319-миллионнолетняя рыба сохранила древнейший окаменелый мозг позвоночного
КТ-сканирование черепа рыбы возрастом 319 миллионов лет, найденного в угольной шахте в Англии более века назад, выявило древнейший пример хорошо сохранившегося мозга позвоночного животного.
Мозг и черепные нервы длиной около дюйма принадлежат вымершей рыбе размером с солнечника. Это открывает окно в нейроанатомию и раннюю эволюцию самой многочисленной группы современных рыб — лучепёрых, согласно исследованию под руководством Мичиганского университета, опубликованному 1 февраля в Nature.
Находка также даёт представление о сохранении мягких тканей в окаменелостях позвоночных. Большинство окаменелостей в музейных коллекциях образованы из твёрдых частей тела: костей, зубов и раковин.
Изученный мозг принадлежит Coccocephalus wildi — ранней лучепёрой рыбе, обитавшей в эстуарии и питавшейся, вероятно, мелкими ракообразными, водными насекомыми и головоногими. Лучепёрые рыбы имеют позвоночник и плавники, поддерживаемые костными лучами.
После смерти рыбы мягкие ткани её мозга и черепных нервов в процессе фоссилизации были замещены плотным минералом, сохранившим их трёхмерную структуру в мельчайших деталях.
«Важный вывод: такого рода мягкие части могут сохраняться, и они могут быть сохранены в окаменелостях, которые у нас есть уже давно — эта окаменелость известна более 100 лет», — сказал палеонтолог Мэтт Фридман, старший автор исследования.
Ведущий автор — аспирант Родриго Фигероа, выполнивший работу в рамках диссертации.
«Эта на первый взгляд невзрачная маленькая окаменелость не только показывает нам древнейший пример окаменелого мозга позвоночного, но и демонстрирует, что многие представления об эволюции мозга, основанные только на современных видах, нуждаются в пересмотре», — сказал Фигероа.
Череп из Англии — единственный известный экземпляр своего вида, поэтому в исследовании использовались только неразрушающие методы, в частности компьютерная томография (КТ).
Фридман не искал мозг, когда сканировал окаменелость. На КТ-изображении он заметил необычный объект внутри черепа, который был ярче (и, следовательно, плотнее), чем кости или окружающая порода.
Объект имел чётко определённую структуру и несколько черт, характерных для мозга позвоночных: двустороннюю симметрию, полости, похожие на желудочки, и множественные нитевидные отростки, направленные к отверстиям в черепной коробке, подобные черепным нервам.
«У него были все эти черты... Это был настолько однозначный пример, что мы решили изучить его глубже», — сказал Фридман.
Хотя сохранившаяся мозговая ткань редко встречается в окаменелостях позвоночных, у учёных больше успехов с беспозвоночными. Например, в 2021 году был описан неповреждённый мозг мечехвоста возрастом 310 миллионов лет. Сохранённый мозг родственника акулы возрастом 300 миллионов лет был описан в 2009 году. Но акулы, скаты и химеры — хрящевые рыбы, которых сегодня относительно мало по сравнению с лучепёрыми, к которым относится Coccocephalus.
Ранние лучепёрые рыбы, такие как Coccocephalus, могут рассказать учёным о начальных этапах эволюции самой разнообразной группы рыб, которая включает в себя всё — от форели до тунца, от морских коньков до камбалы.
Существует около 30 000 видов лучепёрых рыб, на которые приходится примерно половина всех видов позвоночных животных.
Окаменелость черепа Coccocephalus была найдена в слое мыльного камня, примыкающего к угольному пласту в шахте Ланкашира и впервые научно описана в 1925 году. Учёные полагают, что C. wildi была длиной 15–20 см и, судя по форме челюстей и зубов, вероятно, была хищником.
Учёные предполагают, что после смерти рыба была быстро погребена в осадках с низким содержанием кислорода, что замедлило разложение мягких тканей. Кроме того, химическая микросреда внутри черепной коробки могла способствовать сохранению тканей мозга и их замещению плотным минералом, возможно, пиритом.
Доказательством этой идеи служат черепные нервы, которые в окаменелости целы внутри черепной коробки, но исчезают при выходе из черепа.
Детальный анализ окаменелости и сравнение с мозгами современных рыб показали, что мозг Coccocephalus имеет центральное тело размером с изюмину с тремя основными областями, примерно соответствующими переднему, среднему и заднему мозгу у современных рыб. Черепные нервы отходят с обеих сторон центрального тела.
Строение мозга Coccocephalus указывает на более сложную картину эволюции мозга рыб, чем предполагалось на основе только современных видов.
Например, у всех ныне живущих лучепёрых рыб инвертированный (everted) мозг: мозг эмбриона развивается путём выворачивания тканей наружу. У всех других позвоночных эвагинированный (evaginated) мозг: нервная ткань складывается внутрь.
«В отличие от всех ныне живущих лучепёрых рыб, мозг Coccocephalus складывается внутрь. Эта окаменелость фиксирует время до того, как эта характерная черта мозга лучепёрых рыб эволюционировала», — сказал Фридман.
Сравнения с современными рыбами показали, что мозг Coccocephalus наиболее похож на мозг осетровых и веслоносов, которых часто называют «примитивными» рыбами, поскольку они отделились от всех других ныне живущих лучепёрых рыб более 300 миллионов лет назад.
Авторы подчёркивают, что открытие демонстрирует важность сохранения образцов в палеонтологических и зоологических музеях.
«Мы нашли замечательную сохранность в окаменелости, которую до этого несколько раз изучали на протяжении прошлого века. Но поскольку у нас есть новые инструменты для изучения внутреннего строения окаменелостей, они открывают нам ещё один уровень информации», — сказал Фридман.