TEMA BROJA

Dr Gordana Jovanović

Neuronauke

Paleoneurologija i pametna istraživanja

Paleontolozi mogu provesti mnogo godina proučavajući stare muzejske zbirke ili razbijajući stene na terenu u potrazi za savršenim fosilom, sa dobro očuvanim skeletom i mekim tkivima. Sve dok nisu počeli da koriste digitalne tehnologije, o unutrašnjim strukturama i mekim tkivima kao što je nervni sistem, mogli su samo da nagađaju. Zahvaljujući njima lobanje se proučavaju ne samo radi preciznog oblika i veličine već i funkcije mozga koje moždani omotač ostavlja na njihovoj unutrašnjosti. Paleoneurološka istraživanja fosilizovanih lobanja pružaju obilje informacija kroz proučavanje „endokasta“ (prirodni kalup unutrašnje šupljine lobanje), osim u retkim slučajevima kada su sačuvani delovi mozga.

Mozak je meko tkivo koje se često prvo raspadne tokom fosilizacije, pa nam endokasti mogu pokazati vitalne ali indirektne informacije o mozgu fosilizovanih životinja. Proučavanja su dala zanimljive rezultate, počev od najstarijih obrisa nervnog sistema u crvolikim fosilima starim oko 525 miliona godina pa do krupnih kičmenjaka. Sada, kada paleontolozi znaju da mozak drevnih fosila može biti sačuvan, moćnim tehnologijama ponovo pretražuju lobanje i drugih primeraka. Poučavanje porekla i rane evolucije nervnog sistema svakako će pomoći da se razume struktura i funkcija nervnih sistema organizama iz prošlosti kao i savremenih, uključujući i naš sopstveni.

Poreklo neurona

Dok razmišljamo o evoluciji, ne možemo a da se ne zapitamo: kako je nastao nervni sistem životinja i prvi korak u njegovom razvoju – neuron? Tumačenja njegove evolucije su prilično nejasna i često kontroverzna. Vode se opsežne diskusije o razvoju neurona kao osnovne jedinice građe nervnog sistema. Jedan izvor za diskusiju je objašnjenje da neka karakteristika prisutna u jednoj kladi (grupa životinja sa zajedničkim pretkom) može biti odsutna u drugoj. Da li njeno odsustvo u drugoj kladi znači da nikada nije ni bila prisutna kod njenih predaka, ili je bila prisutna pa je kasnije izgubljena? Drugo pitanje se postavlja za molekul koji je prisutan u dve klade, a koji je možda evoluirao nezavisno u svakoj od njih.
Bogat fosilni zapis njihovih spoljašnjih ljušturica i “oružja” kojima su organizmi napadali svoj plen, sugeriše da je predatorsko ponašanje favorizovalo životinje koje su bile sposobne da prave brze pokrete pri traženju hrane - ali i da izbegnu da postanu nečiji plen. Oba razloga su favorizovala evoluciju brzo provodnog sistema poput neurona. Evolucija nervnih ćelija vezana je za evoluciju višećelijskih životinja kada je došlo do povećanja broja nervnih ćelija i usložnjavanja građe neurona i samog nervnog sistema. U najjednostavnijem obliku nervnog sistema, kakav se sreće kod dupljara, neuroni istovremeno i primaju i provode nadražaje do epitelo-mišićnih ćelija. Pored toga, mnoge karakteristike slične neuronima nalaze se u ćelijama mišića, žlezda ili čak epitelnih ćelija. Na primer, epitelne ćelije nekih meduza generišu nervne impulse koji zrače u druge epitelne ćelije.
Postoje dobri dokazi da su životinje sa nervnim sistemom bile prisutne na početku kambrijuma, ali postoje oprečni dokazi o tome kada su nervni sistemi prvi put evoluirali. Molekularna proučavanja ukazuju na to da su se savremene grupe sa nervnim sistemom možda razišle još u Edijakara periodu (635-542 miliona godina), ili čak ranije. Jedna od pretpostavki je da su neuroni i nervni sistemi evoluirali od epitelnih ćelija tankih pokretnih životinja koje su jele mikrobe tokom Edijakara perioda. Najpre su se neuroni specijalizovali da otkriju slaba bioelektrična polja obližnjih životinja.

Za male životinje, kao što je savremeni Trichoplax, iako nema organe čula i neurone, pretpostavlja se da može kontrolisati svoje ponašanje kroz veze između epitelnih ćelija. Trichoplax je manji i morfološki jednostavniji od Dickinsonia, jednog od najstarijih fosila iz Edikara perioda, ali Dickinsonia je verovatno imala manje i jednostavnije pretke koji liče na Trichoplax. Trichoplax je teško pronaći čak i danas, uprkos tome što je široko rasprostranjen u okeanima. Moguće je da je Trichoplax postojao u Edijakara periodu, ali nije identifikovan u fosilnim zapisima. Veliki broj fosilnih dikinsoniida je sačuvan sa finim detaljima, ali nažalost nema dokaza da je imao nervni sistem ili organe čula.

Mozak zglavkara

Nalaz konkrecija iz okoline Čikaga je bio pravo čudo jer je sačuvala dobro očuvan primerak sa fosilizovanim mozgom izumrle vrste zglavkara Euproops danae (310 miliona godina). Konkrecije su sferične stene koje se formiraju oko nekog materijala, kao što je u ovom primerku davno uginuli rak. Slučajno napukla konkrecija je otkrila skoro savršen poprečni presek strukture mozga. Za očuvanje mekih tkiva unutar ovih konkrecija bili su potrebni izuzetni uslovi. Zapravo, konkrecije su bile delimično napravljene od minerala siderita koji se formira samo u sredinama sa niskim sadržajem kiseonika, što je usporilo razaranje mekog tkiva. Na osnovu studija u sličnim današnjim sredinama (močvare Severnog Norfolka u Engleskoj), ceo proces očuvanja je mogao trajati manje od 50 godina. To je mnogo brže od nekih drugih procesa fosilizacije, koji mogu trajati hiljadama godina ili više. Dok se rak posle smrti raspadao, siderit je brzo obložio njegovo telo i omogućio očuvanje njega i njegove krhke strukture mozga. Nakon toga, sideritni „kalup“ je ispunjen bledim, glinenim mineralom kaolinitom, stvarajući belu strukturu mozga zahvaljujući kojoj je zapažen.
Iako su fosili zglavkara relativno česti, ništa se ranije nije znalo o njihovom drevnom mozgu. Centralni nervni sistem fosilizovanog primerka se može uporediti sa živim potkovičastim rakovima i sličan je rasporedu razgranatih nerava povezanih sa očima i nogama, a pokazuje i isti centralni prolaz za hranjenje. Dok savremeni potkovičasti rakovi spolja izgledaju drugačije, unutrašnja arhitektura mozga se nije promenila uprkos vremenu dužem od 300 miliona godina.

Prepoznat mozak fosilne ribe - drevnog rođaka ajkule

Kada su CT skenovi otkrili da jedna od lobanja Sibyrhynchus denisoni iz Kanzasa sadrži prepoznatljivu strukturu u obliku mozga, naučnici su odlučili da je ispitaju rendgenskom holografskom tomografijom koja je potvrdila strukture mozga unutar endokranijalne šupljine. Mozak je bio mali (oko 1,5 mm sa 7 mm), simetričan, nalazio se unutar velikog moždanog omotača, kao i kod mnogih nižih kičmenjaka. Imao je veliki režanj za vid i optički nerv koji se proteže do velikih očnih duplji. Slušni deo mozga je bio smanjen, kao kod unutrašnjeg uha izumrlog reda hrskavičavih riba Iniopterygiformes.
S. denisoni i blisko srodni organizmi imaju polukružne kanale koji su grupisani zajedno u horizontalnoj ravni, a ne u tri različite ravni kao kod savremenih sisara. Tako je S. denisoni mogao da otkrije samo bočna, ali ne i vertikalna kretanja vode. Fosil je star 300 miliona godina, potiče od Iniopterygiformes, sličnih himeri. Himere su srodnici ajkula i raža i danas broje oko 40 vrsta; u kasnom paleozoiku, rođaci himera su bili relativno česti.

Mozak dinosaurusa

Odlike endokasta su posebno interesantne za proučavanje mozga sauropoda, džinovskih biljojeda koji su, po svemu sudeći, imali mali mozak. Dok su se vremenom razvijali sve veći dinosaurusi, njihov mozak se nije povećavao. Tako, na primer, u vreme kada su sauropodi, poput brontosaurusa dostigli 100 tona, njihov mozak je bio samo veličine oraha. Pored toga, sauropodi su posebno zanimljivi paleoneurolozima zbog različito izduženog vrata i vrlo male glave u odnosu na generalno impozantno telo.
Paleoneurologija sauropodnih dinosaurusa je još uvek nedovoljno poznata, naročito titanosaurusa, specifične klade sauropoda poznatih sa brojnih lokaliteta iz perioda krede. Dok su primerci iz Gondvane prilično česti, paleoneurologija Laurazijskih titanosaurusa poznata je samo za nekoliko taksona iz Španije i Uzbekistana. Rendgensko kompjuterizovanim tomografskim skeniranjem je proučen titanosaurijski moždani omotač neimenovanog titanosaurida iz gornje krede (Azurna obala južne Francuske). 3D prikaz endokranijalne šupljine obuhvata mozak, kranijalne nerve i krvne sudove, kao i predeo unutrašnjeg uva. Proučavanja su razjasnila filogenetski položaj primerka iz Francuske; takson više vodi poreklo od drevnog uzbekistanskog primerka, ali ima odlike i nešto mlađih oblika iz Španije.

Dobro očuvan mozak sauropoda Buriolestes schultzi iz gornjeg trijasa Brazila, jednog od najstarijih poznatih dinosaurusa, nakon rekonstrukcije kompjuterskom tomografijom je pokazao neobičan evolucioni put ove izumrle grupe gmizavaca. Vrsta koja je živela pre 233 miliona godina smatra se najprimitivnijom od sauropodomorpha (izumrla grupa dugovratih biljojeda i njihovih srodnih predaka), iako se njena anatomija prilično razlikuje od kasnijih vrsta kojima pripadaju četvoronožni divovi biljojedi sa dugim vratovima, kao što su Brahiosaurus i Diplodocus. B. schultzi je bio mali, dvonožni mesožder, visok oko 0,5 m, dug 1,5 m i težak 6 kg. Imao je mali izduženi mozak težine oko 1,5 grama, koliko i zrno graška. To je prilično malo za životinju, ali otkriva kako je mali mesojed evoluirao u gigantske, četvoronožne sauropode biljojede. Njegova sposobnost ponašanja, razmišljanja i komunikacija je bila veća od sposobnosti velikih sauropoda koji su se pojavili milionima godina kasnije. Režanj koji se nalazio tačno ispod malog mozga mu je pomagao da vizuelno prati plen. Ovaj režanj kod njegovih ogromnih potomaka biljojeda sauropoda evoluirao je u znatno manji, Smatra se da se to dogodilo kada su rani sauropodomorfi počeli evoluirati u velike sauropode koji su se hranili lišćem i više im nisu bili potrebni za lov. Većina životinja razvija veći mozak u odnosu na veličinu tela, ali ono što se dogodilo sauropodomorfima je potpuno suprotno. Strukture mozga pokazuju malo čulo mirisa, dok je čulo vida bilo razvijenije kod B. schultzi nego kod drugih sauropoda i imao je sličnu strukturu kao kod krokodila.
Pre desetak godina, lovac na fosile je pretraživao jezersku plažu u jugoistočnoj Engleskoj i pronašao čudan šljunak glatke ali neobično valovite i mestimično naborane površine. Ispostavilo se da su to bili otisak i ostaci fosilizovanog moždanog tkiva dinosaurusa (bliskog rođaka Iguanodona, velikog biljojeda dinosaurusa koji je živeo pre oko 133 miliona godina, tokom rane krede).
Gornja površina endokasta je sadržavala mikroskopske karakteristike koje izgledaju kao direktno mineralizovani delovi moždanog tkiva. Endokast mozga dinosaurusa je pokazao određene strukture, a ispod njih su istraživači otkrili uzorak sićušnih kapilara i drugih tkiva. Na osnovu minerala, veruje se da je životinja nakon smrti potonula u jezero i da je zakopana u njegovim sedimentima. Kisele vode jezera sa niskim sadržajem kiseonika su delovale na membrane mozga, korozija je oslobodila naelektrisane atome koji su tkiva zamenili mineralima, sačuvavši njihove fine otiske. Moždana opna i ukupna struktura mozga podsećaju na one kod živih ptica i krokodila.

Dr Gordana Jovanović

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"