Een internationaal team van onderzoekers heeft een moleculaire analyse uitgevoerd op fossiele veren van een kleine, gevederde dinosaurus uit het Jura. Hun onderzoek zou wetenschappers kunnen helpen bij het vaststellen van het tijdstip waarop veren het vermogen tot vliegen ontwikkelden tijdens de overgang dinosaurus-vogel.
Anchiornis was een kleine, gevederde, viervleugelige dinosaurus die ongeveer 160 miljoen jaar geleden leefde in wat nu China is – bijna 10 miljoen jaar vóór Archaeopteryx, de eerste erkende vogel. Een team van onderzoekers van het Nanjing Instituut voor Geologie en Paleontologie, North Carolina State University, en de Universiteit van South Carolina analyseerden Anchiornis veren om te zien hoe ze op moleculair niveau verschilden van die van jongere fossiele vogels en moderne vogels.
“Moderne vogelveren zijn voornamelijk samengesteld uit beta-keratine (β-keratine), een eiwit dat ook gevonden wordt in huid, klauwen, en snavels van reptielen en vogels. Veren verschillen van deze andere β-keratine bevattende weefsels, omdat het vederproteïne is gewijzigd op een manier die ze flexibeler maakt,” zegt Mary Schweitzer, hoogleraar biologische wetenschappen aan NC State met een gezamenlijke aanstelling in het North Carolina Museum of Natural Sciences en co-auteur van een paper waarin het onderzoek wordt beschreven.
“Op een bepaald moment tijdens de evolutie van veren, onderging een van de β-keratine genen een deletie, waardoor het resulterende eiwit iets kleiner werd. Deze deletie veranderde de biofysica van de veer in iets flexibeler – een vereiste voor vliegen. Als we kunnen vaststellen wanneer, en in welke organismen, die deletie plaatsvond, zullen we een beter inzicht hebben in wanneer vliegen evolueerde tijdens de overgang van dinosauriërs naar vogels.”
De onderzoekers, geleid door Yanhong Pan, een gastonderzoeker van het Nanjing Instituut, onderzochten gefossiliseerde veren van Anchiornis, met behulp van hoge-resolutie elektronenmicroscopie, evenals meerdere chemische en immunologische technieken om de moleculaire samenstelling van de veren te bepalen. Zij deden hetzelfde met andere veren uit het Mesozoïcum en het Cenozoïcum, evenals met andere β-keratine weefsels waarvan niet werd verwacht dat ze deze deletie zouden vertonen, en vergeleken vervolgens de resultaten met moderne vogelveren en -weefsels.
Zij ontdekten dat de veren van Anchiornis bestonden uit zowel β-keratines als alfa-keratines (α-keratines), een eiwit dat alle gewervelde landdieren hebben, met inbegrip van zoogdieren. Dit was verrassend omdat α-keratine slechts in kleine hoeveelheden aanwezig is in moderne veren. Naast de co-expressie van beide keratine-eiwitten, hadden de veren van Anchiornis al de deletie ondergaan die veren onderscheidt van andere weefsels.
“Moleculaire klokken, die wetenschappers gebruiken als ijkpunten voor evolutionaire en genetische divergentie, voorspellen dat de deletie, en dus functionele vliegveren, zich ongeveer 145 miljoen jaar geleden ontwikkelden,” zegt Schweitzer. “Anchiornis is miljoenen jaren ouder, maar heeft wel de verkorte eiwitvorm. Dit werk laat zien dat we moleculaire fossiele gegevens kunnen gebruiken om moleculaire klokken te wortelen en hun nauwkeurigheid te verbeteren – we kunnen een begin maken met het bepalen van de timing van genetische gebeurtenissen in de overgang dinosaurus-vogel via de afwezigheid of aanwezigheid van deze twee keratines. De gegevens geven ons ook meer informatie over hoe veren evolueerden om vliegen mogelijk te maken.”
Het werk verschijnt in Proceedings of the National Academy of Sciences. Pan is hoofdauteur. Wenxia Zheng en Elena Schroeter van NC State en Roger Sawyer van de Universiteit van South Carolina hebben ook bijgedragen aan het werk, dat gedeeltelijk werd gesteund door de National Science Foundation en de Packard Foundation.
-peake-
Note aan redacteuren: Een samenvatting volgt.
“De moleculaire evolutie van veren: Direct bewijs uit fossielen”
Auteurs: 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
Published: Proceedings of the National Academy of Sciences
Abstract:
Dinosaurusfossielen die verschillende morfologische integumentale aanhangsels bezitten, geïnterpreteerd als veren, hebben ons begrip van de evolutionaire link tussen vogels en dinosauriërs, evenals de oorsprong van veren en vogelachtigheid, sterk verbeterd. De unieke expressie en aminozuursamenstelling van eiwitten in volwassen veren van vogels blijken bepalend te zijn voor hun biomechanische eigenschappen, zoals hardheid, veerkracht en plasticiteit. Hier leveren we moleculair en ultrastructureel bewijs dat de pennaceuze veren van de Jura niet-aviaanse dinosaurus Anchiornis bestonden uit zowel veder β-keratines als α-keratines. Dit is belangrijk omdat de volwassen veren van bestaande vogels overheerst worden door β-keratines, vooral in de weerhaakjes en de weerhaakjes die de vinnen vormen. Wij bevestigen hier dat veren zowel op moleculair als op morfologisch niveau werden gemodificeerd om de biomechanische eigenschappen te verkrijgen voor flight tijdens de overgang dinosaurus-vogel, en wij tonen aan dat de patronen en timing van adaptieve verandering op moleculair niveau direct kunnen worden onderzocht in uitzonderlijk bewaard gebleven fossielen in de diepe tijd.