Paleontologer vid University of Toronto (U of T) och Royal Ontario Museum (ROM) i Toronto har helt och hållet återbesökt en liten men exceptionellt våldsam gammal havsdjur som kallas Habelia optata som har gjort forskare förvirrade sedan den först upptäcktes för mer än ett sekel sedan.

Forskningen av huvudförfattaren Cédric Aria, nyutexaminerad från doktorandprogrammet vid avdelningen för ekologi &evolutionsbiologi vid fakulteten för humaniora och naturvetenskap vid U of T, och medförfattare Jean-Bernard Caron, seniorkurator för ryggradslösa paleontologi vid ROM och en docent vid avdelningarna för ekologi &evolutionsbiologi och geovetenskaper vid U of T, publiceras idag i BMC Evolutionsbiologi .

Cirka 2 cm lång med en svans lika lång som resten av kroppen, den sedan länge utdöda Habelia optata tillhör gruppen ryggradslösa djur som kallas leddjur, som också inkluderar sådana välbekanta varelser som spindlar, insekter, hummer och krabbor. Den levde under den mellersta kambriska perioden för cirka 508 miljoner år sedan och kommer från den berömda fossilfyndigheten Burgess Shale i British Columbia. Habelia optata var en del av den "kambriska explosionen, "en period av snabb evolutionär förändring när de flesta stora djurgrupper först dök upp i fossilregistret.

Som alla leddjur, Habelia optata har en segmenterad kropp med yttre skelett och ledade lemmar. Det som förblev oklart i årtionden, dock, var den huvudsakliga undergruppen av leddjur som Habelia tillhörde. Tidiga studier hade nämnt mandibulat - en hyperdiverse härkomst vars medlemmar besitter antenner och ett par specialiserade bilagor som kallas mandibles, vanligtvis används för att fatta, pressa och krossa deras mat. Men Habelia lämnades senare som en av de typiskt olösta leddjuren i Burgess Shale.

Den nya analysen från U av T-ROM-forskare tyder på det Habelia optata var istället en nära släkting till förfadern till alla chelicerat, den andra undergruppen av leddjur som lever idag, uppkallad efter förekomsten av bihang som kallas chelicerae framför munnen och som används för att skära mat. Detta beror mest på huvudets övergripande anatomi Habelia , och närvaron av två små chelicerae-liknande bihang avslöjade i dessa fossiler.

" Habelia visar nu i stor detalj kroppsarkitekturen från vilken kelicerat uppstod, vilket gör att vi kan lösa några långvariga frågor, sa Aria, som nu är postdoktor vid Nanjing Institute of Geology and Palaeontology, i Kina. "Vi kan nu förklara varför, till exempel, hästskokrabbor har ett reducerat par lemmar - chilaria - på baksidan av huvudet. Det är reliker av fullt utformade bihang, eftersom chelicerater från början verkar ha haft huvuden med inte mindre än sju par lemmar."

Aria och Caron analyserade totalt 41 exemplar, varav majoriteten är nya exemplar som förvärvats av ROM-ledda fältarbetspartier till Burgess Shale.

Forskningen illustrerar att den välbepansrade kroppen av Habelia optata , täckt av en mängd olika ryggar, var uppdelad i huvuden, bröstkorg och efterbröstkorg, alla bär olika typer av bilagor. Bröstkorgen visar fem par gående ben, medan post-thoraxen innehåller rundade bihang som troligen används vid andning.

"Skorpioner och de nu utdöda havsskorpionerna är också chelicerat med kroppar uppdelade i tre distinkta regioner, " Aria förklarade. "Vi tror att dessa regioner i stort sett motsvarar de av Habelia . Men en stor skillnad är att skorpioner och sjöskorpioner, som alla chelicerat, bokstavligen gå på deras huvuden, ' medan Habelia hade fortfarande gångbihang i bröstkorgen."

Forskarna hävdar att denna skillnad i anatomi tillät Habelia att utveckla ett särskilt komplext huvud som gör denna fossila art ännu mer säregen jämfört med kända kelicerat. Huvudet av Habelia innehöll en serie med fem bilagor gjorda av en stor tallrik med tänder för mastikering, en benliknande gren med styva borstliknande taggar för att greppa, och en långsträckt, smal gren modifierad som ett sensoriskt eller taktilt bihang.

"Denna komplexa apparat av bihang och käkar gjorde Habelia en exceptionellt hård rovdjur för sin storlek, "sa Aria." Det var troligtvis både mycket mobilt och effektivt för att riva sönder sina byten. "

Det överraskande resultatet av denna studie, trots det evolutionära förhållandet mellan Habelia med chelicerates, är att dessa ovanliga egenskaper fick istället forskarna att jämföra chefen för Habelia med mandibulates ur ett funktionellt perspektiv. Således, de säregna sensoriska grenarna kan ha använts på ett liknande sätt som mandibulates använder antenner. Också, de överlappande plattliknande bihangen i den mellersta serien om fem visas öppna och stänga parallellt med undersidan av huvudet - ungefär som de gör i mandibulates, särskilt de som livnär sig på djur med härdade sköldar.

Slutligen, ett sjunde par bihang på baksidan av huvudet tycks ha fyllt en funktion som liknar den för "maxillipeds" - bihang i underkäken som hjälper till med de andra huvudbenen vid bearbetningen av mat. Denna breda överensstämmelse i funktion snarare än i evolutionärt ursprung kallas "konvergens".

"Från en evolutionär synvinkel, Habelia är nära punkten för divergens mellan kelicerat och mandibulater, ", sade Aria. "Men dess likheter med mandibulates är sekundära modifieringar av egenskaper som delvis redan var chelicerate i naturen. Detta tyder på att kelicerater härstammar från arter med en hög strukturell variation. "

Forskarna drar slutsatsen från den enastående huvudstrukturen, såväl som från välutvecklade gångben, den där Habelia optata och dess släktingar var aktiva rovdjur på de kambriska havsbotten, jakt på små skaldjur från havet, såsom små trilobiter — leddjur med hårda, mineraliserade exoskelett som redan var mycket mångfaldiga och rikliga under kambrisk tid.

"Detta bygger på vikten av sköld och skal för evolutionär förändring under den kambriska explosionen, och utökar vår förståelse av ekosystem vid denna tid, visar en annan nivå av förhållandet mellan rovdjur och bytesdjur och dess avgörande inverkan på uppkomsten av leddjur som vi känner dem idag, sa Caron, som var Arias doktorandhandledare när huvuddelen av denna forskning var klar.

"Utseende och spridning av djur med skal anses vara en av de definierande egenskaperna hos den kambriumska explosionen, och Habelia bidrar till att illustrera hur viktig denna ekologiska faktor var för den tidiga diversifieringen av kelicerat och leddjur i allmänhet."

Fynden beskrivs i studien "Mandibulate convergence in an armored kambrian stam chelicerate, " där Habelia optata väcks till liv av bildkonstnären och den vetenskapliga illustratören Joanna Liang med animationer som skildrar den spektakulära kroppsarkitekturen och komplexa matningsmekanismen hos detta fossil. Liang samarbetade med Aria och Caron för att producera animationerna som en del av sin masteruppsats i naturvetenskap i biomedicinsk kommunikation vid U of T under handledare Dave Mazierski.