Et internationalt forskerhold har foretaget molekylær analyse af fossile fjer fra en lille, fjerklædt dinosaur fra juratiden. Deres forskning kan hjælpe forskerne med at finde ud af, hvornår fjer udviklede evnen til at flyve under overgangen fra dinosaur til fugl.
Anchiornis var en lille, fjerprydet, firevinget dinosaur, der levede i det nuværende Kina for omkring 160 millioner år siden – næsten 10 millioner år før Archaeopteryx, den første kendte fugl. Et hold forskere fra Nanjing Institute of Geology and Paleontology, North Carolina State University og University of South Carolina analyserede Anchiornis’ fjer for at se, hvordan de adskilte sig på molekylært niveau fra fjerene hos yngre fossile fugle og moderne fugle.
“Moderne fuglefjer består primært af beta-keratin (β-keratin), et protein, der også findes i hud, kløer og næb hos krybdyr og fugle. Fjer adskiller sig fra disse andre β-keratinholdige væv, fordi fjerproteinet er modificeret på en måde, der gør dem mere fleksible,” siger Mary Schweitzer, professor i biologiske videnskaber ved NC State med en fælles ansættelse ved North Carolina Museum of Natural Sciences og medforfatter til en artikel, der beskriver forskningen.
“På et tidspunkt i løbet af fjerens udvikling gennemgik et af β-keratin-generne en deletionshændelse, hvilket gjorde det resulterende protein en smule mindre. Denne sletning ændrede fjerens biofysik til noget mere fleksibelt – et krav for at kunne flyve. Hvis vi kan fastslå, hvornår og i hvilke organismer denne deletionshændelse fandt sted, vil vi få en bedre forståelse af, hvornår flyvning udviklede sig under overgangen fra dinosaurer til fugle.”
Forskerne, der ledes af Yanhong Pan, en gæsteforsker fra Nanjing Institute, undersøgte fossiliserede fjer fra Anchiornis ved hjælp af højopløsningselektronmikroskopi samt flere kemiske og immunologiske teknikker for at bestemme fjerens molekylære sammensætning. De gjorde det samme med andre fjer fra Mesozoikum og Kænozoikum samt andre β-keratinvæv, som ikke forventes at udvise denne deletion, og sammenlignede derefter resultaterne med moderne fuglefjer og -væv.
De fandt, at Anchiornis fjer bestod af både β-keratiner og alfa-keratiner (α-keratiner), et protein, som alle terrestriske hvirveldyr har, herunder pattedyr. Dette var overraskende, fordi α-keratin kun findes i små mængder i moderne fjer. Ud over at samudtrykke begge keratinproteiner havde Anchiornis-fjerne allerede gennemgået den deletionsbegivenhed, der adskiller fjer fra andre væv.
“Molekylære ure, som forskere bruger som benchmarks for evolutionær og genetisk divergens, forudsiger, at deletionen, og dermed funktionelle flyvefjerene, udviklede sig for omkring 145 millioner år siden,” siger Schweitzer. “Anchiornis er millioner af år ældre, men har alligevel den forkortede proteinform. Dette arbejde viser, at vi kan bruge molekylære fossildata til at forankre molekylære ure og forbedre deres nøjagtighed – vi kan begynde at sætte en timing på genetiske begivenheder i dinosaur-fugleovergangen via fravær eller tilstedeværelse af disse to keratiner. Dataene giver os også flere oplysninger om, hvordan fjer udviklede sig til at muliggøre flyvning.”
Arbejdet er offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences. Pan er hovedforfatter. Wenxia Zheng og Elena Schroeter fra NC State og Roger Sawyer fra University of South Carolina har også bidraget til arbejdet, som til dels er støttet af National Science Foundation og Packard Foundation.
-peake-
Note til redaktørerne:
“The molecular evolution of feathers: Direct evidence from fossils”
Authors: Yanhong Pan, Nanking Institute of Geology and Paleontology; Roger Sawyer, University of South Carolina; Wenxia Zheng, Elena Schroeter, Mary Schweitzer, North Carolina State University; et al
Publiceret: Proceedings of the National Academy of Sciences
Abstract:
Dinosaurfossiler med integumentale vedhæng af forskellige morfologier, der fortolkes som fjer, har i høj grad forbedret vores forståelse af den evolutionære forbindelse mellem fugle og dinosaurer samt oprindelsen af fjer og fuglehøjde. Hos nulevende fugle har det vist sig, at den unikke ekspression og aminosyresammensætning af proteiner i modne fjer er afgørende for deres biomekaniske egenskaber, såsom hårdhed, modstandsdygtighed og plasticitet. Her giver vi molekylære og ultrastrukturelle beviser for, at fjerfjerene hos den jurassiske ikke-aviære dinosaur Anchiornis bestod af både fjer-β-keratiner og α-keratiner. Dette er significant, fordi modne fjer i nulevende fugle domineres af β-keratiner, især i de barber og barbules, der danner vanen. Vi konfirmerer heri, at fjer blev modificeret på både molekylært og morfologisk niveau for at opnå de biomekaniske egenskaber for flight under dinosaur-fugle-overgangen, og vi viser, at mønstre og timing af adaptive ændringer på molekylært niveau kan adresseres direkte i usædvanligt bevarede fossiler i dyb tid.