Ein internationales Forscherteam hat eine molekulare Analyse der fossilen Federn eines kleinen, gefiederten Dinosauriers aus der Jurazeit durchgeführt. Ihre Forschung könnte Wissenschaftlern dabei helfen, den Zeitpunkt zu bestimmen, an dem Federn während des Übergangs von Dinosauriern zu Vögeln die Fähigkeit zum Fliegen entwickelten.
Anchiornis war ein kleiner, gefiederter Dinosaurier mit vier Flügeln, der vor etwa 160 Millionen Jahren im heutigen China lebte – fast 10 Millionen Jahre vor Archaeopteryx, dem ersten bekannten Vogel. Ein Team von Forschern des Nanjing Institute of Geology and Paleontology, der North Carolina State University und der University of South Carolina analysierte die Federn von Anchiornis, um herauszufinden, wie sie sich auf molekularer Ebene von denen jüngerer fossiler Vögel und moderner Vögel unterscheiden.
„Moderne Vogelfedern bestehen hauptsächlich aus Beta-Keratin (β-Keratin), einem Protein, das auch in der Haut, den Klauen und Schnäbeln von Reptilien und Vögeln vorkommt. Federn unterscheiden sich von diesen anderen β-Keratin-haltigen Geweben, weil das Federprotein in einer Weise modifiziert ist, die sie flexibler macht“, sagt Mary Schweitzer, Professorin für Biowissenschaften an der NC State mit einer gemeinsamen Berufung zum North Carolina Museum of Natural Sciences und Mitautorin eines Papiers, das die Forschung beschreibt.
„Irgendwann während der Evolution der Federn kam es zu einer Deletion eines der β-Keratin-Gene, wodurch das resultierende Protein etwas kleiner wurde. Diese Deletion veränderte die Biophysik der Feder und machte sie flexibler – eine Voraussetzung für das Fliegen. Wenn wir herausfinden können, wann und in welchen Organismen diese Deletion stattgefunden hat, können wir besser nachvollziehen, wann sich der Flug während des Übergangs von den Dinosauriern zu den Vögeln entwickelt hat.“
Die Forscher unter der Leitung von Yanhong Pan, einem Gastwissenschaftler des Nanjing-Instituts, untersuchten versteinerte Federn von Anchiornis und setzten dabei hochauflösende Elektronenmikroskopie sowie verschiedene chemische und immunologische Techniken ein, um die molekulare Zusammensetzung der Federn zu bestimmen. Dasselbe taten sie mit anderen Federn aus dem Mesozoikum und Känozoikum sowie mit anderen β-Keratin-Geweben, von denen man nicht erwartet, dass sie diese Deletion aufweisen, und verglichen dann die Ergebnisse mit modernen Vogelfedern und -geweben.
Sie fanden heraus, dass die Federn von Anchiornis sowohl β-Keratine als auch Alpha-Keratine (α-Keratine) enthielten, ein Protein, das alle Landwirbeltiere, einschließlich Säugetiere, besitzen. Dies war überraschend, da α-Keratin in modernen Federn nur in geringen Mengen vorhanden ist. Zusätzlich zur Koexpression beider Keratinproteine hatten die Federn von Anchiornis bereits das Deletionsereignis durchlaufen, das Federn von anderen Geweben unterscheidet.
„Molekulare Uhren, die Wissenschaftler als Maßstab für evolutionäre und genetische Divergenz verwenden, sagen voraus, dass die Deletion und damit funktionale Flugfedern vor etwa 145 Millionen Jahren entstanden sind“, sagt Schweitzer. „Anchiornis ist Millionen von Jahren älter, hat aber die verkürzte Proteinform. Diese Arbeit zeigt, dass wir molekulare Fossildaten nutzen können, um molekulare Uhren zu erstellen und ihre Genauigkeit zu verbessern – wir können damit beginnen, genetische Ereignisse beim Übergang von Dinosauriern zu Vögeln durch das Fehlen oder Vorhandensein dieser beiden Keratine zeitlich einzuordnen. Die Daten geben uns auch mehr Informationen darüber, wie sich Federn entwickelt haben, um das Fliegen zu ermöglichen.“
Die Arbeit erscheint in Proceedings of the National Academy of Sciences. Pan ist der Hauptautor. Wenxia Zheng und Elena Schroeter von der NC State University und Roger Sawyer von der University of South Carolina trugen ebenfalls zu der Arbeit bei, die zum Teil von der National Science Foundation und der Packard Foundation unterstützt wurde.
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Hinweis für die Herausgeber: Es folgt eine Zusammenfassung.
„The molecular evolution of feathers: Direct evidence from fossils“
Autoren: 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
Veröffentlicht: Proceedings of the National Academy of Sciences
Abstract:
Dinosaurierfossilien, die integumentäre Anhängsel verschiedener Morphologien besitzen, die als Federn interpretiert werden, haben unser Verständnis der evolutionären Verbindung zwischen Vögeln und Dinosauriern sowie der Ursprünge der Federn und des Vogelfluges erheblich verbessert. Bei Vögeln hat sich gezeigt, dass die einzigartige Expression und Aminosäurezusammensetzung von Proteinen in reifen Federn deren biomechanische Eigenschaften wie Härte, Elastizität und Plastizität bestimmen. Hier liefern wir molekulare und ultrastrukturelle Beweise dafür, dass die Federn des jurassischen nicht-avischen Dinosauriers Anchiornis sowohl aus β-Keratinen als auch aus α-Keratinen bestanden. Dies ist bedeutsam, da reife Federn bei heutigen Vögeln von β-Keratinen dominiert werden, vor allem in den Widerhaken und Widerhaken, die die Federfahne bilden. Wir bestätigen hier, dass Federn sowohl auf molekularer als auch auf morphologischer Ebene modifiziert wurden, um die biomechanischen Eigenschaften für die Flugfähigkeit während des Übergangs von Dinosauriern zu Vögeln zu erhalten, und wir zeigen, dass die Muster und der Zeitpunkt der adaptiven Veränderungen auf molekularer Ebene in außergewöhnlich gut erhaltenen Fossilien aus tiefer Zeit direkt untersucht werden können.