Vor mehr als einer halben Milliarde Jahren schuf die Natur Neuronen, Zellen, die Reize empfangen, verarbeiten und weiterleiten können. Die Evolution des Nervensystems ist ein faszinierendes Thema, das Einblicke in die Entwicklung von Intelligenz, Verhalten und Bewusstsein bietet. Dieser Artikel vergleicht das Nervensystem von Seeanemonen mit dem des Menschen, um die evolutionären Veränderungen und Gemeinsamkeiten hervorzuheben.
Die Grundlagen des Nervensystems
Das Nervensystem ermöglicht es Organismen, auf Reize in ihrer Umgebung zu reagieren. Selbst einfache Kreaturen wie das Darmbakterium Escherichia coli sind fähig, auf Reize sinnvoll zu reagieren. Werden diese Rezeptoren gereizt, erzeugen sie chemische Signale, die den Einzeller veranlassen, sich mit seinen propellerartigen Geißeln in die günstigste Richtung zu bewegen - etwa hin zum Futter oder weg von der Gefahr.
Die Entstehung von Nervenzellen
Ein Schwamm, der weder auf die Jagd geht noch vor Feinden flüchten kann, benötigt keine Signalleitungen - folglich hat er keine Neurone. Die mobilen, räuberischen Quallen hingegen gehören zu den ältesten heute noch existierenden Organismen, die über ein einfaches Nervensystem verfügen. Die Stammesgeschichtlich alten, wirbellosen Quallen haben kein Gehirn. Vielmehr brauchen sie eine Instanz, welche die Informationen aus unterschiedlichen Körperregionen zusammenführt, ein Ergebnis daraus ableitet und die Reaktion steuert. Konsequenterweise führte die Evolution im Verlauf der Entwicklung zwischen Schwämmen und Quallen eine Neuerung ein: die Nervenzellen (Neurone).
Die Entwicklung des Gehirns
Im Gegensatz zu radialsymmetrischen Tieren wie Quallen oder Seesternen lassen sich bei Würmern bereits vorn und hinten unterscheiden - und das bedeutete einen gewaltigen Sprung bei der Evolution des Gehirns. Schlägt ein Tier bevorzugt eine Richtung ein, also vorwärts, ist es sinnvoll, wenn sich ein Großteil seiner Nerven und Sinneszellen am vorderen Ende konzentriert. Die Plattwürmer zählen zu den einfachsten Kreaturen, bei denen sich dieser Bauplan beobachten lässt: Vorn sitzt ein Kopf, und darin ruht das Gehirn. Natürlich konnte das Hinterteil des Wurms nicht ganz auf Nervenzellen verzichten, schließlich musste auch dieses dem Gehirn Signale aus seiner Umwelt melden.
Etwas weiter entwickelte Tiere wie die Ringelwürmer und die später entstandenen Insekten besitzen in Segmente gegliederte Körper. Jeder Abschnitt hat zwei Nervenknoten (Ganglien), die wie Minihirne das jeweilige Segment steuern. Die Ganglien sind zu einer strickleiterartigen Struktur verknüpft, die in den Kopf führt.
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Die ersten Wirbeltiere, die vor etwa 500 Millionen Jahren auftraten, hatten Ähnlichkeit mit den heutigen, fischähnlichen Neunaugen. Sie besaßen bereits eine Schädelkapsel, die das empfindliche Gehirn schützte. Bei allen äußeren Unterschieden ist das Hirn bei Fisch und Vogel, Ratte und Mensch grundsätzlich ähnlich konzipiert: Der Hirnstamm steuert lebenserhaltende Funktionen wie Herzschlag und Atmung, das Kleinhirn koordiniert unter anderem Bewegungen, und das Vorderhirn dient anspruchsvollen Aufgaben wie Planen, Bewerten von Informationen und Entscheiden.
Das Nervensystem der Seeanemone
Seeanemonen gehören zu den Nesseltieren (Cnidaria) und 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. Sie haben kein Blut, kein Hirn und kein Herz und sind doch Organismen der Superlative: die Nesseltiere, wissenschaftlich Cnidaria genannt, gemeinhin wohl besser als Seeanemonen, Quallen und Korallen bekannt.
Der genetische Fingerabdruck der Seeanemone Nematostella vectensis zeigt, dass die Vertreter dieses evolutionär sehr alten Tierstammes die gleichen Genkaskaden für die Differenzierung von neuronalen Zelltypen benutzen wie komplexere Organismen und lebenslang für das Gleichgewicht aller Zellen im Organismus verantwortlich sind.
Die Gruppe um den evolutionären Entwicklungsbiologen Ulrich Technau hat die Diversität und Entwicklung aller Nerven- und Drüsenzelltypen und ihrer Entwicklungsmechanismen in der der Seeanemone Nematostella vectensis entschlüsselt. Zur Anwendung kam dabei die Methode der Single Cell Transcriptomics, die in den letzten zehn Jahren die Biomedizin und Evolutionsbiologie revolutioniert hat. „Dabei können ganze Organismen in Einzelzellen aufgelöst- und die Gesamtheit aller aktuell exprimierten Gene in jeder einzelnen Zelle entschlüsselt werden. Verschiedene Zelltypen unterscheiden sich merklich durch die exprimierten Gene. Deshalb kann durch Single Cell Transcriptomics der molekulare Fingerabdruck jeder einzelnen Zelle ermittelt werden“, erklärt Julia Steger, Erstautorin der aktuellen Publikation.
In der Studie wurden Zellen mit einem überlappenden Fingerabdruck gruppiert. Damit konnten die Wissenschafterinnen definierte Zelltypen oder Übergangsstadien in der Entwicklung unterscheiden, die jeweils einzigartige Expressionskombinationen aufweisen. Das erlaubte den Forscherinnen auch die gemeinsamen Vorläufer- und Stammzellpopulationen der verschiedenen Gewebetypen zu identifizieren. Überraschenderweise fanden sie, dass entgegen früherer Annahmen Nervenzellen, Drüsen- und Nesselzellen aus einer gemeinsamen Vorläuferpopulation stammen, was durch genetische Markierungen in lebenden Tieren verifiziert werden konnte. Da auch bei Wirbeltieren einige Drüsenzellen mit neuronalen Funktionen bekannt sind, könnte dies auf eine evolutionär sehr alte Verwandtschaft von Drüsenzellen und Neuronen hinweisen.
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Ein Gen spielt bei der Entwicklung dieser Zellen eine besondere Rolle. SoxC ist in allen Vorläuferzellen von Nerven-, Drüsen- und Nesselzellen exprimiert und essentiell für die Bildung all dieser Zelltypen, wie die Autoren in Knockdown-Experimenten zeigen konnten. Dazu Technau: „Interessanterweise ist dieses Gen kein Unbekannter: Es spielt auch beim Menschen und vielen anderen Tieren eine wichtige Rolle in der Bildung des Nervensystems, was zusammen mit anderen Daten zeigt, dass die wichtigsten regulatorischen Mechanismen der Nervenzelldifferenzierung über das gesamte Tierreich konserviert sind“.
Die Autor*innen fanden zudem durch den Vergleich von verschiedenen Lebensstadien, dass die genetischen Abläufe der Nervenzellentwicklung vom Embryo bis zum adulten Organismus beibehalten werden und damit zum Gleichgewicht der Nervenzellen durch das ganze Leben von Nematostella vectensis beitragen. Dies ist bemerkenswert, weil die Seeanemone im Gegensatz zum Menschen fehlende oder beschädigte Nervenzellen zeitlebens wieder ersetzen können. Für die zukünftige Forschung ergibt sich daraus die Frage, wie die Seeanemone es schafft, diese Mechanismen, die bei komplexeren Lebewesen nur im embryonalen Stadium vorkommen, in kontrollierter Weise bis in den ausgewachsenen Organismus fortzusetzen.
Das menschliche Nervensystem
Das menschliche Nervensystem ist ein hochkomplexes Netzwerk von Nervenzellen, das die Kommunikation zwischen verschiedenen Körperteilen ermöglicht und die Steuerung von Verhalten, Denken und Emotionen ermöglicht. Es besteht aus dem zentralen Nervensystem (ZNS), das Gehirn und Rückenmark umfasst, und dem peripheren Nervensystem (PNS), das die Nerven umfasst, die das ZNS mit dem Rest des Körpers verbinden.
Das Gehirn ist das Kontrollzentrum des Nervensystems und besteht aus verschiedenen Regionen, die für unterschiedliche Funktionen verantwortlich sind. Der Hirnstamm steuert lebenserhaltende Funktionen wie Atmung und Herzschlag, das Kleinhirn koordiniert Bewegungen, und das Vorderhirn ist für höhere kognitive Funktionen wie Denken, Planen und Entscheiden zuständig.
Der Fortschritt hin zu immer mehr Leistung, Lernbereitschaft und zu komplexeren Fähigkeiten ist in erster Linie dem Aufblähen einer äußeren Schicht des Vorderhirns, der Großhirnrinde, zu verdanken. Ihr stammesgeschichtlich jüngster Teil wird Neokortex genannt und existiert nur bei Säugetieren. Könnte man die Großhirnwindungen im menschlichen Kopf glätten, würden sie eine Fläche von vier DIN-A4-Blättern bedecken - viermal so groß wie beim Schimpansen.
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Gemeinsamkeiten und Unterschiede
Obwohl sich das Nervensystem von Seeanemonen und Menschen in ihrer Komplexität stark unterscheiden, gibt es auch einige Gemeinsamkeiten. Beide Systeme nutzen Nervenzellen, um Informationen zu übertragen, und beide Systeme nutzen chemische Signale (Neurotransmitter), um die Kommunikation zwischen Nervenzellen zu ermöglichen.
Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass Seeanemonen kein zentrales Nervensystem haben, während Menschen ein hoch entwickeltes Gehirn und Rückenmark besitzen. Dies ermöglicht es Menschen, viel komplexere Verhaltensweisen und kognitive Fähigkeiten zu entwickeln als Seeanemonen.
Tatsächlich haben die Menschen in den vergangenen 35 000 Jahren sogar an Hirnmasse verloren. Im Laufe der menschlichen Entwicklungsgeschichte nahm vor allem der stirnnahe Teil der Großhirnrinde zu. Die Natur als Architekt baute nicht nur immer neue Zimmer und Säle an ihre Gehirnkomplexe - sie riss ungenutzte Räume auch kompromisslos wieder ab. Und auch dafür, dass ein einmal erworbenes Hirn wieder verloren gehen kann, kennt die Naturgeschichte Beispiele: Der Bandwurm, ein Nachfahr des ersten Plattwurms mit seinem Nervenknoten im Kopf, klammert sich im menschlichen Darm fest, lebt also in einem komfortablen, sicheren Ökosystem mit reichem Nahrungsangebot.
Evolutionäre Implikationen
Der Vergleich des Nervensystems von Seeanemonen und Menschen verdeutlicht die evolutionären Veränderungen, die zur Entwicklung komplexer Nervensysteme geführt haben. Die Entstehung von Nervenzellen, die Entwicklung eines zentralen Nervensystems und die Zunahme der Gehirngröße sind allesamt wichtige Schritte in der Evolution von Intelligenz und Verhalten.
Die Forschung an einfachen Nervensystemen wie dem der Seeanemone kann uns helfen, die grundlegenden Mechanismen der neuronalen Funktion zu verstehen und Einblicke in die Entstehung komplexerer Nervensysteme zu gewinnen.
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