Les livres scientifiques sont-ils faux ? Un fossile vieux de 525 millions d’années défie l’explication commune de l’évolution du cerveau

Vue d’artiste d’une lignée de cardediction vieille de 525 millions d’années sur le fond marin côtier peu profond, émergeant d’un petit abri de stromatolite construit par des bactéries photosynthétiques. Crédit : Nicholas Straussfeld/Université d’Arizona

Les fossiles d’une minuscule créature marine avec un système nerveux délicatement préservé résolvent un débat centenaire sur l’évolution du cerveau chez les arthropodes, le groupe le plus riche en espèces du règne animal, selon une nouvelle étude.

Les fossiles d’une minuscule créature marine décédée il y a plus d’un demi-milliard d’années pourraient inciter à réécrire le manuel scientifique sur l’évolution du cerveau.

Une nouvelle étude fournit la première description détaillée de caténulum du coeurUn animal ressemblant à un ver préservé dans les roches de la province du Yunnan, dans le sud de la Chine. Mesurant un demi-pouce (moins de 1,5 cm) de long et initialement découvert en 1984, le fossile recèle encore un secret crucial : un système nerveux délicatement préservé, dont le cerveau. Publié dans la revue les sciences Le 24 novembre, la recherche a été dirigée par Nicholas Strausfeld, professeur régent au département de neurosciences de l’Université de l’Arizona, et Frank Hirth, lecteur de neurosciences évolutives au King’s College de Londres.

« Pour autant que nous sachions, il s’agit du plus ancien cerveau fossilisé que nous connaissions à ce jour », a déclaré Straussfeld.

le cœur Il appartient à un groupe d’animaux éteint connu sous le nom de lobotomie, qui était abondant au début d’une période connue sous le nom de Cambrien, lorsque presque toutes les principales lignées animales sont apparues pendant une très courte période de temps entre 540 millions et 500 millions d’années. Les lobopodes se sont probablement déplacés sur le fond marin en utilisant plusieurs paires de pattes molles et trapues qui n’ont pas les articulations de leurs descendants, les euarthropodes – un mot grec pour « vrai pied articulé ». Les plus proches parents vivants actuels de la lobotomie sont les vers de velours qui vivent principalement en Australie, en Nouvelle-Zélande et en Amérique du Sud.

La série fossilisée Cardiodictyon a été découverte en 1984 parmi une variété de créatures éteintes connues sous le nom de faune Chengjian dans le Yunnan, en Chine. Sur cette photo, la tête de l’animal est à droite. Crédit : Nicholas Straussfeld/Université d’Arizona

Un débat qui remonte au XIXe siècle

fossiles le cœur Il révèle un animal avec un tronc segmenté dans lequel il y a des arrangements fréquents de structures nerveuses appelées ganglions. Ceci est en contraste frappant avec sa tête et son cerveau, qui manquent tous deux de toute preuve de segmentation.

« Cette anatomie était complètement inattendue car les têtes et les cerveaux des arthropodes modernes, et certains de leurs ancêtres fossilisés, pendant plus de cent ans ont été considérés comme fragmentaires », a déclaré Strausfeld.

Selon les auteurs, cette découverte résout un débat long et houleux sur l’origine et la formation du céphalothorax chez les arthropodes, le groupe le plus riche en espèces au monde dans le règne animal. Les arthropodes comprennent les insectes, les crustacés, les araignées et d’autres araignées, ainsi que certaines autres lignées telles que les mille-pattes et les mille-pattes.

« Depuis les années 1880, les biologistes ont noté l’aspect distinctement segmenté du tronc typique des arthropodes, extrapolant cela principalement à la tête », a déclaré Heath. « C’est ainsi que le champ est venu à l’hypothèse que la tête est une extension antérieure d’un torse segmenté. »

« Mais le cœur Cela montre que la tête précoce n’était pas segmentée, et son cerveau non plus, ce qui indique que le cerveau et le système nerveux du tronc se sont probablement développés séparément », a déclaré Strausfeld.

Tête fossile de la série Cardiodictyon (avant droit). Les dépôts violets indiquent des structures cérébrales fossilisées. Crédit : Nicholas Straussfeld

Les cerveaux ne s’ossifient pas

le cœur Il faisait partie de la faune du Zhengjiang, un célèbre gisement de fossiles de la province du Yunnan découvert par le paléontologue Xianguang Hu. Les corps mous et délicats de la lobotomie ont été bien conservés dans les archives fossiles, mais sinon le cœur Aucun n’a été examiné pour sa tête et son cerveau, peut-être parce que les lobules sont généralement petits. Pièces en surbrillance le cœur Il s’agissait d’une série de structures triangulaires en forme de selle qui définissaient chaque segment et servaient de points d’attache pour les paires de pattes. Ceux-ci se trouvent dans des roches plus anciennes datant de l’avènement de la période cambrienne.

« Cela nous indique que les lobopodes blindés étaient probablement les arthropodes les plus anciens », a déclaré Strausfeld, même avant les trilobites, un groupe emblématique et diversifié d’arthropodes marins qui s’est éteint il y a environ 250 millions d’années.

« Jusqu’à très récemment, la compréhension commune était que les cerveaux ne se fossilisent pas », a déclaré Heath. « Donc, vous ne vous attendriez pas à trouver un fossile avec un cerveau préservé en premier lieu. Et deuxièmement, cet animal est si petit que vous n’oseriez même pas le regarder dans l’espoir de trouver un cerveau. »

Cependant, les travaux des 10 dernières années, dont une grande partie a été réalisée par Strausfeld, ont identifié de nombreux cas de cerveaux conservés dans une variété d’arthropodes fossilisés.

Plan d’étage génétique commun pour fabriquer un cerveau

Dans leur nouvelle étude, les auteurs ont non seulement identifié un cerveau le cœur Mais nous l’avons également comparé à des fossiles connus et à des arthropodes vivants, notamment des araignées et des mille-pattes. En combinant des études anatomiques détaillées des lobopodes fossiles avec des analyses des modèles d’expression génique chez leurs descendants vivants, ils ont conclu qu’un modèle commun d’organisation cérébrale a été préservé de la période cambrienne jusqu’à aujourd’hui.

« En comparant les modèles d’expression génique connus chez les espèces vivantes, nous avons identifié une signature commune pour tous les cerveaux et comment ils se forment », a déclaré Heath.

dans le cœurTrois domaines cérébraux sont associés à une paire distincte d’appendices céphaliques et à l’un des trois segments du tube digestif antérieur.

Heath a ajouté: « Nous avons réalisé que chaque zone du cerveau et ses caractéristiques correspondantes sont déterminées par les mêmes gènes combinés, quelle que soit l’espèce que nous avons examinée. » « Cela a suggéré un plan d’étage génétique commun pour fabriquer un cerveau. »

Leçons pour le développement du cerveau des vertébrés

Hirth et Straussfeld affirment que les principes décrits dans leur étude peuvent s’appliquer à d’autres organismes en dehors des arthropodes et de leurs parents immédiats. Cela a des implications importantes, ont-ils déclaré, lors de la comparaison du système nerveux des arthropodes avec celui des vertébrés, qui présentent une architecture tout aussi distinctive dans laquelle le cerveau antérieur et le cerveau moyen sont génétiquement et développementalement différents de la moelle épinière.

Leurs découvertes fournissent également un message de communication à un moment où la planète change radicalement sous l’influence des changements climatiques, a déclaré Strausfeld.

« A l’heure où des événements géologiques et climatiques majeurs refaçonnent la planète, de simples animaux marins comme… le cœur Il a donné naissance au groupe d’organismes le plus diversifié au monde – les euarthropodes – qui se sont finalement répandus dans tous les habitats naissants de la Terre, mais sont maintenant menacés par des espèces éphémères. « 

Référence : « Lobopode Cambrien inférieur le cœur Décide de l’origine des cerveaux d’orthopodes » par Nicholas J. Straussfeld, Xiangwang Hu, Marcel E. Sayre et Frank Hirth, 24 novembre 2022, disponible ici. les sciences.
DOI : 10.1126/science.abn6264

L’article a été co-écrit par Xianguang Hou du Yunnan Key Laboratory of Paleontology de l’Université du Yunnan à Kunming, en Chine, et Marcel Sayer, qui a des nominations à l’Université de Lund à Lund, en Suède, et au Département des sciences biologiques de l’Université Macquarie à Sydney.

Ce travail a été financé par la National Science Foundation, le University of Arizona Regents Fund et le UK Biotechnology and Biological Sciences Research Council.