Et 508 millioner år gammelt havrovdyr med et knivhoved

Palæontologer ved University of Toronto (U of T) og Royal Ontario Museum (ROM) i Toronto har fuldstændig genbesøgt et lille, men usædvanligt voldsomt gammelt havdyr kaldet Habelia optata det har forvirret videnskabsmænd, siden det først blev opdaget for mere end et århundrede siden.

Forskningen af ​​hovedforfatteren Cédric Aria, nyuddannet ph.d.-uddannelse i afdelingen for økologi &evolutionær biologi på Det Kunst- og Naturvidenskabelige Fakultet ved U of T, og medforfatter Jean-Bernard Caron, seniorkurator for hvirvelløse palæontologi ved ROM og en lektor i afdelingerne for økologi &evolutionær biologi og geovidenskab ved U of T, udgives i dag i BMC Evolutionær Biologi .

Cirka 2 cm lang med en hale lige så lang som resten af ​​kroppen, den for længst uddøde Habelia optata tilhører gruppen af ​​hvirvelløse dyr kaldet leddyr, som også inkluderer så velkendte væsner som edderkopper, insekter, hummere og krabber. Den levede i den midterste kambriske periode for cirka 508 millioner år siden og kommer fra den berømte Burgess Shale fossilforekomst i British Columbia. Habelia optata var en del af "den kambriske eksplosion, "en periode med hurtig evolutionær forandring, da de fleste større dyregrupper først dukkede op i fossiloptegnelsen.

Som alle leddyr, Habelia optata har en segmenteret krop med ydre skelet og leddede lemmer. Hvad der forblev uklart i årtier, imidlertid, var den vigtigste undergruppe af leddyr, som Habelia tilhørte. Tidlige undersøgelser havde nævnt mandibulater - en hyperdiverse afstamning, hvis medlemmer har antenner og et par specialiserede vedhæng kendt som mandibler, normalt bruges til at forstå, klemme og knuse deres mad. Men Habelia blev senere efterladt som en af ​​de typisk uafklarede leddyr i Burgess-skiferen.

Den nye analyse fra U af T-ROM-forskere tyder på det Habelia optata var i stedet en nær slægtning til forfaderen til alle chelicerater, den anden undergruppe af leddyr, der lever i dag, opkaldt efter tilstedeværelsen af ​​vedhæng kaldet chelicerae foran munden og bruges til at skære mad. Dette skyldes hovedsageligt hovedets overordnede anatomi Habelia , og tilstedeværelsen af ​​to små chelicerae-lignende vedhæng afsløret i disse fossiler.

" Habelia viser nu meget detaljeret den kropsarkitektur, hvorfra chelicerater opstod, som giver os mulighed for at løse nogle langvarige spørgsmål, " sagde Aria, som nu er post-doc forsker ved Nanjing Institute of Geology and Palaeontology, i Kina. "Vi kan nu forklare hvorfor for eksempel, hesteskokrabber har et reduceret par lemmer - chilaria - på baghovedet. Det er relikvier af fuldt dannede vedhæng, da chelicerater oprindeligt synes at have haft hoveder med ikke mindre end syv par lemmer."

Aria og Caron analyserede i alt 41 prøver, hvoraf størstedelen er nye eksemplarer erhvervet af ROM-ledede feltarbejde parter til Burgess Shale.

Forskningen illustrerer, at den velpansrede krop af Habelia optata , dækket af et væld af forskellige rygsøjler, var opdelt i hoveder, thorax og post-thorax, alle med forskellige typer vedhæng. Thorax viser fem par gåben, mens post-thorax huser afrundede vedhæng sandsynligvis brugt i respiration.

"Skorpioner og de nu uddøde havskorpioner er også chelicerater med kroppe opdelt i tre forskellige områder, " Aria forklarede. "Vi mener, at disse regioner stort set svarer til dem i Habelia . Men en stor forskel er, at skorpioner og havskorpioner, som alle chelicerater, bogstaveligt talt 'gå på deres hoveder, ' mens Habelia havde stadig gående vedhæng i thorax."

Forskerne hævder, at denne forskel i anatomi tillod Habelia at udvikle et særligt komplekst hoved, der gør denne fossile art endnu mere ejendommelig sammenlignet med kendte chelicerater. Lederen af Habelia indeholdt en serie på fem vedhæng lavet af en stor plade med tænder til tygning, en benlignende gren med stive børstehårlignende rygsøjler til at gribe om, og en langstrakt, slank gren modificeret som et sensorisk eller taktilt vedhæng.

"Dette komplekse apparat af vedhæng og kæber lavet Habelia et usædvanligt voldsomt rovdyr for sin størrelse, " sagde Aria. "Den var sandsynligvis både meget mobil og effektiv til at rive sine bytte fra hinanden."

Det overraskende resultat af denne undersøgelse, på trods af det evolutionære forhold mellem Habelia med chelicerater, er, at disse usædvanlige karakteristika fik i stedet forskerne til at sammenligne lederen af Habelia med mandibulater fra et funktionelt perspektiv. Dermed, de ejendommelige sansegrene kan være blevet brugt på samme måde som mandibulater bruger antenner. Også, de overlappende pladelignende vedhæng i den midterste serie af fem er vist at åbne og lukke parallelt med undersiden af ​​hovedet - meget som de gør i mandibulater, især dem, der lever af dyr med hærdede skjold.

Til sidst, et syvende par vedhæng bag på hovedet synes at have udfyldt en funktion svarende til "maxillipeds" - vedhæng i underkæbene, der hjælper med de andre hovedlemmer i forarbejdningen af ​​føde. Denne brede overensstemmelse i funktion snarere end i evolutionær oprindelse kaldes "konvergens".

"Fra et evolutionært synspunkt, Habelia er tæt på punktet for divergens mellem chelicerater og mandibulater, " sagde Aria. "Men dens ligheder med mandibulater er sekundære modifikationer af funktioner, der til dels allerede var cheliceret i naturen. Dette tyder på, at chelicerater stammer fra arter med en høj strukturel variation."

Forskerne konkluderer ud fra den fremragende hovedstruktur, samt fra veludviklede gangben, at Habelia optata og dets slægtninge var aktive rovdyr på de kambriske havbunde, på jagt efter små shelly havdyr, såsom små trilobitter - leddyr med hårde, mineraliserede exoskeletter, der allerede var meget forskellige og rigelige i kambriumtiden.

"Dette bygger på betydningen af ​​skjold og skaller for evolutionære forandringer under den kambriske eksplosion, og udvider vores forståelse af økosystemer på dette tidspunkt, viser et andet niveau af rovdyr-bytte-forhold og dets afgørende indflydelse på opkomsten af ​​leddyr, som vi kender dem i dag, " sagde Caron, som var Arias ph.d.-vejleder, da størstedelen af ​​denne forskning var afsluttet.

"Udseendet og spredningen af ​​dyr med skaller anses for at være et af de definerende kendetegn ved den kambriske eksplosion, og Habelia bidrager til at illustrere, hvor vigtig denne økologiske faktor var for den tidlige diversificering af chelicerater og leddyr generelt."

Resultaterne er beskrevet i undersøgelsen "Mandibulatkonvergens i et pansret kambrisk stammekelicerat, " hvor Habelia optata bringes til live af billedkunstneren og videnskabelig illustrator Joanna Liang med animationer, der skildrer den spektakulære kropsarkitektur og komplekse fødemekanisme af dette fossil. Liang samarbejdede med Aria og Caron om at producere animationerne som en del af hendes master of science-afhandling i biomedicinsk kommunikation på U of T under supervisor Dave Mazierski.