Un team internazionale di ricercatori ha eseguito analisi molecolari sulle piume fossili di un piccolo dinosauro piumato del Giurassico. La loro ricerca potrebbe aiutare gli scienziati a individuare quando le piume hanno sviluppato la capacità di volo durante la transizione dinosauro-uccello.
Anchiornis era un piccolo dinosauro piumato a quattro ali che viveva in quella che ora è la Cina circa 160 milioni di anni fa – quasi 10 milioni di anni prima di Archaeopteryx, il primo uccello riconosciuto. Un team di ricercatori del Nanjing Institute of Geology and Paleontology, della North Carolina State University e della University of South Carolina ha analizzato le piume di Anchiornis per vedere come differivano a livello molecolare da quelle degli uccelli fossili più giovani e degli uccelli moderni.
“Le piume degli uccelli moderni sono composte principalmente da beta-cheratina (β-cheratina), una proteina che si trova anche nella pelle, negli artigli e nei becchi di rettili e uccelli. Le piume differiscono da questi altri tessuti contenenti β-cheratina, perché la proteina delle piume è modificata in un modo che le rende più flessibili”, dice Mary Schweitzer, professore di scienze biologiche al NC State con una nomina congiunta al North Carolina Museum of Natural Sciences e co-autore di un documento che descrive la ricerca.
“A un certo punto durante l’evoluzione delle piume, uno dei geni della β-cheratina ha subito un evento di delezione, rendendo la proteina risultante leggermente più piccola. Questa delezione ha cambiato la biofisica della piuma in qualcosa di più flessibile – un requisito per il volo. Se possiamo individuare quando, e in quali organismi, si è verificato questo evento di delezione, avremo una migliore comprensione di quando il volo si è evoluto durante la transizione dai dinosauri agli uccelli.”
I ricercatori, guidati da Yanhong Pan, un ricercatore in visita dall’Istituto Nanjing, hanno esaminato le piume fossili di Anchiornis, utilizzando la microscopia elettronica ad alta risoluzione, nonché molteplici tecniche chimiche e immunologiche per determinare la composizione molecolare delle piume. Hanno fatto lo stesso con altre piume del Mesozoico e del Cenozoico, così come altri tessuti di β-cheratina che non ci si aspettava mostrassero questa delezione, poi hanno confrontato i risultati con piume e tessuti di uccelli moderni.
Hanno scoperto che le piume dell’Anchiornis erano composte sia da β-cheratine che da alfa-cheratine (α-cheratine), una proteina che hanno tutti i vertebrati terrestri, compresi i mammiferi. Questo è stato sorprendente perché l’α-cheratina è presente solo in piccole quantità nelle piume moderne. Oltre a co-esprimere entrambe le proteine cheratiniche, le piume di Anchiornis avevano già subito l’evento di delezione che distingue le piume da altri tessuti.
“Gli orologi molecolari, che gli scienziati usano come punti di riferimento per la divergenza evolutiva e genetica, prevedono che la delezione, e quindi le piume funzionali di volo, si siano evolute circa 145 milioni di anni fa”, dice Schweitzer. “Anchiornis è milioni di anni più vecchio, eppure ha la forma accorciata della proteina. Questo lavoro dimostra che possiamo utilizzare i dati dei fossili molecolari per radicare gli orologi molecolari e migliorare la loro accuratezza – possiamo iniziare a mettere i tempi sugli eventi genetici nella transizione dinosauro-uccello attraverso l’assenza o la presenza di queste due cheratine. I dati ci danno anche maggiori informazioni su come le piume si sono evolute per consentire il volo.”
Il lavoro appare in Proceedings of the National Academy of Sciences. Pan è autore principale. Wenxia Zheng e Elena Schroeter di NC State e Roger Sawyer dell’Università della Carolina del Sud hanno anche contribuito al lavoro, che è stato sostenuto in parte dalla National Science Foundation e la Fondazione Packard.
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Nota ai redattori: Segue un abstract.
“L’evoluzione molecolare delle piume: Prove dirette dai fossili”
Autori: 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
Pubblicato: Proceedings of the National Academy of Sciences
Abstract:
I fossili di dinosauro che possiedono appendici tegumentali di varie morfologie, interpretate come piume, hanno notevolmente migliorato la nostra comprensione del legame evolutivo tra uccelli e dinosauri, così come le origini delle piume e del volo aviario. Negli uccelli esistenti, l’espressione unica e la composizione aminoacidica delle proteine nelle piume mature hanno dimostrato di determinare le loro proprietà biomeccaniche, come la durezza, la resilienza e la plasticità. Qui, forniamo prove molecolari e ultrastrutturali che le piume pennacee del dinosauro giurassico non aviario Anchiornis erano composte sia da β-cheratine che da αkeratine. Questo è significativo perché le piume mature negli uccelli esistenti sono dominate da β-cheratine, in particolare nelle barbe e nei barbule che formano la paletta. Qui confermiamo che le piume sono state modificate sia a livello molecolare che morfologico per ottenere le proprietà biomeccaniche per il volo durante la transizione dinosauro-uccello, e dimostriamo che i modelli e i tempi del cambiamento adattivo a livello molecolare possono essere affrontati direttamente nei fossili eccezionalmente conservati in tempo profondo.