Die Frage nach der Entstehung des komplexen Körperbaus heutiger Lebewesen hat die Biologen über Jahrhunderte hinweg beschäftigt. Besonders aufschlussreich ist die Entwicklung von Gliedmaßen bei Wirbeltieren, welche entscheidend für den Übergang von aquatischen zu terrestrischen Lebensformen war. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Joost Woltering hat nun bahnbrechende Ergebnisse veröffentlicht, die aufzeigen, wie uralte Gene aus der Rückenflosse von Fischen für die Bildung der dorsoventralen Achse der Gliedmaßen umfunktioniert wurden. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Molecular Biology and Evolution publiziert.
Die Evolutionsgeschichte von der Rückenflosse zur menschlichen Hand erstreckt sich über einen Zeitraum von etwa 500 Millionen Jahren. Ursprünglich symmetrische Rückenflossen der Fische fanden durch einen Kopierungs- und Aktivierungsprozess ihren Weg zu den seitlichen Flossen. Vor circa 350 Millionen Jahren entstanden dann aus diesen Flossen die Gliedmaßen der ersten Landwirbeltiere. Genetische Ähnlichkeiten zwischen der Rückenflosse von Fischen und menschlichen Gliedmaßen wurden festgestellt, was darauf hinweist, dass evolutionäre Mechanismen über Jahrmillionen hinweg funktionieren.
Die entscheidende Rolle von Gene Lmx1b
Zentrale Erkenntnis der aktuellen Studie ist die Rolle des Gens Lmx1b. Dieses Gen spielt eine wesentliche Funktion bei der Ausdifferenzierung der Hand. Dabei führte die Aktivierung von Lmx1b zur Entwicklung des Handrückens, während die Inaktivierung zur Bildung der Handinnenfläche führte. Interessanterweise zeigte die Untersuchung der Aktivierungsmuster von Lmx1b bei verschiedenen Fischarten signifikante Unterschiede zwischen den Flossentypen.
In seitlichen Flossen war Lmx1b auf der dorsalen Seite aktiv, während in Rückenflossen das Gen im hinteren Bereich aktiv war. Wnt-Signale und Hedgehog-Signale steuern dabei die Aktivität von Lmx1b in den verschiedenen Flossentypen. Eine gezielte Unterdrückung von Wnt-Signalen in Fisch-Embryonen beeinflusste die Lmx1b-Aktivität in Seitenflossen, jedoch nicht in Rückenflossen. Die Evolution musste demnach Lmx1b umfunktionieren und neue regulatorische Schalter entwickeln, um die Adaptation der Gliedmaßen zu ermöglichen.
Von den ersten Säugetieren und ihren Evolutionstrends
Diese Erkenntnisse zur Entwicklung der Gliedmaßen sind in einem größeren Kontext zu betrachten, insbesondere vor dem Hintergrund der Geschichte der Säugetiere. Vor etwa 200 Millionen Jahren begannen sich die ersten Säugetiere aus Reptilien zu entwickeln, einer Zeit, in der Dinosaurier das Landleben dominierten. Der Aussterben vieler Reptilienarten vor 65 Millionen Jahren ebnete den Weg für eine Ausbreitung und Diversifizierung der Säugetiere.
Säugetiere zeichnen sich durch verschiedene evolutionäre Vorteile aus, die ihnen ermöglichen, in unterschiedlichen Lebensräumen zu überleben. Sie sind in drei Klassen unterteilt: Ursäuger, Beuteltierer und Plazentatiere. Diese Klassen haben sich an unterschiedliche Umweltbedingungen angepasst; beispielsweise ermöglicht das Amnion die Bildung einer Gebärmutter und ein effizienteres Ernährungssystem für den Nachwuchs während der Schwangerschaft. Zudem sichert das Vorhandensein von Milchdrüsen die Ernährung der Nachkommen nach der Geburt.
Die körperlichen Veränderungen bei Säugetieren sind bemerkenswert. Zwei Kieferknochen haben sich verkleinert und sind ins Ohr gewandert, wo sie zu Mittelohrknochen wurden. Dies hat nicht nur das Gehör verbessert, sondern auch eine perfekte Anpassung von Ober- und Unterkiefer ermöglicht, wodurch eine größere Vielfalt an Nahrung aufgenommen werden kann. Diese evolutionären Anpassungen haben den ersten Säugern, meist Insektenfressern wie der Spitzmaus, die Besetzung neuer ökologischer Nischen ermöglicht.
Insgesamt zeigt diese Forschung, wie komplexe biologische Strukturen wie die menschliche Hand über Jahrmillionen hinweg aus einfachen, symmetrischen Strukturen hervorgegangen sind. Sie veranschaulicht die tiefgreifende Verbindung zwischen den verschiedenen Lebewesen auf diesem Planeten und die evolutionären Mechanismen, die diese Transformationen steuern. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um die intricaten Details dieser Entwicklung besser zu verstehen und zu dokumentieren, wie sich der evolutionäre Prozess von den ersten Fischen zu den heutigen Mammals entfaltet hat.