Das Tierreich ist voller unglaublicher Vielfalt und Anpassungen, von denen jede darauf abzielt, das Überleben und den Erfolg in ihrer Nische zu sichern. Von mikroskopisch kleinen Organismen bis hin zu riesigen Kreaturen haben sich Tiere auf bemerkenswerte Weise entwickelt, um Herausforderungen zu meistern und Chancen zu nutzen. Dieser Artikel befasst sich mit einigen faszinierenden Aspekten des Nervensystems und der Anatomie im Tierreich und beleuchtet bemerkenswerte Entdeckungen und Anpassungen.
Die elastischen Nerven der Wale: Ein Wunderwerk der Evolution
Furchenwale, die zu den größten Tieren der Erde gehören, haben eine einzigartige Ernährungsstrategie entwickelt, die als "Lunge Feeding" bekannt ist. Dabei nehmen sie riesige Mengen Wasser und Beute in ihren Kehlsack auf, eine dehnbare Tasche im Maulbereich. Diese Technik stellt jedoch eine erhebliche Herausforderung für ihre Nerven dar, da diese extremen Dehnungen standhalten müssen.
Einem Team um Vogl und Kollegen gelang ein zufälliger Durchbruch bei der Lösung dieses Rätsels. Bei der Laboruntersuchung eines toten Wals stießen sie auf eine weißliche, seilartige Struktur, die sich als äußerst dehnbar erwies. Zunächst hielten sie diese für ein Blutgefäß, doch bald erkannten sie, dass es sich um einen Nerv handelte.
"Diese großen Nerven können sich dehnen und wieder zusammenziehen wie Bungee-Seile", erklärt Vogl. Sie können problemlos auf die doppelte Länge ausgezogen werden und schnellen dann unbeschädigt wieder in ihren Ausgangszustand zurück.
Die Forscher entdeckten, dass diese bemerkenswerte Elastizität auf einen raffinierten, geschichteten Aufbau zurückzuführen ist. Die äußere Hülle besteht aus einer stabilen Schicht gewundener Kollagenfasern. Darunter befindet sich eine Schicht aus Elastinfasern, die wie Gummibänder wirken und den Nerv nach der Dehnung wieder zusammenziehen. Im Kern liegt die eigentliche Nervenfaser, die wie bei anderen Wirbeltieren nicht dehnbar ist. Um die Dehnung zu überstehen, ist sie im Ruhezustand stark gefaltet und liegt wie ein gewundenes Knäuel im Kern der Nervenleitung.
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"Diese Entdeckung zeigt, wie wenig wir selbst über die grundlegende Anatomie der größten Tiere im Ozean wissen", sagt Koautor Nick Pyenson vom National Museum of Natural History in Washington. Die Entwicklung des Kehlsacks und der raffinierten Fresstechnik der Furchenwale erforderte offensichtlich mehr als nur die Anpassung von Maul, Zunge und Bauchgewebe.
Es ist denkbar, dass auch andere Tiere mit dehnbaren Geweben ähnliche Anpassungen entwickelt haben. Der Kehlsack vieler Frösche und Kröten oder die lange, flexible Zunge der Chamäleons sind ebenfalls extrem dehnbar und von Nerven durchzogen. Zunächst wollen die Forscher jedoch genauer analysieren, wie sich die Nervenfaser im Inneren der dehnbaren Nervenleitungen genau faltet und entfaltet.
Nesseltiere: Einfache Baupläne mit komplexen Fähigkeiten
Nesseltiere, zu denen Seeanemonen, Quallen und Korallen gehören, sind faszinierende Organismen, die trotz ihres einfachen Bauplans eine bemerkenswerte Vielfalt an Fähigkeiten besitzen. Sie bestehen zu 99 Prozent aus Wasser und gehören zu den ältesten noch lebenden Tieren. Als lebende Fossilien stehen sie an der Basis der Evolution aller höheren Tiere, nahe dem Übergang von der einzelligen zur mehrzelligen Organisationsstufe.
Nesseltiere bleiben in ihrer Entwicklung auf dem so genannten Gastrula-Stadium stehen: Sie besitzen nur eine Körperachse, die zu einem Sackdarm führt, in den Nahrung hineinfließt und aus dem in umgekehrter Richtung Unverdauliches ausgeschieden wird. Höher entwickelte Tiere durchlaufen diese Entwicklungsstufe nur als kurzes Zwischenstadium, aus dem heraus sich ein Organismus mit Mund- und Darmöffnung entwickelt.
Sie besitzen ein primitives Nervensystem, das als einfaches neuronales Netz organisiert ist. Ein zentrales Nervensystem fehlt, manche verfügen allerdings bereits über komplexe Augen und andere Sinnesorgane.
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Nesseltiere treten häufig in zwei Formen auf: als festsitzende Polypen und als freischwimmende Quallen (Medusen). Viele Polypenstöcke der Korallen haben als Gestein und Riff bildende Formen im wahrsten Sinne des Wortes unsere Erdgeschichte geprägt. Berühmt ist auch die seit der Antike bekannte, nahezu unbegrenzte Regenerationsfähigkeit der Tiere. Manche Nesseltiere zählen zu den giftigsten Tieren der Welt.
Nesselzellen: Toxische Waffen auf Nanosekunden-Basis
Die toxische Wirkung der Nesseltiere ist auf die Nesselzellen zurückzuführen, hoch spezialisierte Sinneszellen, die jeweils ein komplexes kleines Organ, die Nesselkapsel, beherbergen. Im Inneren der zylindrisch geformten, circa zehn Mikrometer kleinen Nesselkapsel ist ein langer Schlauch aufgerollt. Das ist der Grundbauplan der Nesselkapsel - von ihm ausgehend hat die Natur sehr viele, zum Teil sehr komplexe Nesselkapseln gebildet, die alle zum Beutefang und zur Verteidigung dienen.
Wird eine Nesselzelle von außen mechanisch gereizt, etwa von einem Beutetier, entlädt sie sich innerhalb kürzester Frist: Der in der Kapsel aufgerollte Schlauch schießt wie eine Harpune heraus, durchdringt die Außenhaut des Opfers oder umwickelt dessen Körper. Die gesamte Entladung selbst bei den komplexesten Kapseltypen ist in weniger als drei Millisekunden abgeschlossen; die kritische Phase der Entladung läuft sogar im Nanosekundenbereich ab. Dabei werden Beschleunigungen erzielt, die mehr als das 5 000 000fache der Erdbeschleunigung ausmachen.
Auf molekularer Ebene kann die Entladung als Wechselspiel von hohem Druck und elastisch gespannter Kapselwand erklärt werden. Der hohe Druck resultiert aus der hohen Konzentration von Poly-Gamma-Glutamat und assoziierter Kationen (Innendruck mehr als 150 bar).
Entwicklungsbiologie und Genomforschung: Ein unerwartetes Ergebnis
Ein unerwartetes Ergebnis der vergleichenden Entwicklungsbiologie und Genomforschung ist, dass tierische Organismen offenbar schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt der Evolution über ein erstaunlich großes Repertoire von Genen verfügten, mit dem sie die Entwicklung des Körperbaus steuern. Eine Schlüsselrolle spielen die so genannten Wnt-Gene. Bei diesen Genen handelt es sich um eine Gruppe von Entwicklungsgenen, die bei allen Tieren dafür verantwortlich sind, dass sich eine Körperachse ausbildet und die jeweiligen Organe sowie das Nervensystem heranreifen.
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Bei der Seeanemone Nematostella vectensis fanden Forscher zwölf Wnt-Genfamilien, was in mehrfacher Hinsicht erstaunlich ist: Die einfachen Nesseltiere besitzen damit mehr Wnt-Entwicklungsgene als manch höher entwickelte Tiere, etwa Insekten oder Fadenwürmer (Nematoden), die nur über sieben Gruppen dieser gestaltgebenden Erbanlagen verfügen.
Die derzeit erfolgenden Erbgutvergleiche machen mehr und mehr deutlich, dass sich Nesseltiere und höher entwickelte Wirbeltiere (Vertebraten) sehr viel ähnlicher sind als man bislang glaubte. So ist die Vielfalt der von tierischen Organismen bekannten Signalwege bereits im Erbgut der Nesseltiere angelegt.
Regeneration: Ein Fenster zur Heilung
Das Phänomen der Regeneration ist ein anschauliches Beispiel dafür, wie tief basale Entwicklungsprozesse im Stammbaum des Lebens verankert sind. Bestimmte Vertreter der Nesseltiere, die Süßwasserpolypen (Hydrozoen), sind die "Champions der Regeneration" im Tierreich. Doch nicht nur Polypen, auch Plattwürmer, Seesterne und Salamander sind dieses Wunders fähig und regenerieren Gliedmaßen und innere Organe unmittelbar nachdem das Original abhanden gekommen ist.
Regenerierende Organismen ersetzen verlorene oder beschädigte Körperteile und Organe mithilfe von Stammzellen. Auch Menschen besitzen in vielen Geweben Stammzellen. Die Möglichkeit dieser "erwachsenen" (adulten) Stammzellen, bestimmte Zelltypen zu regenerieren, ist allerdings begrenzt.
Die Forschung an Süßwasserpolypen und anderen einfachen Entwicklungssystemen könnte aufdecken, wie entwicklungssteuernde Gene und Proteine in der Regeneration an- und wieder ausgeschaltet werden könnten. Dieses Wissen wäre vielleicht nutzbar, um die Regeneration von verletztem oder erkranktem Gewebe gezielt zu veranlassen - auch das des Menschen.
Axolotl: Meister der Regeneration
Der Axolotl, ein Schwanzlurch aus Mexiko, ist bekannt für seine außergewöhnliche Fähigkeit zur Regeneration. Abgetrennte Gliedmaßen, Teile von Herz, Gehirn und Wirbelsäule samt Rückenmark kann der Axolotl komplett funktionstüchtig erneuern, was ihn zum Unikum unter den höheren Wirbeltieren macht.
Forscher haben den Lurchen Teile der Gliedmaßen amputiert oder Hautlappen entfernt, um ihre Regenerationsfähigkeit zu untersuchen. An der Schnittstelle bildet sich zunächst eine Schicht aus umliegenden Hautzellen. Darunter reift eine Art Gewebeknospe heran, aus der sich alle wichtigen Gewebetypen neu bilden: Blutgefäße, Muskeln, Sehnen, Knochen und sogar Nerven.
Lange nahmen Wissenschaftler an, dass sich die Zellen an der Schnittschnelle auf ein molekulares Signal hin in pluripotente Stammzellen zurückverwandeln, die sich anschließend teilen und in alle nötigen Zelltypen weiterentwickeln können. Mit Hilfe von fluoreszierenden Proteinen konnten die Wissenschaftler das Schicksal der einzelnen Gewebetypen nachverfolgen. Aus einer ehemaligen Muskelzelle entwickelt sich demnach keine Stammzelle, sondern lediglich eine Muskel-Vorläuferzelle, aus der wieder neue Muskelzellen hervorgehen. Analog dazu bildet sich Knorpel neu aus Knorpelzellen. Allein Hautzellen sind flexibler: Aus ihnen können nicht nur Haut, sondern auch Knorpel und Sehnen entstehen.
Mit Hilfe der Axolotl könne man nun vielleicht herausfinden, wie man diesen Prozess wieder einschalten kann. Aus dem Erbgut der Wundheilungszellen haben Forscher das sogenannte Transkriptom analysiert und sich auf die Gene konzentriert, die bei der Regeneration aktiv sind. In ersten Experimenten habe sich gezeigt, dass auch menschliche Zellen auf diesen Botenstoff reagieren.
Tintenfische: Intelligente Wirbellose mit einzigartigen Nervensystemen
Tintenfische sind Weichtiere mit einem hochentwickelten Sensoren- und Nervensystem und komplexen Augen und Gehirn. Ihr Nervensystem wurde erstmals vom Zoologen John Zachary Young und dem Physiologen Kenneth Cole während der 1930er Jahre analysiert.
Der Riesenaxon des Tintenfischs ist die größte bekannte Nervenzelle im Tierreich. Er kann bis zu 1 mm Durchmesser besitzen und beinahe 1 m lang sein. Diese Größe lässt die Anbringung von Elektroden im Inneren des Axons zu, so dass man gleichzeitig innerhalb und außerhalb der Zelle Beobachtungen anstellen und die Veränderungen des Stromflusses durch die Zellmembran beim Feuern des Nervs messen kann. Diese Arbeit inspirierte Hodgkin and Huxleys berühmte Experimente am Riesenaxon des L pealeii im Marinelabor des britischen Plymouth. Sie zeigten auf, wie die Bewegung ionischer Ladungen durch eine Zellmembran ein elektrisches Signal auslöst, dass durch die Nervenfasern fährt. Sie erhielten 1963 den Nobelpreis für diese Arbeit, die die Grundlage der modernen Neurophysiologie darstellt.
Die Erforschung des Transports in den Axon von L pealeii ergab, dass biologisches Material nur durch ein einziges Peptid geladen und auf sein Ziel ausgerichtet wird. Dieses Peptid ist Teil des Amyloid Precursor Proteins, von dem man annimmt, dass es eine Rolle bei der Alzheimerschen Krankheit spielt.
Die Kristallstruktur von Tintenfisch-Rhodopsin zeigt im Detail, wie das Protein zur Veränderung seiner Form in der Lage ist und welche seine Gemeinsamkeiten und Unterschiede mit den Wirbeltier-Rhodopsinen sind, die bisher untersucht wurden. Es zeigt, wie Rhodopsin Licht absorbiert und welche die Höchstmenge ist, die es absorbieren kann. Die Struktur wird auch hilfreich sein, um Medikamente zu entwerfen, die diese Art von Rezeptor beeinflussen.
Ein Team an Wissenschafterinnen der Universität Wien hat zwei multinationale Studien geleitet, um die Geheimnisse der Kopffüßer-Genome aufzudecken. Beide Studien sind jetzt in Nature Communications erschienen. Das Genom von Kopffüßern ist auffällig groß, größer als die Genome ihrer Verwandten, der Mollusken, und ähnlich der Größe des menschlichen Genoms. In der ersten Veröffentlichung hat das wissenschaftliche Team der Universität Wien als Teil eines internationalen Teams unter anderem mit dem Marine Biological Laboratory der University of Chicago die Zusammensetzung der Chromosomen von Kopffüßern untersucht und herausgefunden, dass sich die Chromosomen von Oktopussen und Tintenfischen stark von denen jeder anderen Tiergruppe unterscheiden. In der zweiten Veröffentlichung untersuchten die Wissenschafterinnen der Universität Wien ebenfalls in einem internationalen Team etwa unter Beteiligung des Research Institute of Molecular Pathology (IMP), des Tiergarten Schönbrunn in Wien, und des Marine Biological Laboratory der University of Chicago den Beitrag dieser Genomumstrukturierung zu den vielen bekannten morphologischen Neuerungen bei Kopffüßern.
Oktopusse oder Kraken sind die intelligentesten und am höchsten entwickelten Vertreter des Tierstamms der Mollusken. Man nennt sie Superhirne auf acht Beinen. Sie besitzen ein hoch entwickeltes, dezentralisiertes Nervensystem. Dabei befinden sich drei Fünftel ihrer Nervenzellen nicht im Gehirn, sondern in den Armen. Diese können unabhängig voneinander und wahrscheinlich ohne Steuerung oder Wissen des Haupthirns Aktionen durchführen. Im Grunde besitzen Oktopusse neun Gehirne.
Gehirngröße und Intelligenz im Tierreich
Je kleiner eine Art, umso größer ist das Gehirn im Verhältnis zum Körper. Diesem Prinzip gehorchen sogar noch die winzigsten Insekten und Spinnen. Der Schweizer Arzt und Naturforscher Albrecht von Haller (1708 - 1777) beobachtete die später nach ihm benannte Regel allerdings bei den Wirbeltieren. Er bemerkte aber auch schon, dass die Größenbeziehung nur innerhalb einzelner Tierklassen oder näher verwandter Arten zutrifft, also innerhalb von taxonomischen Einheiten. Denn zwei gleich große Organismen aus ganz verschiedenen Tiergruppen müssen durchaus nicht gleich große Gehirne besitzen.
Bisher haben Biologen für die hallersche Regel keine wirklich zufriedenstellenden Erklärungen gefunden - also dafür, dass die Hirngröße relativ zunimmt, wenn Tiere schrumpfen. Noch weniger verstehen sie das Phänomen der voneinander abweichenden allometrischen Linien im Tierreich. Wieso konnten so viele Evolutionslinien der wirbellosen Tiere deutlich kleinere Gehirne erfinden, als es ihrer Herkunft entsprach?
Kognitive Flexibilität bei Krähen: Parallelen zu Primaten
Krähen sind bekannt für ihre Intelligenz und Problemlösungsfähigkeiten. Sie verstehen, welche Kausalzusammenhänge ihrem Werkzeuggebrauch zu Grunde liegen und wählen nicht immer das längste Stöckchen aus, sondern genau das, welches für die jeweilige Aufgabe benötigt wird.
Für eine Studie untersuchten Forscher die kognitive Flexibilität von Krähen mit einer Regelaufgabe, bei der die Regeln "gleich" und "ungleich" im ständigen Wechsel angewendet werden mussten. Die Krähen lernten schnell, sich an die neuen Regeln anzupassen und lösten nahezu jeden Versuchsdurchlauf richtig. Das ist eine Aufgabe, die auch uns Menschen nicht immer leicht fällt.
Im Gehirn der Krähen wurden Nervenzellen beobachtet, die die Verhaltensregel anzeigten: Manche Zellen erhöhten ihre Aktivität nur bei der Aufgabe "gleich", andere bei "ungleich". Diese Nervenzellen repräsentierten die aktuellen Spielregeln auf einem sehr abstrakten Niveau. Zellen dieser Art waren bisher nur aus dem Präfrontalkortex der Affen bekannt. Im Krähengehirn fanden die Forscher die Regelzellen im Gebiet Nidopallium caudolaterale, das dem Präfrontalkortex in vielen wichtigen Eigenschaften ähnelt.
Das bedeutet, dass die Art, wie die Nervenzellen die abstrakten Regeln kodieren, unabhängig voneinander entstanden sein muss. Diese Situation kann man mit den Flügeln der Vögel und Fledermäuse vergleichen: Beide stammen von Vorderextremitäten ab. Aber die funktionelle Form der Flügel haben Vögel und Fledermäuse unabhängig voneinander "erfunden", so wie sich die Arbeitsweise der Hirngebiete für komplexe kognitive Aufgaben unabhängig voneinander aus der gemeinsamen Gesamtstruktur herausgebildet hat.
Die Umlagerung im Tierstammbaum: Rippenquallen an der Basis
Eine neue Studie hat die traditionelle Sicht auf den Tierstammbaum in Frage gestellt. Chromosomen-Analysen deuten darauf hin, dass nicht die Schwämme, sondern die Rippenquallen die urtümlichsten und ältesten mehrzelligen Tiere sind.
Für ihre Studie verglichen Schultz und sein Team die Syntenie bei zwei Schwamm-Arten, zwei Rippenquallen und drei Einzellern. Das Ergebnis: Die Rippenquallen stimmten in ihrem Muster der Genverteilung am stärksten mit den einzelligen Vergleichsgruppen überein. "Schwämme, Bilateria und Nesseltiere teilten dagegen abgeleitete chromosomale Umgruppierungen miteinander", berichten die Forschenden.
Die Ergebnisse stützen demnach das Szenario, nachdem die Rippenquallen an der Basis des Tierstammbaums stehen. Sie bilden daher die Schwestergruppe aller anderen heute lebende Tiergruppen. Die Schwämme spalteten sich dagegen erst als zweite Gruppe vom Rest ab.
Weitere bemerkenswerte Anpassungen im Tierreich
Neben den bereits genannten Beispielen gibt es unzählige weitere faszinierende Anpassungen im Tierreich. Einige davon sind:
- Der extreme Geschlechtsdimorphismus der Löcherkraken: Die Männchen dieser Krakenart sind nur 3 cm groß, während die Weibchen bis zu 2 m erreichen können.
- Die Tarnungsfähigkeit der Tintenfische: Tintenfische können ihre Farbe und Textur ändern, um sich perfekt an ihre Umgebung anzupassen.
- Die Rekorde im Tierreich: Das schnellste Landsäugetier ist der Gepard, der schnellste Vogel der Wanderfalke und das gefährlichste Tier die Mücke.