Original paper

At first sight Functional Analysis of Lower Cambrian Eye Systems

Schoenemann, Brigitte; Clarkson, Euan N.K.

Abstract

Over the last 35 years, more than 200 species have been described from the Lower Cambrian Chengjiang Lagerstätte. The body plans typical of that time may continue an evolutionary sequence with hidden Precambrian origins; many related forms are still represented in the Middle Cambrian, in the Burgess Shale. Their exquisite preservation allows the detailed analysis of features such as cuticular structures, and especially the morphology of the eyes. Many of the different eye systems known in recent animals are already present in the Chengjiang fauna. The existence of “simple eyes" like ocelli is discussed, the main emphasis however is laid on the visual systems of arthropods which dominate the Chengjiang fauna. The arthropods that bore these eyes were all adapted to particular life habitats, while the design of visual systems is conditioned by the availability of light and the need for acute vision. All visual systems have to obey the same physical rules in the same way, and an analysis of the structure of fossilised eyes, in comparison to those of marine arthropods living today may reveal how, and under which conditions the now fossilised visual organs may have worked. The result of the investigations presented here is that some of the Lower Cambrian arthropods of the Chengjiang Fauna show “experimental” designs, some of which failed and are no longer present, while others developed or are still represented today. By the application of modern physiological methods these arthropods can be confidently assigned to a life habitat and to light dependent life-styles. A functional analysis of the eye systems of Chengjiang arthropods is presented, with a discussion of the relevance of these functions to ecology.

Kurzfassung

Aus der unterkambrischen Fauna der Chengjiang Lagerstätte sind während der letzten 35 Jahre über 200 verschiedene Arten beschrieben worden. Deren Körperbaupläne setzen wahrscheinlich Entwicklungslinien fort, deren Ursprünge im Präkambrium verborgen liegen, andererseits sind viele verwandte Formen im Mittelkambrium und darüber hinaus noch präsent, z. B. in Burgess Shale. Die hervorragende Erhaltung der Chengjiang Fossilien erlaubt eine detaillierte Analyse von Strukturen, wie zum Beispiel kutikulären Mustern oder feinen Strukturen der Körperanhänge, insbesondere aber der Morphologie von Augen. Bei heutigen Organismen sind viele verschiedene Augensysteme bekannt, und viele von diesen können bereits in der Chengjiang Fauna nachgewiesen werden. Die Existenz von „Simple Eye Systems“, z. B. von Ocellen, wird hier diskutiert; der Schwerpunkt dieser Arbeit aber liegt in der Betrachtung von Augensystemen der Arthropoden, die die Lebensgemeinschaft der Chengjaing Fauna dominierten. Alle Arthropoden, die mit Augen ausgerüstet waren, waren an bestimmte Lichtbedingungen ihres Habitats angepasst, wobei die Morphologie dieser visuellen Systeme durch die Verfügbarkeit des Lichts und die Anforderungen einer möglichst hohen Sehgenauigkeit bedingt ist. Alle visuellen Systeme müssen denselben physikalischen Regeln in gleicher Weise gehorchen. Die Analyse der morphologischen Struktur der fossilen Augen aus dem Kambrium kann somit im Vergleich zu solchen heutiger mariner Arthropoden zeigen, unter welchen Bedingungen die fossilisierten visuellen Organe gearbeitet haben. Das Ergebnis der hier vorgestellten Untersuchung ist, dass manche der unterkambrischen Arthropodenaugen „experimentelle“ Designs zeigen, die jedoch nicht länger fortbestanden haben, während andere sich weiter entwickelten oder heute noch repräsentiert sind. Durch Anwendung moderner physiologischer Methoden können diese Arthropoden der Chengjiang Fauna zuverlässig einem Lebensraum und lichtabhängigen Lebensstilen zugeordnet werden. Eine funktionale Analyse der Augensysteme vieler Chengjiang Arthropoden wird hier vorgestellt und daraus folgend eine Diskussion dieser Eigenschaften innerhalb der damaligen ökologischen Zusammenhänge geführt.

Keywords

KambriumArthropodenSehgenauigkeitAugenKambrium ExplosionCambrianArthropodsVisionEyesCambrian Explosion