Wie wuchsen die ersten Federn?

Freunden, die Dinosauriern normalerweise keine Beachtung schenken, ist es sicher aufgefallen: Dinosauriern begann, Haare zu wachsen. Als ich ein Kind war, hatte ich bei Dinosauriern immer das Bild von Menschen in Rüstung, die kaltblütig und wild waren. Jetzt, wo Dinosaurier Federn bekommen haben – vor allem die kleinen Dinosaurier, die mit Federn bedeckt sind – sind sie sanft und niedlich geworden, und ich kann nicht anders, als sie berühren zu wollen. Was ist aus der 180-Grad-Wende im Bild der Dinosaurier geworden? Wie wuchsen die ersten Federn?

Dinosaurier sind jetzt in Filmen, Fernsehsendungen und Videospielen mit Federn bedeckt

Geschrieben von Yang Zixiao (University College Cork, Irland)

Du musst auch schöne Federn aufgesammelt haben! Die Federn sind leicht und elastisch, ihre Struktur wirkt schlicht und doch sehr zart, ihre Farben sind vielfältig und manche weisen sogar zauberhafte Muster auf (siehe Bild unten). Wer würde es nicht gerne in den Händen halten und ausprobieren, nachdem er das gesehen hat?

Abbildung 1. Ein blauer Pfau, Pavo cristatus, breitet seine Federn aus.丨Quelle:
https://en.wikipedia.org/wiki/Peafowl

Dieser Drang, Federn zu sammeln, lässt sich bis auf prähistorische Menschen zurückverfolgen – Neandertaler begannen vor mehr als 40.000 Jahren, große Federn von Vogelflügeln zu sammeln, um sich zu schmücken oder sie bei bestimmten Ritualen zu verwenden [1]. In der späteren Entwicklung der menschlichen Zivilisation waren Federn immer ein sehr wichtiges Element und sind in vielen Bereichen wie Religion, Kultur, Kunst, Mode, Wissenschaft usw. zu sehen (siehe Abbildung unten).

Abbildung 2. Ein gefiederter Kriegskopfschmuck, der von einem Indianerhäuptling des 19. Jahrhunderts getragen wurde (links; Cincinnati Art Museum) und Darwins Buch „Die Abstammung des Menschen und die geschlechtliche Selektion“ (rechts): Inspiriert von den übertriebenen Federn männlicher Vögel schlug Darwin eine Theorie der Evolution durch sexuelle Selektion vor.

Daher ist es kein Wunder, dass die Enthüllung des ersten gefiederten Dinosaurierfossils am 18. Oktober 1996 (siehe Bild unten) eine riesige Sensation war und viele Menschen „schockiert“ waren[2]. Einen Tag nach der Enthüllung des Fossils berichtete die New York Times auf ihrer Titelseite ausführlich darüber und titelte: „Gefiedertes Fossil deutet auf Verbindung zwischen Dinosaurier und Vogel hin“[3]. Dieses historische Dinosaurierexemplar wurde im Nordosten meines Landes entdeckt und erhielt den Namen Sinosauropteryx prima [4].

Abbildung 3. Der Holotyp von Sinosauropteryx prima (links; Chen et al., 1998[4]) und eine künstlerische Konzeption von Professor Zhao Chuang (rechts).

Nach dem ersten kam das zweite, das dritte ... In den folgenden fast drei Jahrzehnten wurden im Nordosten meines Landes Tausende von Fossilien gefiederter Tiere gefunden. Hierzu zählt auch Anchiornis huxleyi, von dem eine Replik kürzlich dem französischen Präsidenten als Staatsgeschenk überreicht wurde (unten).

Abbildung 4. Künstlerische Rekonstruktion von Anchiornis huxleyi (von Michael DiGiorgio).

Diese uralten Federn sind wie Seiten eines Buches, die die Evolution der Federn über Milliarden von Jahren aufzeichnen. Durch sie wissen wir, dass Federn einen antiken Ursprung haben: Sie kommen nicht nur bei Vögeln und Dinosauriern vor, sondern auch bei den Cousins ​​der Dinosaurier, den Flugsauriern.[5] Auch die Federn waren in der Vergangenheit viel vielfältiger (siehe unten), während moderne Vögel nur eine Teilmenge der Federtypen erbten.[6]

Abbildung 5. Sieben Arten von Federstrukturen bei modernen Vögeln (oben) und 12 Arten von Federstrukturen, die in Fossilien vorkommen (unten). Bildquelle: Benton et al., 2019[6]

Federn wurden ursprünglich nicht zum Fliegen verwendet. Verglichen mit den Federn heutiger Vögel waren die frühen Federn sehr einfach aufgebaut und nur sehr begrenzt am Körper verteilt. Daher könnten Federn ursprünglich zur Schaustellung[7] oder zur Wahrnehmung von Gefühlen (ähnlich wie Schnurrhaare)[8] verwendet worden sein. Darüber hinaus haben Wissenschaftler herausgefunden, dass einige Flugsaurier dichte Federn am Körper hatten, die möglicherweise eine wichtige Rolle bei der Wärmespeicherung spielten.[5]

Trotz dieser wichtigen Entdeckungen fossiler Federn ist unser Verständnis der Federentwicklung noch lange nicht vollständig. Tatsächlich dokumentieren fossile Federn nur die Hälfte der Geschichte der Federentwicklung – die andere Hälfte ist in der Haut verborgen.

Die andere Hälfte der Geschichte

Wissenschaftlern ist schon lange klar, dass Federn aus Reptilienschuppen entstanden sind. Auf den ersten Blick scheint dieser Vorgang einfach. Muss man nicht einfach die Schuppen durch Federn ersetzen und diese einstecken? Nicht wirklich: Im Vergleich zu Reptilien sind mit den Federn moderner Vögel komplexe Hautstrukturen verbunden.

Während der Vogelentwicklung bilden sich in genetisch festgelegten Hautbereichen Vertiefungen und Falten, in denen sich Haarfollikel bilden, die die Verteilung und das Wachstum der Federn steuern. Um die Haarfollikel herum entwickelt sich außerdem feines Muskel- und Nervengewebe (siehe Abbildung unten), um die räumliche Position jeder einzelnen Feder zu erfassen und zu steuern[9].

Abbildung 6. Die Feinstruktur eines Vogelfederbalgs. Bildquelle: Lucas und Stettenheim, 1972[9]

In den Federbälgen sind zudem viele Pigmentzellen verteilt, die Pigmente zu den wachsenden Federn transportieren. Durch die Kontrolle des Zeitpunkts und der Art der Pigmentabgabe können unterschiedliche Federfarben und Muster von oben bis unten auf die Vogelhaut „gedruckt“ werden [10] (siehe Abbildung unten).

Abbildung 7. Die Entstehung der Vogelfederfarbe. Links: Während des Federwachstums werden Melanozyten in den Haarfollikeln aktiviert, um die wachsenden Federn mit Pigmenten zu versorgen. Rechts: Der Wachstumsprozess der Federn von Plymouth Rock-Hühnern; Beachten Sie die Reihenfolge, in der die Federn von oben nach unten „gedruckt“ werden. Bildquelle: Lin et al., 2013[10]

Darüber hinaus ist die Vogelhaut im Vergleich zum „Panzer“ der Reptilien dünner und weicher, was die notwendigen Voraussetzungen für subtile Hautbewegungen wie das Aufstellen der Federn und das flexible Schlagen der Flügel schafft[9].

Man kann erkennen, dass während der Evolution der Federn auch die Haut weltbewegende Veränderungen durchmachte. Wie konnte das alles passieren?

Genau wie versteinerte Federn kann auch Haut in Fossilien konserviert werden. Wissenschaftler haben Hautfossilien von einigen frühen Vögeln und ihren Dinosaurierverwandten entdeckt, in denen sogar exquisite Zellstrukturen erhalten sind[11] (siehe Abbildung unten).

Abbildung 8. Versteinerte Hautzellen von Confuciusornis. Bildquelle: McNamara et al., 2018[11]

Durch Vergleiche mit modernen Vögeln stellten Wissenschaftler jedoch fest, dass die Haut der frühen Vögel und ihrer Dinosaurierverwandten bereits sehr „modern“ war[11]. Um die Evolution der Hautstruktur zu verstehen, müssen wir daher den Evolutionsbaum weiter durchgehen und in Dinosauriergruppen, die sich früher verzweigt haben, nach Hinweisen suchen.

Neue Fossilien, neue Hinweise

Am 21. Mai 2024 veröffentlichten wir in Nature Communications [12] eine neue Studie, die wichtige Fortschritte bei der Entschlüsselung des Rätsels der Haut- und Federentwicklung erzielte: Obwohl einige Dinosaurier frühe Federn entwickelten, veränderte sich ihre Hautstruktur in den Körperteilen, in denen sie keine Federn hatten, nicht und war fast genau dieselbe wie die schuppige Haut moderner Reptilien.

Der Hinweis stammt von einem neuen Exemplar des Psittacosaurus, das ebenfalls im Nordosten meines Landes entdeckt wurde. Wie der Name schon sagt, ist das auffälligste Merkmal des Psittacosaurus sein papageienartiger Schnabel (siehe unten). Ebenso auffällig ist sein Schwanz: Auf der Rückseite des Schwanzes wächst ordentlich eine Reihe sehr einfacher Frühfedern.

Abbildung 9. Künstlerische Rekonstruktion des Psittacosaurus. Gabriel N. Ugueto

Obwohl der Psittacosaurus in der frühen Kreidezeit (vor etwa 120 Millionen Jahren) lebte, handelte es sich bei ihm um eine Dinosaurierart, die sich sehr früh im Stammbaum der Dinosaurier abspaltete: Die Dinosauriergruppe, zu der er gehörte (Ornithischia-Dinosaurier), trennte sich von anderen Dinosauriern und entwickelte sich in der Trias (vor etwa 240 Millionen Jahren) in verschiedene Richtungen.

Überraschenderweise ist die versteinerte Haut in unserem Exemplar mit bloßem Auge nicht sichtbar. Erst wenn man eine Ultraviolettlampe hochhält – ja, eine, mit der man Banknoten prüft – wird die schuppige Haut sichtbar und strahlt im Dunkeln eine schwache orange-gelbe Fluoreszenz aus (siehe Foto unten).

Abbildung 10. Neues Exemplar von Psittacosaurus unter natürlichem Licht (oben) und ultraviolettem Licht (unten) | Foto vom Autor zur Verfügung gestellt

Diese Fluoreszenz kommt nicht von der Haut selbst. Die ursprüngliche Hautstruktur wurde während des Fossilisierungsprozesses durch Siliziummineralien nachgebildet, die bei Anregung durch ultraviolettes Licht fluoreszieren. Knochen (oben) fluoreszieren ebenfalls, ihre Mineralzusammensetzung (Calciumphosphat) unterscheidet sich jedoch von der fossilen Haut, sodass sie eine andere Fluoreszenzfarbe haben.

Noch erstaunlicher ist der gute Erhaltungszustand der Hautfossilien. Viele der feineren Strukturen der Haut (unten) wurden im Mineral perfekt nachgebildet, wobei die Epidermisschichten (einschließlich der Hornschicht und der Schicht außerhalb der Hornschicht), Keratinozyten und sehr kleine Hautpigmente (Melanosomen) – 2.000-mal kleiner als ein Sandkorn – erhalten blieben.

Abbildung 11. Die im Psittacosaurus-Fossil erhaltene Hautepidermis (A–B), Keratinozyten (A–B) und Melanosomen (C–D). Foto vom Autor bereitgestellt

Die Keratinozyten der fossilen Haut weisen in Form und Größe große Übereinstimmungen mit denen moderner Reptilien auf. Gleichzeitig verschmelzen die Keratinozyten in den Fossilien teilweise mit den seitlich angrenzenden Zellen und bilden eine geschichtete Struktur (siehe Abbildung unten) – dieses Zellfusionsphänomen tritt nur zwischen den Keratinozyten von Reptilien auf.

Abbildung 12. Die Struktur der Korneozytenschicht von Psittacosaurus (oben; vom Autor bereitgestellt) stimmt mit der der Korneozytenschicht von Krokodilen überein (unten; Szewczyk und Stachewicz, 2020[13]).

Die Verteilung der Pigmente in der Haut fossiler Tiere ist genau die gleiche wie bei heutigen Krokodilen: Pigmente fehlen entweder, kommen nur in der unteren Schicht der Epidermis vor (nicht im Stratum corneum) oder kommen sowohl in der oberen als auch in der unteren Schicht der Epidermis vor (Stratum corneum und nicht im Stratum corneum). Bei Krokodilkuppen entsprechen diese drei Verteilungen Weiß, Zwischenfarben (Grau) und Schwarz und bilden gepunktete oder gestreifte Muster auf dem Körper.[14] Daher ist es wahrscheinlich, dass die Haut des Psittacosaurus auch einige helle und dunkle Muster aufwies.

Dies unterscheidet sich erheblich von der Hautpigmentverteilung von Vögeln. Nach dem Federwachstum konzentrieren sich die Pigmentzellen der Epidermis des Vogels in den Haarfollikeln und transportieren das gebildete Pigment zu den Federn. Die Epidermis selbst weist eine sehr geringe Pigmentverteilung auf, sodass sie rosa aussieht. Das schwarze Huhn ist ein Sonderfall aus der Evolution der Vögel. Aufgrund einiger genetischer Veränderungen besitzt das schwarze Huhn eine große Anzahl von Pigmentzellen und Pigmenten in der Dermis unter der Epidermis, während seine Epidermis, wie bei anderen Vögeln, nur eine sehr geringe Pigmentverteilung aufweist [15] (siehe Abbildung unten).

Abb. 13. Schwarze Haut (A, C) und rosa Haut (B, D) von Vögeln; e, Epidermis; m, Melanin. Bildquelle: Nicolaï et al., 2020[15]

Anhand der Hautdicke haben wir festgestellt, dass die Haut am Bauch des Psittacosaurus dünner war als die von modernen Reptilien. Dies zeigt jedoch nur, dass die Zusammensetzung beider Tiere übereinstimmt. Die panzerartige, schuppige Haut von Reptilien ist auf den Überfluss an Horn-Beta-Proteinen in ihrer Haut zurückzuführen. Dieses Protein fehlt in der weichen Vogelhaut – wie unsere Säugetierhaut besteht die weiche Haut von Vögeln aus Keratin vom Alpha-Typ. Vögel und Säugetiere benötigen keine besonders robuste Haut, da sie durch Federn und Haare geschützt sind. Beim Psittacosaurus ist das jedoch anders. Nur wenn sein dünner Bauch reich an β-Keratin ist, kann er die nötige Robustheit für seine physikalische Schutzfunktion erreichen.

Die Schuppen an den Beinen und Krallen von Vögeln ähneln stark denen von Reptilien und sind ebenfalls reich an Keratin vom β-Typ. Allerdings haben Wissenschaftler herausgefunden, dass Vogelschuppen sekundär sind: Nach Abschluss der Evolution von Schuppen zu Federn entwickelten sich einige Vogelfedern erneut zu Schuppen (siehe Abbildung unten) [16, 17].

Abbildung 14. Während der Evolution der Theropodendinosaurier (einschließlich Vögel) verwandelten sich die Federn an den Hinterbeinen allmählich in Schuppen. Bildquelle: Zheng et al., 2013[17]

Warum also war die Haut am Bauch des Psittacosaurus dünner als die moderner Reptilien? Fühlt es sich weich an? Dies könnte daran liegen, dass die alltägliche Haltung des Psittacosaurus sich von der der Reptilien unterschied. Als der Psittacosaurus jung war, lief er auf vier Beinen. Während es wuchs, wurden seine Vorderbeine allmählich kürzer als seine Hinterbeine und es begann allmählich auf zwei Beinen zu laufen (siehe Bild unten). Den Proportionen seiner Hinter- und Vorderbeine nach zu urteilen, müsste der von uns untersuchte Psittacosaurus begonnen haben, auf zwei Beinen zu laufen.

Abbildung 15. Eine Familie von Psittacosaurus: Die jüngeren gingen auf vier Beinen und die älteren auf zwei Beinen. (Bob Nicholls)

Nachdem Sie auf zwei Beinen gelaufen sind, wird der Bauch vom Boden abgehoben, weg vom Kies, den Pflanzen usw. auf dem Boden. Im Vergleich zu vierbeinigen Reptilien musste der Bauch des Psittacosaurus daher nicht durch eine dicke Panzerung geschützt werden.

Obwohl bei unserem Exemplar keine Haut im Schwanzbereich erhalten ist, sollten sich an den entsprechenden Hautstellen vogelähnliche Merkmale entwickelt haben, da der Schwanz des Psittacosaurus Federn hatte.

Basierend auf allen oben genannten Hinweisen entwickelte sich die Haut des Psittacosaurus auf zwei verschiedene Arten: Reptilienhaut entwickelte sich in kahlen (federlosen) Bereichen und vogelähnliche Haut entwickelte sich in gefiederten Bereichen.

Dieses Merkmal der Hautentwicklung spiegelt die regionale Expression von Genen wider. Dieses Phänomen lässt sich auch im Hautentwicklungsprozess moderner Vögel beobachten: Einige Gene sind für die „Raumplanung“ zuständig und legen fest, wo in Zukunft Federn wachsen und wo nicht; In den geplanten Bereichen beginnen sich Gene zu exprimieren, die für die Bildung von Federn und Haut verantwortlich sind, und schließlich entwickeln sich in verschiedenen Körperregionen unterschiedliche Feder- und Hautstrukturen. Durch die Veränderung der Gene, die für die „räumliche Planung“ verantwortlich sind, können Tauben sogar die Federn und Schuppen an ihren Füßen nach Belieben verändern [18] (siehe Abbildung unten).

Abbildung 16. Zwei „Raumplanungs“-Gene von Tauben, Pitx1 und Tbx5. Unter diesen gibt Pitx1 den Bereich der Hinterbeine an und Tbx5 gibt den Bereich der Vorderbeine an. Die Farbtiefe zeigt den Expressionsgrad des entsprechenden Gens in den Füßen an. Wenn die Pitx1-Expression schwach und die Tbx5-Expression stark ist, ähnelt die Haut an den Füßen eher der Haut der Vorderbeine und ist mit Federn bedeckt. Bildquelle: Domyan et al., 2016[18]

Dieser Genregulationsmechanismus bei Vögeln sollte bereits beim Psittacosaurus aufgetreten sein. Durch die Vorausplanung der Wachstumsstellen von Federn und Schuppen durch einige Gene wuchsen dem Psittacosaurus Federn und vogelähnliche Haut auf der Rückenseite seines Schwanzes und reptilienartige Schuppenhaut an anderen Stellen.

Diese regionale Hautentwicklungsstrategie des Psittacosaurus könnte bei der frühen Evolution der Federn eine entscheidende Rolle gespielt haben. Durch die Erhaltung des ursprünglichen Zustands unserer Reptilienvorfahren an Orten, an denen keine Federn wachsen, kann sichergestellt werden, dass die physiologischen Funktionen der Haut – physischer Schutz, Wasserspeicherung, Immunität usw. – weiterhin wie zuvor normal funktionieren. Dies ermöglichte den Tieren das Überleben in der Wildnis, während sie versuchten, ihre ersten Federn wachsen zu lassen und so die wertvollen Federgene an die nächste Generation, an die heutigen Vögel (unten), weiterzugeben.

Abbildung 17. „Vergiss nicht, wer du bist!“ | Quelle:
https://twitter.com/hmns/status/1757052320813117512/photo/1

Verweise

[1] Peresani, M., Fiore, I., Gala, M., Romandini, M. & Tagliacozzo, A. Späte Neandertaler und die absichtliche Entfernung von Federn, wie die Taphonomie von Vogelknochen in der Höhle von Fumane vor 44.000 Jahren in Italien zeigt. Proz. Nationale Akademie. Wissenschaft USA 108, 3888–3893 (2011).

[2] Padian, K. 25. Jahrestag der ersten bekannten gefiederten Dinosaurier. Nature 613, 251–252 (2023).

[3] Browne, MW Federartiges Fossil weist auf eine Verbindung zwischen Dinosauriern und Vögeln hin. The New York Times, 1 (1996).

[4] Chen, PJ, Dong, ZM & Zhen, SN, 1998. Ein außergewöhnlich gut erhaltener Theropodendinosaurier aus der Yixian-Formation in China. Nature 391, 147–152 (1998).

[5] Yang, Z. et al. Hautstrukturen von Flugsauriern mit komplexer federähnlicher Verzweigung. Nat. Ökol. Entwicklung 3, 24–30 (2019).

[6] Benton, MJ, Dhouailly, D., Jiang, B. & McNamara, M. Der frühe Ursprung der Federn. Trends Ökol. Entwicklung 34, 856–869 (2019).

[7] Mayr, G., Pittman, M., Saitta, E., Kaye, TG & Vinther, J. Struktur und Homologie der Schwanzborsten von Psittacosaurus. Paläontologie 59, 793–802 (2016).

[8] Persons IV, WS & Currie, PJ Borsten vor Daunen: eine neue Perspektive auf den funktionellen Ursprung von Federn. Evolution 69, 857–862 (2015).

[9] Lucas, AM & Stettenheim, PR Vogelanatomie. Integument, Teile I und II (US Government Printing Office, 1972)

[10] Lin, SJ et al. Die Topologie der Nische der Federmelanozyten-Vorläufer ermöglicht die Entstehung komplexer Pigmentmuster. Science 340, 1442–1445 (2013).

[11] McNamara, ME et al. Versteinerte Haut zeigt eine Koevolution mit Federn und Stoffwechsel bei gefiederten Dinosauriern und Frühvögeln. Nat. Kommun. 9, 2072 (2018).

[12] Yang, ZX, Jiang, BY, Xu, JX & McNamara, ME Die Zellstruktur von Dinosaurierschuppen zeigt, dass während des evolutionären Übergangs zu Federn eine reptilienartige Haut erhalten blieb. Nat. Kommun. 15, 4063 (2024).

[13] Szewczyk, PK & Stachewicz, U. Kollagenfasern in Krokodilhaut und -zähnen: Ein morphologischer Vergleich mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie. J. Bionic Eng. 17, 669–676 (2020).

[14] Alibardi, L. Histologie, Ultrastruktur und Pigmentierung in den Hornschuppen wachsender Krokodile. Acta Zool. 92, 187–200 (2011).

[15] Nicolaï, MP, Shawkey, MD, Porchetta, S., Claus, R. & D'Alba, L. Die Einwirkung von UV-Strahlung lässt eine wiederholte Entwicklung verborgener schwarzer Haut bei Vögeln erwarten. Nat. Kommune. 11, 2414 (2020).

[16] Wu, P., Lai, YC, Widelitz, R. & Chuong, CM Umfassende molekulare und zelluläre Studien legen nahe, dass die Schildschuppen von Vögeln sekundär aus Federn und weiter entfernt von den Schuppen von Reptilien entstanden sind. Wissenschaft Rep. 8, 16766 (2018).

[17] Zheng, XT et al. Hinterflügel bei basalen Vögeln und die Evolution der Beinfedern. Science 339, 1309-1312 (2013).

[18] Domyan, ET et al. Molekulare Veränderungen in der Gliedmaßenidentität liegen der Entwicklung gefiederter Füße bei zwei domestizierten Vogelarten zugrunde. eLife 5, S. e12115 (2016).

Produziert von: Science Popularization China

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