Die Augen der Säugetiere zeigen eine dunkle Vergangenheit

Seit mehr als 100 Millionen Jahren dominieren Dinosaurier die Tagesstunden, mit Wärme von der Sonne, die es ihnen ermöglicht, zu gedeihen. Die Nacht hätte daher kleinen, meist insektenfressenden Säugetieren die beste Gelegenheit geboten, zu jagen, ohne die nächste Mahlzeit eines Dinosauriers zu werden.

Frühe Säugetiere, die im Schatten der Dinosaurier auftauchten, sollen hauptsächlich nachtaktiv gelebt haben., Säugetiere entwickelten scharfe Geruchs-und Hörsinn und, auf Kosten einiger Fähigkeit, in Farbe und bei höherer Auflösung zu sehen, ihre Augen entwickelten Anpassungen, die ihre Sicht im Dunkeln verbessert: größere Pupillen, die mehr Licht in das Auge eindringen lassen; größere Anzahl von Stäbchenzellen, die Photorezeptoren für das Sehen in schwachem Licht erforderlich; und eine reflektierende Gewebeschicht namens Tapetum lucidum, die die Lichtabsorption durch die Netzhaut erhöht.,

Durch die Untersuchung der Augen und Gene moderner Tiere sowie durch einen Blick in den Fossilienbestand haben Wissenschaftler begonnen, zusammenzustellen, wie lange Säugetiere auf die Nacht beschränkt waren und wie diese Zeit die visuellen Systeme der heutigen Säugetiere prägte. Eine solche Arbeit ist auch ein Einblick, warum menschliche Augen manchmal ins Stocken geraten., Obwohl die Details noch zur Debatte stehen, könnte das Verständnis der Entwicklung des Säugetiersehens während einer längeren nachtaktiven Periode auch Wissenschaftlern helfen, vorherzusagen, wie sich moderne Säugetiere anpassen könnten, da die zunehmende Lichtverschmutzung und die menschliche Aktivität einige tagaktive Tiere dazu zwingt, die Nacht zurückzugewinnen.

„Was wir heute mit Säugetieren haben, ist eine Strahlung von Organismen, die die Quintessenz ihrer sensorischen Systeme in einer nächtlichen Umgebung entwickelt haben“, sagt Christopher Kirk, ein biologischer Anthropologe an der Universität von Texas in Austin., „Hundert Millionen Jahre Nachtaktivität — ich habe es schon einmal gesagt und ich werde es noch einmal sagen — es hat Konsequenzen.“

Geburt einer Hypothese

In seiner Monographie The Vertebrate Eye and its Adaptive Radiation von 1942 schlug Gordon Walls, Biologe an der damaligen Wayne University in Detroit, Michigan, vor, dass es während der frühen Evolution von Säugetieren eine längere Zeit des nächtlichen Lebens gegeben hatte Säugetieraugen neigen dazu, sich von denen anderer Wirbeltiere zu unterscheiden. Die Idee wurde als „nächtliche Engpasshypothese“ bekannt.,

Viele Säugetier-Macken könnten durch eine Geschichte der Nachtaktivität erklärt werden. Neben großen Hornhäuten und Pupillen, um die Lichtmenge zu maximieren, die in das Auge gelangen kann, haben Säugetieraugen weniger Abstand zwischen Linse und Netzhaut als viele Wirbeltieraugen, was der Linse hilft, bei schwachem Licht ein helles Bild auf die Netzhaut zu projizieren. Es gibt auch weniger Arten von Photorezeptorzellen zum Nachweis von Farben (bekannt als Kegelzellen)., Und den Augen der meisten Säugetiere — obwohl insbesondere nicht denen von Menschen oder bestimmten anderen Primaten-fehlt eine Fovea, ein Bereich der Netzhaut, der reich an Kegelzellen ist und Fischen, Vögeln und Reptilien, die tagsüber jagen, eine scharfe und detaillierte Sicht bietet. „Die meisten Säugetieraugen sind dem Schnupftabak nicht gewachsen, wie Vögel oder Eidechsen oder sogar Rifffische“, sagt Lars Schmitz, Evolutionsbiologe am Claremont McKenna College in Kalifornien.

In den letzten zehn Jahren haben Forscher neue Werkzeuge und Ansätze verwendet, um Daten zu sammeln, um die nächtliche Engpasshypothese zu stärken., Im Jahr 2012 analysierten Kirk und seine Kollegen die Augenmorphologien von 266 Säugetierarten aus 23 Ordnungen1. Sie fanden heraus, dass es wenig Unterschiede in der Form gab, unabhängig davon, ob die Arten tagsüber, nachts oder beiderseits aktiv waren. Das unterschied Säugetiere von Vögeln und Eidechsen, deren Augenformen sich mehr zwischen nächtlichen und tagaktiven Arten unterscheiden. Die Augen von Säugetieren ähnelten eher denen von Nachtvögeln und Eidechsen, mit Ausnahme von Menschen und eng verwandten Affen und Affen., Kirk schlägt vor, dass dies daran liegt, dass die Augen einiger Säugetiere wahrscheinlich begonnen haben, Funktionen, die für das tägliche Leben nützlich sind, neu zu entwickeln, nachdem sie einen nächtlichen Lebensstil aufgegeben haben.

Forscher entwickeln eine klarere Vorstellung davon, wann diese nachtaktive Periode stattgefunden hat und wie lange sie gedauert hat. Im Jahr 2017 schlug eine Gruppe in den Vereinigten Staaten vor, dass die Vorfahren von Säugetieren tagaktiv waren., Sie verwendeten fossile Beweise, um zu zeigen, dass sich die Augen der Wirbeltiere vor etwa 385 Millionen Jahren (kurz bevor Wirbeltiere aus dem Wasser auf Land2 auftauchten) verdreifachten und sich von den Seiten zu den Spitzen ihrer Köpfe bewegten. Diese Anpassungen ermöglichten es frühen Wirbeltieren, viel weiter zu sehen und mit ihren Augen über das Wasser zu jagen, wie es Krokodile tun. Dies wäre bei starkem Licht am vorteilhaftesten gewesen, sagt Roi Maor, ein Säugetierökologe an der Universität Tel Aviv in Israel und am University College London — was darauf hindeutet, dass frühe Wirbeltiere am Tag aktiv waren.,

Für Säugetiere muss sich etwas geändert haben, um nächtliches Verhalten anzunehmen. Ende 2017 präsentierte eine Gruppe von Forschern, darunter Maor, Beweise dafür, was das sein könnte. Das Team verwendete Daten zu Mustern der täglichen Aktivität für 2.415 lebende Säugetierarten, um zwei potenzielle Stammbäume zu rekonstruieren-einen über 166 Millionen Jahre Säugetierevolutionsgeschichte und den anderen über 218 Millionen Jahre.3., Der Baum mit der kürzeren Zeitleiste deutete darauf hin, dass Säugetiere nach dem Aussterben der Kreidezeit/des Paläogen eine Tagesnische besetzten, die ausgelöst wurde, als ein Asteroid vor etwa 66 Millionen Jahren die Yucatán-Penninsula im heutigen Mexiko traf. Diese Studie war die erste, die Aktivitätsmuster von Säugetieren an einen expliziten Zeitplan knüpfte, sagt Maor, und unterstützt die Hypothese, dass frühe Säugetiere durch die Dominanz der Dinosaurier bei Tageslicht in einen nächtlichen Lebensstil getrieben wurden.,

Das Aussterben der Kreide/Paläogen „war das Beste, was für Säugetiere passiert ist“, sagt Kirk. „Ohne dieses 10 Kilometer breite Stück Gestein, das in den Yucatán zerschmettert, wer weiß, wie Säugetiere heute aussehen würden-wahrscheinlich immer noch nur ein Haufen kleiner spitzmausähnlicher Dinge, die versuchen, nicht zum Abendessen zu werden.“

Grauzone

Nicht alle Beweise stützen diese Version der nächtlichen Engpasshypothese. Einige Untersuchungen deuten beispielsweise darauf hin, dass es zwischen den Wachzeiten von Säugetieren und Dinosauriern möglicherweise mehr Überschneidungen gegeben hat, als die Hypothese nahelegt.,

Zum Beispiel gibt es Hinweise darauf, dass frühe Säugetiere Varianten von Genen hatten, die lichtempfindliche Proteine namens Opsine kodieren, die auf das Farbsehen abgestimmt sind. Im Jahr 2012 wurden diese Beweise verwendet, um darauf hinzudeuten, dass die Aktivität von Säugetieren möglicherweise nicht auf die Stunden der Dunkelheit beschränkt war4. Die Kombination von Opsinen bei solchen Säugetieren ähnelte der bei modernen Schlangen, die bei schwachem Licht aktiv sind. Säugetiere könnten daher in der Dämmerung gejagt haben, anstatt vollständig nachtaktiv zu werden.

Einige Dinosaurier seien vermutlich auch nach dem Untergang der Sonne unterwegs gewesen, sagt Schmitz., Zusammen mit Ryosuke Motani, einem Paläobiologen an der University of California, Davis, untersuchte er die Fossilien von 33 Archosauriern, einer Gruppe, zu der Dinosaurier und fliegende Reptilien gehören, die als Pterosaurier bekannt sind. Das Paar konzentrierte seine Analyse auf die Augenhöhlen (Bahnen) und Skleralringe der Tiere5, bei denen es sich um Knochen handelt, die die Augen vieler Wirbeltiere umgeben.

Sie begannen damit, die Größe der Skleralringe mit ihren entsprechenden Bahnen bei mehr als 150 modernen Tieren zu vergleichen und die resultierenden Verhältnisse mit den Aktivitätsmustern der Tiere zu korrelieren., Sie verwendeten diese Informationen dann, um die Aktivität von Dinosauriern aus der Größe ihrer Augen abzuleiten, was sie dazu veranlasste, darauf hinzuweisen, dass bestimmte Dinosaurier tatsächlich im Dunkeln herumstreunten. „Die meisten Dinosaurier waren tagsüber aktiv und die meisten Säugetiere waren nachts aktiv“, sagt Schmitz. „Aber es ist wahrscheinlich nicht klar geschnitten.“Eine solche Überlappung könnte dazu beitragen, die Entstehung eines fast 1 Meter langen, dinosaurierfressenden Säugetiers vor etwa 130 Millionen Jahren zu erklären.

Es gebe auch Hinweise darauf, dass es nicht Säugetiere gewesen sein könnten, die sich in die Nacht zurückzogen, sondern ihre Vorfahren, sagt Schmitz., 2014 analysierten er und Kenneth Angielczyk, Paläobiologe am Field Museum of Natural History in Chicago, Illinois, die Umlaufbahnen und Skleralringe von 24 Arten von Nicht-Säugetier — Synapsiden-säugetierähnlichen Reptilien, die echten Säugetieren vorausgingen. Durch Extrapolation der Augenform aus den Dimensionen der Fossilien fand das Paar Hinweise auf nächtliche Ereignisse vor mehr als 300 Millionen Jahren — mehr als 100 Millionen Jahre vor der Entstehung von Säugetieren6. „Sie sind vielleicht noch früher in die Nachtphase eingetreten, als wir dachten“, sagt Schmitz.,

Aber Kirk und mehrere andere Forscher, darunter Margaret Hall, ein Evolutionsbiologe und Anatom an der Midwestern University in Glendale, Arizona, haben in Frage gestellt, ob die Größe der Bahnen und Skleralringe in modernen Tieren genügend Informationen liefern, um das Verhalten versteinerter Kreaturen zu rekonstruieren. Hall und Kirk schlagen vor, dass die Vorhersage, wie Tiere sehen, Kenntnisse über die Größe der Hornhaut und den Durchmesser des Augapfels erfordert, Messungen, die für längst ausgestorbene Tiere unsicher sind., „Die Geschichte, die wir alle uns und einander erzählen — dass Dinosaurier Säugetiere irgendwie in eine nächtliche Nische zwangen — könnte wahr sein“, sagt Hall. „Es ist die wahrscheinlichste Just-so-Geschichte, die wir uns einfallen lassen können. Aber es gibt keine Möglichkeit zu wissen.“

Rückkehr zur Dunkelheit

Einige Forscher glauben, dass der nächtliche Engpass die Ursache einiger Probleme sein könnte, die das menschliche Auge betreffen. Zum Beispiel scheinen Säugetiere bei der Anpassung an das nächtliche Leben den Mechanismus verloren zu haben, durch den moderne Eidechsen und Vögel ihre Linsen zusammendrücken, um sich zu konzentrieren., Dies macht Menschen anfälliger für Presbyopie oder Langsichtigkeit, wenn sie älter werden. In ähnlicher Weise hat die altersbedingte Makuladegeneration, bei der ein kleiner Bereich der Netzhaut abgebaut wird, was zum Verlust des zentralen Sehvermögens führt, eine so schwerwiegende Wirkung, weil Menschen und andere Primaten ein Sehvermögen mit hoher Sehschärfe erworben haben: indem sie Kegelzellen in die Fovea stopfen. Diese Struktur entstand wahrscheinlich als Anpassung an die Entwicklung eines Netzwerks von Blutgefäßen über der Basis der Netzhaut nach dem nächtlichen Engpass., Um zu vermeiden, dass dieses Netzwerk das Sehvermögen mit hoher Sehschärfe beeinträchtigt, mussten Kegelzellen einen kleinen-und daher anfälligen — Bereich einnehmen, sagt Kirk. „Wenn Sie fragen, warum wir uns überhaupt um diese Krankheitsprozesse kümmern müssen, geht ein Großteil davon auf verlorene Funktionalität im Engpass und auf alles zurück, was passiert ist, um dies auszugleichen“, sagt er.

Dieser Prozess der Kompensation bietet einen Einblick, wie sich Tiere an das Leben in Umgebungen anpassen können, die vom Menschen heller und dichter besiedelt werden. In einer Metaanalyse von 2018 untersuchten Forscher in den USA 76 Studien zur Aktivität von 62 Säugetierarten auf 6 Kontinenten7. Säugetiere, die in Gebieten mit einem hohen Maß an menschlicher Störung lebten (oder in ruhigeren Gebieten zu Zeiten erhöhter menschlicher Aktivität, wie Jagdsaison), waren 36% nächtlicher als diejenigen, die relativ ungestört lebten.,

Kaitlyn Gaynor, eine Wildtierökologin an der University of California, Berkeley, die an der Metaanalyse gearbeitet hat, sagt, dass es für Forscher schwierig ist, jede ökologische Konsequenz von Tieren vorherzusagen, die Nischen wechseln. In den Santa Cruz Mountains in Kalifornien sind Kojoten, die in der Nähe beliebter Wandergebiete leben, nächtlicher geworden, und ihre Ernährung umfasst jetzt eher Tiere, die nachts aktiv sind. Das wird Folgen für ihre neue Beute haben, ebenso wie die nächtlichen Raubtiere, einschließlich Füchse, mit denen sie jetzt im Wettbewerb stehen., Und es ist unklar, wie erfolgreich andere tagaktive Säugetiere bei der Kommunikation, Fütterung und Vermeidung von Raubtieren nach dem Wechsel zur Nachtaktivität sein werden.

Wenn das Niveau der menschlichen Aktivität weiter zunimmt, könnten die Menschen einen weiteren nächtlichen Engpass erzwingen. „Säugetiere haben das Sonnenlicht genossen, seit die Dinosaurier ausgestorben sind, aber jetzt fahren wir sie zurück in die Nacht“, sagt Gaynor. „Wir sind eine allgegenwärtige, schreckliche Kraft auf dem Planeten — ähnlich wie die Dinosaurier.”