Der „Neunschwänzige Fuchs“, der nicht mit menschlichen Vorfahren verwandt sein will, ist keine gute Schildkröte

Seit der Geburt der ersten Fische während der kambrischen Explosion haben die Fische eine Evolutionsgeschichte von fast 520 Millionen Jahren durchlaufen.

Im südöstlichen Teil des Südchinesischen Meeres gab es im Devon vor 410 Millionen Jahren eine Gruppe niedlicher Fische:

Sie haben einen ovalen und flachen Kopfpanzer mit vielen gezackten Stacheln am Rand des Kopfpanzers. Auf der Rückseite des Kopfpanzers befinden sich ein großes Nasenloch und ein Paar kleiner Augen, was darauf hindeutet, dass es sich um eine Gruppe bodenbewohnender Fische handelt, die möglicherweise nicht sehr schnell schwimmen. Zusätzlich zu dem nach unten gebogenen Lappen der Chorda dorsalis weist ihr Schwanz neun dicke, fingerartige Gabeln auf, von denen jede mit ordentlich angeordneten, schuppigen Flossenstrahlen bedeckt ist, was darauf hindeutet, dass es sich möglicherweise um eine Gruppe flinker Schwimmer handelt. Wir stellen Ihnen den Protagonisten vor: die Neunschwänzige Fuchsschildkröte !

Ökologische Wiederherstellungskarte der Neunschwänzigen Fuchsschildkröte (gezeichnet von Yang Dinghua)

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Kleine Fuchsschildkröte

Beweise für die Entwicklung des Hinterkopfes bei frühen Fischen

Wie der Name schon vermuten lässt, verdankt die Neunschwänzige Fuchsschildkröte ihren Namen den neun schuppigen Flossenstrahlen am Ende ihres Schwanzes.

Im Klassiker der Berge und Meere: Klassiker der Südlichen Berge heißt es: „Im Qingqiu-Berg gibt es ein Tier, das wie ein Fuchs aussieht, aber neun Schwänze hat.“ Der Schwanz der Neunschwänzigen Fuchsschildkröte ähnelt dem Schwanz des Neunschwänzigen Fuchses im oben erwähnten Shan Hai Jing.

Beschreibung des neunschwänzigen Fuchses und des menschengesichtigen Fisches im Klassiker „Berge und Meere“

Die Neunschwänzige Fuchsschildkröte ist ein sehr primitiver, kieferloser Fisch und trägt den Artnamen „Neun Schwänze“ sowie den Gattungsnamen „Fuchsschildkröte“. Er gehört zur Fischfamilie Duyun der Ordnung der Vielzweigigen Fische der Unterklasse der Panzerfische.

Panzerfische sind eine Wirbeltierart, die sehr eng mit unseren Vorfahren verwandt ist. In gewissem Sinne können sie ein Schlüsselglied im Evolutionsbaum fast aller Wirbeltiervorfahren, uns eingeschlossen, darstellen. Daher sind viele Organe, darunter auch die unseres menschlichen Kopfes, tatsächlich bei Panzerfischen zu finden.

So entstand beispielsweise unser menschliches Mittelohr aus dem ersten Kiemenpaar mit Atmungsfunktionen hinter den Augen gepanzerter Fische; die nach unten gerichteten Flossenfalten auf beiden Seiten des Unterkörpers von Panzerfischen sind die frühesten nachweisbaren Prototypen unserer Gliedmaßen; und die paarweise getrennten Nasensäcke und Hypophysen der Panzerfische sind die Voraussetzungen für die Entwicklung unserer Kiefer zum Kauen der Nahrung.

Als vollständigstes und erlesenstes Mitglied der großen Familie der Panzerfische ist die Entdeckung der Neunschwänzigen Fuchsschildkröte von offensichtlicher Bedeutung für unsere Forschung zur „Entstehung dieser Vorfahren“.

Die neunfingrige, gegabelte Schwanzflosse der Neunschwänzigen Fuchsschildkröte ist einzigartig erhalten (Foto von Gai Zhikun, illustriert von Feng Mingjuan)

Morphologische Untersuchungen haben ergeben, dass die Neunschwänzige Fuchsschildkröte einen typischen, nach unten geneigten Schwanz besitzt, den wir als Abwärtsschrägschwanz bezeichnen. Der untere Lappen der Schwanzflosse ist relativ dick und deutlich nach unten geneigt, was möglicherweise den Chorda-Lappen darstellt, der die Chorda enthält.

Wir wissen, dass sich Kieferfische aus kieferlosen Fischen entwickelt haben. Systematische Untersuchungen haben gezeigt, dass der nach unten gebogene Schwanz der Neunschwänzigen Fuchsschildkröte möglicherweise primitive Merkmale von Wirbeltieren darstellt. Der nach unten verformte Schwanz tauchte möglicherweise erstmals im Kambrium bei den kieferlosen Kunming- und Haikou-Fischen auf und blieb bei den heute noch lebenden Rundmäulern, frühen Conodonten, Heteromäulern, Panzerfischen und Flundern, also den frühen kieferlosen Fischen, erhalten. Der echte, nach oben verformte Schwanz kam nur bei kieferlosen Knochenpanzerfischen und Kieferfischen vor. Daher sind Panzerfische, zu denen auch die Neunschwänzige Fuchsschildkröte gehört, die Gruppe, die am nächsten mit Kieferfischen verwandt ist, die das ursprüngliche Merkmal des krummen Schwanzes beibehalten haben.

Gleichzeitig ergaben die Fossilien der Neunschwänzigen Fuchsschildkröte erstmals, dass die Schwanzflosse der Neunschwänzigen Fuchsschildkröte neben der Chorda dorsalis auch neun fingerartige Gabeln aufweist, die möglicherweise durch ein Flossennetzwerk aus Weichgewebe verbunden sind. Dieses morphologische Merkmal ähnelt dem gegabelten Schwanz, der bei Heteropoden und Cynomolgus-Fischen weit verbreitet ist, was darauf hindeutet, dass die Schwanzflosse der Neunschwänzigen Fuchsschildkröte ein relativ primitiver gegabelter Schwanz ist.

Darüber hinaus ist jede fingerartige Gabel mit mehreren Reihen ordentlich angeordneter, linearer, schuppiger Flossenstrahlen bedeckt, ein Merkmal, das dem von Knochenfischen sehr ähnlich ist und darauf hindeutet, dass unter den Flossenstrahlen starke radiale Muskeln sitzen. Dies deutet darauf hin, dass die Neunschwänzige Fuchsschildkröte die Kontaktfläche zwischen Schwanzflosse und Wasserströmung durch Muskelkontraktion flexibel steuern und dadurch unterschiedliche Antriebskräfte erzeugen kann!

Die Schuppenstrahlen in der Schwanzflosse galten einst als ein fortgeschrittenes Merkmal, das nur Knochenfische besitzen. Ihr weitverbreitetes Vorkommen bei Panzerfischen lässt jedoch darauf schließen, dass der Ursprung dieser Schuppenstrahlen viel früher liegt als bisher angenommen und sie möglicherweise vor der Entstehung des Kiefers auftraten.

Wiederansiedlung der Neunschwänzigen Fuchsschildkröte und des Flinken Tujia-Fisches und die Bedeutung der Evolution ihrer Schwanzflosse.

Die evolutionäre Abfolge der Schwanzflosse der frühen Wirbeltiere. Knoten 1: Ursprung der Schwanzflosse; Knoten 2: Ursprung des unteren krummen Schwanzes; Knoten 3: Ursprung der Rückenflosse; Knoten 4: Ursprung der Schuppenflossenstrahlen; Knoten 5: Ursprung des oberen krummen Schwanzes. (Illustriert von Feng Mingjuan, Yang Dinghua und Shi Aijuan)

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Der „Speedy Walker“ vor dem Südchinesischen Meer

Bedeutet die Flexibilität des Schwanzes der Neunschwänzigen Fuchsschildkröte, dass sie über sehr gute Schwimmfähigkeiten verfügt?

Die Schwimmfähigkeit ist für das Überleben der Fische von entscheidender Bedeutung. Für Fische ist es ein wichtiges Mittel, um Feinden und Raubtieren zu entkommen, zu wandern, Partner zu suchen und Katastrophengebieten auszuweichen. Unter anderem ist die Schwimmgeschwindigkeit ein wichtiger Indikator zur Beurteilung der Schwimmfähigkeit von Fischen, da sie den Aktivitätsindex und den Stoffwechsel des Fisches widerspiegeln kann.

Je nach Schwimmzeit kann die Schwimmgeschwindigkeit von Fischen in drei Kategorien unterteilt werden: Reisegeschwindigkeit, Langzeitschwimmgeschwindigkeit und Sprintschwimmgeschwindigkeit.

Unter Reisegeschwindigkeit versteht man die Geschwindigkeit, mit der Fische über 200 Minuten lang ununterbrochen schwimmen können, ohne zu ermüden. Bei dieser Geschwindigkeit nutzen Fische hauptsächlich die aerobe rote Muskulatur als Energiequelle. Dies ist die im Alltag der Fische am häufigsten verwendete Schwimmgeschwindigkeit, aber auch die langsamste.

Unter Langzeitschwimmgeschwindigkeit versteht man die Schwimmgeschwindigkeit, bei der Fische nach 20 Sekunden bis 200 Minuten ununterbrochenem Schwimmen ermüden. Bei dieser Schwimmgeschwindigkeit nutzen die Fische nach und nach mehr anaerobe weiße Muskelmasse, um ihre Kraft zu ergänzen. Dies ist möglicherweise die am häufigsten verwendete Schwimmgeschwindigkeit bei der Fischwanderung.

Mit der Burst-Schwimmgeschwindigkeit ist die momentane Schwimmgeschwindigkeit eines Fisches gemeint, die weniger als 20 Sekunden anhält. Bei dieser Schwimmgeschwindigkeit nutzen Fische hauptsächlich die anaerobe weiße Muskulatur als Energiequelle. Es handelt sich um die höchste Schwimmgeschwindigkeit, die Fische bei der Jagd, auf der Flucht vor Feinden, aus Angst oder beim Schwimmen in starken Strömungen verwenden.

Obwohl die Schwimmgeschwindigkeit von Fischen von vielen Faktoren beeinflusst wird und die Geschwindigkeit vieler fossiler und ausgestorbener Arten nicht direkt beobachtet werden kann, gelten Fläche und Form der Schwanzflosse eines Fisches seit jeher als Schlüsselindikatoren zur Prüfung der Schwimmfähigkeit von Fischen und können zur Analyse der Reisegeschwindigkeit und der Schnellschwimmgeschwindigkeit von Fischen verwendet werden.

Derzeit hat sich die Anwendung des phylogenetischen verallgemeinerten Kleinstquadrate-Modells (PGLS) und des univariaten linearen Regressionsmodells (LM) zur Vorhersage der Schwimmgeschwindigkeit auf Grundlage der Datenbank mit Aufzeichnungen der Schwimmgeschwindigkeit lebender Fische und der geometrischen morphologischen Messungen der Schwanzflosse zu einer neuen analytischen Methode zur Bewertung der Schwimmgeschwindigkeit von Fischen entwickelt und wurde erfolgreich bei der Analyse und Ermittlung der Schwimmgeschwindigkeit früher Kieferfische eingesetzt.

Abgeleitete Reiseschwimmgeschwindigkeiten der Vorfahren wichtiger Gruppen frühpaläozoischer Wirbeltiere. (An, Anaspid, Panzerfisch; Pt, Pteraspidomorphi, Flossenpanzerfisch; Th, Thelodonti, Blumenschuppenfisch; Ga, Galeaspida, Panzerfisch; Os, Osteostraci, Knochenpanzerfisch; Pl, Placodermi, Panzerfisch)

Die einzigartige Erhaltung der Schwanzflosse der Neunschwanz-Fuchsschildkröte ermöglicht es uns, neue Methoden und Modelle anzuwenden, um die Schwimmgeschwindigkeit des gepanzerten Fisches derselben Gruppe wie die Neunschwanz-Fuchsschildkröte zu analysieren und zu messen.

Paläontologen integrierten eine Datenbank mit den Schwimmgeschwindigkeiten von 61 lebenden Gattungen und Arten, darunter Knorpelfische und Knochenfische, sowie 160 lebenden Fischen. Für 43 Gattungen und Arten ausgestorbener paläozoischer Fische verwendeten sie die Maximum-Likelihood-Methode, um eine umfassende Analyse der Schwimmgeschwindigkeitsmodelle von 4.500 phylogenetischen Bäumen früher Wirbeltiere, einschließlich Panzerfischen, durchzuführen, wobei sie die Unsicherheit der geologischen Zeitalter berücksichtigten.

Die Analyse der Schwimmgeschwindigkeit dieser frühen Fische zeigte, dass Panzerfische und Tilapia am schnellsten waren, während Panzerfische, Osteodermen und Heteroatherien langsamer waren.

Diese Entdeckung widerlegt die traditionelle „A New Head-Hypothese“ zum Ursprung der Stacheln, die Spekulationen über die Entwicklung der Schwimmgeschwindigkeit bei frühen Fischen aufstellt. Eine sehr wichtige Schlussfolgerung aus dieser Hypothese besteht darin, dass das Merkmal der frühen Wirbeltierentwicklung eine Entwicklung hin zu einer zunehmend aktiven Nahrungsaufnahme ist, d. h. eine Entwicklung hin zu einer zunehmend schnelleren Schwimmgeschwindigkeit, die letztlich zur Entstehung der Kieferfische führte.

Unter den Panzerfischen gilt der nach unten gebogene Schwanz von Heteroscelis als Urzustand der frühen Wirbeltiere. Panzerfische, Krokodile und Panzerfische haben alle diesen primitiven Zustand beibehalten, während er sich bei Knochenfischen und Kieferfischen zu einem nach oben gebogenen Schwanz entwickelt hat. Dieser Evolutionstrend gilt als Hauptmerkmal der Verbesserung der Mobilität und Schwimmgeschwindigkeit der Fische.

Die obigen Berechnungen zeigen, dass die Reise- und Schwimmgeschwindigkeiten dieser frühen Fische in keiner Korrelation mit dem phylogenetischen Baum stehen, da die Panzerfische mit der höchsten Reisegeschwindigkeit relativ weit entfernt mit den heute lebenden Kieferfischen verwandt sind, während die Panzerfische und Placodermen, die mit den heute lebenden Kieferfischen am nächsten verwandt sind, die niedrigste Reisegeschwindigkeit aufweisen.

Im Allgemeinen handelt es sich bei der Gruppe der Panzerfische, die durch die Neunschwänzige Fuchsschildkröte repräsentiert wird, um schnelle Schwimmer mit starken Schwimmfähigkeiten, und ihre Reiseschwimmgeschwindigkeit ist sogar höher als die einiger fortgeschrittenerer Kieferfische. Unsere phylogenetische Analyse der Reiseschwimmgeschwindigkeit zeigt auch , dass gepanzerte Fische über eine bessere Fortbewegung und einen höheren Stoffwechsel verfügten als höher entwickelte Knochenfische und Panzerfische.

Daher sind die nach oben verformten Schwänze von Knochenfischen und Kieferfischen kein Zeichen einer Anpassung an höhere Schwimmgeschwindigkeiten. Dies lässt darauf schließen, dass diese kieferlosen Panzerfische schon lange vor der Entstehung der Kiefer eine gewisse ökologische Vielfalt entwickelt und unterschiedliche ökologische Nischen besetzt hatten. Diese Diversifizierung der ökologischen Nischen verschaffte diesen primitiven Panzerfischen zumindest bis zu einem gewissen Grad einige überlegene athletische Vorteile gegenüber Kieferfischen.

Daher können wir uns ebenso gut Folgendes vorstellen:

Vor 410 Millionen Jahren schwamm eine Gruppe Neunschwänziger Fuchsschildkröten gemächlich im Wasser nahe der Südostküste des ehemaligen Südchinesischen Meeres und durchquerte dabei Ansammlungen halbaquatischer Farne. Plötzlich wurden sie von einem riesigen, wilden, fleischfressenden Kieferfisch verfolgt, der versuchte, sie zu Tode zu beißen. Diese neunschwänzigen Fuchsschildkröten verlassen sich auf ihre kraftvolle Schwimmfähigkeit. Sie bewegen ihre neunschwänzigen Schwanzflossen und nutzen den Auftrieb, den die Flossenfalten an beiden Seiten ihres Unterkörpers bieten, um schnell zu schwimmen und so der Verfolgung durch diese kräftigen Raubtiere leicht zu entgehen.

Autor: Lin Xianghong, Doktorand an der Fakultät für Paläontologie der Universität Yunnan

Gutachter: Zhikun Gai, Forscher, Institut für Wirbeltierpaläontologie und Paläoanthropologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften