Muskelentwicklung bei Fischen liefert Erkenntnisse über die Evolution der Landwirbeltiere

Seit mehr als 140 Millionen Jahren schwimmt der Knochenhecht bereits durch die Gewässer unseres Planeten und noch immer birgt er Geheimnisse in sich. Eines davon konnten Evolutionsbiologen der Friedrich-Schiller-Universität Jena jetzt lüften – und dabei wichtige Informationen darüber gewinnen, wie sich Fische zu Landwirbeltieren entwickelten.

Den Jenaer Wissenschaftlern ist es gelungen, bei dieser Fischart erstmals den Cucullaris-Muskel richtig zu identifizieren. Eine Untersuchung der Entwicklung dieses Muskels ergab viele Übereinstimmungen mit der Entwicklung des Cucullaris-Muskels der Landwirbeltiere.

Dies spricht für einen gemeinsamen evolutionären Ursprung des Muskels in beiden Tiergruppen, eine seit Mitte des 19. Jahrhunderts kontrovers diskutierte Annahme. Über ihre Forschungsergebnisse berichten die Wissenschaftler in einem Artikel für das Fachjournal „Evolution & Development“, der auch im renommierten Magazin „Nature“ als „Research Highlight“ Erwähnung findet.

„Wir haben den Cucullaris-Muskel des Knochenhechts genau bestimmen können und dabei einen über hundert Jahre alten Fehler korrigiert, denn bei früheren Untersuchungen war ein anderer Muskel so bezeichnet worden“, berichtet Benjamin Naumann von der Universität Jena.

Von Interesse für Evolutionsbiologen ist der Muskel, der Kopf und Schultergürtel miteinander verbindet, vor allem deswegen, weil er sowohl bei ursprünglichen Fischen als auch bei Säugetieren vorkommt, sich seine Funktion während der Evolution aber erheblich verändert hat.

„Bei Fischen sitzt der Kopf direkt am Schultergürtel, weswegen sich der Kopf nicht unabhängig vom Rumpf bewegen kann und auch nicht muss, da sich das Tier im dreidimensionalen Raum in alle Richtungen bewegen kann. Der Cucullaris-Muskel dient also in erster Linie zur Stabilisierung und bedingt kleinere Bewegungen“, erklärt Prof. Dr. Lennart Olsson von der Uni Jena.

Diese Verbindung habe sich bei den ersten Landwirbeltieren dann gelöst – sie bildeten einen Hals, was eine erhöhte Beweglichkeit des Kopfes unabhängig vom Rumpf ermöglichte. Der Muskel, der beim Menschen Trapezmuskel heißt, gewinne an Bedeutung.

Übereinstimmung zwischen Säugetier und Fisch

Erst dank der Jenaer Wissenschaftler ist jetzt klar, dass der Muskel auch beim Knochenhecht schon an dieser Nahtstelle zwischen Rumpf und Kopf sitzt. Bisher war man fälschlicherweise von einem anderen in der Nähe der Kiemen ausgegangen. Benjamin Naumann nutzte für seine Untersuchungen allerdings auch wesentlich modernere Methoden.

So forschte er, gemeinsam mit den Zoologen Peter Warth und Peter Konstantinidis, einen Monat lang am Virginia Institute of Marine Science in den USA, wo der Fisch, der im Übrigen nichts mit dem in Europa vorkommenden Hecht zu tun hat, heimisch ist. Die Jenaer Wissenschaftler färbten die sich entwickelnde Muskulatur in Embryonen und Larven dieser Fische mit Antikörpern gegen Muskelproteine. Diese lagern sich an Proteine in den Muskeln an und werden mit fluoreszierenden Farbstoffen unter dem Lasermikroskop sichtbar gemacht.

„Die Position des Cucullaris-Muskels ist deshalb wichtig, weil sie uns verrät, dass er sich genauso bildet wie zum Beispiel beim Säugetier – und zwar vom Kopf zum Rumpf“, erklärt Naumann. „Die Entwicklungsbiologie zeigt uns hier also eine Homologie, einen gemeinsamen evolutionären Ursprung dieses Muskels bei Fischen und Säugetieren auf.“ Außerdem wissen die Forscher nun, dass sich der Muskel sehr spät bildet, was auf das gleiche molekulare Entwicklungsprogramm in beiden Gruppen hindeutet.

Denn Wirbeltiere entwickeln ihre Kopf- und Rumpfmuskulatur aus unterschiedlichen embryonalen Anlagen und unter Verwendung unterschiedlicher genetischer Programme. Bestimmte Gene initiieren in der embryonalen Phase zunächst die Bildung der Rumpfmuskulatur und blockieren gleichzeitig, dass sich Muskeln im Kopf bilden. Die in den Rumpf eingewanderten Zellen des späteren Cucullaris-Muskels sind zu diesem Zeitpunkt noch undifferenziert, teilen sich aber während dieser Blockade. Das sorgt für mehr Material und der Muskel kann größer werden, vermuten die Wissenschaftler. Erst ganz zum Schluss schlägt er die Brücke zwischen Kopf und Rumpf.

Original-Publikation:
Benjamin Naumann et al.: „The development of the cucullaris muscle and the branchial musculature in the Longnose Gar, (Lepisosteus osseus, Lepisosteiformes, Actinopterygii) and its implications for the evolution and development of the head/trunk interface in vertebrates“, Evolution & Development, 2017; DOI: 10.1111/ede.12239

Kontakt:
Benjamin Naumann / Prof. Dr. Lennart Olsson
Institut für Spezielle Zoologie und Evolutionsbiologie mit Phyletischem Museum der Universität Jena
Erbertstraße 1, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 948160
E-Mail: Bnaumann90[at]gmx.de, lennart.olsson[at]uni-jena.de

http://www.uni-jena.de