ปลาอายุ 319 ล้านปีเก็บรักษาฟอสซิลสมองที่เก่าแก่ที่สุดของสัตว์มีกระดูกสันหลัง

สมองและเส้นประสาทสมองมีความยาวประมาณหนึ่งนิ้วและเป็นของปลาขนาดบลูกิลล์ที่สูญพันธุ์ไปแล้ว การค้นพบนี้เปิดหน้าต่างสู่กายวิภาคของระบบประสาทและวิวัฒนาการในช่วงต้นของปลากลุ่มหลักที่มีชีวิตอยู่ในปัจจุบัน นั่นคือปลาครีบกระเบน ตามที่ผู้เขียนของการศึกษาที่นำโดยมหาวิทยาลัยมิชิแกนซึ่งมีกำหนดเผยแพร่ในวันที่ 1 กุมภาพันธ์ในวารสาร Nature การค้นพบโดยบังเอิญยังให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการอนุรักษ์ชิ้นส่วนที่อ่อนนุ่มในฟอสซิลของสัตว์กระดูกสันหลัง ฟอสซิลสัตว์ส่วนใหญ่ในคอลเลกชั่นของพิพิธภัณฑ์เกิดจากชิ้นส่วนของร่างกายที่แข็ง เช่น กระดูก ฟัน และเปลือกหอย สมองที่สแกนด้วย CT ที่วิเคราะห์สำหรับการศึกษาใหม่นี้เป็นของ Coccocephalus wildi ซึ่งเป็นปลากระเบนยุคแรกที่ว่ายอยู่ในปากแม่น้ำและน่าจะกินกุ้งขนาดเล็ก แมลงในน้ำ และปลาหมึก กลุ่มที่ปัจจุบันรวมถึงปลาหมึก ปลาหมึกยักษ์ และปลาหมึก ปลากระเบนครีบมีกระดูกสันหลังและครีบรองรับด้วยแท่งกระดูกที่เรียกว่าปลากระเบน เมื่อปลาตาย เนื้อเยื่ออ่อนของสมองและเส้นประสาทสมองของมันถูกแทนที่ระหว่างกระบวนการกลายเป็นฟอสซิลด้วยแร่ธาตุที่หนาแน่นซึ่งรักษาโครงสร้างสามมิติของพวกมันไว้อย่างละเอียดประณีต “ข้อสรุปที่สำคัญคือ ชิ้นส่วนที่อ่อนนุ่มเหล่านี้สามารถรักษาไว้ได้ และอาจถูกเก็บรักษาไว้ในฟอสซิลที่เรามีอยู่มาช้านาน ซึ่งเป็นฟอสซิลที่รู้จักกันมานานกว่า 100 ปี” แมตต์ นักบรรพชีวินวิทยาแห่ง UM กล่าว ฟรีดแมน ผู้เขียนอาวุโสของการศึกษาใหม่และผู้อำนวยการพิพิธภัณฑ์ซากดึกดำบรรพ์ ผู้เขียนนำคือ Rodrigo Figueroa นักศึกษาปริญญาเอกของ UM ซึ่งทำงานเป็นส่วนหนึ่งของวิทยานิพนธ์ของเขาภายใต้ Friedman ในภาควิชา Earth and Environmental Sciences Figueroa กล่าวว่า "ฟอสซิลขนาดเล็กที่ดูไม่น่าประทับใจและดูเผินๆ นี้ไม่เพียงแต่แสดงตัวอย่างที่เก่าแก่ที่สุดของสมองสัตว์มีกระดูกสันหลังที่กลายเป็นฟอสซิลเท่านั้น แต่ยังแสดงให้เห็นว่าสิ่งที่เราคิดเกี่ยวกับวิวัฒนาการของสมองจากสิ่งมีชีวิตเพียงอย่างเดียวนั้นจำเป็นต้องมีการทำงานใหม่" Figueroa กล่าว "ด้วยความแพร่หลายของเทคนิคการถ่ายภาพสมัยใหม่ ฉันจะไม่แปลกใจเลยหากเราพบว่าสมองของฟอสซิลและชิ้นส่วนอ่อนอื่นๆ นั้นพบได้ทั่วไปมากกว่าที่เราคิดไว้ จากนี้ไป กลุ่มวิจัยของเราและคนอื่นๆ จะดูฟอสซิลหัวปลาด้วย มุมมองใหม่ที่แตกต่าง" ฟอสซิลกะโหลกจากอังกฤษเป็นเพียงตัวอย่างเดียวที่รู้จักของสปีชีส์ของมัน ดังนั้นจึงสามารถใช้เฉพาะเทคนิคที่ไม่ทำลายในระหว่างการศึกษาที่นำโดย UM งานวิจัยเกี่ยวกับ Coccocephalus เป็นส่วนหนึ่งของความพยายามในวงกว้างของ Friedman, Figueroa และเพื่อนร่วมงานที่ใช้การสแกนด้วยเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ (CT) เพื่อดูภายในกระโหลกของปลาที่มีครีบรังสีในยุคแรกเริ่ม เป้าหมายของการศึกษาขนาดใหญ่คือการได้รับรายละเอียดทางกายวิภาคภายในที่ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับความสัมพันธ์ทางวิวัฒนาการ ในกรณีของ C. wildi ฟรีดแมนไม่ได้มองหาสมองเมื่อเขาเปิดเครื่องสแกนไมโครซีทีและตรวจดูฟอสซิลกะโหลก “ผมสแกนมัน จากนั้นโหลดข้อมูลลงในซอฟต์แวร์ที่เราใช้แสดงภาพการสแกนเหล่านี้ และสังเกตเห็นว่ามีวัตถุแปลกแยกอยู่ในกะโหลกศีรษะ” เขากล่าว ก้อนที่ไม่ปรากฏชื่อนั้นสว่างกว่าในภาพ CT และน่าจะหนาแน่นกว่ากระดูกของกะโหลกศีรษะหรือหินที่อยู่รอบๆ "เป็นเรื่องปกติที่จะเห็นการเติบโตของแร่ธาตุอสัณฐานในฟอสซิล แต่วัตถุนี้มีโครงสร้างที่ชัดเจน" ฟรีดแมนกล่าว วัตถุลึกลับแสดงลักษณะหลายอย่างที่พบในสมองของสัตว์มีกระดูกสันหลัง: มีความสมมาตรทั้ง 2 ข้าง มีโพรงกลวงที่มีลักษณะคล้ายโพรง และมีเส้นใยหลายเส้นยื่นออกไปยังช่องเปิดในสมอง ซึ่งมีลักษณะคล้ายกับเส้นประสาทสมองซึ่งเดินทางผ่านคลองดังกล่าว ในสิ่งมีชีวิต "มันมีคุณสมบัติทั้งหมดนี้ และฉันก็พูดกับตัวเองว่า 'นี่คือสมองที่ฉันกำลังดูอยู่จริงๆ เหรอ'" ฟรีดแมนกล่าว "ดังนั้นฉันจึงซูมเข้าไปที่ส่วนนั้นของกะโหลกศีรษะเพื่อทำการสแกนครั้งที่สองที่มีความละเอียดสูงขึ้น และเห็นได้ชัดว่านั่นคือสิ่งที่ควรจะเป็น และเป็นเพียงเพราะนี่เป็นตัวอย่างที่ไม่คลุมเครือเท่านั้น เราจึงตัดสินใจที่จะ เอาไปใช้ต่อ" แม้ว่าแทบจะไม่พบเนื้อเยื่อสมองที่เก็บรักษาไว้ในฟอสซิลสัตว์มีกระดูกสันหลัง แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ประสบความสำเร็จดีกว่ากับสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง ตัวอย่างเช่น มีรายงานสมองของแมงดาทะเลอายุ 310 ล้านปีที่ยังไม่บุบสลายในปี 2564 และการสแกนแมลงที่ห่อหุ้มด้วยอำพันเผยให้เห็นสมองและอวัยวะอื่นๆ มีหลักฐานของสมองและส่วนอื่น ๆ ของระบบประสาทที่บันทึกไว้ในตัวอย่างแบนที่มีอายุมากกว่า 500 ล้านปี มีรายงานเกี่ยวกับสมองที่เก็บรักษาไว้ของญาติฉลามอายุ 300 ล้านปีในปี 2552 แต่ฉลาม ปลากระเบน และปลาสเก็ตเป็นปลากระดูกอ่อน ซึ่งปัจจุบันมีสายพันธุ์ค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกับปลาครีบกระเบนที่มี Coccocephalus ปลากระเบนในยุคแรกๆ เช่น Coccocephalus สามารถบอกนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับขั้นตอนวิวัฒนาการเริ่มต้นของกลุ่มปลาที่มีความหลากหลายมากที่สุดในปัจจุบัน ซึ่งรวมถึงปลาเทราต์ไปจนถึงปลาทูน่า ม้าน้ำ ไปจนถึงปลาลิ้นหมา มีปลากระเบนครีบประมาณ 30,000 สายพันธุ์ และพวกมันคิดเป็นประมาณครึ่งหนึ่งของ สัตว์ ที่มีกระดูกสันหลังคดทั้งหมด อีกครึ่งหนึ่งแบ่งเป็นสัตว์มีกระดูกสันหลังบนบก เช่น นก สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม สัตว์เลื้อยคลาน และสัตว์สะเทินน้ำสะเทินบก และกลุ่มปลาที่มีความหลากหลายน้อยกว่า เช่น ปลาไม่มีกรามและปลากระดูกอ่อน ซากดึกดำบรรพ์กะโหลกศีรษะ Coccocephalus ยืมมาจากพิพิธภัณฑ์แมนเชสเตอร์ของอังกฤษแก่ฟรีดแมน มันถูกค้นพบจากหลังคาของเหมืองถ่านหิน Mountain Fourfoot ใน Lancashire และได้รับการอธิบายทางวิทยาศาสตร์ครั้งแรกในปี 1925 ฟอสซิลดังกล่าวถูกพบในชั้นหินสบู่ที่อยู่ติดกับรอยต่อถ่านหินในเหมือง แม้จะพบเพียงกระโหลกของมัน แต่นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า C. wildi น่าจะมีความยาว 6 ถึง 8 นิ้ว เมื่อพิจารณาจากรูปร่างกรามและฟันของมันแล้ว ฟิเกรัวน่าจะเป็นสัตว์กินเนื้อ เมื่อปลาตาย นักวิทยาศาสตร์สงสัยว่ามันถูกฝังอย่างรวดเร็วในตะกอนที่มีออกซิเจนน้อย สภาพแวดล้อมดังกล่าวสามารถชะลอการสลายตัวของส่วนที่อ่อนนุ่มของร่างกาย นอกจากนี้ สภาพแวดล้อมทางเคมีในระดับจุลภาคภายในสมองของกะโหลกศีรษะอาจช่วยรักษาเนื้อเยื่อสมองที่บอบบางและแทนที่ด้วยแร่ที่มีความหนาแน่น ซึ่งอาจจะเป็นแร่ไพไรต์ ฟิเกรัวกล่าว หลักฐานที่สนับสนุนแนวคิดนี้มาจากเส้นประสาทสมองซึ่งส่งสัญญาณไฟฟ้าระหว่างสมองและอวัยวะรับความรู้สึก ในซากดึกดำบรรพ์ของ Coccocephalus เส้นประสาทสมองยังคงอยู่ภายในสมอง แต่จะหายไปเมื่อออกจากกะโหลกศีรษะ "ภายในกะโหลกศีรษะดูเหมือนจะมีช่องว่างเล็ก ๆ ที่ปิดล้อมอย่างแน่นหนา ซึ่งเอื้อต่อการเปลี่ยนชิ้นส่วนที่อ่อนนุ่มเหล่านั้นด้วยเฟสของแร่ธาตุบางชนิด ซึ่งจับรูปร่างของเนื้อเยื่อที่มิฉะนั้นจะสลายตัวไป" ฟรีดแมนกล่าวว่า การวิเคราะห์รายละเอียดของซากดึกดำบรรพ์พร้อมกับการเปรียบเทียบกับสมองของตัวอย่างปลาสมัยใหม่จากคอลเลกชันของพิพิธภัณฑ์สัตววิทยา UM เผยให้เห็นว่าสมองของ Coccocephalus มีลำตัวส่วนกลางขนาดเท่าลูกเกด โดยมีสามส่วนหลักที่สอดคล้องกับสมองส่วนหน้า สมองส่วนกลาง และสมองส่วนหลังในปลาที่มีชีวิต เส้นประสาทสมองฉายออกมาจากทั้งสองด้านของร่างกายส่วนกลาง เมื่อมองเป็นหน่วยเดียว ร่างกายส่วนกลางและเส้นประสาทสมองมีลักษณะคล้ายครัสเตเชียนขนาดเล็ก เช่น กุ้งก้ามกรามหรือปู โดยมีแขน ขา และกรงเล็บยื่นออกมา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โครงสร้างสมองของ Coccocephalus บ่งชี้ถึงรูปแบบที่ซับซ้อนของวิวัฒนาการของสมองปลามากกว่าที่เสนอโดยสายพันธุ์ที่มีชีวิตเพียงอย่างเดียว ตามที่ผู้เขียนระบุ Figueroa กล่าวว่า "ลักษณะเหล่านี้ทำให้ฟอสซิลมีคุณค่าที่แท้จริงในการทำความเข้าใจรูปแบบวิวัฒนาการของสมอง ตัวอย่างเช่น ปลากระเบนครีบที่มีชีวิตทั้งหมดมีสมองเป็นวงกลม หมายความว่าสมองของปลาตัวอ่อนพัฒนาโดยการพับเนื้อเยื่อจากด้านในของตัวอ่อนออกด้านนอก เหมือนกับถุงเท้าที่กลับด้านออก สัตว์มีกระดูกสันหลังอื่น ๆ ทั้งหมดมีสมองออก ซึ่งหมายความว่าเนื้อเยื่อประสาทในสมองที่กำลังพัฒนาพับเข้าด้านใน Friedman กล่าวว่า "ไม่เหมือนกับปลากระเบนที่มีชีวิตทั่วไป สมองของ Coccocephalus จะพับเข้าด้านใน" "ดังนั้น ฟอสซิลนี้จึงบันทึกเวลาก่อนที่คุณลักษณะเฉพาะของสมองปลากระเบนจะพัฒนาขึ้น สิ่งนี้ทำให้เรามีข้อจำกัดบางประการว่าลักษณะนี้วิวัฒนาการเมื่อใด ซึ่งเป็นสิ่งที่เราไม่มีการจัดการที่ดีก่อนที่จะมีข้อมูลใหม่เกี่ยวกับ Coccocephalus " เมื่อเปรียบเทียบกับปลาที่มีชีวิตพบว่าสมองของ Coccocephalus มีความคล้ายคลึงกับสมองของปลาสเตอร์เจียนและปลาพายมากที่สุด ซึ่งมักถูกเรียกว่าปลา "ดึกดำบรรพ์" เนื่องจากพวกมันแตกต่างจากปลาครีบกระเบนที่มีชีวิตอื่นๆ เมื่อกว่า 300 ล้านปีที่แล้ว Friedman และ Figueroa กำลังทำ CT สแกนกะโหลกของซากดึกดำบรรพ์ปลากระเบนอย่างต่อเนื่อง รวมถึงตัวอย่างหลายชิ้นที่ Figueroa นำมาให้ Ann Arbor โดยยืมตัวมาจากสถาบันในประเทศบราซิลบ้านเกิดของเขา Figueroa กล่าวว่าวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของเขาล่าช้าเนื่องจากการแพร่ระบาดของ COVID-19 แต่คาดว่าจะแล้วเสร็จในฤดูร้อนปี 2024 การศึกษาธรรมชาติรวมถึงข้อมูลที่ผลิตในเครื่องเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ของ UM ในศูนย์ Earth and Environmental Science ซึ่งได้รับการสนับสนุนโดย Department of Earth and Environmental Sciences และ College of Literature, Science และ the Arts ผู้เขียนคนอื่น ๆ ของบทความนี้คือ Sam Giles จากพิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์ธรรมชาติในลอนดอนและมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮม Danielle Goodvin และ Matthew Kolmann จาก UM Museum of Paleontology; และ Michael Coates และ Abigail Caron แห่งมหาวิทยาลัยชิคาโก Friedman และ Figueroa กล่าวว่าการค้นพบนี้เน้นย้ำถึงความสำคัญของการอนุรักษ์ตัวอย่างในพิพิธภัณฑ์ซากดึกดำบรรพ์และสัตววิทยา Friedman กล่าวว่า "ที่นี่เราพบการอนุรักษ์ที่น่าทึ่งในซากดึกดำบรรพ์ที่ตรวจสอบหลายครั้งก่อนหน้านี้โดยคนหลายคนในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา" "แต่เนื่องจากเรามีเครื่องมือใหม่เหล่านี้ในการดูภายในฟอสซิล มันจึงเปิดเผยข้อมูลอีกชั้นให้เราทราบ "นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมการจับตัวอย่างทางกายภาพจึงสำคัญมาก เพราะใครจะรู้ ในอีก 100 ปีข้างหน้า ผู้คนอาจทำอะไรกับฟอสซิลในคอลเลคชันของเราในตอนนี้"