Wenn jemand sagt, Sie hätten ein „totes Fischgesicht“, ist das wahrscheinlich keine Beleidigung …

Aus einer breiteren Perspektive betrachtet, beinhaltet die Evolution der Fisch-Blaslöcher mehrere wichtige Sprünge in der Evolution vom Fisch zum Menschen und ist auch eng mit uns Menschen verwandt.

Geschrieben von Reporter Duan Ran. Herausgegeben von Liu Zhao.

Interviewexperten

Zhu Youan (Assoziierter Forscher, Institut für Wirbeltierpaläontologie und Paläoanthropologie, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Nach einer detaillierten Untersuchung von über 400 Millionen Jahre alten, in meinem Land ausgegrabenen Fossilien urzeitlicher Fische gab das Forschungsteam für urzeitliche Fische der Chinesischen Akademie der Wissenschaften kürzlich bekannt, dass man fossile Beweise dafür gefunden habe, dass sich das Blasloch des Fisches aus einer Kiemenstruktur mit der Funktion der Sauerstoffaufnahme entwickelt habe. Damit sei eine von Paläontologen seit über hundert Jahren vertretene Hypothese bestätigt worden: Das Blasloch des Fisches sei aus einer typischen Kiemenöffnung oder einem Kiemenschlitz entstanden.

Allein von der Schlussfolgerung her scheint es sich hierbei nur um einen kleinen Schritt in der Evolution der Fische zu handeln. Aus einer breiteren Perspektive betrachtet, beinhaltet die Evolution der Fisch-Blaslöcher mehrere wichtige Sprünge in der Evolution vom Fisch zum Menschen und hat auch viel mit uns Menschen zu tun.

Viele Leser haben möglicherweise Fragen. Untersuchen wir nicht den Ursprung von Fisch-Blaslöchern? Welche Verbindung besteht zwischen ihm und der menschlichen Evolution? Tatsächlich hat sich das Mittelohr, ein wichtiger Teil unseres menschlichen Hörsystems, aus dem Blasloch von Fischen entwickelt. Und wenn wir unsere Perspektive auf die wichtigen Organe unseres gesamten Gesichts, unserer Augen, Nase, unseres Mundes und unserer Ohren ausweiten, können wir die Ursprünge ihrer Evolution tatsächlich bei Urfischen vor Milliarden von Jahren finden. Ich begann an der Stirn und strich mit den Händen zum Kinn und sogar zum Hals. Dieser wichtige Bereich, der menschliche Emotionen und Weisheit widerspiegelt, ist tatsächlich das evolutionäre Erbe unserer entfernten Fischvorfahren.

▲Rekonstruktion des etwa 5 cm langen Urmeerfisches. Die ovalen Löcher vor seinen Augen sind eher Nasenlöcher als Münder. Sein Maul befindet sich wie bei den meisten Kieferlosen Fischen unter dem Kopf (Zeichnung/B.Choo)

Fische werden allmählich "gesichtiger"

Der modernen Mainstream-Biologie zufolge haben sich alle Landwirbeltiere, einschließlich des Menschen, aus Urfischen entwickelt. Viele unserer grundlegenden physiologischen Strukturen lassen sich auf Urfische zurückführen, wie etwa die Gliedmaßen, die sich aus den Brust- und Bauchflossen entwickelten; und unsere komplexe Gesichtsstruktur: Die Gesichtszüge und Gesichtsmuskeln sind koordiniert und konsistent, was nicht nur grundlegende physiologische Bedürfnisse wie Atmen und Essen erfüllt, sondern auch zu einem Fenster für den Empfang und die Verarbeitung externer Informationen und die Ausgabe von Feedback wird und ein wichtiger Träger für den Ausdruck von Emotionen wie Freude, Wut, Trauer und Angst sowie für die Identitätserkennung ist. Dabei handelt es sich um einen Körperteil, der in hohem Maße an das soziale Leben des Menschen angepasst ist, dessen Grundstruktur jedoch bereits vor Milliarden von Jahren bei Urfischen entwickelt wurde.

Da wir den wahren Ursprung des menschlichen Gesichts entlang des Evolutionspfades „Vom Fisch zum Menschen“ erforschen möchten, müssen wir zunächst klären, was Fische sind? Es gibt verschiedene Interpretationen der Definition von Fisch. „Ein Ansatz besteht darin, es aus einer evolutionären Perspektive zu betrachten und alle Wirbeltiere, die keine Vierbeiner sind und nie gelandet sind, als Fische zu betrachten“, erklärte Zhu Youan, ein assoziierter Forscher am Institut für Wirbeltierpaläontologie und Paläoanthropologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, gegenüber Reportern. „Natürlich gibt es auch einige enge Definitionen, wie beispielsweise das traditionelle Klassifizierungssystem von Linné, das nur Knochenfische und Knorpelfische umfasst.“

Ganz gleich, aus welchem ​​Blickwinkel wir den Begriff Fisch definieren, es ist immer noch ziemlich unglaubwürdig, das Gesicht eines Fisches als den Urzustand eines menschlichen Gesichts zu betrachten. Zhu Youan verwendete eine interessante Metapher, um die mögliche Verbindung zwischen menschlichen und Fischgesichtern anschaulich zu erklären: „Sehen Sie sich die Fischmonster an, die in ‚Die Reise nach Westen‘ auftauchen: Babolben und Benbolba. Gewöhnliche Menschen müssen nur relativ einfaches Make-up oder eine Kopfbedeckung auflegen, um die Eigenschaften der Fischmonster zu zeigen. Aber die Garnelensoldaten und Krabbengeneräle im Stück sind nicht so einfach darzustellen.“

Darüber hinaus kommen wir im wirklichen Leben häufig mit anthropomorphen Abbildungen von Fischen in Berührung, wie etwa Nemo, dem Clownfisch in „Findet Nemo“ und den „gesalzenen Fisch-Emoticons“, die im Internet zur Selbstironie und für Parodien verwendet werden. Dahinter verbergen sich tatsächlich einige unvermeidliche evolutionäre Zusammenhänge.

Wenn wir unseren Blick von der einfachen Unterscheidung zwischen Fischen und Menschen auf alle Wirbeltiere erweitern: Ob es sich nun um moderne Fische oder um Vögel und Tiere an Land handelt, alle Wirbeltiere haben ihr eigenes „Gesicht“, und wenn wir vom Gesicht sprechen, müssen wir den Kopf erwähnen, und das Gesicht der Wirbeltiere befindet sich am vorderen Ende des Kopfes.

Gemäß der traditionellen biologischen Klassifizierung sind Wirbeltiere ein Unterstamm der Chordatiere, und zu den weiteren Unterstämmen zählen Urochordaten, Cephalochordaten usw. „Wirbeltiere werden in der Evolution auch Cephalanxen genannt, weil in der Klasse der Chordatiere nur Wirbeltiere einen Kopf haben“, sagte Zhu Youan gegenüber Reportern.

Viele Chordatiere, die keine Wirbeltiere sind, haben keine konzentrierten Ganglien und Sinnesorgane am vorderen Ende ihres Körpers. Um es in den einfachen Worten auszudrücken: Sie haben „keinen Kopf“. Beispielsweise ist das Lanzettfischchen unter den Chordatieren ein kopf- und hirnloses kleines Lebewesen. Wirbeltiere sind anders. Sie integrieren komplexe Nervensysteme wie das Gehirn an der Vorderseite des Körpers, um die Kopfstruktur zu bilden.

Mit dem Kopf beginnen auch viele Sinnesorgane rund um den Kopf „einzugreifen“. Diese Sinnesorgane, die zum Empfang externer Reizsignale dienen, haben sich im Laufe der Zeit entsprechend der unterschiedlichen Aufgabenteilung zu drei Organtypen entwickelt: Einer davon ist das optische Sinnesorgan, das aus unseren Augen besteht. Ein Typ sind chemische Sinnesorgane wie unsere Nase und Zunge, die wir zum Geruchs- und Geschmacksempfinden verwenden. „Ein anderer Typ sind mechanische Rezeptoren. Eine ihrer Erscheinungsformen bei Fischen ist die Seitenlinienstruktur, die Veränderungen und Vibrationen des Wasserdrucks wahrnehmen kann“, sagte Zhu Youan. Unsere Hörorgane, die Ohren, sind mechanische Rezeptoren. Die Entwicklung der Ohren ist eng mit der Seitenlinie der Fische verbunden, worauf wir im Folgenden näher eingehen werden.

Die Entstehung des Kiefers: ein Durchbruch in der Gesichtsentwicklung

Mit dem Denkzentrum und diesen drei Arten von Sinnesorganen wurden die Gesichtszüge der Fische allmählich deutlicher und sie wurden zu Lebewesen mit „Köpfen und Gesichtern“. Doch zu dieser Zeit fehlte den primitiven Fischen noch ein entscheidender Teil des Gesichts: der Kiefer, also die Knochen und das Muskelgewebe im oberen und unteren Teil des Mundes.

Viele primitive Fische haben keinen Ober- und Unterkiefer und können daher ihr Maul nicht wie moderne Fische oder sogar Menschen öffnen und schließen. Beispielsweise haben der Kunming-Fisch und der Haikou-Fisch, die im Kambrium vor 500 Millionen Jahren lebten, und der Panzerfisch, der im Ordovizium und Silur blühte, bei diesen primitiven Fischen, die nicht einmal ein Kinn haben, noch immer undeutliche Gesichtskonturen.

Erst vor etwa 430 Millionen Jahren begann die Funktion der Kiemen, die den primitiven Fischen zum Atmen dienten, zu degenerieren und ein Teil der Kiemenbögen entwickelte sich allmählich zur Struktur des Kiefers – der erste Fisch mit Vollkiefer war geboren. Mit der Entstehung des Kiefers wurde der grundlegende Prototyp unserer heutigen Mundstruktur geschaffen, was einen großen Sprung in der Evolution der Arten bedeutete.

▲Details des ersten Fischfossils mit vollständigem Kiefer, das den Unterkiefer zeigt (Bildquelle/Nature)

„Durch die Kiefer wird die Nahrungsaufnahme der Tiere aktiver. Sie können in die Nahrung beißen und die Effizienz der Jagd und des Fressens wird erheblich verbessert“, betonte Zhu Youan. Natürlich dient unser Mund nicht nur zum Essen. Bei anstrengenden Übungen atmen wir schwer durch den Mund. Wenn wir tauchen, stecken wir einen Schnorchel in unseren Mund. All dies weist auf eine weitere wichtige Funktion des Mundes hin – die Atmung.

Wie die Nase ist auch der Mund ein wichtiges Atmungsorgan. Das Gleiche gilt für Fisch. Obwohl Fische ihre Luft durch die Kiemen atmen, ist das Maul der Hauptweg, um sauerstoffreiches Wasser zum Atmen zu den Kiemen zu leiten. Zhu Youan sagte: „Mit den Kiefern kann der Fisch sein Maul schnell öffnen, sodass er Wasser besser ansaugen und dann durch seine Kiemenhöhle fließen lassen kann. Dadurch wird die Atmungseffizienz verbessert, sodass auch die Fähigkeit des Fisches, Sauerstoff aufzunehmen, verbessert wird.“

Die Verbesserung der Sauerstoffaufnahmekapazität hat noch eine weitere, weitreichendere Auswirkung: Mehr Sauerstoff bedeutet eine höhere Stoffwechseleffizienz, sodass Wirbeltiere sehr groß werden können und die Voraussetzungen dafür geschaffen werden, mehr ökologische Nischen zu besetzen und sogar an der Spitze der Nahrungskette zu stehen.

Durch die Herausforderung der Kieferwirbeltiere wurden diese sehr großen wirbellosen Urtiere wie Riesenboote und Seeskorpione schnell aus ihrer Position als große Raubtiere verdrängt.

▲Der größte Raubfisch im Silur – Macrognathus stumpfzahnig, seine Körperlänge könnte etwa 1 Meter betragen (Fotoquelle/Sci-News)

Durch die Entstehung und kontinuierliche Verbesserung des Kiefers wurden schließlich die Grundzüge des Gesichts der heutigen Wirbeltiere festgelegt. Wenn wir uns diese urzeitlichen Fischvorfahren genauer ansehen, werden wir feststellen, dass die primitivsten Formen der Gesichtszüge bereits vorhanden sind, mit Spuren von Augen, Mund und Nasenlöchern, aber es besteht immer noch eine beträchtliche Lücke in der Funktion der echten Gesichtszüge. Diese Lücke kann nur durch das Aussehen der inneren Nasenlöcher und Mittelohrstrukturen gefüllt werden.

Von der Nase bis zu den Ohren: Die Herausforderung der terrestrischen Umwelt!

Zuerst die inneren Nasenlöcher. Ob auf dem Fischmarkt oder im Aquarium: Wer genau hinschaut, wird feststellen, dass auch Fische Nasenlöcher über dem Maul haben. Aber ihre Nasenlöcher unterscheiden sich stark von denen der Menschen. Da Fische zum Atmen hauptsächlich auf die Kiemen angewiesen sind und dabei durch ihr Maul unterstützt werden, hat die Nase natürlich keine Atmungsfunktion, sondern dient nur als Riechorgan, und die Nasenlöcher sind nicht mit dem Maul verbunden.

Daraus ergibt sich eine versteckte Gefahr: Was tun, wenn der Sauerstoffgehalt im Wasser nicht ausreicht und die Kiemenatmung den Sauerstoffbedarf nicht mehr decken kann? Im Sommer, wenn es fast Zeit zum Regen ist, schwimmen viele Fische an die Oberfläche von Teichen und Bächen und schlucken mit ihrem Maul in großen Schlucken Luft. In diesen Zustand werden sie durch den geringen Sauerstoffgehalt im Wasser gezwungen. Diese Methode, Sauerstoff aus der Luft zuzuführen, ist sehr umständlich und offensichtlich keine langfristige Lösung.

Im Laufe ihrer Entwicklung gelangten die Fische in flache Gewässer an der Schnittstelle von Land und Wasser und veränderten so ihre primitiven Nasenlöcher, die nun auch die Atmung ermöglichten. Durch die Entstehung der inneren Nasenlochstruktur wurden große Teile der Atmungsaufgaben des ursprünglichen Mundes übernommen. „Auf diese Weise schwimmt der Fisch auf dem Wasser, legt die Nasenlöcher über die Wasseroberfläche und leitet über die inneren Nasenlöcher Luft zum Atmen in die Kiemenhöhle. Dann kann sich sein Maul auf andere Dinge konzentrieren, beispielsweise auf das Fressen. Dies hat große Vorteile für die Evolution.“ Zhu Youan erklärte.

Durch die Struktur der inneren Nasenlöcher konnte sich die Nase zu einem echten Atmungsorgan entwickeln. Die Verbesserung der Nasenfunktionen bereitet die Fische auch darauf vor, in Zukunft in flachen Gewässern an Land zu gehen und läutet den Vormarsch der Wirbeltiere an Land ein.

Neben den Nasenlöchern haben die Ohren die radikalsten Funktionsveränderungen erfahren. Die Ohren von Menschen und Landsäugetieren sind Hörorgane. Wie Augen, Mund und Nasenlöcher sind auch die Ohren bei Fischen eigentlich schon in Ansätzen vorhanden, und alle Wirbeltiere verfügen über Innenohrstrukturen. Dieses sogenannte „Innenohr“ dient jedoch nicht der eigentlichen Funktion des „Hörens“. Fische verfügen bereits über andere Organe, die die Aufgabe des „Hörens“ übernehmen, nämlich die oben erwähnte Seitenlinienstruktur der Fische.

Die Essenz des Hörens besteht darin, die von Schallwellen in Ausbreitungsmedien wie Luft und Wasser erzeugten Schwingungen wahrzunehmen. Die Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Wasser ist höher als in der Luft und Schallwellen können im Wasser viel leichter wahrgenommen werden als in der Luft. Daher können viele Fische Schallwellenschwingungen im Wasser wahrnehmen, indem sie sich auf die Seitenlinienstruktur auf beiden Seiten ihres Körpers verlassen.

Wozu dient also das „Innenohr“? „Die Hauptfunktion des Innenohrs von Fischen bestand früher darin, das Gleichgewicht zu spüren“, erklärte Zhu Youan. „Das Innenohr ist eine bläschenartige Struktur, das sogenannte häutige Labyrinth, das mit Endolymphe gefüllt ist. Auf der Membran des häutigen Labyrinths befinden sich außerdem zahlreiche Flimmerzellen.“ Wenn Fische Sport treiben, erfassen sie mithilfe dieser Flimmerzellen den Druck, der durch die relative Erschütterung der Endolymphe im Membranlabyrinth entsteht, und entwickeln dadurch ein Gefühl für das Körpergleichgewicht.

Daher lässt sich das Innenohr problemlos in ein Hörorgan umwandeln, das auf dem Prinzip der Wahrnehmung basiert. Sogar im Wasser haben die Innenohren einiger Fische ein Gehör entwickelt und können Schallwellen wahrnehmen, die sich im Wasser ausbreiten, was die Funktion des Seitenlinienorgans erheblich ergänzt. „Fische mit knöchernen Schwimmblasen, wie Karauschen und Welse, haben auch sekundäre Hörorgane entwickelt, nämlich die Schwimmblase. Diese Struktur ist reich an Luft, und externe Vibrationen werden übertragen und treffen die Schwimmblase wie eine Trommel“, erklärte Zhu Youan gegenüber Reportern. Die Schwimmblase selbst ruht auf mehreren kleinen Knochen, den sogenannten Weber-Organen, die dazu dienen, Schwingungen an das Innenohr zu übertragen und so die Wahrnehmung von Schallschwingungen zu vervollständigen. Dies ähnelt dem menschlichen Ohr.

Als die Fische begannen, an Land zu gehen, waren sie mit einer noch komplizierteren Situation konfrontiert: Sie mussten Schallschwingungen in der Luft wahrnehmen, doch die Schallwellenschwingungen wurden in der Luft stark gedämpft, sodass das Seitenlinienorgan völlig nutzlos wurde. Die Struktur des Innenohrs allein war dieser Aufgabe offensichtlich nicht gewachsen, und so begannen sich einige Organe der Fische zu entwickeln, die nicht an die terrestrische Umgebung angepasst waren, wie beispielsweise das Blasloch. „Das Blasloch war ursprünglich Teil des Kiemenbogens früher Fische. Obwohl es Blasloch genannt wird, dient es eigentlich hauptsächlich dazu, Wasser zum Atmen in die Kiemenhöhle zu ziehen“, betonte Zhu Youan.

Als die Fische in die terrestrische Umwelt eindrangen, verschwand das Bedürfnis, im Wasser zu atmen, doch die Natur ließ dieses Organ nicht ungenutzt. Im Zuge der Weiterentwicklung der Kopfstruktur der Fische wanderte das Blasloch allmählich von seiner ursprünglichen zentralen Position auf dem Kopf des Fisches in die ungefähre Position des heutigen Ohrs und entwickelte sich zum heutigen Trommelfell in der Mittelohrhöhle. Auch die Zungen- und Oberkieferknochen, die ursprünglich als „Halter“ für den Unterkieferbogen dienten, degenerierten und wurden zu Gehörknöchelchen, die Schallwellen weiterleiten. Erst dann wurde die Grundstruktur des Mittelohrs festgelegt. Im darauffolgenden langen Evolutionsprozess entwickelte sich allmählich die äußere Ohrstruktur, die die Ohren bildete, die wir heute haben.

Über Milliarden von Jahren wurde die Grundstruktur unserer heutigen Gesichter im Wasser aufgebaut. Obwohl die Evolution des Gesichts nur einen kleinen Aspekt des großen Epos der Artenevolution darstellt, können wir, wenn wir diesem Weg folgen, ihn bis zu den Wurzeln zurückverfolgen und Hinweise bis hin zu den Gesichtern der Fische finden, weitere Puzzleteile für unseren eigenen Evolutionsweg zusammenfügen.