Ett internationellt forskarlag har utfört en molekylär analys av fossila fjädrar från en liten dinosaurie med fjädrar från jura. Deras forskning kan hjälpa forskarna att fastställa när fjädrar utvecklade förmågan att flyga under övergången mellan dinosaurier och fåglar.
Anchiornis var en liten fyrvingad dinosaurie med fjädrar som levde i det nuvarande Kina för cirka 160 miljoner år sedan – nästan 10 miljoner år före Archaeopteryx, den första kända fågeln. Ett forskarlag från Nanjing Institute of Geology and Paleontology, North Carolina State University och University of South Carolina analyserade Anchiornis fjädrar för att se hur de skilde sig på molekylär nivå från fjädrarna hos yngre fossila fåglar och moderna fåglar.
”Moderna fågelfjädrar består främst av beta-keratin (β-keratin), ett protein som också finns i hud, klor och näbbar hos reptiler och fåglar. Fjädrar skiljer sig från dessa andra vävnader som innehåller β-keratin eftersom fjäderproteinet är modifierat på ett sätt som gör dem mer flexibla”, säger Mary Schweitzer, professor i biologiska vetenskaper vid NC State med en gemensam anställning vid North Carolina Museum of Natural Sciences och medförfattare till en artikel som beskriver forskningen.
”Någon gång under fjäderns utveckling genomgick en av β-keratin-generna en deletionshändelse, vilket gjorde det resulterande proteinet något mindre. Denna deletion förändrade fjäderns biofysik till något mer flexibelt – ett krav för flygning. Om vi kan fastställa när, och i vilka organismer, denna deletionshändelse inträffade, kommer vi att få ett bättre grepp om när flygning utvecklades under övergången från dinosaurier till fåglar.”
Forskarna, under ledning av Yanhong Pan, gästforskare från Nanjinginstitutet, undersökte fossila fjädrar från Anchiornis och använde sig av elektronmikroskopi med hög upplösning samt flera kemiska och immunologiska tekniker för att fastställa fjädrarnas molekylära sammansättning. De gjorde samma sak med andra fjädrar från mesozoisk och kenozoisk tid, samt andra β-keratinvävnader som inte förväntades uppvisa denna deletion, och jämförde sedan resultaten med fjädrar och vävnader från moderna fåglar.
De fann att Anchiornis fjädrar bestod av både β-keratiner och alfa-keratiner (α-keratiner), ett protein som alla landlevande ryggradsdjur har, inklusive däggdjur. Detta var överraskande eftersom α-keratin endast förekommer i små mängder i moderna fjädrar. Förutom att de samuttrycker båda keratinproteinerna hade Anchiornis fjädrar redan genomgått den deletionshändelse som skiljer fjädrar från andra vävnader.
”Molekylära klockor, som forskare använder som riktmärken för evolutionär och genetisk divergens, förutsäger att deletionen, och därmed funktionella flygfjädrar, utvecklades för cirka 145 miljoner år sedan”, säger Schweitzer. ”Anchiornis är miljontals år äldre, men har ändå den förkortade proteinformen. Det här arbetet visar att vi kan använda molekylfossila data för att förankra molekylära klockor och förbättra deras noggrannhet – vi kan börja sätta tidsangivelser på genetiska händelser i övergången mellan dinosaurier och fåglar via frånvaro eller närvaro av dessa två keratiner. Uppgifterna ger oss också mer information om hur fjädrar utvecklades för att möjliggöra flygning.”
Arbetet publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences. Pan är huvudförfattare. Wenxia Zheng och Elena Schroeter från NC State och Roger Sawyer från University of South Carolina bidrog också till arbetet, som delvis stöddes av National Science Foundation och Packard Foundation.
-peake-
Note to editors:
”The molecular evolution of feathers: Direkta bevis från fossiler”
Författare: 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
Publicerat: Proceedings of the National Academy of Sciences
Abstract:
Dinosauriefossil som har integumentala bilagor av olika morfologi, tolkade som fjädrar, har i hög grad förbättrat vår förståelse av den evolutionära länken mellan fåglar och dinosaurier, liksom ursprunget till fjädrar och fåglars flight. Hos existerande fåglar har det visat sig att det unika uttrycket och aminosyrasammansättningen hos proteiner i mogna fjädrar bestämmer deras biomekaniska egenskaper, t.ex. hårdhet, elasticitet och plasticitet. Här ger vi molekylära och ultrastrukturella bevis för att fjädrarna hos den jurassiska icke-aviära dinosaurien Anchiornis bestod av både fjäder β-keratiner och α-keratiner. Detta är significant eftersom mogna fjädrar hos existerande fåglar domineras av β-keratiner, särskilt i de barber och barbules som bildar vanen. Vi konfirmerar här att fjädrar modifierades på både molekylär och morfologisk nivå för att erhålla de biomekaniska egenskaperna för flight under övergången mellan dinosaurier och fåglar, och vi visar att mönstren och tidpunkten för adaptiv förändring på molekylär nivå kan behandlas direkt i exceptionellt bevarade fossiler i djup tid.