Kansainvälinen tutkijaryhmä on suorittanut molekyylianalyysin pienen, höyhenpeitteisen dinosauruksen fossiilisista höyhenistä. Heidän tutkimuksensa voi auttaa tutkijoita määrittämään, milloin höyhenistä kehittyi lentokyky dinosaurusten ja lintujen siirtymävaiheessa.
Anchiornis oli pieni, höyhenillä varustettu nelisiipinen dinosaurus, joka eli nykyisen Kiinan alueella noin 160 miljoonaa vuotta sitten – lähes 10 miljoonaa vuotta ennen Archaeopteryxiä, ensimmäistä tunnistettua lintua. Nanjingin geologian ja paleontologian instituutin, Pohjois-Carolinan osavaltionyliopiston ja Etelä-Carolinan yliopiston tutkijaryhmä analysoi Anchiornisin höyheniä nähdäkseen, miten ne erosivat molekyylitasolla nuorempien fossiilisten lintujen ja nykyaikaisten lintujen höyhenistä.
”Nykyaikaisten lintujen höyhenet koostuvat pääosin beeta-keratiinista (β- keratiinista), proteiinista, jota esiintyy myös matelijoiden ja lintujen ihossa, kynsissä ja nokissa. Höyhenet eroavat näistä muista β-keratiinia sisältävistä kudoksista, koska höyhenproteiini on muokattu tavalla, joka tekee niistä joustavampia”, sanoo Mary Schweitzer, NC Staten biologisten tieteiden professori, jolla on yhteinen nimitys Pohjois-Carolinan luonnontieteelliseen museoon ja joka on toinen tutkimusta kuvaavan artikkelin kirjoittaja.
”Jossain vaiheessa höyhenten evoluution aikana yksi β-keratiinigeeneistä koki deletio-tapahtuman, joka teki tuloksena syntyneestä proteiinista hieman pienemmän. Tämä deleetio muutti höyhenen biofysiikkaa joustavammaksi – mikä on lentämisen edellytys. Jos pystymme määrittämään, milloin ja missä eliöissä tämä deletoitumistapahtuma tapahtui, saamme paremman käsityksen siitä, milloin lento kehittyi dinosauruksista linnuiksi siirryttäessä.”
Tutkijat, joita johti Nanjing-instituutin vieraileva tutkija Yanhong Pan, tutkivat Anchiornisin fossiilisia höyheniä käyttäen korkearesoluutioista elektronimikroskooppia sekä useita kemiallisia ja immunologisia tekniikoita höyhenten molekyylikoostumuksen määrittämiseksi. He tekivät saman muille mesotsooiselta ja kainotsooiselta aikakaudelta peräisin oleville höyhenille sekä muille β-keratiinikudoksille, joissa ei odoteta esiintyvän tätä deletoitumista, ja vertasivat sitten tuloksia nykyaikaisten lintujen höyheniin ja kudoksiin.
He havaitsivat, että Anchiornisin höyhenet koostuivat sekä β-keratiinista että alfa-keratiinista (α-keratiini), proteiinista, jota on kaikilla maalla elävillä selkärankaisilla, myös nisäkkäillä. Tämä oli yllättävää, koska α-keratiinia esiintyy vain pieniä määriä nykyaikaisissa höyhenissä. Sen lisäksi, että Anchiornisin höyhenissä esiintyi samanaikaisesti molempia keratiiniproteiineja, niissä oli jo tapahtunut deletoitumistapahtuma, joka erottaa höyhenet muista kudoksista.
”Molekulaariset kellot, joita tutkijat käyttävät evolutiivisen ja geneettisen eroavaisuuden vertailuarvoina, ennustavat, että deletoituminen ja näin ollen toiminnalliset lentohöyhenet kehittyivät noin 145 miljoonaa vuotta sitten”, Schweitzer sanoo. ”Anchiornis on miljoonia vuosia vanhempi, mutta sillä on lyhennetty proteiinimuoto. Tämä työ osoittaa, että voimme hyödyntää molekyylifossiiliaineistoa molekyylikellojen juurruttamiseen ja niiden tarkkuuden parantamiseen – voimme alkaa ajoittaa dinosaurusten ja lintujen välisen siirtymävaiheen geneettisiä tapahtumia näiden kahden keratiinin puuttumisen tai läsnäolon kautta. Aineisto antaa meille myös lisätietoa siitä, miten höyhenet kehittyivät lentämisen mahdollistamiseksi.”
Työ ilmestyy Proceedings of the National Academy of Sciences -lehdessä. Pan on pääkirjoittaja. Wenxia Zheng ja Elena Schroeter NC Staten yliopistosta sekä Roger Sawyer Etelä-Carolinan yliopistosta osallistuivat myös työhön, jota ovat osittain tukeneet National Science Foundation ja Packard Foundation.
-peake-
Huomautus toimittajille: Abstract follows.
”The molecular evolution of feathers: Direct evidence from fossils”
Authors: Yanhong Pan, Nankingin geologian ja paleontologian instituutti; Roger Sawyer, Etelä-Carolinan yliopisto; Wenxia Zheng, Elena Schroeter, Mary Schweitzer, Pohjois-Carolinan osavaltionyliopisto; et al
Published: Proceedings of the National Academy of Sciences
Abstract:
Dinosaurusfossiilit, joilla on erilaisen morfologian omaavia, höyheniksi tulkittuja sisäelinten lisäkkeitä, ovat lisänneet huomattavasti käsitystämme lintujen ja dinosaurusten välisestä evolutiivisesta yhteydestä sekä höyhenten ja lintujen flightin alkuperästä. Nykyisillä linnuilla on osoitettu, että kypsissä höyhenissä olevien proteiinien ainutlaatuinen ilmentyminen ja aminohappokoostumus määräävät niiden biomekaaniset ominaisuudet, kuten kovuuden, joustavuuden ja plastisuuden. Tässä esitämme molekyyli- ja ultrastrukturaalisia todisteita siitä, että jurakautisen ei-avian dinosauruksen Anchiornisin höyhenet koostuivat sekä höyhenen β- että α-keratiinista. Tämä on merkittävää, koska nykyisten lintujen kypsät höyhenet ovat β-keratiinien hallitsemia, erityisesti siivekkeen muodostavissa piikissä ja piikissä. Todistamme tässä, että höyheniä muokattiin sekä molekyyli- että morfologisella tasolla, jotta flightin biomekaaniset ominaisuudet saatiin aikaan dinosaurusten ja lintujen siirtymävaiheessa, ja osoitamme, että sopeutumismuutosten molekyylitason malleja ja ajoitusta voidaan tarkastella suoraan syvällä ajassa poikkeuksellisen hyvin säilyneissä fossiileissa.