Une équipe internationale de chercheurs a effectué une analyse moléculaire sur des plumes fossiles d’un petit dinosaure à plumes du Jurassique. Leurs recherches pourraient aider les scientifiques à déterminer à quel moment les plumes ont évolué vers la capacité de voler pendant la transition dinosaure-oiseau.
Anchiornis était un petit dinosaure à quatre ailes et à plumes qui vivait dans ce qui est maintenant la Chine il y a environ 160 millions d’années – près de 10 millions d’années avant Archaeopteryx, le premier oiseau reconnu. Une équipe de chercheurs de l’Institut de géologie et de paléontologie de Nanjing, de l’Université d’État de Caroline du Nord et de l’Université de Caroline du Sud a analysé les plumes d’Anchiornis pour voir en quoi elles différaient au niveau moléculaire de celles des oiseaux fossiles plus jeunes et des oiseaux modernes.
« Les plumes des oiseaux modernes sont composées principalement de bêta-kératine (β-kératine), une protéine que l’on trouve également dans la peau, les griffes et les becs des reptiles et des oiseaux. Les plumes diffèrent de ces autres tissus contenant de la β-kératine, car la protéine des plumes est modifiée d’une manière qui les rend plus flexibles », explique Mary Schweitzer, professeur de sciences biologiques à NC State avec une nomination conjointe au Musée des sciences naturelles de Caroline du Nord et co-auteur d’un article décrivant la recherche.
« À un moment donné au cours de l’évolution des plumes, l’un des gènes de la β-kératine a subi un événement de délétion, rendant la protéine résultante légèrement plus petite. Cette délétion a changé la biophysique de la plume en quelque chose de plus flexible – une exigence pour le vol. Si nous pouvons déterminer avec précision quand, et dans quels organismes, cet événement de délétion s’est produit, nous aurons une meilleure idée du moment où le vol a évolué pendant la transition des dinosaures aux oiseaux. »
Les chercheurs, dirigés par Yanhong Pan, un chercheur invité de l’Institut de Nanjing, ont examiné des plumes fossilisées d’Anchiornis, en utilisant la microscopie électronique à haute résolution, ainsi que de multiples techniques chimiques et immunologiques pour déterminer la composition moléculaire des plumes. Ils ont fait de même avec d’autres plumes des ères mésozoïque et cénozoïque, ainsi qu’avec d’autres tissus à β-kératine dont on ne s’attendait pas à ce qu’ils présentent cette délétion, puis ont comparé les résultats avec des plumes et des tissus d’oiseaux modernes.
Ils ont constaté que les plumes d’Anchiornis étaient composées à la fois de β-kératines et d’alpha-kératines (α-kératines), une protéine que tous les vertébrés terrestres possèdent, y compris les mammifères. Ce résultat était surprenant car l’α-kératine n’est présente qu’en faible quantité dans les plumes modernes. En plus de co-exprimer les deux protéines de kératine, les plumes d’Anchiornis avaient déjà subi l’événement de délétion qui distingue les plumes des autres tissus.
« Les horloges moléculaires, que les scientifiques utilisent comme repères pour la divergence évolutive et génétique, prédisent que la délétion, et donc les plumes de vol fonctionnelles, ont évolué il y a environ 145 millions d’années », explique Schweitzer. « Anchiornis est plus vieux de plusieurs millions d’années, et pourtant il possède la forme de protéine raccourcie. Ce travail montre que nous pouvons utiliser les données des fossiles moléculaires pour enraciner les horloges moléculaires et améliorer leur précision – nous pouvons commencer à mettre un calendrier sur les événements génétiques de la transition dinosaure-oiseau via l’absence ou la présence de ces deux kératines. Les données nous donnent également plus d’informations sur la façon dont les plumes ont évolué pour permettre le vol. »
Les travaux sont publiés dans Proceedings of the National Academy of Sciences. Pan est l’auteur principal. Wenxia Zheng et Elena Schroeter de NC State et Roger Sawyer de l’Université de Caroline du Sud ont également contribué à ce travail, qui a été soutenu en partie par la National Science Foundation et la Packard Foundation.
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Note aux éditeurs : Un résumé suit.
« L’évolution moléculaire des plumes : Preuve directe à partir de fossiles »
Auteurs : Yanhong Pan, Institut de géologie et de paléontologie de Nankin ; Roger Sawyer, Université de Caroline du Sud ; Wenxia Zheng, Elena Schroeter, Mary Schweitzer, North Carolina State University ; et al
Publié : Proceedings of the National Academy of Sciences
Abstract:
Les fossiles de dinosaures possédant des appendices tégumentaires de diverses morphologies, interprétés comme des plumes, ont considérablement amélioré notre compréhension du lien évolutif entre les oiseaux et les dinosaures, ainsi que des origines des plumes et de la flight aviaire. Chez les oiseaux existants, il a été démontré que l’expression unique et la composition en acides aminés des protéines dans les plumes matures déterminent leurs propriétés biomécaniques, telles que la dureté, la résilience et la plasticité. Ici, nous fournissons des preuves moléculaires et ultrastructurales que les plumes pennées du dinosaure non aviaire du Jurassique Anchiornis étaient composées à la fois de β-kératines et d’α-kératines de plumes. Ceci est significant car les plumes matures des oiseaux extants sont dominées par les β-keratines, notamment dans les barbes et barbules formant la palette. Nous confirmons ici que les plumes ont été modifiées aux niveaux moléculaire et morphologique pour obtenir les propriétés biomécaniques de la flight pendant la transition dinosaure-oiseau, et nous montrons que les modèles et le moment des changements adaptatifs au niveau moléculaire peuvent être directement abordés dans des fossiles exceptionnellement préservés dans le temps profond.