Wie die Knochenstruktur von Reptilien neue Einblicke in die Evolutionsgeschichte gewährt

(30.11.2020) Ein internationales Forschungsteam um den Evolutionsbiologen Roy Ebel am Museum für Naturkunde Berlin analysierte das Schädeldach von Reptilien mittels Computertomografie (CT).

Die Mehrheit der untersuchten Exemplare stammt aus der Forschungssammlung des Hauses. Die im Fachjournal BMC Biology publizierte Studie deckt hier einen bislang unbekannten Fall konvergenter Evolution auf.

Museum für Naturkunde Dabei entstehen sehr ähnliche Körperstrukturen aus sehr unterschiedlichen Vorläufern, wie zum Beispiel die Flügel der Vögel, Fledermäuse und Insekten. Die Studie, deren Daten öffentlich zugänglich sind, gestattet außerdem völlig neue Einblicke in die Lebensweise ausgestorbener Arten.

Woher entstammt die Diversität der Landwirbeltiere? Diese Kernfrage der Evolutionsforschung ist in Zeiten anthropogenen Wandels und Artensterbens relevanter denn je. Eine zentrale Rolle bei der Entstehung der verschiedenartigsten Gestalten im Tierreich spielen Anpassungen an unterschiedliche Umweltbedingungen und Lebensweisen.

"Wir waren jedoch nicht dabei, als evolutionsgeschichtliche Schlüsselereignisse vor Jahrmillionen das Schicksal ganzer Abstammungslinien bestimmten. Deshalb ist 160 Jahre nach Darwins Evolutionstheorie unser Verständnis bestimmter Mechanismen immer noch lückenhaft", erklärt Roy Ebel, Erstautor und Gastwissenschaftler am Museum für Naturkunde Berlin.

Um die Wechselbeziehung zwischen Lebensweise, Gestalt und Evolution der Wirbeltiere besser zu verstehen, hat sich das Forschungsteam der Untersuchung des Schädeldaches von Echsen und Schlangen zugewandt. Die große Mehrheit der untersuchten Objekte stammt aus der Forschungssammlung des Museums für Naturkunde Berlin.

"Wir wollten nachvollziehen, inwieweit die Knochenstruktur bestimmte Lebensweisen widerspiegelt", so Ebel. Viele dieser Schuppenkriechtiere nutzen ihren Schädel als Grabwerkzeug. Dennoch wurde diese Frage bislang nie systematisch beleuchtet. In ihrer Studie rekonstruierten die Wissenschaftler daher mittels aufwändiger Simulationen die Entstehung einer solchen grabenden Lebensweise über eine Zeitspanne von 240 Millionen Jahren. "Zu unserem Erstaunen stellten wir fest, dass das Graben unter den Schuppenkriechtieren 54 Mal unabhängig voneinander entstanden ist", so Ebel.

"Dieser Verwandtschaftskreis eignet sich daher besonders gut als Modellsystem für die Untersuchung von konvergenter Evolution."

Im zweiten Schritt der Studie verglich das Forscherteam die Struktur des Schädeldaches zwischen Echsen und Schlangen verschiedener Lebensweisen. Hierfür wurde ein hochauflösendes Mikro-CT zur 3D-Visualisierung der Schädelknochen und ein neues, effektives Verfahren zur Datenauswertung eingesetzt.

Sämtliche digitalen Messungen und Auswertungen an den 3D-Volumina wurden im CT-Labor des Museums für Naturkunde Berlin durchgeführt. Der Umfang der Studie lässt Rückschlüsse auf den gesamten Verwandtschaftskreis mit über 11.000 Arten zu.

"Für grabende Echsen und Schlangen können wir nun sagen, dass diese mehrfach unabhängig voneinander ein besonders dichtes und kompaktes Schädeldach entwickelt haben", fasst Ebel die Ergebnisse zusammen. In ihrer Studie identifiziert das Forscherteam außerdem typische Proportionen des Schädels und zwischen den Knochen des Schädeldaches als konvergent entstandenen Anpassungen an die Lebensweise.

Die Wissenschaftler haben hiermit einen ganz neuen Fall konvergenter Evolution aufgedeckt: es haben sich als Antwort auf die Lebensweise sehr ähnliche Strukturen in völlig verschiedenen Abstammungslinien herausgebildet.

Solche unabhängig entstandenen Ähnlichkeiten spiegeln eine bestimmte Funktion wieder und können daher nicht zur Rekonstruktion von Verwandtschaftsbeziehungen genutzt werden.

"Dennoch oder gerade deshalb" so Ebel "ist die Kenntnis hiervon umso wichtiger. Wir können jetzt anhand der Schädelstruktur in die graue Vorzeit blicken und die Lebensweise von Reptilien nachvollziehen, die vor vielen Millionen Jahren ausgestorben sind. Die Evolutionsgeschichte bestimmter Abstammungslinien erscheint damit in völlig neuem Licht."

Dies trifft insbesondere auf Schlangen zu, deren Ursprung seit Jahrzehnten Gegenstand kontroverser Debatten ist.

Die Ergebnisse der Studie könnten aber auch über den untersuchten Verwandtschaftskreis hinaus von Bedeutung sein. Eine grabende Lebensweise spielte nach neueren Erkenntnissen eine Schlüsselrolle in der Evolutionsgeschichte der Schildkröten und bestimmter Amphibien.

Hierzu erklärt Ebel: "Aktuelle Studien legen sogar nahe, dass unsere eigenen Vorfahren, also die Stammlinie der Säugetiere, das größte Massenaussterben der Erdgeschichte am Ende des Perms vor etwa 250 Millionen Jahren nicht überstanden hätten, wären sie nicht zu einer grabenden Lebensweise übergegangen. Solche historische Wandel in der Lebensweise nachvollziehen zu können ist daher von unschätzbarem Wert."

Alle Scans werden mit der Publikation des Papers über das Data Repository des Museums für Naturkunde Berlin zugänglich gemacht und stehen damit Forschenden weltweit zur Verfügung

Publikation

Ebel, R., Müller, J., Ramm, T., Hipsley, C., & Amson, A. (2019). First evidence of convergent lifestyle signal in reptile skull roof microanatomy. BMC Biology. DOI: 10.1186/s12915-020-00908-y.


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