10 miesięcy temu

Od dinozaurów do ptaków

Co wiemy o ewolucji prehistorycznych stworzeń?

Od lewej: czaszka Velociraptora (dwunożny dinozaur), Archeopteryxa (pierwszego „ptaka”) oraz współczesnej kury i gołębia. Zdjęcie: Katherine Taylor for Quanta Magazine

Współczesne ptaki pochodzą od grupy dwunożnych dinozaurów znanych jako teropody, których członkami są m. in. wysoki Tyrannosaurus Rex i mniejszy Velociraptor.

Najbardziej zbliżone wyglądem do ptaków, były zwierzęta ważące wtedy od 45 do 220 kg – giganty w porównaniu do większości współczesnych ptaków – miały duże pyski, duże zęby i niewiele między uszami. Velociraptor na przykład miał czaszkę jak kojot i mózg wielkości gołębiego.

Przez dziesięciolecia jedynym łącznikiem kopalnym, pomiędzy ptakami i dinozaurami, był Archeopteryks, hybryda – stwór z pierzastymi skrzydłami, ostrymi zębami i długą kością ogonową dinozaura. Wydaje się mieć już wszystkie cechy współczesnych ptaków.

Zwierzęta najprawdopodobniej nabyły swoje ptasie cechy – pióra, skrzydła i zdolność lotu, w ciągu zaledwie 10 milionów lat, bladego błysku w długiej historii ewolucji.

Aby wyjaśnić tę cudowną metamorfozę, naukowcy stworzyli teorię często określaną jako „obiecujące potwory”. Według tego pomysłu duże skoki ewolucyjne wymagają dużych zmian genetycznych, które są jakościowo odmienne od rutynowych zmian w obrębie gatunku. Tylko takie istotne zmiany w krótkim terminie, mogą wytłumaczyć nagłe transformacje od ważącego 130 kg teropoda do prehistorycznych ptaków wielkości wróbla.

Historia przemiany dinozaurów w ptaki jest jednak znacznie bardziej subtelna.

Odkrycia wykazały, że specyficzne cechy takie jak np. pióra zaczęły pojawiać się na długo przed ewolucją ptaków, co wskazuje, że ptaki po prostu dostosowały szereg wcześniej istniejących cech, do nowego zastosowania. Ostatnie badania sugerują, że kilka prostych zmian – wśród nich zmiany kształtu czaszki w dorosłym życiu – mogły grać istotną rolę w końcowej przemianie.

Ptaki są znacznie mniejsze niż ich przodkowie – przypominają raczej zarodki dinozaurów. Przystosowania takie jak te, mogły utorować drogę do pojawienia się cech współczesnych ptaków – zdolności lotu oraz ich niezwykle zwinnych dziobów. Wielkie zmiany ewolucyjne mogą wynikać jednak z szeregu małych postępujących etapowo zmian.

Fantomowa kończyna

W latach ‘90 tych napływ nowych skamieniałości z Chin ujawnił pierzastą niespodziankę. Choć wielu okazom brakowało skrzydeł odkryliśmy wachlarz rozmaitego upierzenia. Odkrycie tych nowych gatunków pośredniczących spowodowało zmianę w myśleniu o przejściu od dinozaura do ptaka. Pióra, kiedyś uważane za unikalne dla ptaków, musiały ewoluować u dinozaurów długo przed ptakami.

“Ptaki nie wyewoluowały od T. Rexa w jedną noc, ale raczej klasyczne cechy ptaków rozwijały się jedna po drugiej: najpierw dwunożny chód, następnie pióra, a potem widełki w pasie barkowym, potem bardziej skomplikowane pióra, następnie skrzydła” opisuje Stephen Brusatte, paleontolog z Uniwersytetu w Edynburgu.

„Rezultatem jest stosunkowo płynne przejście między dinozaurami a ptakami, tak bardzo, że nie można postawić prostej linii granicznej pomiędzy tymi dwoma grupami” komentuje Brusatte.

Gdy w końcu pierwsze antyczne ptaki pojawiły się na ziemi rozpoczęły niezwykle szybko drogę przemian i ewolucji nowych gatunków. Ptaki opracowały nową efektywną budowę ciała przy niewielkich rozmiarach oraz co za tym idzie, nowy rodzaj lokomocji – latanie  – co doprowadziło do ewolucyjnej eksplozji.

Zwycięską innowacją, są małe rozmiary ciała. Nowe badania sugerują, że przodkowie ptaków zmniejszali się szybko, co oznacza, że niewielki rozmiar był ważną i korzystną cechą, całkiem możliwe, że najistotniejszą w ewolucji ptaków.

Badania opublikowane w magazynie “Science” w ubiegłym roku wykazują, że proces miniaturyzacji zaczął się znacznie wcześniej niż spodziewali się naukowcy. Niektóre Celurozaury rozpoczęły kurczenie się już do 200 milionów lat temu – 50 milionów lat przed pojawieniem się archeopteryksa – uznawanego za pierwszego ptaka. W tym czasie większość innych gatunków dinozaurów rosła.

„Miniaturyzacja jest czymś niezwykłym, zwłaszcza wśród dinozaurów” kontynuuje Michael Benton z Uniwersytetu w Bristolu.

Kurczenie się przyspieszyło, gdy przodkom ptaków wyrosły skrzydła i zaczęły eksperymentować z szybowaniem. W ubiegłym roku zespół Bentona wykazał, że linia, znana jako paraves kurczyła się 160 razy szybciej niż inne gatunki dinozaurów rosły.

Gwałtowna miniaturyzacja sugeruje, że mniejsze ptaki musiały mieć silną przewagę nad większymi.

Być może ten spadek masy ciała, otwierał możliwości pozyskania nowych siedlisk, nowych sposobów życia, a nawet miał coś wspólnego ze zmianą fizjologii i wzrostem. Zaletą małych rozmiarów mogła być łatwość w przemieszczaniu się po koronach drzew – bogatych w pokarm i oferujących schronienie.

Baby face

Arkhat Abzhanov Biolog z Harvardu od 2008 roku bada zmiany w kształcie czaszki dinozaurów oraz ich następców. Porównując dane ze skamieniałości dinozaurów oraz wczesnych ptaków doszedł do wniosku, że zahamowały one rozwój swojej głowy pozostając ją w młodzieńczym kształcie.

Z czasem naukowcy odkryli, że twarz zapadła się a oczy, mózg i dziób urosły.

„Pierwsze ptaki były niemal identyczne jak późne zarodki Velociraptora” powiedział Abzhanov. „Współczesne ptaki stały się jeszcze bardziej podobne do młodych osobników, niewiele zmieniając się od swojej postaci embrionalnej”.

W skrócie więc, ptaki przypominają maleńkie, dinozaury „dzieci”, które mogą się rozmnażać. Proces ten, znany jako neotenia, jest skuteczną drogą ewolucyjną.

To właśnie ten proces mógł wpłynąć na zmniejszenie się rozmiarów ciała wczesnych ptaków (albo odwrotnie). Zmiany w rozmiarach są często wynikiem zmian w rozwoju, tak więc ewolucja w stronę mniejszego ciała może być efektem zatrzymania procesu rozwoju u dorosłego osobnika.

Proces ten może wyjaśniać również powiększenie się mózgów u ptasich przodków. Zwykle bowiem dzieci mają proporcjonalnie (do reszty ciała) większe głowy, niż dorosłe osobniki. Świetnym sposobem na poprawę rozmiarów mózgu jest utrzymanie dziecięcych rozmiarów również w dorosłym życiu.

Co więcej neotenia mogła pozwolić na “oczyszczenie” czaszki z jej dotychczasowych elementów, pozwalając ewolucji na stworzenie nowych struktur.

Usunięcie pyska mogło torować drogę do wytworzenia się kolejnej ptasiej cechy – dzioba.

Narodziny dzioba

To niezwykła struktura, której ptaki używają do wyszukiwania pożywienia, spożywania go, oczyszczania się, budowania gniazd i dbania o swoje młode.

Abzhanov twierdzi, że sukces ptaków wynikał nie tylko z ich zdolności do latania, ale z niesamowitej różnorodności ich dziobów.

W badaniach, opublikowanych miesiącu w “Evolution”, naukowcy wskazują, że zaledwie kilka małych poprawek genetycznych, może wystarczyć, aby zmienić twarz ptaka w przypominającą dinozaura.

U współczesnych ptaków dziób składa się z dwóch kości przed szczękowych, które łączą się w dziób. Struktura ta jest całkiem odmienna od tej u dinozaurów, aligatorów, starożytnych ptaków i większości innych kręgowców, u których te dwie kości pozostają oddzielone, kształtując pysk.

Naukowcy postanowili, eksperymentując z kurzymi embrionami, prześledzić drogę rozwoju dziobów. U kilku kurzych embrionów wstrzymali ekspresję specyficznego dla ptaków genu za pomocą środków chemicznych.

W efekcie wyhodowali zarodki przypominające wyglądem bardziej twarze dinozaurów niż kur. (Ze względów etycznych, nie pozwolono kurczętom na wylęg).

To pokazało, jak drobna zmiana pozwala osiągnąć niezwykłe efekty. Ptaki wykorzystały istniejące narzędzia w zupełnie nowy sposób. Nie wytworzyły nowej ścieżki rozwoju genu lub zupełnie nowego genu, lecz po prostu zmieniły sposób kontroli istniejącego już genu.

Wszystkie te argumenty podważają teorie “obiecujących potworów” wskazując, że wytworzenie nietypowych cech (jak np.dzioba) nie wymagało specjalnego ewolucyjnego skoku lub dużych zmian genetycznych. Raczej to te same siły, które kształtują mikroewolucję – niewielkie zmiany w obrębie gatunku – napędzają również makroewolucję – ewolucję całych nowych funkcji i nowych grup gatunków.

Przemiany, które napędzały powstanie dzioba mogły zaistnieć więc w przeciągu życia zaledwie kilku pokoleń. Naukowcy wykazali, że proste zmiany regulacyjne mogą mieć wielki wpływ.

Źródła: [1] [2] [3]