Warum sind die meisten Organismen „symmetrisch“?

Heute ist die Artenvielfalt der Erde sehr reich und die biologische Landschaft farbenfroh. Ist Ihnen jedoch aufgefallen, dass die meisten Lebewesen eine bilateral symmetrische Form haben , wie beispielsweise der Mensch, der ein typisches bilateral symmetrisches Tier ist?

Im Tierreich, seien es die großen Säugetiere wie Löwen, Tiger und Elefanten unter den Wirbeltieren, die Reptilien wie Krokodile und Schlangen, die Amphibien wie Frösche und Kröten oder die Weichtiere wie Muscheln und Venusmuscheln unter den Wirbellosen und die Gliederfüßer wie Insekten und Tausendfüßler, gibt es viele Tiere mit bilateral symmetrischen Formen.

Ein bilateral symmetrischer Schmetterling. Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

Sie fragen sich vielleicht, was daran so seltsam ist? So ist die biologische Welt! Tatsächlich ist dies die gängige Erscheinungsform der modernen biologischen Modellierung.

Allerdings gibt es auch in der heutigen biologischen Welt andere Organismenformen, wie etwa asymmetrische Gastropoden (allgemein als Schnecken bekannt), pentaradial symmetrische Seesterne und unregelmäßige Amöben .

Pentaradialer symmetrischer Seestern. Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

Interessanterweise entstanden in der langen Evolutionsgeschichte des Lebens auf der Erde bilateral symmetrische Organismen erst im Kambrium vor 541 Millionen Jahren, ähnlich einem Kaleidoskop .

Obwohl die Fossilienfunde der ältesten bilateral symmetrischen Organismen bis auf ein Alter von 580 Millionen Jahren zurückreichen, waren die mehrzelligen Organismen der Ediacarium-Periode des späten Proterozoikums überwiegend radialsymmetrisch und wiesen nicht die bilateral symmetrischen morphologischen Merkmale auf, die uns vertrauter sind.

Welche evolutionäre Beziehung besteht also zwischen radialer Symmetrie und bilateraler Symmetrie? Welche Rolle spielten sie in der Geschichte der biologischen Evolution und in welcher Beziehung stehen sie zu ihren eigenen Funktionen und zur Umwelt?

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Sehen wir uns an, welche Organismenformen es gibt.

Generell hat die historische Evolution der biologischen Modellierung in der langen Geschichte des Lebens auf der Erde morphologische Veränderungen von Asymmetrie oder Instabilität zu radialer Symmetrie und dann zu bilateraler Symmetrie erfahren .

Die Veränderungen der Morphologie von Organismen stehen in engem Zusammenhang mit der Entwicklung ihres Körpers und ihrer Struktur. Insbesondere als die Umwelt der Erde und die biologische Evolution in eine Phase großer Wendepunkte eintraten, zeigte die Morphologie der Organismen revolutionäre Veränderungen, die eine bedeutende Entwicklung der biologischen Evolution darstellten und tiefgreifende Auswirkungen auf die Strahlungsevolution der Organismen hatten.

Das Leben beginnt mit Asymmetrie

Die ältesten Organismen in der Geschichte des Lebens waren primitiv und winzig und hatten asymmetrische oder ungleichmäßige Formen. Die uns bekannten Einzeller, wie zum Beispiel Amöben, haben eine unregelmäßige und amorphe Form und können sich jederzeit verändern. Auch einige primitive mehrzellige Tiere, wie Schwämme und einige Arten der Nesseltiere, weisen unregelmäßige Formen auf. Wenn sich viele biologische Individuen zu Gruppen zusammenschließen, entstehen oft asymmetrische Formen.

Schwammtier. Bildquelle: Wikipedia

Radiale Symmetrie

Die Radialsymmetrie kann in sphärische Radialsymmetrie und axiale Radialsymmetrie unterteilt werden.

Sphärische Radialsymmetrie ist eine isometrische Symmetrie, die den Körper durch die Mitte in unendlich viele oder endliche identische Hälften teilen kann, wie beispielsweise bei Helixwürmern und den meisten Radiolarien . Sie leben überwiegend schwebend im Wasser, wobei die Umgebung oben, unten, links und rechts gleich ist. Abgesehen von dem Unterschied zwischen der Mitte und der Oberfläche weisen diese Tiere keine charakteristische Abnahmerate in eine Richtung auf.

Die axiale Radialsymmetrie ist eine einachsige Heteropolarsymmetrie , die den Körper durch eine feste Hauptachse in zwei gleiche Hälften teilt, wie etwa bei Schildläusen, Glockenschrecken, Schwämmen und Nesseltieren , und an festes oder schwimmendes Leben angepasst ist. Die axiale Radialsymmetrie der Morphologie lässt sich auf die Ediacarium-Periode des späten Proterozoikums zurückführen, als die vorherrschende Form der biologischen Welt die axiale Radialsymmetrie war.

Sphärisch strahlende Radiolarien (bereitgestellt von Luo Hui)

Die Ediacara-Biota, deren Alter auf 575 bis 541 Millionen Jahre zurückgeht, weist eine Vielzahl axialradialsymmetrischer Fossilien auf , darunter nicht nur Triradiate, Tetraradiate, Pentaradiate und Hexaradiate, sondern auch Octaradiate. Die strahlenförmigen Spiralarme oder Wände können nicht nur gerade, sondern auch gekrümmt sein, wie beispielsweise bei den Fossilien des achtarmigen Engelwurms, die in Australien und in der Weng'an-Biota meines Landes gefunden wurden.

Seit dem Kambrium des Phanerozoikums ist die axiale Radialsymmetrie zwar keine vorherrschende Form mehr, sie ist jedoch in Form einer sekundären axialen Radialsymmetrie bei den neu entstehenden Stachelhäutern wieder aufgetaucht. Wie wir alle wissen, sind Seesterne Meeresstachelhäuter mit fünfstrahliger Symmetrie.

Bunte bilateral symmetrische Formen

Bilaterale Symmetrie bedeutet, dass der Tierkörper durch eine Symmetrieebene (oder einen Schnitt), die durch die Mittelachse des Tierkörpers verläuft, in zwei gleiche Teile links und rechts geteilt wird. Daher wird bilaterale Symmetrie auch als bilaterale Symmetrie bezeichnet. Seit dem Auftreten von Plattwürmern sind bilateral symmetrische Formen aufgetreten . Dieser Organismus, der durch seine bilateral symmetrische Morphologie gekennzeichnet ist, ist an ein kriechendes Leben angepasst.

Bilaterale Symmetrie bedeutet, dass die Bewegungen der Tiere von unregelmäßig bis einigermaßen kontrolliert reichen, d. h. sie können vorne von hinten und links von rechts unterscheiden und haben bei der Bewegung eine klare Richtungs- und Vorwärtstendenz. Dies ist äußerst förderlich für die Bildung von Nerven und Gehirn .

Bilaterias können sich an eine Vielzahl von Umgebungen anpassen und sowohl im Wasser als auch an Land leben. Daher ist die bilaterale Symmetrie eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung der Tiere vom Wasser- zum Landleben und ein wichtiges Merkmal der Tierevolution .

Bilateria-Tiere tauchten erstmals vor 600 Millionen Jahren in der Weng'an-Biota auf. Der berühmte Federwurm ist ein Vertreter der frühen bilateralsymmetrischen Tiere, doch vor dem Kambrium waren bilateralsymmetrische Formen in der biologischen Welt äußerst selten. Im Vergleich zu radialsymmetrischen Organismen schienen bilateralsymmetrische Organismen weiter entwickelt zu sein. Sie ersetzten im Kambrium vollständig radialsymmetrische Organismen und wurden zur vorteilhaftesten morphologischen Form seit dem Phanerozoikum, die die biologische Welt dominierte.

Der Federwurm ist das älteste bilateral symmetrische Tier. Bildnachweis: Bottjer

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Die Geschichte der morphologischen Evolution ist die Geschichte der Evolution des Lebens

Die kambrische Explosion ist ein bedeutendes Ereignis in der Geschichte des Lebens auf der Erde. Es hatte nicht nur den stärksten Einfluss auf die biologische Artbildung, sondern auch die bedeutendste biologische Plastizität. Bei den 38 Tierstämmen, die es heute auf der Erde gibt, handelt es sich überwiegend um bilateral symmetrische Organismen mit unterschiedlichen Formen und Erscheinungsformen, die alle aus der explosionsartigen Ausbreitung des Lebens im frühen Kambrium hervorgegangen sind. Die Entstehung einer großen Zahl bilateral symmetrischer Organismen ist zweifellos ein sehr wichtiges und bedeutendes evolutionäres Phänomen in der kambrischen Explosion .

Die bilateral symmetrischen biologischen Muster der kambrischen Explosion zeigten eine Tendenz zur Diversifizierung, wie etwa fischförmige bilaterale Symmetrie , arthropodenförmige bilaterale Symmetrie und muschelförmige bilaterale Symmetrie . Zu den repräsentativen Tieren zählen Haikou-Fische, Anomalocaris, Trilobiten und Zungenmuscheln. Im späten Paläozoikum, Mesozoikum und Känozoikum traten bilaterale Symmetriemuster nacheinander bei Amphibien, Reptilien, Vögeln und Säugetieren auf .

Bilateral symmetrischer Trilobit. Bildquelle: Nanjing Institute of Geology and Paleontology, Chinesische Akademie der Wissenschaften

So viele Tierstämme haben morphologische Formen entwickelt, die durch bilaterale Symmetrie gekennzeichnet sind, und in den biologischen Formen verschiedener Ebenen wie Klassen, Ordnungen, Familien, Gattungen und Arten innerhalb des Rahmens ihrer Stämme haben verschiedene morphologische Veränderungen stattgefunden, die letztlich die reiche und bunte biologische Landschaft der heutigen Erde geformt haben.

Natürlich hat es in der biologischen Welt nie an Alternativen gemangelt. Die asymmetrische Spiralform der Gastropoden ist einzigartig und die während der kambrischen Explosion neu entstandenen Stachelhäuter reproduzierten die neue Pracht dieser alten Form mit sekundärer Radialsymmetrie. Diese einzigartigen biologischen Morphologien sind für Wissenschaftler zu einer wichtigen Grundlage für die Untersuchung biologischer Kategorien und die Erstellung einer biologischen Taxonomie geworden.

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Was ist besser, radiale Symmetrie oder bilaterale Symmetrie?

Die radiale Symmetrie unterscheidet sich in vielerlei Hinsicht von der bilateralen Symmetrie:

① Unterschiedliche Anzahl von Symmetrieachsen

Radiale Symmetrie hat mehrere Symmetrieachsen, während bilaterale Symmetrie nur eine Symmetrieachse hat . Seesterne haben beispielsweise fünf radiale Achsen, während Schmetterlinge nur eine Symmetrieachse (die Mittelachse) haben.

② Verschiedene Tierformen

Bei der radialsymmetrischen Form gibt es nur den Unterschied zwischen oben und unten , zwischen links und rechts gibt es keine Unterscheidung. Bei den bilateral symmetrischen Tieren unterscheidet man zwischen vorne und hinten, links und rechts sowie dorsal und ventral.

③Unterschiedliche sportliche Fähigkeiten

Radialsymmetrische Tiere haben schwache motorische Fähigkeiten , während bilateralsymmetrische Tiere über stärkere motorische Fähigkeiten verfügen und schneller und genauer auf die äußere Umgebung reagieren können.

④Verschiedene Evolutionsstufen

Es gibt eine Entwicklung von der radialen Symmetrie zur bilateralen Symmetrie, und die bilaterale Symmetrie ist weiter fortgeschritten als die radiale Symmetrie . Radialsymmetrie ist eine primitive Form der Symmetrie, die bei Schwämmen und Nesseltieren vorkommt. Ausgehend von Plattwürmern begannen Tiere, eine bilateral symmetrische Körperstruktur zu entwickeln.

⑤An verschiedene Umgebungen anpassen

Radialsymmetrische Tiere sind an ein festes oder bewegliches Leben angepasst , und bilaterale Symmetrie fördert die Kopfbildung bei Tieren und ermöglicht ihnen die Anpassung an eine komplexere und sich verändernde Umgebung.

Nachdem Sie diese Unterschiede gelesen haben, wissen Sie, welche Symmetrie stärker ist.

Seesternfossil. Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

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Warum entwickelt sich die biologische Morphologie?

Im Verlauf der biologischen Evolution auf der Erde wird die biologische Morphologie an Veränderungen in verwandten Strukturen des biologischen Körpers angepasst und steht mit diesen in Zusammenhang. Radialsymmetrische und bilateralsymmetrische Tiere dominierten jeweils das Bild in unterschiedlichen Stadien der Erdgeschichte und gemeinsam stellen sie eine neue Blüte der Vielfalt in der heutigen Biosphäre der Erde dar.

1) Veränderungen der biologischen Morphologie hängen eng mit dem biologischen Keimblattsystem zusammen

Einzellige Tiere haben kein Konzept von Keimblättern; sogar Volvox hat nur eine Zellschicht. Echte mehrzellige Tiere haben differenzierte Keimblätter und die Entstehung von drei Keimblättern ist für die Evolution der Tiere von großer Bedeutung.

Mikroskopische Aufnahme eines Teratoms, eines typischen Tumors mit Gewebe aus allen drei Keimblättern. Das Bild zeigt Gewebe, die aus Mesoderm (unreifer Knorpel – oben links im Bild), Endoderm (Magen-Drüsen – unten in der Bildmitte) und Ektoderm (Epidermis – rechte Seite des Bildes) stammen. Bildquelle: Wikipedia

Neben den am Ende des Präkambriums ausgestorbenen Tieren der „Vendaceae“ waren Schwämme, Nesseltiere und ausgestorbene Tiere, die nicht in bekannte Tierstämme eingeordnet werden konnten, häufige radialsymmetrische Tiere. Obwohl sie alle mehrzellige Tiere sind, haben sie nur das Ektoderm und das Endoderm entwickelt und ihnen fehlt das Mesoderm. Daher können sie die Dermis, die Coelommembran und das Mesenterium usw. nicht bilden. Deshalb haben sie nicht den Mund und die Knochen, die moderne Tiere haben, und ihnen fehlen die Funktionsorgane wie Bewegung, Nahrungsaufnahme und Verdauung, die Tiere normalerweise haben. Daher führen Tiere mit radialer Symmetrie im Allgemeinen ein festes benthisches oder schwimmendes Leben .

Der Großteil der Ediacara-Biota basiert auf radialer Symmetrie. Dieses morphologische System legt fest, dass die Ernährung von Organismen hauptsächlich auf dem Kontakt zwischen der Körperoberfläche und Meerwasser sowie der Aufnahme von Nährstoffen durch Osmose beruht. Dann bot sich ein interessantes Bild: Um mehr osmotische Nährstoffe zu erhalten, dehnten sich die Tiere der Ediacara-Biota immer weiter aus und vergrößerten ihre Körperoberfläche, wobei sie verschiedene seltsame Formen wie Röhren und Fächer bildeten. Die übermäßig vergrößerte Körperoberfläche war einer der Faktoren, die zu ihrem Aussterben führten .

Ediacara-Biota. Illustration von Yang Dinghua

Bilateria-Tiere haben ein Dreikeimsystem. Zu den repräsentativen Tieren zählen Plattwürmer, Ringelwürmer, Weichtiere, Arthropoden, Stachelhäuter und Hemichordata . Insbesondere Wirbeltiere verfügen über ein hochentwickeltes Dreikeimsystem, das die notwendige materielle Grundlage für die Bildung und Entwicklung verschiedener Gewebe und Organe im Tierkörper bietet.

Das aus Keimblattgewebe entwickelte Muskelsystem stärkt die Bewegungsfunktion und erschwert den Kontakt zwischen Tieren und der Umwelt. Dadurch wird die Entwicklung der Sinnesorgane und des Nervensystems gefördert und die Reaktion der Tiere auf Reize sowie ihre Effizienz bei der Nahrungssuche verbessert.

Durch eine effiziente Futtersuche wird der Nährwert der Tiere gesteigert, ihr Stoffwechsel gefördert und ihre Ausscheidungsfunktion gestärkt, was sich wiederum „auf den gesamten Körper auswirkt“ und zu einer starken Differenzierung der morphologischen Struktur der Tiere führt.

Gleichzeitig verfügt das Mesoderm nicht nur über die Fähigkeit zur Regeneration, sondern kann auch Wasser und Nährstoffe speichern , was die Anpassungsfähigkeit der Tiere an Dürre und Hunger erheblich verbessert und den Tieren die notwendigen materiellen Voraussetzungen bietet, um sich vom Wasserleben zu lösen und in die terrestrische Umwelt vorzudringen.

Mit der Entstehung des Mesoderms war das Dreikeimsystem der Tiere vervollständigt, und es entstanden zwei Tierzweige: die Protostomier und die Deuterostomier . Deuterostomier sind die Hauptlinie der Evolution und repräsentieren die wichtigste evolutionäre Kraft der kambrischen Explosion. Als Wirbeltierart haben wir Menschen uns allmählich aus primitiven Neuntötern entwickelt .

Protostomier. Bildquelle: Wikipedia

Deuterostom. Bildquelle: Wikipedia

2) Die evolutionäre Bedeutung drastischer Veränderungen der biologischen Morphologie

In den rund vier Milliarden Jahren, in denen es auf der Erde Leben gibt, hat sich die Welt dramatisch verändert. Und während sich die natürliche Umwelt verändert, haben sich die Organismen weiterentwickelt und sich gleichzeitig ständig angepasst. Die Innovation der biologischen Morphologie stellt Durchbrüche und eine Reihe von Entwicklungen in der biologischen Evolution dar. Sie stellen wichtige Anpassungsreaktionen an die Umwelt dar und sind das Ergebnis einer geologischen Geschichte, die ein bestimmtes Entwicklungsstadium erreicht hat. Dies weist darauf hin, dass die biologische Evolution in ein neues Entwicklungsstadium eingetreten ist.

Das Ediacarium war ein Wendepunkt, an dem sich die Umwelt der Erde stark veränderte . Der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre stieg zum zweiten Mal stark an, und der Superkontinent Rodinia zerfiel immer noch. Der großflächige Auftrieb brachte große Mengen Phosphor und andere Spurenelemente mit sich und sorgte so für eine reichhaltige Ernährung, die den Organismen in den Flachmeeren zum Gedeihen verhilft. Auch in der biologischen Welt werden große Durchbrüche ausgebrütet, die den Vorabend der Morgendämmerung der Tiere markieren. Mehr als 90 % der in der Weng'an-Biota entdeckten embryonalen Fossilien weisen darauf hin, dass das Leben in einen kritischen Moment eintritt . In dieser geologischen Umgebung gediehen radialsymmetrische Organismen.

Als die Evolution der Ediacara-Biota jedoch in eine Sackgasse geriet, entstanden weiterhin neue Arten biologischer Gruppen. Im Kambrium verschärfte sich der Überlebenskampf in der biologischen Welt weiter und die Tiere erschlossen sich immer größere Lebensräume. In der biologischen Welt sind nicht nur miteinander verbundene Nahrungsketten entstanden, sondern es sind auch kontinuierliche Durchbrüche bei der Ausweitung des ökologischen Raums zu verzeichnen.

Um sich an die neue Umgebung und die neue Konkurrenz anzupassen, entstanden im Kambrium zahlreiche Organismen mit überwiegend bilateral symmetrischer Form. Von da an wurden die bilateral symmetrischen Metazoen mit harten Skeletten zur treibenden Kraft der Evolution und bildeten schließlich die einflussreichsten, am weitesten verbreiteten und vielfältigsten biologischen Merkmale der heutigen biologischen Welt.

Verschiedene symmetrische Formen von Organismen. Bildquelle: Wikipedia

Sie sehen, die wunderbare Natur liebt es auch, Mathematik zu lernen, und sie beherrscht das mathematische Konzept der Symmetrie sehr gut. Es verleiht verschiedenen Organismen unterschiedliche Formen. Symmetrie scheint natürlich zu sein, enthält jedoch wichtige Knotenpunkte in der biologischen Evolution .

Produziert von | Wissenschaftspopularisierung China

Autor: Feng Weimin (Nanjing Institut für Geologie und Paläontologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Produzent｜China Science Expo

Eingereicht von: Computer Information Network Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften