Stereom microstructures of Cambrian echinoderms revealed by cathodoluminescence (CL)

Przemysław Gorzelak and Samuel Zamora

Plain Language Abstract

Echinoderms possess a skeleton with a characteristic meshlike microstructure called stereom. Stereom is considered the major echinoderm character and is recognized already in some Cambrian echinoderms. However, data on the skeletal microstructures of early echinoderms are still sparse and come only from isolated plates of limited taxonomic value in which the primary calcite has been replaced by other minerals.

Here, we applied for the first time cathodoluminescence (CL) in distinguishing stereom microstructures of the diagenetically altered calcitic skeletons of some Cambrian echinoderms (in particular Protocinctus, Stromatocystites and Dibrachicystidae). CL not only provides insights into the diagenesis of their skeletons but also reveals primary microstructural details that are not visible under optical or scanning electron microscopes. Different stereom types comparable to those observed in extant echinoderms have been recognized for the first time in these Cambrian taxa. Our results show that the stereom microstructures widely occur in various Cambrian echinoderms, which suggest that they likely evolved the same genetically controlled biomineralization mechanisms as those observed in modern echinoderms.

These results underline that the CL technique can be a powerful tool in the detection of the microstructural organization in even the most recrystallized echinoderm specimens. Given the close association between the skeletal microstructure and the investing soft tissues, the method presented here opens new possibilites for revealing skeletal growth and soft tissue paleoanatomy of fossil echinoderms.

Resumen en Español

Microestructuras estereómicas en equinodermos cámbricos proporcionadas por catodoluminiscencia (CL)

Los equinodermos poseen un esqueleto con una microestructura única que se conoce con el nombre de estereoma y que está controlada por una familia de genes específica. El estereoma es por tanto considerado como la principal sinapomorfía del grupo y es reconocible en los primeros equinodermos cámbricos. Sin embargo los datos de esta microestructura en los equinodermos más antiguos son todavía insuficientes y provienen de osículos aislados cuyo valor taxonómico es muy limitado y que aparecen conservados por reemplazamiento de la calcita por fosfato, sílice u óxidos de hierro.

En este trabajo, aplicamos la catodoluminiscencia (CL) para estudiar la microestructura estereómica en algunos equinodermos Cámbricos conservados en calcita muy alterada diagenéticamente (en concreto los taxones Protocinctus, Stromatocystites y Dibrachicystidae). La CL no sólo aporta datos sobre la diagénesis del esqueleto de los equinodermos sino también revela detalles microestructurales primarios que no eran observable con luz trasmitida o SEM. Se reconocen diferentes tipos de estereoma en estos taxones cámbricos (parecidos al laberíntico, fasciculado, fenestrado, microperforado e imperforado) y que son comparables a los que aparecen en equinodermos modernos. Estos resultados demuestran que estas estructuras estereómicas aparecen en diferentes clados de equinodermos cámbricos sugiriendo que su formación está controlada por los mismos mecanismos genéticos que están presentes en las especies actuales.

Estos resultados sugieren que la CL puede ser una técnica muy interesante para detectar las microestructuras en equinodermos que han sufrido una recristalización importante. Dada la relación que existe en los equinodermos modernos entre la microestructura y los tejidos blandos asociados a ésta, el método presentado puede contribuir de manera importante a comprender la paleoanatomía de grupos extintos de equinodermos.

Palabras clave: esqueleto; biomineralización; Cámbrico; equinodermos; estereoma; catodoluminiscencia

Traducción: los autores

 

Résumé en Français

Microstructures stéréome d'échinodermes du Cambrien révélées par cathodoluminescence (CL)

Les échinodermes possèdent un squelette avec une microstructure unique et distinctive ressemblant à un filet, appelé stéréome qui est soutenu par une famille de gènes spécifiques . Stéréome est donc considéré comme la principale synapomorphie des échinodermes et est déjà reconnu dans certains clades d'échinodermes du Cambrien. Toutefois, les données sur les microstructures du squelette des premiers échinodermes sont encore rares et proviennent uniquement d'osselets isolés de valeur taxonomique limitée dans laquelle le carbonate de calcium primaire a été remplacé ou finement recouvert par des phosphates , des silices ou des oxydes de fer .

Ici, nous avons appliqué de la cathodoluminescence (CL) pour révéler les microstructures stéréomes des squelettes calcitiques diagénétiquement modifiés de certains échinodermes du Cambrien (en particulier Protocinctus, Stromatocystites et Dibrachicystidae). CL non seulement donne un aperçu de la diagenèse de leurs squelettes, mais aussi révèle des détails de la microstructure primaires qui ne sont pas visibles par la lumière transmise ou SEM . Plusieurs types de stéréome différents comparables à ceux observés chez les échinodermes existants ont été reconnu pour la première fois dans ces taxons du Cambrien. Nos résultats montrent que les microstructures de stéréome se produisent dans la plupart des différents clades d'échinodermes du Cambrien, ce qui suggère qu'ils ont probablement évolué les mêmes mécanismes de biominéralisation génétiquement contrôlées que ceux observées chez les échinodermes modernes.
Ces résultats soulignent que la technique CL peut être un outil puissant pour la détection de l'organisation des microstructures, même pour des spécimens d'échinodermes fortement recristallisés. Compte tenu de l'étroite association entre la microstructure du squelette et leurs tissus mous, la méthode présentée ici ouvre de nouvelles possibilités pour révéler la croissance du squelette et la palaeoanatomie des tissus mous des échinodermes fossiles.

Mots-clés: squelette; biominéralisation; Cambrien; échinoderme ; stéréome; cathodoluminescence

Translator: Kenny J. Travouillon

Deutsche Zusammenfassung

Stereom-Mikrostrukturen kambrischer Echinodermen, aufgezeigt mit Kathodenluminiszens (CL)

Echinodermen besitzen ein Skelett mit einer einzigartigen und charakteristischen maschenartigen Mikrostruktur, genannt Stereom, die durch eine spezifische Genfamilie unterstützt wird. Stereom wird deshalb als die hauptsächliche Synapomorphie der Echinodermen angesehen und wurde bereits bei einigen kambrischen Echinoderm-Kladen erkannt. Allerdings sind Daten zur Skelettmikrostruktur früher Echinodermen immer noch selten und stammen nur von isolierten Stückchen von geringem taxonomischem Wert. Außerdem wurde bei ihnen das primäre Kalziumkarbonat ersetzt oder sie sind dünn mit Phosphaten, Silikaten oder Eisenoxiden überzogen.

Wir wendeten hier Kathodenluminiszens (CL) an, um Stereom-Mikrostrukturen von diagenetisch veränderten Kalzitskeletten einiger kambrischer Echindodermen (besonders Protocinctus, Stromatocystites and Dibrachicystidae) aufzuweisen. CL gibt nicht nur Einsichten in die Skelett-Diagenese, sondern zeigt auch primäre Mikrostrukturen-Details auf, die nicht unter Durchlicht oder SEM sichtbar sind. Unterschiedliche Stereom Typen (ähnlich labyrinthisch, fascicular, gallerid, mikroperforierte und unperforierte Mikrostrukturen) vergleichbar mit denen heutiger Echinodermen, wurden zuerst bei diesen kambrischen Taxa beobachtet. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Stereom-Mikrostrukturen umfassend bei verschiedenen kambrischen Echinodermen-Kladen auftreten, was darauf hinweist, dass sie wahrscheinlich dieselben genetisch kontrollierten Biomineralisationsmechanismen entwickelt haben wie diese, welche in modernen Echinodermen beobachtet werden. Diese Ergebnisse unterstreichen, dass die CL-Technik ein starkes Werkzeug sein kann, um mikrostrukturelle Organisationen selbst bei stark rekristallisierten Echinodermen zu entdecken. Im Hinblick auf den engen Zusammenhang zwischen der Skelettmikrostruktur und den anliegenden Weichteilen, eröffnet die hier vorgestellte Methode neue Möglichkeiten, um Skelettwachstum und Weichteilpaläoanatomie bei fossilen Echinodermen aufzuzeigen.

SCHLÜSSELWÖRTER: Skelett; Biomineralisation; Kambrium; Echinodermen; Stereom; Kathodenluminiszens

Translator: Eva Gebauer

Arabic

397 arab

Translator: Ashraf M.T. Elewa