"Reptilien-Seekühe" mit Zwerchfell

Künstlerische Darstellung der Caseiden. Illustration: Frederik Spindler in Lambertz et al. (2016) Ann. N.Y. Acad. Sci. doi:10.1111/nyas.13264. © The New York Academy of Sciences

Ein fassartiger Rumpf, ein kurzer Hals und breite Füße: Zuerst hielt man die Caseiden aus der Zeit bis vor etwa 250 Millionen Jahren für so etwas wie Reptilien-Kühe - Weidetiere. Doch eine neue Untersuchung ihrer Fossilien belegt nun: Es handelte sich eher um "Seekühe" – sie lebten im Wasser. Dieser Befund führte wiederum zu einer weiteren spannenden Schlussfolgerung: Der Atemmuskel der heutigen Säugetiere - das Zwerchfell - muss rund 50 Millionen Jahre früher entstand sein als bislang angenommen.

"Die Evolution hat seltsame Tiere hervorgebracht – so wie die Caseiden", sagt Markus Lambertz von der Universität Bonn. Seit ihrer Erstbeschreibung 1910 dachte man, dass es sich um landlebende Pflanzenfresser gehandelt hat, die vor rund 300 bis 250 Millionen Jahren gemächlich die Vegetation mampften. Klar schien bisher, dass sie der Entwicklungslinie der ersten Säugetiere nahegestanden haben – es handelte sich um säugetierähnliche Reptilien. Lambertz und seine Kollegen haben sich die Fossilien dieser Wesen nun noch einmal detailliert vorgenommen. Dabei interessierte sie vor allem die Frage, wie sie mit ihrem fassartigen Rumpf geatmet haben.

"Osteoporotische" Knochen zum Schwimmen

Es zeigte sich zunächst: Ungewöhnliche Strukturen müssen die Beweglichkeit der Rippen tatsächlich deutlich eingeschränkt haben, weshalb die Caseiden durch die bei Reptilien übliche Ausdehnung des Brustkorbs nur wenig Luft einatmen konnten. Berechnungen zeigten, dass der Ventilationsapparat dadurch wenig effektiv war, aber für gemächliche Weidetiere ausreichend. Doch dann offenbarten die weiteren Untersuchungen der Fossilien eine Besonderheit: "Der Knochenbau war völlig überraschend. Er war schwammartig, wie bei den Knochen alter Menschen", sagt Lambertz. Allerdings sah auch bei Jungtieren die Knochenstruktur so aus. Den Forschern zufolge ist die Erklärung: Die Caseiden lebten hauptsächlich im Wasser. Im Wasser lebende Säugetiere  zeigen ähnlich scheinbar "osteoporotische" Knochen.  "Plötzlich machte der fassartige Rumpf mit dem kurzen Hals Sinn. Die schaufelartigen Hände und Füße wurden zum Schwimmen benutzt", so Lambertz.

Dieser Befund brachte die Forscher allerdings wieder zur Ursprungs-Frage zurück – wie atmeten die Caseiden? Klar ist: Wer sich unter der Wasseroberfläche tummelt, um nach Nahrung zu tauchen oder Partner zu finden, muss zwischendurch auftauchen und tief Luft holen. "Tauchende Wirbeltiere sind Experten darin, ihre Lungen mit Frischluft zu füllen", erklärt Co-Autor Steven Perry vom Institut für Zoologie der Universität Bonn. Ihm zufolge können beispielsweise Wale annähernd ihr gesamtes Lungenvolumen auf einmal bewegen. Die Berechnungen bei den Caseiden ergaben hingegen: Sie schafften höchstens die Hälfte – eindeutig zu wenig für eine Anpassung an einen aquatischen Lebensraum.

Sie müssen mit einem Zwerchfell geatmet haben

Daraus schließen die Forscher: Es muss zusätzlich zur Rippenbewegung eine Art "Blasebalg" bei der Atmung gegeben haben. Wirbeltiere weisen vielfältige solcher Mechanismen auf. Ein fossiles Zwerchfell konnten die Forscher zwar nicht identifizieren, da dieses weiche Gewebe kaum fossilieren kann. Doch wie sie berichten, konnten sie   alle anderen möglichen Atmungshilfen bis auf das Zwerchfell ausschließen. Beim Menschen und den übrigen Säugetieren trennt diese Muskel-Sehnen-Platte die Brust- und die Bauchhöhle. Die Muskelkontraktion des Zwerchfells führen zu Druckschwankungen in der Lunge und damit zur Atmung.

Die Forscher vermuten deshalb: Der letzte gemeinsame Vorfahre der Caseiden und der Säugetiere besaß schon vor über 300 Millionen Jahren ein Zwerchfell. "Wir wissen noch sehr wenig über diese Tiere. Es war ein langer Weg zu den Säugetieren - aber die Entstehung des Zwerchfells war wohl ein Schlüsselereignis dahin", meint Lambertz. Der frühere Ursprung des Zwerchfells, der sich in den Ergebnissen abzeichnet, erfordert nun eine Neubewertung dieser Entwicklung, sagen die Wissenschaftler.

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