Warum haben Säugetiere nicht mehr als 4 Gliedmaßen?

Anzahl der Beine bei Landwirbeltieren

Säugetiere haben nicht nur vier Beine, sondern tatsächlich haben alle Landwirbeltiere (einschließlich Säugetiere) vier Beine. Es gibt jedoch geringfügige Ausnahmen, da einige Linien ihre Beine verloren haben. Normalerweise haben Schlangen keine Beine mehr. Apesteguia und Zaher (2006) diskutieren die Evolution der Beinreduktion von Schlangen und berichten über ein Fossil von Schlangen mit einem robusten Kreuzbein. Cetaecea (Wale und Co.) haben ihre Hinterbeine verloren, aber wir können sie immer noch am Skelett erkennen. Siehe zum Beispiel den Orca (Killerwal, leicht an seinen Zähnen zu erkennen) auf dem Bild unten. Achten Sie auf die kleinen Knochen unterhalb seiner Wirbelsäule auf der linken Seite des Bildes.

Ich möchte auch auf die Bedeutung der Definition von Beinen aufmerksam machen. Ich schätze, dass wir etwas ein Beinpaar nennen würden, wenn es auf einem ähnlichen Entwicklungsweg aufgebaut ist wie die derzeit existierenden Beine. Wenn wir eine breitere Definition verwenden, dann könnte ein Greifschwanz, wie er beispielsweise bei einigen Neuweltaffen zu finden ist, als Bein betrachtet werden (aber nur ein einzelnes Bein, offensichtlich kein Beinpaar). Eine Liste von Tieren mit Greifschwanz finden Sie hier (Wikipedia) .

Sagten Sie Natürliche Auslese?

Ich denke (könnte falsch sein), dass Sie eine zu selektionistische Sicht der Evolution haben. Was ich meine ist, dass Sie sich wundern, warum Säugetiere vier Beine haben und Sie nach einer Erklärung der Art suchen, "weil Säugetiere dieses Bedürfnis nach Fortbewegung haben und für diesen Zweck vier Beine die optimalste Anzahl von Beinen sind". Betrachten Sie den folgenden Satz: "Wenn es nötig ist, findet die natürliche Auslese einen Weg!". Dieser Satz ist falsch! Evolution ist nicht so einfach. Diese falsche Sicht der Evolution wird manchmal als Panselektionismus bezeichnet.

Die Realität ist, dass es nicht einfach ist, einen so drastischen Entwicklungspfad wie ein zusätzliches Beinpaar zu entwickeln, das gut in den Körper des Trägers dieser neuen Eigenschaft integriert ist. Ein solches Individuum würde ein Gehirn, einen Nervencode, ein Herz und einige andere Merkmale benötigen, die dazu geeignet sind, zusätzliche Beine zu haben. Auch wenn man davon ausgeht, dass so etwas entstanden ist, ist es ziemlich kompliziert, sich vorzustellen, wie es ausgewählt werden könnte. Um etwas weiter zu gehen, müssen Sie sich darüber im Klaren sein, dass es viele stochastische Prozesse in der Evolution gibt (einschließlich Mutationen und zufällige Variationen des Fortpflanzungserfolgs) und ein Organismus ein Teil einer komplexen Maschinerie ist und nicht unbedingt leicht in eine andere Form umgewandelt werden kann, die mehr wäre effizient (haben einen höheren Fortpflanzungserfolg). Der Wechsel von einer Form zur anderen kann oft eine "Talüberquerung" beinhalten. Dies bedeutet, dass, wenn mehrere Mutationen erforderlich sind, Zwischenformen einen geringen Reproduktionserfolg und daher ein hohes Maß an genetischer Drift (Stochastik im Reproduktionserfolg) aufweisen können, um ein solches Tal mit geringem Reproduktionserfolg zu durchqueren. SehenTheorie der Verschiebung des Gleichgewichts . Schließlich kann es, selbst wenn es eine Selektion für ein anderes Merkmal gibt, einige Zeit dauern, bis sich das mittlere Merkmal in der Population ändert, insbesondere wenn nur eine geringe genetische Varianz vorhanden ist. Eine vollständige Diskussion darüber, warum der Satz "Wenn es nötig ist, findet die natürliche Auslese einen Weg!" falsch ist, würde ein ganzes Buch füllen.

Gould (1979) ist ein klassischer Artikel zu diesem Thema und auch für Laien sehr gut lesbar.

Warum 4 Beine?

Landwirbeltiere haben vier Beine, weil sie sich aus einem Fischvorfahren entwickelt haben, der vier Mitglieder hatte, die nicht zu weit von den tatsächlichen Beinen entfernt waren (Mitglieder, die sich „leicht“ zu Beinen entwickeln konnten). Das nennen wir ein phylogenetisches Signal . Die Erklärung ist so einfach und grundlegend. Einen Blick auf die Vielfalt der Landwirbeltiere können Sie hier werfen (klicken Sie auf die Äste).

Anzahl der Beine bei Wirbellosen

Arthropoda (Spinnen (und andere Chelicerata), Insekten (und andere Hexapoden), Krebstiere (Krabben, Garnelen …) und Myriapoda (Tausendfüßler) und auch Trilobiten)) entwickelten sich aus einem gemeinsamen Vorfahren, der einen stark segmentierten Körper hatte. Von diesem Vorfahren haben viele Gruppen einige Segmente verschmolzen. Bei diesen Taxa ist jedes Beinpaar an einem bestimmten Segment befestigt (ich glaube nicht, dass die Segmente heute noch bei Spinnen sichtbar sind). Bei Insekten zum Beispiel sind alle 6 Beine am Brustkorb befestigt, aber an 3 verschiedenen Segmenten des Brustkorbs, dem Promeso- und dem Meta-Thorax (siehe unten).

Als Nebenbemerkung ist es interessant zu wissen, dass sich die Flügel bei Insekten nicht aus den Beinen entwickelt haben (wie es bei Vögeln und Fledermäusen der Fall ist). Es gibt zwei konkurrierende Hypothesen für den Ursprung von Insektenflügeln. Flügel entwickelten sich entweder aus Kiemen oder aus Sklerit (Chitinplatte, der harte Teil des Insekts). Als Insekten die ersten Flügel bekamen, entwickelten sie tatsächlich drei Flügelpaare (eines auf jedem Segment des Brustkorbs). Bei allen modernen Arten ist dann mindestens ein Paar verloren gegangen. Bei den Zweiflüglern ist ein zweites Flügelpaar verloren gegangen und durch Halfter ersetzt worden, die besonders gut bei Schnaken zu erkennen sind (siehe Bild unten). Bei Tausendfüßlern ist die Verbindung zwischen Segmentierung und Beinen noch deutlicher (siehe Bild unten). Hier können Sie sich die Vielfalt der Arthropoda anschauen ( klicken Sie auf die Äste).

Bilder

Aktualisierung 1

Die Frage, wie wahrscheinlich es ist, dass eine bestimmte Population ein bestimmtes Merkmal entwickelt, ist äußerst schwer zu beantworten. Es gibt zwei Hauptprobleme: 1) eine Definition des Frageproblems und 2) ein Wissensproblem. Wenn man nach einer Wahrscheinlichkeit fragt, muss man immer das a priori Wissen angeben. Wenn alles a priori bekannt ist, dann gibt es nichts Stochastisches (außerhalb der Quantenphysik). Um die Frage zu beantworten, muss man also entscheiden, was wir für selbstverständlich halten und was nicht. Das zweite Problem ist ein Wissensproblem. Wir haben noch lange nicht genug Wissen in der Proteinbiophysik (und vielen anderen Gebieten), um diese Frage zu beantworten. Es gibt so viele Parameter zu berücksichtigen. Ich würde erwarten, dass die Schaffung eines dritten Beinpaares große Änderungen erfordern würde und daher wird eine Mutation niemals ausreichen, um ein drittes Beinpaar zu entwickeln. Aber,

Nach dem Vorbild der Flügel bei Insekten. Insekten hatten drei Flügelpaare. Während einige Mutationen die Expression des dritten (eigentlich ersten) Paares verhinderten, verbleiben viele der genetischen Informationen für dieses dritte Paar im Genotyp von Insekten, da sie es immer noch für die beiden anderen Paare verwenden. Membracidae (Baumhüpfer) machten sich das zunutze und entwickelten einige Merkmale, indem sie einen ähnlichen biochemischen Weg nutzten wie den, der zur Entwicklung von Flügeln verwendet wurde. Diese Strukturen werden als Schutz oder batesianische Nachahmung verwendet .

Aktualisierung 2

Stellen wir uns vor, dass eine äußerst unwahrscheinliche Reihe von Mutationen auftritt, die ein Nagetier mit 6 Beinen hervorbringen. Stellen wir uns vor, dieses Nagetier mit sechs Beinen hat ein größeres Herz, um Blut zu diesen zusätzlichen Beinen zu pumpen, und es hat ein Gehirn, das an die Verwendung von sechs Beinen angepasst ist, und einige Veränderungen in seinem Nervenstrang, so dass es sein drittes Beinpaar kontrollieren kann. Wird dieses Nagetier einen höheren Fortpflanzungserfolg haben als andere Individuen in der Population? Nun… stellen wir uns vor, dass es mit seinen sechs Beinen schneller laufen kann oder was auch immer und eine sehr hohe Fitness hat. Wie würde der Nachwuchs einer sechsbeinigen Mutter (oder Vater) und eines vierbeinigen Vaters (oder Mutter) aussehen? Wird es sich reproduzieren können? Sehen Sie, das Problem ist, dass es für ein solches Merkmal schwierig ist, zu existieren, weil 1) es viele Schritte (Mutationen) erfordert und 2) es schwer vorstellbar ist, wie es ausgewählt werden könnte.

Nun, nehmen wir an, dass dies der Fall ist, und folglich besteht die gesamte Population nach etwa 200 Generationen nur noch aus 6-beinigen Individuen. Vielleicht ist die Art damals ausgestorben und es wurden nie Fossilien gefunden. Das ist möglich. Nicht weil etwas existiert hat, finden wir notwendigerweise etwas im Fossilienbestand.

Ich denke, ich könnte Ihre Frage so interpretieren, dass nicht nur gefragt wird, warum Säugetiere nicht mehr als vier Gliedmaßen haben, sondern warum Arthropoden mehr Vielfalt haben. Insekten haben sechs, aber andere haben acht, zehn oder mehr.

Teilweise gibt es einfach viel mehr Arthropodenarten. 80 % der Tierarten sind eine Art Arthropoden, und einige Abstammungslinien von Arthropoden sind entfernt miteinander verwandt, da Arthropoden als Gruppe seit der kambrischen Zeit existieren. Bei so vielen weiteren Arten ist es keine Überraschung, dass sie es geschafft haben, etwas mehr Abwechslung zu schaffen.

Obwohl es den Anschein haben mag, dass Insekten und Spinnen enger miteinander verwandt sind als beispielsweise Menschen und Fische, ist das Gegenteil der Fall. Tatsächlich spalteten sich Insekten ungefähr zur gleichen Zeit von anderen Arthropoden ab, als sich Fische in die drei Hauptlinien diversifizierten, die schließlich zu Knorpelfischen (Haie und Rochen), Rochenfischen ("normalen") Fischen und Lappenflossenfischen wurden (Quostenflosser und Lungenfische). All diese Dinge geschahen geologisch ungefähr zur gleichen Zeit vor etwa 400 Millionen Jahren. Einige uralte Lungenfische krochen kurze Zeit später an Land und brachten Landtiere hervor. In Anbetracht dessen ist es nicht wirklich überraschend, dass Arthropoden eine so große Vielfalt an Körperbauplänen haben - Sie sehen nicht sehr wie ein belaubter Seedrache aus (hoffe ich).

Aber vielleicht kann man es auch anders betrachten, als es schwierig ist, die Körperpläne dieser verschiedenen Tierarten anzupassen. Arthropoden haben segmentierte Körper. Bei einigen Arthropoden, insbesondere Myriapoda (Tausendfüßler, Tausendfüßler usw.), gibt es eine ziemlich einfache Anordnung von einem Segment zu einem Beinpaar (ohne den Kopf). Wirbeltiere haben auch einen segmentierten Körperplan, aber unsere Segmente sind nicht ganz so gut getrennt. Bei Wirbeltieren entspricht ein "Segment" ungefähr einem Wirbel. Da Wirbeltiere also nicht die Angewohnheit haben, an jedem Wirbel ein Beinpaar zu befestigen, ist es schwieriger, mehr Beine zu bekommen. Stattdessen haben Wirbeltiere innere Skelette mit den bekannten Hüften und Schultern von Landtieren. Wirbeltiere haben Glück, wenn sie die innere Struktur anpassen, wenn es nötig ist. Die meisten verwenden das traditionelle Vierbein-Layout, aber Menschen, Vögel, Wale und Schlangen haben alle ziemlich bedeutende Änderungen daran vorgenommen. Aber innerlich sind es immer noch die bekannten Hüften und Schultern – selbst Schlangen haben noch die nötigen Knochen. In einigen hundert Millionen Jahren könnten sie vollständig verschwinden, aber es scheint, dass die grundlegende Knochenstruktur schwer zu ändern ist. Wer weiß, in hundert Millionen Jahren könnten die Nachkommen der Schlangen in ferner Zukunft wieder Beine haben und sechs oder acht statt vier bekommen! aber es scheint, als ob die grundlegende Knochenstruktur schwer zu ändern ist. Wer weiß, in hundert Millionen Jahren könnten die Nachkommen der Schlangen in ferner Zukunft wieder Beine haben und sechs oder acht statt vier bekommen! aber es scheint, als ob die grundlegende Knochenstruktur schwer zu ändern ist. Wer weiß, in hundert Millionen Jahren könnten die Nachkommen der Schlangen in ferner Zukunft wieder Beine haben und sechs oder acht statt vier bekommen!

Insgesamt würde ich also sagen, dass die beiden Hauptgründe darin bestehen, dass der Körperplan der Arthropoden aufgrund seines höheren Grades an Modularität nur ein wenig flexibler ist und dass verschiedene Arten von Arthropoden tatsächlich weiter entfernt verwandt sind, als Sie vielleicht erwarten.

Die Antwort von Remi.B ist ausgezeichnet, ich versuche nur eine Erklärung anhand von Gennetzwerken:

In der Genetik sehen wir neue Gene, die sich durch Regulationswege mit dem älteren Genom "verknüpfen" und nur im Kontext des bestehenden Genoms "fit" sind. Dies hat zur Folge, dass die älteren Gene unverzichtbar werden. Ändere sie und du zerreißt das ganze Netz. Wenn Sie die Anzahl der Gliedmaßen erhöhen möchten, müssen Sie dies mit den HOX-Genen in Einklang bringen, die den grundlegenden Körperplan steuern. Diese sind schrecklich alt und haben ihren Ursprung im gemeinsamen Vorfahren von Fliegen und Menschen [1]. Als Faustregel gilt, dass diese Gene auch sehr schwer zu mutieren sind, ohne alles zu ruinieren.

Eine andere Argumentation ist, dass die HOX-Gene nicht nur früh in der Evolution auftauchten, sondern auch früh in der Entwicklung des Embryos exprimiert werden. Wenn alles, was in der Entwicklung vor sich geht, davon abhängt, was vorausgegangen ist, haben Mutationen in HOX-Genen eine größere Chance, etwas zu ruinieren, als Mutationen, die erst spät in der Entwicklung zum Ausdruck kommen. Ich gehe hier auf einen Felsvorsprung hinaus, aber bedenken Sie, dass die Farbe von Haaren, Haut und Augen eines menschlichen Babys oft erst Monate nach seiner Geburt vollständig zum Ausdruck kommt, und bedenken Sie auch die Bandbreite harmloser Variationen dieser Farben. Diese oberflächlichen Farben beeinflussen nichts anderes, so dass die entsprechenden Gene frei in eine große Vielfalt mutieren können.

[1] http://www.nature.com/nrg/journal/v2/n1/box/nrg0101_033a_BX1.html

Hier ist eine eher morphologische, weniger genetische Antwort:

Laut Sansom 2013 wurden die 2 Sätze von paarigen Gliedmaßen (Schulter und Becken) in Stein gemeißelt, als Agnathaner zu Gnathostomen wurden (dh als die ersten Wirbeltierorganismen begannen, Kiefer zu entwickeln, eine anatomische Veränderung, die die Klassifizierung verschiedener Stadien der Geschichte ermöglicht im Fossilienbestand gefunden). Sie fanden Variationen, bei denen ein Agnathan einen gepaarten Satz von Afterflossen hatte (eine Art 3. Satz von gepaarten Anhängseln, da die Afterflossen normalerweise nicht gepaart sind).

Jetzt, im Laufe von Millionen von Jahren, entwickelten sich die Sarcopterygii (Lappenflossenfische) zu den Tetrapoden (Landwirbeltiere mit 4 Gliedern, darunter Amphibien, Reptilien, Vögel und Säugetiere), dieses Muster (2 Sätze paariger Gliedmaßen) wurde unveränderlich, wenn auch viel weniger grundlegende Variation während der Phylogenese der verschiedenen Tetrapoden.

Sansom RS, Gabbott SE, Purnell MA. 2013 Ungewöhnliche Afterflosse bei einem kieferlosen Wirbeltier aus dem Devon offenbart komplexe Ursprünge paariger Anhängsel. Biol Lett 9: 20130002.