439 Millionen Jahre alte fossile Zähne stellen lang gehegte Ansichten über die Evolution auf den Kopf

Seltene chinesische Zahnfossilien haben den Glauben der Wissenschaftler an die Evolution von Wirbeltieren verändert.

Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat bezahnte Fischreste entdeckt, die 439 Millionen Jahre alt sind, was darauf hindeutet, dass die Vorfahren der modernen Chondrichthyaner (Haie und Rochen) und Osteichthyaner (Strahlflossen- und Lappenfische) viel früher auftauchten als bisher angenommen.

Die Ergebnisse wurden kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift veröffentlicht Natur.

Ein abgelegener Ort in der südchinesischen Provinz Guizhou hat großartige Fossilienfunde hervorgebracht, darunter einzelne Zähne, die als zu einer neuen Art (Qianodus duplicis) primitiver Kieferwirbeltiere aus der alten Silur-Zeit (vor etwa 445 bis 420 Millionen Jahren) gehörend identifiziert wurden. Qianodus, benannt nach dem alten Namen des heutigen Guizhou, hatte ungewöhnliche spiralförmige Zahnmerkmale mit mehreren Generationen von Zähnen, die während des gesamten Lebens des Tieres eingesetzt wurden.

Eine Rekonstruktion des schwimmenden Qianodus duplicis. Kredit: IVPP

Eines der seltensten Fossilien, die an dieser Stelle gefunden wurden, waren die Zahnspiralen (oder Wirbel) von Qianodus. Aufgrund ihrer winzigen Größe, die selten 2,5 mm überschreitet, mussten sie unter Vergrößerung mit sichtbarem Licht und Röntgenstrahlen untersucht werden.

Ein bemerkenswertes Merkmal der Schriftrollen ist, dass sie ein Paar Zahnreihen enthielten, die in einem erhöhten mittleren Bereich der Basis der Schriftrolle eingesetzt waren. Diese sogenannten Milchzähne weisen ein allmähliches Größenwachstum auf, wenn sie sich dem inneren (lingualen) Wirtel nähern. Der deutliche Versatz zwischen den beiden Milchzahnreihen unterscheidet Qianodus-Wirtel von denen anderer Wirbeltiere. Obwohl zuvor nicht in den Zahnwirbeln fossiler Arten entdeckt, ist eine ähnliche Anordnung eng beieinander liegender Zahnreihen auch in den Zähnen mehrerer moderner Haie vorhanden.

Ein virtueller Schnitt entlang der Länge eines Zahnwirbels in Seitenansicht (Holotypus von Qianodus duplicis). Das Exemplar ist knapp über 2 mm lang. Kredit: Zhu, et al.

Die Entdeckung weist darauf hin, dass die bekannten Gruppen von Kieferwirbeltieren aus dem sogenannten „Zeitalter der Fische“ (vor 420 bis 460 Millionen Jahren) bereits etwa 20 Millionen Jahre früher entstanden.

„Qianodus liefert uns den ersten harten Beweis für Zähne und durch Verlängerung Kiefer aus dieser entscheidenden frühen Phase der Wirbeltierevolution“, sagte Li Qiang von der Qujing Normal University.

Im Gegensatz zu modernen Haien, die ständig ihre Zähne verlieren, glauben die Forscher, dass die Zahnwirbel von Qianodus im Mund erhalten blieben und mit dem Wachstum des Tieres an Größe zunahmen. Diese Interpretation erklärt die allmähliche Verbreiterung der Ersatzzähne und die Verbreiterung der Wirbelbasis als Reaktion auf die kontinuierliche Zunahme der Kiefergröße während der Entwicklung.

Der Schlüssel zur Rekonstruktion des Wirtelwachstums waren für die Forscher zwei Exemplare in einem frühen Stadium der Bildung, die leicht an ihren deutlich kleineren Größen und weniger Zähnen zu erkennen sind. Ein Vergleich mit den zahlreicheren ausgewachsenen Wirteln hat Paläontologen seltene Einblicke in die Mechanik der frühen Gebißentwicklung bei Wirbeltieren verschafft. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Primärzähne zuerst gebildet wurden, während die Hinzufügung von seitlichen Wirbelzähnen (Zubehörzähnen) später in der Entwicklung auftrat.

Eine Rekonstruktion von Qianodus duplicis, ein primitives Wirbeltier mit Kiefer. Bildnachweis: Zhang Heming

„Trotz ihrer Besonderheiten wurden Zahnwirtel tatsächlich in vielen Linien ausgestorbener Chondrichthyaner und Osteichthyaner gemeldet“, sagte Plamen Andreev, der Hauptautor der Studie. „Einige frühe Chondrichthyaner bauten ihr Gebiss sogar vollständig aus eng beieinander liegenden Windungen.“

Die Forscher sagen, dass dies auch bei Qianodus der Fall war. Sie kamen zu diesem Schluss, nachdem sie die kleinen Wirbel (1-2 mm lang) der neuen Art mit Synchrotronstrahlung untersucht hatten, einem CT-Scan-Verfahren, das hochenergetische Röntgenstrahlen aus einem Teilchenbeschleuniger verwendet.

„Wir waren erstaunt, als wir feststellten, dass die Zahnreihen der Wirbel eine deutliche Links- oder Rechtsverschiebung aufweisen, was auf die Positionen an den gegenüberliegenden Kieferzweigen hinweist“, sagte Professor Zhu Min vom Institut für Paläontologie der Wirbeltiere und Paläoanthropologie Chinesische Akademie der Wissenschaft.

Diese Beobachtungen werden durch einen phylogenetischen Baum gestützt, der Qianodus als nahen Verwandten ausgestorbener Chondrichthyan-Gruppen mit quirlbasierten Zähnen identifiziert.

„Unsere überarbeitete Chronologie für den Ursprung der Hauptgruppen von Kieferwirbeltieren stimmt mit der Idee überein, dass ihre anfängliche Diversifizierung im frühen Silur stattfand“, sagte Professor ZHU.

Die Qianodus-Entdeckung liefert eindeutige Beweise dafür, dass bezahnte Wirbeltiere und haiähnliche Zahnmuster Millionen von Jahren früher existierten als bisher angenommen. Die in der Studie vorgestellte phylogenetische Analyse identifiziert Qianodus als einen primitiven Chondrichthyan, was darauf hindeutet, dass Kieferfische im unteren Silur bereits recht vielfältig waren und kurz nach der Evolution der Skelettmineralisierung in Ahnenlinien entstanden.

„Dies stellt aktuelle Evolutionsmodelle für die Entstehung von Schlüsselinnovationen bei Wirbeltieren wie Zähnen, Kiefern und gepaarten Gliedmaßen in Frage“, sagte der Co-Autor der Studie, Ivan Sansom. Universität Birmingham.

Referenz: „Älteste Gnathostome-Zähne“ von Plamen S. Andreev, Ivan J. Sansom, Qiang Li, Wenjin Zhao, Jianhua Wang, Chun-Chieh Wang, Lijian Peng, Liantao Jia, Tuo Qiao und Min Zhu, 28. September 2022. Natur.
DOI: 10.1038/s41586-022-05166-2