären, wieso der Wirbeltier-Embryo Gliedmaßen-Ansätze an jeder Seite bildet, und zwar jeweils ein Paar am Anfang und am Ende der Körperhöhle", berichtet Laura Nuño de la Rosa, vom Konrad-Lorenz-Institut in Altenberg.

Teilung in drei Zellschichten

Das nun entwickelte Erklärungsmodell baut auf früheren Forschungsergebnissen auf – beruhend auf Genexpression und der Interaktionen zwischen verschiedenen Geweben, aus denen sich ein Wirbeltierembryo entwickelt. In den ersten Wochen seiner Entwicklung trennt sich ein Embryo in drei Zellschichten: Das obere Keimblatt des Embryoblasten (Ektoderm) – die außen liegende Zellschicht, aus der Haut und Nervensystem entstehen; das innere Keimblatt (Endoderm), das später den Verdauungstrakt bildet; und schließlich das mittlere Keimblatt (Mesoderm), das für Muskeln, Knochen und andere Organe verantwortlich ist. Das frühe Mesoderm spaltet sich wiederum in zwei Schichten, wobei die eine Schicht das Innere der Körperhöhle abdichtet und die andere die Außenseite des Darms bildet.

Verdauungstrakt verdrängt Gliedmaßen

"Wir konnten herausfinden, dass sich Flossen oder Gliedmaßen nur an jenen Stellen entwickeln, wo die beiden mesodermalen Schichten ausreichend voneinander getrennt sind und wo sie mit ektodermalem Gewebe interagieren können", so Metscher. "Und das ist an den beiden Enden des Darms – beim Mund und beim After – der Fall." Dazwischen sei für die Entwicklung von Flossen oder Gliedmaßen kein Platz, denn die beiden mesodermalen Schichten würden extrem dicht nebeneinander verlaufen, es sei nur eine sehr schmale Trennungslinie vorhanden, führt der Biologe aus. Die Forscher vermuten, dass diese beiden Schichten bei der Darm-Entwicklung zusammenwirken.

Nach dem hinteren Ende des Verdauungstraktes, der Analöffnung, treffen die mesodermalen Schichten beim Schwanzansatz zusammen. Dort, wo sich die Körperwand schließt, kann sich bei Fischen eine einzige mittlere Flosse bilden - die Afterflosse. Vorne in der Mitte, entlang des sich entwickelnden Darms kann sich die Körperwand nicht vollständig schließen. Deshalb entstehen gepaarte Ansätze für Flossen oder Gliedmaßen links und rechts der Mittellinie anstelle der mittleren Flosse. "Wir verfügen also über vier Gliedmaßen, weil wir einen Bauch haben", so Nuno de la Rosa.

Basis für neue Hypothesen

Die aktuelle Arbeit ist damit ein Beitrag zur laufenden Diskussion über die Entwicklung der verschiedenen embryonalen Schichten und Strukturen sowie über neue Ansätze in der Evolutionstheorie. "Die wichtigste Funktion dieses Modells ist es, einen folgerichtigen Rahmen zu schaffen – für weitere spezifische, darauf aufbauende Hypothesen, die dann mit molekularen und anderen Labormethoden getestet werden können", so Metscher. (APA/red, derStandard.at, 27.1.2014)

  • Neunaugen- und Stör-Schlüpflinge sowie ein Mäuseembryo, aufgenommen mittels Röntgen-Mikrotomographie.
    illu.: brian metscher

    Neunaugen- und Stör-Schlüpflinge sowie ein Mäuseembryo, aufgenommen mittels Röntgen-Mikrotomographie.

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