Hvordan hajer og andre dyr udviklede elektroreception for at finde deres bytte

Mange væsner kan bruge elektriske felter til at kommunikere, fornemme rovdyr eller bedøve deres bytte med kraftige elektriske stød, men hvordan denne evne opstod, var et mysterium.

Vores nye papir, offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Palæontologi , detaljer, hvordan denne elektromodtagelse kan have udviklet sig i de tidligste rygradsdyr.

Det afslører også, hvordan helt nye slags sanseorganer var til stede i de gamle slægtninge til hajer og benfisk, de uddøde placoderm fisk.

Hvad er elektroreception, og hvordan fungerer det?

Hajer er plakatbarnet til elektromodtagelse. Nogle arter er så følsomme over for elektriske felter, at de kan detektere ladningen fra et enkelt lommelygtebatteri forbundet til elektroderne 16, 000 km fra hinanden. Hvidhajer er kendt for at reagere på ladninger på en milliontedel af en volt i vand.

Elektroreceptorerne (kendt som ampullae af Lorenzini) er geléfyldte rør, der åbner sig på overfladen af ​​hajernes hud. Inde, hvert rør ender i en pære kendt som ampulla. Hvis du fjerner huden fra hovedet på en haj, hundredvis af disse pærer kan ses.

Geléen i røret er meget ledende, som tillader det elektriske potentiale ved poreåbningen at blive overført til ampullen i bunden af ​​røret. Spændingsforskelle på tværs af membranen for hver ampul får derefter nerver til at blive aktiveret, sender signaler til hjernen.

Elektroreceptorer bruges oftest til at fange bytte, ved påvisning af elektriske felter genereret af byttet. For eksempel, dette gør det muligt for hajer at finde bytte skjult i sandet.

Nogle fisk har også udviklet kompleks elektrokommunikation, hvorved de kommunikerer gennem detektering af elektriske signaler produceret af andre fisk.

Selvom det er bedst kendt fra hajer, elektroreception er også kendt i flere obskure grupper af fisk, herunder lungefisk, coelacanter, de bizarre kimærer, og de gamle kæbeløse lampretter.

Faktisk, elektroreception er overraskende udbredt hos hvirveldyr, hvilket fik os til at søge efter dens tilstedeværelse i forfædrene til levende fisk ved at studere gamle fossiler.

Fossilt bevis for elektroreception

Højopløselige CT-scanninger gjorde det muligt for os at "digitalt dissekere" velbevarede fossiler og afsløre sensoriske systemer bevaret inde i knoglerne. Et af de bedst kendte sansesystemer hos fossile fisk er sidelinjesystemet, som registrerer trykændringer i vand. Fisk bruger dette system til at ændre retning som en gruppe uden at støde ind i hinanden, når de svømmer i en stime.

Men omkring sidelinjesystemet i nogle fossile fisk var en anden række små huller. CT-scanninger afslørede, at deres indre struktur lignede elektroreceptorer i levende fisk, og porernes position svarer til fordelingen af ​​elektroreceptorer i levende lungefisk.

Et komplekst system af forgrenede rør (nedenfor) ser ud til at have leveret nerver til elektroreceptorerne.

Disse gamle elektroreceptorsystemer ser ud til at have været særligt komplicerede hos fossile lungefisk. Lungefisk er en gammel gruppe, som stadig overlever i Australien, Afrika og Sydamerika. Ekstraordinært bevarede 400 millioner år gamle fossile lungefisk fra Australien havde snuder, der var dækket af en tæt række af disse elektroreceptorer.

Andre fossiler fra samme tidsperiode viser, at elektroreceptorsystemer kan have været ret forskellige. For eksempel, en anden gammel fisk, relateret til strålefinnede fisk kaldet Ligulalepis , har en række store gruber, der udvider sig ved bunden, som kan repræsentere klynger af elektroreceptorer.

Det ser nu ud til, at under den tidlige udvikling af hvirveldyr, elektroreceptorsystemer var forskellige og gennemgik en periode med eksperimenter.

Nogle af disse tidlige eksperimenter var vellykkede og fortsætter i dag. For eksempel, coelacanth ( Latimeria ) er en unik fligefinnet fisk, der er tættere beslægtet med landdyr end de fleste andre fisk. Det har et specialiseret elektroreceptororgan kaldet det rostrale organ sunket ind i sin hjernekasse. Dette bruges til at opdage bytte skjult i små sprækker, når coelacanth udfører sin karakteristiske "hovedstand".

Ukendte nye sansesystemer

Vores undersøgelser afslørede også hidtil ukendte sensoriske systemer i placoderm-fiskene, en uddød gruppe, der dominerede økosystemer for mellem omkring 420 millioner og 360 millioner år siden. Disse sansesystemer ser ud til at være helt unikke, selvom de ikke ligner elektroreceptorer.

Disse omfatter store huller på undersiden af ​​kinden, som vi har kaldt "Youngs apparat" til ære for den australske placoderm-forsker Dr. Gavin Young, som først illustrerede dem i detaljer fra 3-D fossiler fundet nær Burrinjuck Dam.

Selvom vi ikke kan bekræfte, hvad de blev brugt til, den kendsgerning, at disse gruber viser en nervepassage gennem knoglen, tyder på, at de kunne have huset en slags usædvanligt sansesystem.

Jo mere vi studerer de gamle kæbede placodermer, jo mere vi opdager om dem, som simpelthen ikke stemmer overens med forudsigelserne fra de tidlige forskere, der troede, at de i det væsentlige var haj-lignende.

For nylig opdagede vi, at de ældste medlemmer af gruppen havde kæber og kindben, der ligner tidlige benfisk (osteichthyans). Placoderms afslørede også oprindelsen af ​​hvirveldyrets ansigt, hvordan seksuelle organer først udviklede sig, og hvornår hvirveldyrs kopulation opstod.

Den uventede opdagelse af nye slags sansesystemer sender også et evolutionært signal om, at de ikke er haj-lignende og faktisk meget forskellige i den måde, de fornemmede deres miljø.

Vores undersøgelse af disse fascinerende fisk fortsætter, efterhånden som flere fantastiske 3-D placoderm fossiler bliver fundet fra australske steder, og fremstillet ved brug af ditigal og CT tomografiske metoder. Arbejdet er i gang her i Australien, som snart vil afsløre nye oplysninger om anatomien af ​​disse fisk, som man aldrig før havde forestillet sig.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.