Die urzeitliche Landschlange Najash rionegrina

2003 stiessen die beiden Paläontologen Sebastian Apesteguia und Hussam Zaher von der Universität Sao Paolo, Brasilien in Argentinien auf einen überraschenden Fund: Sie entdeckten die fossilen Überreste einer Landschlange mit zwei Beinen. Das Tier stammt aus der jüngsten Kreide-Epoche (vor 65 bis 100 Millionen Jahren) und lebte in der Region Patagonien. Der genaue Fundort war die Candeleros Formation in der Rio Negro Provinz, Argentinien. Dieser Ort ist bekannt für seine fossile Vielfalt. So wurden dort schon fossile Frösche, Schildkröten, Krokodile aber auch Säugetiere geborgen. Einer der bekanntesten Funde aus dieser Gegend war 1993 das komplette Skelett eines Giganotosaurus, einer der grössten landlebenden Fleischfresser.

Der Fund

Die Forscher nannten die entdeckte Landschlange Najash rionegrina. Najash ist die hebräische Bezeichnung für die biblische Schlange vor dem Sündenfall, also als sie noch Beine besass, rionegrina steht für die Region des Fundes: die Provinz Rio Negro.
Die ersten Ergebnisse zu ihrem Fund veröffentlichten die beiden 2006 in der Fachzeitschrift nature unter dem Titel: „A Cretaceous terrestrial snake with robust hindlimbs and a sacrum“.

Die Grösse des Tieres lässt sich anhand des Fundes nicht ablesen. Die Schlange besitzt aber ein Kreuzbein, welches das Becken stützt. Zudem verfügte sie über funktionstüchtige Beine ausserhalb des Brustkorbes. Die Hinterbeine benutzte die Najash rionegrina wahrscheinlich eher wenig und bewegte sich wie die heutigen Schlangen fort. Ihre Anatomie lässt darauf schliessen, dass die Schlange ganz klar an Land lebte und wahrscheinlich in Erdlöchern hauste. Hinzu kommt, dass die geologischen Ablagerungen, in denen die Überreste gefunden wurden, aus einer Bodensubstanz bestehen und nicht aus einer Sedimentablagerung, die sich typischerweise nur unter Wasser bildet.
Die These liegt nahe, dass wenn diese Urschlange an Land lebte, sich die Schlangen auch an Land entwickelten. Nach wie vor geht die Forschung davon aus, dass sich Schlangen aus vierbeinigen Eidechsen entwickelten, bei denen sich die Beine im Laufe der Evolution zurückbildeten.

https://www.newscientist.com/article/dn9020-oldest-snake-fossil-shows-a-bit-of-leg/ A legged snake fossil found in 2003 in Patagonia, Argentina, may be the most primitive snake ever found – the sacral region is shown here

Kreuzbein des gefundenen Fossils der Najash. ©newscientist.com

 

Wasser- oder Landursprung?

Bislang war sich die Fachwelt aber nicht einig, ob diese Entwicklung im Wasser oder an Land stattfand. Die „Evolution im Wasser“ Theorie war vor allem im 20. Jahrhundert sehr populär und wurde durch zahlreiche Funde „beiniger“ Schlangenfossilien in maritimen Ablagerungen um Israel herum gestützt. Es wird vermutet, dass die Schlange ihre Gliedmassen im Wasser verlor und von der urzeitlichen martimen Eidechse namens Mosasaurus abstammt. Mit dem Fund der Najash kann, so zumindest Hussam Zaher zufolge, diese These des Meeresursprungs abgelehnt werden. Die Landschlange legt nahe, dass eine Verwandtschaft zum Mosasaurus doch nicht so eng ist, bis anhin vermutet. Die „beinigen“ Meeresschlangen aus Israel sind jünger, als die gefundene Landschlange und repräsentieren wahrscheinlich die erste Invasion der Schlangen in die Meere.

 

Mosasaurus („Echse von der Maas“) ist eine Gattung der Mosasaurier (Mosasauridae), einer ausgestorbenen Familie großer Meeresreptilien aus der Zeit der Oberkreide. Die Gattung war namensgebend für die Mosasauridae, Schuppenkriechtiere, die hochgradig an eine aquatische Lebensweise angepasst waren. William Daniel Conybeare veröffentlichte 1822 die Erstbeschreibung der Gattung.[1] Mosasaurus war einer der letzten, am weitesten entwickelten und größten Mosasaurier. Lebendrekonstruktion von M. hoffmannii Das erste Fossil, der Schädel des Holotypus (NMHN AC. 9648), wurde etwa 1770 von niederländischen Bergleuten in der Nähe von Maastricht gefunden. Nach dem Einmarsch französischer Truppen wurde der Schädel 1794 als Kriegsbeute nach Paris gebracht. Dort fand eine erste Untersuchung durch den französischen Naturforscher Georges Cuvier statt. Die größte Art der Gattung, M. hoffmannii, erreichte wahrscheinlich knapp 18 Meter Gesamtlänge. Sie ist auch die Typusart. Gideon Mantell benannte 1829 die Art nach dem vermeintlich an der Bergung des Schädels beteiligten Militärchirurgen Johann Leonard Hoffmann.[2] Mosasaurus war das erste Reptil, bei dem anerkannt wurde, dass es eine nicht mehr existierende Art aus einer Vorwelt war. Zuvor hielt man Fossilien für Überreste rezenter (oder vielmehr unveränderlicher) Arten.

Ein möglicher Vorfahre der modernen Schlange: Die Art Mosasaurus hoffmannii (hier im Bild ein rekonstruiertes Skelett) war mit seinen 18 Meter wahrscheinlich eines der grössten Exemplare der Gattung Mosasaurus. Die Gattung war auch namensgebend für die Familie der Mosasauridae (Schuppenkriechtiere), die perfekt an das Leben unter Wasser angepasst waren. Die grossen Meeresreptilien stammen aus der Zeit der Oberkreide (vor 83-66 Millionen).

In die gleiche Richtung führen auch die Forschungen des Evolutionsbiologen Blair Hedges von der Pennsylvania State University. Seinen Studien zur DNA Sequenzierung der Fossilien legen einen terrestrischen Ursprung der Schlange ebenfalls nahe. Evolutionsgeschichtlich ist es schwierig Beispiele für einen Gliederverlust in einer wasserreichen Umgebung zu finden. Es sind eher Fälle bekannt, bei denen Tiere an Land gingen und Abstammungslinien entwickelten, die dann wieder ins Meer zurückdrangen. Fast alle von ihnen haben ihre Glieder behalten und formten sie zu Flossen oder Paddeln um.

Bedeutung für die Forschung

Bis zu diesem Fund befand sich die Paläontologie in einer Sackgasse betreffend der Evolution der Schlange, da es keine neue Erkenntnisse mehr gab. Daher stellt dieser Fund eine Art Neustart in der Erforschung der Schlange dar. Die Najash rionegrina ist ein Bindeglied zwischen der vierbeinigen Eidechse und der heutigen Schlangen und füllt somit eine Lücke in der phylogenetischen (stammesgeschichtlichen) Entwicklung des Tieres.
Dieser Fund erschwert aber auch die Arbeit der Fossilienforscher. Fossilien halten sich allgemein besser im Wasser als an Land. Deshalb dürfte es sehr schwierig werden weitere Überreste prähistorischer Landschlangen zu finden.
Trotz des Fundes sind noch viele Fragen offen. So weiss man nicht, welche Gruppe der Eidechsen am ehesten mit den Schlangen verwandt ist. Auch reicht ein einziger Fund nicht aus, die „Wasser Hypothese“ vollends zu widerlegen.
Sebastian Apesteguia und Hussam Zaher Fund der Najash rionegrina wird von der Fachwelt anerkannt und gilt als Holotyp (das vom Autor bei der Beschreibung einer neuen Art festgelegte typische Individuum) einer neuen Spezies.

http://www.newtonsapple.org.uk/evolution-from-lizards-to-snakes/

Ein perfektes Bindeglied zwischen Echse und Schlange: So in etwa könnte die Najash rionegrina ausgesehen haben. ©newtonsapple.org.uk

 

Eine Zusammenfassung des Papers findet ihr hier.

2014 fanden Paläontologen vier neue Arten von Landschlangen, die deutlich älter sind als die Najash rionegrina. Gleichwohl bedeutet ihre Entdeckung einen dringend benötigenden neuen Aufwind in der paläontolgschen Erforschung der Schlange.

Zur Biophysik des Schlängelns

Schlangen bewegen sich auf verschiedene Weise (Siehe Blogbeitrag: Die Fortbewegungsarten von Schlangen ). Die Tiere kommen auf rauhen Oberflächen sehr gut voran, denn sie können sich an Pflanzen, Steinen etc abdrücken. Doch wie kommen die Tiere auch rasch auf glatten Oberflächen voran? Dieser Frage gingen die Mathematiker David Lu und Michael Shelley vom Georgia Institute of Technology, Atlanta und dem Courant Institute of Mathematical Science, New York nach.

Die Mathematiker vermuten, dass für die schnelle Fortbewegung der Schlange die Reibungskräfte verantwortlich sind, die während des Gleitens an den Bauchschuppen auftreten. Bauchschuppen haben ein einzigartiges Design, denn sie sind  wie Dachziegel übereinander gelappt. Aus diesem Grund kann eine Schlange auch nicht rückwärts kriechen.

Veröffentlicht wurde die Studie erstmals 2009 in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America unter dem Titel: The mechanics of slithering locomotion.

 

Experimente

Für die Überprüfung dieser These entwickelten die Forscher verschiedene Experimente.
Im ersten Experiment betäubten sie 10 junge Puebla Milchschlangen, mit einem Gewicht von 15 Gramm, und legten sie auf eine mit Stoff überzogenen Fläche. Nun wurde diese Fläche in verschiedenen Winkeln gekippt, so dass die Tiere ins Rutschen gerieten. Aus dem „Rutsch“ Winkel errechneten die Forscher den Reibungswiderstand. Insgesamt wurden die Schlangen in neun unterschiedlichen Positionen zum Rutschen gebracht (beispielsweise kopfvoran, seitlich etc.)

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Skizze zum ersten Experiment nach David Lu

Im zweiten Experiment liessen die Forscher Schlangen über ein 30 x 120 cm grosse Glasplatte kriechen sowie über eine gleichgrosse Fläche, die mit Stoff bezogen waren. Insgesamt wurden davon 70 Filme ausgewertet.
Die beobachtbaren Ergebnisse der Experimente wurden mit Hilfe von Computermodellen berechnet. Die Schlangenbewegung wurde als eine vereinfachte wandernde Wellenbewegung dargestellt. Die Wellenlänge entspricht hierbei der gesamten Körperlänge der Schlange. An diesen Modellen untersuchten die Wissenschaftler die Reibungskräfte entlang des gekrümmten Schlangenkörpers.

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Skizze nach David Lu: Schematische Darstellung der „Computerschlange“

 

Ergebnisse

Die grösste Reibungskraft lag, den Berechnungen zufolge, vor wenn das Tier quer zur Neigungsrichtung auf der Platte lag, egal welche Körperhälfte in die Abwärtsrichtung zeigte. Rutschte die Schlange aber mit dem Schwanz voran die Platte herunter, fiel der Reibungswiderstand deutlich geringer aus. Am kleinsten war der Widerstand, wenn die Schlange kopfvoran runter ruschte.
Verwendeten die Forscher statt einer Stoffplatte eine Glasplatte, waren die Reibungskräfte in allen Richtungen gleich gross. Dies erklärt warum Schlangen auf Glas nicht vorwärts kommen. Denn jeder Versuch des Tieres sich bei der Bewegung vom Boden abzudrücken wird von einer gleich grossen Reibungskraft ausgebremst. .

Die Ergebnisse mit den Computermodellen bestätigten die zuvor erworbenen experimentellen Befunde. Die Reibung ist entlang der Welle am grössten, wo sich die Schlange nach hinten vom Boden abdrückt und so bekommt der Schlangenkörper einen Schub nach vorne. Und weil die Reibungskraft nach vorne am geringsten ausfällt, überwiegt der Schub den Reibungswiderstand und die Schlange kommt vorwärts.
Zusammenfassend lässt sich sagen: grosser Winkel = mehr Reibung, kleiner Winkel= weniger Reibung

Die Computerschlangen bewegten sich übrigens immer langsamer als ihr echtes Vorbild. Schlangen besitzen nämlich einen entscheidenden Vorteil: Sie heben ihre Körper ab und verringern so die Gewichtskraft auf den Untergrund und somit auch die Reibung. Davon profitieren jene Stellen auf der Bauchseite, die gerade keine Kraft auf den Boden übertragen und dadurch wird die Schlange schneller.
Involvierten die Mathematiker diese Beobachtungen in ihre Berechnungen mit ein, stimmten die an Modellen berechneten Ergebnisse mit den Resultaten der Beobachtungen überein.
Das Geheimnis der Bewegung liegt also in der Reibung und der Gewichtsverlagerung.

 

Weiterführende Experimente

Nach den ersten Experimenten ist klar, dass die Bauchschuppen für die Fortbwewgung der Schlange elementar sind. Um diese These zu untermauern, führten Lu und Shelley ein weiteres Experiment aus. Sie zogen den Schlangen speziell angefertigte Jäckchen an, damit sie ihre Bauchschuppen für die Fortbewegung nicht einsetzen konnten und liessen sie wieder über die Platte schlängeln.

Auch dieses Experiment verifizierte die ersten beiden. In ihren Jäckchen konnten die SChlangen ihre Bauchschuppen nicht optimal einsetzen. Dies bedeutet wieder, dass alle Reibungskräfte gleich stark sind (äquivalent) und die Schlange an der Stelle kriecht. Die Bauchschuppen sind demnach der Schlüssel für die Fortbewegung. Bedeutend ist demnach bei der Fortbewegung auf rauhem natürlichen Untergrund, dass die Reibung der Bauschuppen beim Vorwärtskriechen geringer ist als in Rück-und Seitwärtsrichtung.

David Lu erklärt in einem Video der National Science Foundation seine Ergebnisse selbst. (Inklusive Schlangen in Jäckchen)

Wer die Erstveröffentlichung im Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America lesen möchte, hier der Link zum Original Paper
Das Courant Institute of Mathematical Science veröffentlichte 2012 auf ihrer eigenen Homepage ebenfalls die Studie mit dem Unterschied, dass hier sämtliche berechnungen im Detail aufgeführt werden. Wer eine mathematische Herausforderung sucht, findet sie hier: Original Paper mit Details

Literatur: Hu, David; Shelley, Michael (2009): The mechanics of slithering locomotion in: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America vol. 106 no. 25, S. 10081-10085.

Wie Würgeschlangen ihre Beute töten

2015 publizierten die Biologen Scott Boback und Katelyn McCann im Journal of Experimental Biology ihre Forschungsergebnisse und liefern somit die ersten Beweise für die physiologischen Effekte der Tötungsart von Würgeschlangen. Hier eine Zusammenfassung:

Ausgangslage

Als einzige beinlose Wirbeltiere entwickelten manche Schlangenarten eine eigene Art des Tötens. Sie umschlingen mit ihrem gesamten muskulösen Körper das Beutetier und töten es durch den Druck des eigenen Körpers. Der Name dieser Gattung, die Würgeschlange, legt nahe, dass die Beutetiere erwürgt werden. Sobald das Beutetier ausatmet, zieht die Schlange ihre Schlinge enger. Dadurch entsteht der Eindruck der Strangulation des Futtertieres. Das Beutetier stirbt aber zu schnell, als Ersticken die einzige Todesursache darstellt. Die Forscher vermuten daher eine andere Todesursache. Möglich wäre ein Herzstillstand oder eine Quetschung und Kappung der Blutversorgung, die zu einer Ohnmacht der Futtertiere führen.

würgeschlange

Boas und Pythons gehören zu den Würgeschlangen. Doch entgegen der jahrezehntelanger Meinung erwürgen Schlangen ihre Beute nicht. Im Bild: Eine Haiti-Boa

 

Experiment

Durch reine Beobachtung lässt sich leider die genaue Todesursache der Beutetiere nicht feststellen. Auch eine Obduktion bietet keine klaren Ergebnisse. Im Gehirn lässt sich zwar ein Sauerstoffmangel nachweisen, aber die Ursache bleibt ungeklärt. Ebenso kann auch ein Herzstillstand durch Kappung der Blutversorgung oder durch Ersticken erfolgen.
Die Forscher wollen zur genauen Klärung der Todesursache die Vitalzeichen (Blutdruck, ECG und blutchemische Werte) der Futtertiere aufzeichnen. Den Ratten wurden verschiedene Sensoren zur Messung dieser Zeichen angelegt. Davor wurden aber die Futtertiere betäubt, weil die Forscher nicht wollten, dass die Ratten Schmerzen für die Wissenschaft erleiden müssen.
Als Testschlange wurde die boa constrictor ausgewählt. Diese Würgeschlange zeigt immer die gleiche Verhaltensweise des Umschlingens bei alle Arten ihrer Beutetiere auf. Sie packen immer zuerst den Kopf und Schulterbereich des Tieres und drehen ihren Körper mindestens zweimal um den Körper des Beutetieres. Zudem waren diese Schlangen im Labor zur der Zeit gerade verfügbar. Insgesamt führte das Team das Experiment mit 17 Boas, die aus Wildfängen aus Belize und aus F1 Nachzuchten bestanden, durch.
Die betäubten, mit Elektroden bestückten, Ratten wurden den Boas zum Fressen vorgeworfen. Die Tiere taten ihre Arbeit und umschlangten die Beute sogleich. Ein Essverweigerer war übrigens nicht darunter.

Boa

Eine boa constrictor beim Fressen ihrer Beute

 

Ergebnisse

15 Boas packten die Ratte in der Thoraxmitte, 2 packten sie am Nacken. Einen Unterschied der Beutergreifuung zwischen Wildfängen und Nachzuchten war nicht ersichtlich.
Innerhalb von nur 6 Sekunden fiel der periphere Blutdruck aller Futtertiere um die Hälfte, während der Druck in den Venen um das sechsfache zunahm. Der Herzschlag verlangsamte sich und der Puls wurde unregelmässig. Das Tier erstickt demnach nicht, sondern wird zu Tode gepresst. Der Kreislauf kollabiert, die Blutzufuhr wird unterbrochen und führt zu einem Sauerstoffmangel im Gehirn, der zur Ohnmacht führt. Das Beutetier „erlebt“ seinen eigenen Tod nicht mehr. Dadurch lässt sich auch erklären warum die Tiere sterben, wenn sie sich aus dem Würgegriff der Schlange befreien können. Der Todeskampf des Organismus führt zu einer verstärkte Freisetzung von Kalium aus den Zellen, die zu Herzrhythmusstörungen, Lähmungen und Herzstillstand führen. Der erhöhte Kaliumgehalt im Blut vergiftet quasi das Beutetier.
Hier ein Video einer Fütterung mit einer toten Maus:

Ein Herzstillstand aufgrund eines Schocks konnte nicht nachgewiesen werden, da die Ratten betäubt waren.
Wer sich die genauen Ergebnisse der Studie anschauen möchte, findet sie hier: Original Paper

Literatur: Boback, Scott; McCann, Katelyn (2015): Snake constriction rapidly induces circulatory arrest in rats in: The Journal of Experimental Biology 218. 2279-2288.