How Snakes Lost Their Legs

Schlangen wanderten vor etwa 150 Millionen Jahren auf Beinen über die Erde, bevor sie vom Stolzieren zum Schlittern übergingen.

Jetzt haben zwei Wissenschaftler den genetischen Prozess lokalisiert, der dazu führte, dass Schlangen ihre Beine verloren. Mehr noch, sie sagen, dass die „molekulare Maschinerie“ für die Entwicklung der Beine in den Schlangen nach diesen Millionen von Jahren immer noch existiert – sie wurde einfach abgeschaltet.

Einige Schlangen, wie Pythons, behalten winzige Überreste von Beinen in Form von zwei kleinen Höckern auf jeder Seite ihres Beckens. Die Wissenschaftler der Universität von Florida, die die am Donnerstag in Current Biology veröffentlichte Studie über Schlangenbeine durchführten, konzentrierten sich dabei auf Pythons.

Wie Co-Autor und Professor für Molekulargenetik Martin Cohn gegenüber The Two-Way erklärt, ist ein Gen namens Sonic hedgehog für die Entwicklung der Gliedmaßen verantwortlich. (Ja, dieses Gen wurde von Liebhabern des Videospiels benannt.)

Die Forscher aus Florida fanden heraus, dass das Sonic hedgehog-Gen in Python-Embryonen, die weniger als 24 Stunden alt sind, sehr kurz aufflackert. Dieses genetische Signal war zuvor bei Pythons nicht entdeckt worden.

Cohn sagt, dass sich das Sonic hedgehog der Schlangen wie bei jedem Wirbeltier mit Gliedmaßen einschaltet, aber dann wieder abschaltet. „Wir wollten wirklich aufbohren“, sagt er, „um die genaue Natur des Grundes dafür im Genom zu ergründen.“

Er erklärt, dass Sonic hedgehog bei Wirbeltieren mit Gliedmaßen die Entwicklung vieler Organe steuert, nicht nur Arme und Beine. DNA-Regulationssequenzen, sogenannte Enhancer, steuern die Art und Weise, wie diese Gene für bestimmte Körperteile ein- und ausgeschaltet werden. Ohne einen Enhancer für Gliedmaßen könnte Sonic hedgehog nicht dafür sorgen, dass sich diese vollständig entwickeln. Die Forscher fanden heraus, dass mehrere Abschnitte der DNA in diesem Enhancer irgendwann während der Python-Evolution gelöscht wurden.

Die gleichen Abschnitte wurden in den DNA-Sequenzen der Boa Constrictors gelöscht, sagt Cohn. Und die Ergebnisse waren sogar noch ausgeprägter bei Schlangen, die überhaupt keine Spuren von Beinen mehr haben, wie Kobras und Vipern. Ihr Sonic hedgehog limb enhancer war „fast nicht nachweisbar“, sagt er. „

Zusammenfassend besagt die Studie, dass diese Mutationen des Sonic Hedgehog Gliedmaßen-Enhancers für die gestoppte Entwicklung der Gliedmaßen bei Pythons verantwortlich sind.

Die Forschung nahm dann eine noch überraschendere Wendung, als die Wissenschaftler die Aktivität eines anderen Gens, genannt HOXD, untersuchten, das an der Bildung von Fingern und Zehen beteiligt ist. Als wir Python-Embryonen untersuchten, „sahen wir ein Aktivitätsmuster dieses HOXD-Gens, das charakteristisch für einen Fuß war, was ein wirklich seltsames Ergebnis ist, weil Pythons keine Füße bilden“, sagt Cohn.

Und dann, sagt Cohn, fanden er und seine Forscherkollegin Francisca Leal dies: Embryonale Pythons „bilden ein prä-kartilaginäres Modell aller Skelettelemente der Gliedmaßen. … Sie fangen an, ein komplettes Bein bis hinunter zum Fuß zu bilden.“

„Es war absolut umwerfend, denn das war wie die Entwicklung eines kryptischen Beinskeletts in einem Embryo“, sagt er und fügt hinzu, dass der mutierte Sonic hedgehog limb enhancer dieses kryptische Glied letztendlich nicht wachsen lässt.

Cohn sagt, dass dies auf eine interessante Implikation über die Art und Weise hinweist, wie sich Schlangen über Millionen von Jahren entwickelt haben:

„Es gibt eine Reihe von fossilen Schlangen mit Beinen. Paläontologen haben argumentiert, dass einige dieser alten Schlangen die Beine ihrer Vorfahren beibehalten haben, während andere Arten sich nach dem Verlust der Beine entwickelt haben und somit möglicherweise Beine wiedererlangt haben.“

Das könnte daran liegen, dass Pythons einen Großteil der molekularen Maschinerie für die Herstellung von Gliedmaßen beibehalten haben, so Cohn.

„Es ist faszinierend – wie kann man eine Struktur, die verloren gegangen ist, wiederherstellen? Das ist ziemlich ungewöhnlich“, sagt er.

„Aber was uns diese Ergebnisse sagen, ist, dass das vielleicht gar nicht so ein schwieriger Prozess war, wie es vielleicht scheint. Sie mussten die Gliedmaßen nicht von Grund auf neu erfinden. Es gibt bereits ein bemerkenswertes Maß an Gliedmaßenentwicklung, die im Embryo stattfindet, und wenn man diese embryonalen Strukturen einfach beibehält und ihnen erlaubt, die Skelettentwicklung abzuschließen, hat man Beine.“