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Novos fósseis mostram como eram os cérebros ancestrais dos artrópodes
Os artrópodes são o grupo taxonômico de animais mais diverso e rico em espécies e incluem insetos, crustáceos, aranhas e escorpiões, bem como outras linhagens menos familiares, como milípedes e centopeias.
Por Daniel Stolte - 20/08/2021


Vista lateral de um Kaili Leanchoilia mostrando seu distintivo escudo de cabeça seguido por 11 segmentos terminando em uma "cauda" triangular. A barra de escala é de 2 milímetros. Crédito: Nicholas Strausfeld

Fósseis primorosamente preservados deixados para trás por criaturas que viveram há mais de meio bilhão de anos revelam em grande detalhe estruturas idênticas que os pesquisadores há muito supõem que devem ter contribuído para o cérebro arquetípico que foi herdado por todos os artrópodes. Os artrópodes são o grupo taxonômico de animais mais diverso e rico em espécies e incluem insetos, crustáceos, aranhas e escorpiões, bem como outras linhagens menos familiares, como milípedes e centopeias.

Os fósseis, pertencentes a um artrópode conhecido como Leanchoilia, confirmam a presença - prevista por estudos anteriores em genética e biologia do desenvolvimento de embriões de insetos e aranhas - de um domínio frontal extremo do cérebro que não é segmentado e é invisível nos artrópodes adultos modernos. Apesar de ser invisível, esse domínio frontal dá origem a vários centros neurais cruciais no cérebro do artrópode adulto, incluindo células-tronco que eventualmente fornecem centros envolvidos na tomada de decisões e na memória. Este domínio frontal foi hipotetizado como distinto do prosencéfalo, mesencéfalo e rombencéfalo vistos em artrópodes vivos, e recebeu o nome de prosocerebrum, com "proso" significando "frente".

Descritos em um artigo publicado hoje na revista Current Biology , os fósseis fornecem a primeira evidência da existência dessa região cerebral prosocerebral discreta, que tem um legado que aparece durante o desenvolvimento embrionário de artrópodes modernos, de acordo com o autor principal do artigo, Nicholas Strausfeld. , Professor Regentes de Neurociência da Universidade do Arizona.

"Os fósseis extraordinários que descrevemos são diferentes de tudo o que foi visto antes", disse Strausfeld. “Dois sistemas nervosos, já únicos porque são preservados de forma idêntica, mostram que meio bilhão de anos atrás essa região cerebral mais anterior estava presente e estruturalmente distinta antes do aparecimento evolutivo dos três gânglios segmentares que denotam o anterior, médio e posterior do cérebro. "

O termo gânglio se refere a um sistema de redes formando um centro nervoso que ocorre em cada segmento do sistema nervoso de um artrópode. Nos artrópodes vivos, os três gânglios que marcam o cérebro de três partes condensaram-se para formar uma massa sólida, obscurecendo sua origem evolutiva como estruturas segmentadas.

Fósseis de tecido cerebral são extremamente raros

Descobertos em depósitos da formação Kaili - uma formação geológica na província de Guizhou, sudoeste da China - os restos fossilizados de Leanchoilia datam do período cambriano, cerca de 508 milhões de anos atrás. Os fósseis de Kaili ocorrem em rochas sedimentares que apresentam altas concentrações de ferro, cuja presença provavelmente ajudou a preservar os tecidos moles, que posteriormente foram substituídos por depósitos de carbono.

Vista da parte anterior do fóssil fotografada sob luz direta e mostrando
os traços escuros dos olhos laterais, prosocerebrum (os traços
mais claros) e gânglios segmentares. A barra de escala
é igual a 2 milímetros. Crédito: Nicholas Strausfeld

"Os fósseis de Kaili abrem uma janela para vermos a evolução do plano corporal de animais que viveram há mais de meio bilhão de anos", disse o primeiro autor do artigo, Tian Lan, do Centro de Pesquisa de Paleobiologia de Guizhou na Universidade de Guizhou, na China. "Pela primeira vez, sabemos agora que fósseis de artrópodes da formação Kaili têm o potencial de preservar o tecido neural que nos mostra o cérebro primitivo do artrópode primitivo existente no início do mundo animal."
 
"Os sistemas nervosos, como outros tecidos moles, são difíceis de fossilizar", acrescentou o coautor Pedro Martinez, da Universitat de Barcelona e do Institut Catalá em Barcelona, ​​Espanha. "Isso torna o estudo da evolução inicial dos sistemas neurais uma tarefa desafiadora."

Os fósseis também lançaram uma nova luz sobre a origem evolutiva de dois sistemas visuais separados na evolução dos artrópodes: pares de olhos voltados para a frente ou olhos voltados para o lado, cujos descendentes ainda estão presentes nas espécies que vivem hoje.

Muitos artrópodes, incluindo insetos e crustáceos, têm um par bilateral distinto de olhos compostos facetados e outro par de olhos menos óbvios - com arquitetura mais primitiva - conhecido como olhos de nauplius, ou ocelos. Eles são estruturalmente semelhantes aos olhos principais de aranhas e escorpiões. Esses olhos mais simples correspondem aos olhos anteriores do prosocerebrum em Leanchoilia, em linha com as evidências obtidas por estudos anteriores que analisaram os padrões de expressão gênica durante o desenvolvimento embrionário de artrópodes vivos.

Os olhos laterais de Leanchoilia, por outro lado, relacionam-se com o protocerebrum, que é o gânglio segmentar que define o prosocerebrum do artrópode, situado logo atrás do prosocerebrum. Em artrópodes vivos, o protocerebrum fornece os olhos compostos de insetos e crustáceos, ou os olhos de lente única lateral de aracnídeos, centopeias e centopeias. Os centros visuais que atendem a esses olhos também pertencem à região protocerebral do cérebro.

Strausfeld explicou que nos artrópodes vivos, o protocerebrum, ou prosencéfalo, incorporou - de certa forma, engoliu - os centros antigos fornecidos pelo prosocerebrum, de modo que não é mais discernível como uma entidade anatômica distinta.

Os fósseis estão tão bem preservados que demonstram que, além dos olhos frontais, o prosocerebrum também deu origem a gânglios associados ao lábio, ou "lábio superior" dos artrópodes modernos. Os fósseis também confirmam uma hipótese anterior sugerindo que o labrum deve ter originalmente evoluído dos apêndices agarradores de Radiodonta, um grupo de artrópodes-tronco que foram os principais predadores durante o período cambriano.

“Quando comparado com outro material fóssil semelhante pertencente a linhagens mais avançadas, a organização do cérebro Leanchoilia demonstra que o arranjo ganglionar do cérebro inicial sofreu condensação e fusão de seus componentes, o que explica por que em espécies vivas o prosocerebrum não pode ser distinguido individualmente ", Disse Strausfeld.

Reconstrução do cérebro e do sistema nervoso segmentar mostrando
o par de olhos anterior estendendo-se do prosocerebrum, os olhos
laterais do protocerebrum e quatro gânglios segmentares. Mais
para trás, dentro do tronco, cada segmento é equipado com um
par de gânglios que, juntos, estão ligados por um cordão nervoso
que se estende por todo o corpo. As áreas sombreadas
em azul indicam tecido intestinal preservado. A barra
de escala representa 2 milímetros. Crédito: Nicholas Strausfeld

Implicações para a evolução do cérebro em vertebrados

Além de fechar uma lacuna centenária na compreensão da evolução do cérebro dos artrópodes, as descobertas têm implicações importantes para a evolução inicial dos cérebros dos vertebrados, disse Strausfeld.

Embora animais simples parecidos com peixes existissem ao mesmo tempo que esses artrópodes agora fossilizados, não há fósseis convincentes de seus cérebros e, portanto, nem evidências fósseis nem anatômicas de um prosocerebrum em vertebrados. Ainda assim, estudos modernos mostram que os genes que definem o cérebro anterior e posterior de, por exemplo, camundongos correspondem aos genes que definem as três divisões ganglionares do cérebro do artrópode. E nos vertebrados, certos centros cruciais envolvidos na tomada de decisão e no aprendizado e memória têm algumas correspondências genéticas com os centros superiores no cérebro do artrópode, que se originaram no antigo artrópode prosocerebrum.

Assim, é plausível que, mesmo antes do período cambriano, possivelmente mesmo antes da evolução dos planos corporais organizados por segmentos, o ancestral comum de vertebrados e invertebrados possuía circuitos básicos para cognição e tomada de decisão simples. E embora um antigo cérebro semelhante a um prosocerebral possa ter estado presente nos ancestrais dos vertebrados, nenhum fóssil desse tipo sugeriu evidências de um domínio discreto e não segmentar.

"No entanto, pode-se especular razoavelmente que os vertebrados incorporaram em seus cérebros 'modernos' partes de um cérebro antigo e não segmentado que até agora só foi demonstrado em um artrópode primitivo , como Leanchoilia", disse Strausfeld.

 

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