Kartographie des Gehirns – Das Human Connectome Project

Das Gehirn – eine der kompliziertesten Strukturen der Natur. Es ist zu vielem fähig, zu denen selbst heutige Computer nicht fähig sind, wiegt durchschnittlich nur 1,4 kg und verbraucht doch große Teile unseres täglichen Energiebedarfs. Schätzungen zufolge besitzt das Gehirn 100 Milliarden Nervenzellen, deren Nervenbahnen aneinander gereiht 145-mal um die Erde reichen, und zehnmal so viele Gliazellen, die das Stützgewebe des Gehirns bilden. Dank der großen Plastizität und der ständigen Umstrukturierung sowie den Unterschieden zwischen einzelnen Menschen, ist es schwer das Gehirn zu untersuchen. Das Human Connectome Project versucht, alle Daten bezüglich des Gehirns zu sammeln und die neurologische Forschung voran zu treiben.

Das Gehirn - Schädel im MRT (Foto: Dieter Schütz  / pixelio.de)

Das Gehirn – Schädel im MRT (Foto: Dieter Schütz / pixelio.de)

Das Gehirn bei Tieren und der Aufbau unseres Gehirns
Viele Tiere besitzen Ansammlungen von Nervenzellen, die einem Gehirn ähneln oder dessen Funktion haben. Doch anatomisch ist zum Beispiel das Strickleiternervensystem der Insekten und Krebse sehr unterschiedlich zu unserem Gehirn. Besonders das Gehirn eines Krakens oder Tintenfisches steht jedoch in der Komplexität ebenfalls sehr hoch. Das Gehirn, wie wir es kennen, ist allen Wirbeltieren gleich und besteht entwicklungsgeschichtlich aus zuerst drei, dann fünf Teilen: Das Nachhirn verbindet es zum Rückenmark, das Hinterhirn beinhaltet einen Querwulst namens Pons (für Brücke), der Querverbindungen aufweist, und das Kleinhirn, welches für Bewegung und Koordination verantwortlich ist. Zusammen mit dem Mittelhirn bilden diese Strukturen das Stammhirn, welches den stammesgeschichtlich ältesten Teil darstellt und unter anderem für Reflexe und Atmung zuständig ist. In das Zwischenhirn kommen die Nervenbahnen des Auges und es beinhaltet die Hormondrüsen, Zirbeldrüse und Hirnanhangsdrüse. Als Schaltstelle zwischen Nerven- und Hormonsystem reguliert das Zwischenhirn den Schlaf-Wachrythmus, Schmerz- und Temperaturempfinden, Hunger, Durst und den Sexualtrieb. Das in zwei Hälften (Hemisphären) aufgeteilte, stark gefurchte Großhirn ist das Bild, welches in unsere Köpfe springt, wenn wir an Gehirn denken. Es beinhaltet das limbische System, verantwortlich für Instinkte und Emotionen. Die Großhirnrinde, Teil der grauen Substanz, enthält die Nervenzellkerne und die darunterliegende weiße Substanz die Nervenfasern, ein Balken verbindet beide Hemisphären. Das Gehirn ist von drei Hirnhäuten umgeben und schwimmt in der Hirnflüssigkeit.
Einteilung des Großhirns
Das komplexe Großhirn besitzt viele Funktionen. Eine erste Unterteilung findet örtlich statt und vier Hirnlappen sind beschrieben. Dort finden sich wiederum Windungen (Gyrus) und Furchen (Sulcus). 1903 versuchte Neuroanatom Korbinian Brodman das Gehirn zu unterteilen und beschrieb 52 Regionen. Diese beinhalten zum Beispiel den motorischen und primär somatosensorischen Cortex. Das Wernicke Areal ist für das Verstehen von Sprache zuständig, das Broca Areal zur Produktion von Sprache. Hör-, Seh- und Geschmackszentren verarbeiten die jeweiligen Sinneseindrücke. Anhand der gesammelten Bilder des Human Connectome Projects, erstellt durch MRI (Magnetresonanz- Ttomographie) konnte nun eine Publikation das Gehirn weiter einteilen. Die Arbeitsgruppe benennt 180 Areale pro Hemisphäre und sorgt nun für eine noch nie dagewesene detailreiche Kartographierung des Gehirns. Diese kann helfen ein größeres Verständnis über Gehirnentwicklung, verschiedenste Krankheiten und Altern zu bekommen.

Wie entstand der Mensch – die Evolution des Menschen

Kürzlich wurden in Südafrika mehrere Fossilien einer neuen Menschenspezies gefunden. Circa 15 Individuen wurden in einer schwer zugänglichen Höhle gefunden, was auf eine Art Grabstätte deuten lässt. Die Fossilien zeigen Eigenschaften von heutigen Menschen, wie der vollständig aufrechte Gang, aber auch primitivere Charakteristika, wie besser rotierbare Schultern und kräftige gebeugte Hände und Finger, was auf Klettern schließen lässt. Die Spezies wurde Homo naledi genannt. Diese zwei bis drei Millionen Jahre alte Fossilien sind nur ein Zwischenstück zum heutigen Menschen, was die Frage aufwirft, wie der Mensch entstand:

Die Linie des Menschen trennt sich nach genetischen Schätzungen von der der restlichen Affen vor fünf bis acht Millionen Jahren, aber neuste Studien vermuten den letzten gemeinsamen Vorfahren sogar vor 13 Millionen Jahren. Das älteste Fossil (sechs bis sieben Mio. Jahre), welches erste Merkmale in Richtung Mensch zeigt, ist Sahelanthropus tschadensis. Dieses nur teilweise vorhandene Skelett wurde in Tschad gefunden, kann jedoch aufgrund der fehlenden Teile nur wenig Hinweise geben. Es folgen weitere Funde von Hominiden, der Gattung des Menschen und seiner Vorfahren, welche als Kenyanthropus und Ardipithecus bekannt sind.

„Lucy“ ist einer der bekanntesten Funde, wurde 1974 entdeckt und gehört der Spezies Australopithecus afarensis (australo: südlich, pithecos: Affe) an, welche bereits einen aufrechten Gang hatte und vor drei Millionen Jahre lebte. Der aufrechte Gang war noch nicht derselbe, wie heutige Menschen ihn haben und der Grund, wieso er sich entwickelte, ist bis heute umstritten. Weitere berühmte Funde der Australopithecina sind das Taung Kind und Mrs. Ples, welches beide Schädelfunde von Australopithcus africanus sind, und Little Foot. Die Zuordnung, welcher Fund zu welcher Spezies gehört oder ob er eine neue Art darstellt ist oft schwierig, da jedes Individuum Unterschiede aufweisen kann. Ein großer Unterschied ist beispielsweise zwischen Männchen und Weibchen zu sehen ist (Geschlechtsdimorphismus), wie man es zum Beispiel vom Gorilla kennt, und auch die Entwicklung vom Kind zum Erwachsenen, wie im Beispiel des Taung Kindes, kann das Auffinden von Merkmalen erschweren.

Mit dem endgültigen Klimawandel zur Trockenheit in Ostafrika entwickelten sich die ersten Arten der Gattung Homo vor zwei bis drei Millionen Jahren. Homo habilis, der geschickte Mensch, wurde so beim Fund in den 60-er Jahren genannt, weil man dachte, er wäre der erste Mensch gewesen, der Werkzeug herstellte und benutzte, was sich jedoch als falsch herausstellte. H. habilis und Homo rudolfensis lebten in Afrika neben weitere Hominidenarten, wie die robusten Australopithecus boisei.

Nachstellung von Neandertalern (Foto: Andreas Sulz  / pixelio.de)

Nachstellung von Neandertalern (Foto: Andreas Sulz / pixelio.de)

Homo erectus lebte vor 1 bis 1,5 Millionen Jahren und war die erste hominide Spezies, die Afrika verließ. In Ostasien entwickelte sich aus dieser Art Homo florensis, auch Hobbit genannt, in Europa entwickelte sich Homo heidelbergensis beziehungsweise später der Neandertaler Homo neanderthalensis. In Afrika entwickelte sich vor 200 000 Jahren der moderne Mensch Homo sapiens, der ebenfalls aus Afrika herausströmte und in den Weiten der Welt auf die anderen Menschenspezies traf. Diese erneute Migration aus Afrika nennt man die Out-of-Africa Theorie.

Im Altaigebirge in Mittelasien fand man ebenfalls eine weitere menschliche Spezies, die Denisova-Menschen. Nach der Sequenzierung des Genoms der Neandertaler und der Denisova im Jahre 2010 konnte man feststellen, dass es zwischen diesen Menschenarten Austausche gab. Moderne Menschen und andere Arten lebten also nicht nur nebeneinander, sondern paarten sich auch miteinander.

Der Neandertaler verschwand vor ungefähr 40 000 Jahren und der Homo sapiens ist der letzte Überlebende der Gattung. Er hat sich in alle Bereiche der Welt ausgebreitet und wie keine andere Hominiden-Spezies zuvor sogar Australien und Amerika erreicht.

Dieser Artikel kann die aufregende Geschichte der Evolution des Menschen nur oberflächlich abdecken. Diese knappe Zusammenfassung ist nur der Anfang für jeden, der sich eingehender mit der Evolution des Menschen beschäftigen möchte.

Vorschau: Nächsten Monat geht es um unterschiedliche kognitive Wahrnehmung.

Wie die Schildkröte ihren Panzer bekam

Der Panzer der Schildkröte stellt eindeutig das auffallendste Merkmal dieser Tiere dar. Deshalb waren Biologen schon lange daran interessiert herauszufinden, wie er sich entwickelt hat. Welcher evolutionäre Druck führte zu diesem Phänomen? Studien der Morphologie und der Embryologie konnten nur zum Teil erklären, wie der einzigarte Körperbau zustande kommt. Erst in den letzten Jahren konnten Fossilienfunde weitere Puzzleteile zum Rätsel beisteuern. Der neuste Fund wurde nun in der Fachzeitschrift Nature beschrieben.

Frontansicht auf den Panzer: eine Karettschildkröte (Foto: Margit Völtz  / pixelio.de)

Frontansicht auf den Panzer: eine Karettschildkröte (Foto: Margit Völtz / pixelio.de)

Der Panzer macht 30% des Körpergewichtes einer Schildkröte aus. Er besteht aus massiven Knochenplatten, die einen Rippenkäfig bilden und sich aus dem Rückenpanzer (Carapax) und dem Bauchpanzer (Plastron) zusammensetzen. Er geht entwicklungsgeschichtlich aus den Wirbelbögen und Rippen hervor und der Schulterknochen hat sich dabei, im Gegensatz zu allen anderen Wirbeltieren, unter die Rippen geschoben. Die Atmung ist ebenfalls speziell angepasst und muss durch Muskelkraft der Extremitäten unterstützt werden.

Eunotosaurus war ein Reptil, welches vor 260 Millionen Jahren lebte und weite flache Rippen besaß. Dieses Tier besaß schon erste Anpassungen, zum Beispiel verlängerte Wirbel, ist aber noch weit von einer Schildkröte entfernt. Odontochelys ist das nächste Fossil in der Reihe. Es wurde 2008 gefunden und ist 220 Millionen Jahre alt. Das Reptil hatte einen bereits voll entwickelten Bauchpanzer. Doch durch diese 40 Millionen Jahre große Lücke konnte man nicht erklären, wie es zur Entwicklung eines kompletten Panzers kam.

Pappochelys, der neuste Fund, füllt die Lücke auf. Es bildet das morphologische Zwischenglied. Übersetzt „Großvater Schildkröte“, war das 240 Millionen Jahre alte Tier 20 Zentimeter groß und hatte noch Zähne, während heutige Schildkröten diese nicht mehr haben. Eine kurze spitze Schnauze und ein langer peitschenartiger Schwanz gehörten ebenfalls in sein Arsenal.

Der Schildkröten-Stammvater besaß paarige Knochen am Bauch, die mit den großen Rippen einen kompletten Käfig bildeten, der den Körper schützte. Außerdem kontrollierte es mit dem Gewicht der Knochen auch den Auftrieb im Wasser. Die Knochen im Bauch sind Bauchrippen, welche man auch bei Krokodilen finden kann. Dies ist der endgültige Beweis dafür, dass sich der Bauchpanzer der Schildkröten aus eben solchen Bauchrippen entwickelt hat und nicht, wie eine alternative Theorie besagte, aus Hautknochenplatten. Ebenfalls zeigt das Fossil, dass sich der Panzer im aquatischen oder semi-aquatischen Lebensstil entwickelte, da das Reptil in Seen lebte. Spätere Vertreter der Schildkröten, welche einen voll entwickelten Panzer besaßen, lebten wohl eher am Land.

Zusammengefasst bildet das neue Fossil Pappochelys eine neue Stufe in der Entwicklung des Schildkrötenpanzers. Man darf gespannt sein, ob in Zukunft weitere Fossilien gefunden werden.

Ambulocetus & Co – die Evolution der Wale

Walfinne: Die Evolution brachte die Flosse hervor und nahm die Beine weg (Foto: Urs Flükiger / pixelio.de)

Wale: die größten Tiere, die momentan auf der Erde leben. Sie sind neben den Seekühen die einzigen vollständig an das Leben im Wasser angepassten Säugetiere. Delfine gehören ebenfalls zu den Walen. Doch durch Walfang und Umweltverschmutzung sind diese majestätischen Tiere gefährdet. Doch wie sind Wale überhaupt entstanden?

Die nächsten Verwandten der Wale sind die Flusspferde. Durch molekulargenetische Analysen fand man heraus, dass die Wale viele Gemeinsamkeiten mit den Paarhufern, zu denen die Flusspferde, aber auch Giraffen, Schweine und Kamele, gehören, haben. Die genaue Herkunft der Wale ist umstritten. Die komplette Verwandlung von einem Vierfüßigen Säugetier bis hin zu einem vollständig an das Wasser angepasste Tier geschah innerhalb von rund 13 Millionen Jahren, was in der Evolution sehr schnell ist für solche großen Veränderungen.

Der wahrscheinlich Erste in der Linie der Tiere, die zu den Walen führt, lebte vor ungefähr 50 Millionen Jahren. Indohyus war ein waschbärengroßer geweihloser Hirsch, der wohl schon teilweise im Wasser auf dem indischen Subkontinent lebte. Verdickte Ohrknochen reihen ihn in die nahe Verwandtschaft zu den Walen ein, allerdings eher als eine ausgestorbene Schwestergruppe.

Walgebiss: Die Zähne verrate einiges über die Lebensweise eines Tieres (Foto: Rolf van Melis / pixelio.de)

Der wolfsgroße Pakicetus dagegen wird bereits zu den Walen gezählt. Er lebte wohl in Ufernähe und watete wie Indohyus im Wasser statt zu schwimmen . Der etwa drei Meter lange Ambulocetus zählt zu der wichtigsten Übergangsform zwischen Land und Wasser. Dieser laufende Wal, wie Ambulocetus übersetzt heißt, lebte im flachen Wasser. Seine amphibische Lebensweise ähnelte dabei der eines Krokodils. Er wartete im Brackwasser und griff Beutetiere, die an das Wasser heran kamen, an. Wenn er an Land wollte, musste er sich fortbewegen wie eine Robbe.

Die als Protocetiden bekannte Familie war dann die erste, deren Fossilien an Küsten auch an anderen Stellen der Welt gefunden wurden. Durch die Kontinentalverschiebung gab es zu ihrer Zeit viele tropische Ozeangebiete. Dies half ihnen sich schnell zu verbreiten.

Basilosaurus, was Königsechse bedeutet, war der erste Vertreter der Wale, der vollständig an das Leben im Wasser angepasst war. Dieser 18 Meter lange Koloss hatte eine lange Schnauze und furchterregende große Zähne. Als das größte Säugetier seiner Zeit war es ebenfalls der dominierende Räuber der Meere.

Gefährlicher Fleischfresser: Dieser Orca ist wie seine Vorfahren ein Jäger (Foto: beppo1 / pixelio.de)

Die heute lebenden Wale unterscheiden sich in Bartenwale, die sich als Filtrierer von Plankton ernähren, und die sich räuberisch ernährenden Zahnwale. Mit dem Blauwal bei den Bartenwalen und dem Pottwal bei den Zahnwalen, zählen das größte räuberisch lebende Tier und das größte Tier, das je auf der Erde gelebt hat, zu den Walen. Auch in Sachen Langlebigkeit brechen die Wale Rekorde und leben bis zu 200 Jahre. Dieses lange Leben wird hauptsächlich durch den Menschen bedroht.

 Vorschau: Nächste Woche gibt es eine Face2Face Mitarbeiter Umfrage über ihre Lieblingstiere.