En enda fjäder blev till 23 700 000 000 höns

Tjugofem år efter fyndet av den första befjädrade dinosaurien försöker forskarna fortfarande lösa gåtan om fjäderns ursprung. Kontroversiella fynd visar nu att dinosaurierna inte var de enda befjädrade djuren och att de kanske hade en gemensam befjädrad stamfader.

Tjugofem år efter fyndet av den första befjädrade dinosaurien försöker forskarna fortfarande lösa gåtan om fjäderns ursprung. Kontroversiella fynd visar nu att dinosaurierna inte var de enda befjädrade djuren och att de kanske hade en gemensam befjädrad stamfader.

År 1996 dyker ett randigt djur, stort som en kalkon, upp i en fossiliserad sjöbotten i Kina. Det rör sig om en rovdinosaurie, med tjock fjäderdräkt och en banditmask liknande en tvättbjörns.

Dinosaurien, som har legat på sjöns botten i 125 miljoner år, väcker sensation inom forskarvärlden. Sinosauropteryx, som djuret kallas, är nämligen den första dinosaurien med fjäderliknande dräkt som saknar vingar.

Fossilet av Sinosauropteryx innehöll pigmentfickor, så kallade melanosomer, som ger forskarna en idé om vilken färg dinosauren hade.

© Julius T. Csotonyi/SPL & Shutterstock

Sinosauropteryx avlivar därmed den gamla teorin att fjädrarna uppstod för att fåglarna skulle kunna flyga. Den befjädrade förfadern till dagens över 10 000 fågelarter, bland annat drygt 23 miljarder höns, hade uppenbarligen inga ambitioner att lätta från marken, vilket paleontologer och ornitologer tidigare trott.

Vi är fortfarande öppna för möjligheten att fjädrarna kan ha spelat en viktig roll i dinosauriernas historia. Paul Barrett, professor och expert på dinosauriernas utveckling

Men vilken roll spelade då fjädrarna? Fyndet av två fossiliserade flygödlor har fått diskussionen om den första fjädern att hetta till – och skakat om dinosauriernas släktträd.

Rovdinosaurier hade fjädrar

Den första fossiliserade fjädern någonsin hittades år 1861 mellan två kalkstensskivor utanför den sydtyska staden Solnhofen. Fjädern var 150 miljoner år gammal och tillhörde troligen dinosauriefågeln Archaeopteryx, vars fossil hittades i närheten.

Den första fossiliserade fjädern tillhörde ödlefågeln Archaeopteryx, som var stor som en korp och svävade mellan träden.

© University of Hong Kong

I över 100 år stod den fossiliserade fjädern och Archaeopteryx i fokus för forskningen om fjäderns ursprung, vilket gjorde att fjädrar och flygning blev tätt förknippade med varandra.

Det var dock ett villospår. I och med fyndet av Sinosauropteryx på den kinesiska sjöbottnen står det klart att fjädrarna hade andra funktioner än att trotsa gravitationen.

Sinosauropteryx hade inte några flygfjädrar, utan var täckt av en fjäderliknande päls (dino fuzz på engelska) av så kallade protofjädrar, små, primitiva, hårliknande fjädrar. Protofjädrarna fungerade troligen som isolering och hjälpte kräldjuret att hålla värmen.

Tills år 1999 trodde forskarna att fjädern utvecklades ur fjäll, men den föreställningen gjorde ornitologen Richard Prum vid amerikanska University of Kansas upp med. Fjädrar bildas i små fördjupningar i huden och växer sedan i olika faser, vilket även speglar dess evolution.

© Lotte Fredslund

Ring av celler bildar ett rör

På samma sätt som ett fjäll börjar fjädern med en celldelning i en hudsäck. En ring av celler delar sig och bildar ett rör som växer ut ur fjädersäcken i en spets, en så kallad protofjäder. På dinosaurier ser protofjädrar ut som små sträva borst.

© Lotte Fredslund

Protodunets mjuka grenverk uppstår

Protofjädern vidareutvecklas till ett så kallat protodun med ett kort skaft och långa, mjuka förgreningar. Vissa dinosaurier, däribland rovdinosaurier som Deinonychus, hade protodun på hela kroppen, som troligen fungerade som isolering.

© Lotte Fredslund

Primitiv fjäder förgrenas

I nästa utvecklingssteg övergår protodunet till en primitiv fjäder som påminner om dem vi känner till från moderna fåglar, dock utan aerodynamiska egenskaper. Den primitiva fjädern breder ut sig från skaftet i allt mindre förgreningar.

© Lotte Fredslund

Aerodynamik gör att fåglarna kan lätta från marken

Det sista steget i fjäderns utveckling är böjda förgreningar som krokar i varandra och därmed förtätar strukturen. Den moderna flygfjädern är asymmetrisk, så att luften leds snabbare över vingen än under den, vilket ger lyftkraft.

När en bred majoritet av forskare samtidigt enades om att fåglarna härstammar från dinosaurierna satte forskningen om fjäderns ursprung fart på allvar.

Under de senaste 10–20 åren har flera betydelsefulla fynd gjorts, däribland förhistoriska fåglar och minst fem olika rovdinosaurier med en överraskande stor variation av fjädrar och fjäderliknande utväxter.

Upptäckterna har kunnat göras tack vare ett förbättrat politiskt klimat med öppna gränser mot Kinas fossilskattkammare; unga, ihärdiga paleontologer; och ny teknik som laserstimulerad fluorescens (LSF), där en laser får annars osynliga mjukdelar som hud och fjädrar att framträda.

Dessa fynd är betydelsefulla, eftersom fjädrar inte bara är tecken på djurens släktskap och därmed kastar nytt ljus över evolutionära mekanismer, utan också för att de vittnar om djurens fysiologi, livsvillkor och beteenden.

En tjock fjäderdräkt som den som Sinosauropteryx hade kan till exempel innebära att djuret kunde upprätthålla en stabil kroppstemperatur på samma sätt som fåglar och däggdjur.

Analyser av pigmentfickor, så kallade melanosomer, i fjädrarna visar också att Sinosauropteryx hade en rödaktig färg och ljusa ränder på stjärten. Dess kamouflage överensstämmer med ett liv i ett öppet landskap. Den mörka ryggen och den vita buken bildar nämligen ett mönster som kallas motskuggning.

Djur som lever i öppna landskap uppvisar en skarp gräns mellan ljusa och mörka nyanser högt upp på buken, medan djur i skogar har en mer diffus gräns längre ner på kroppen.

Skiljelinjen högt upp på buken suddar ut lite av den skugga som solljuset kastar över kroppen, vilket får djuret att se ”platt” ut. Det har gjort att rovdjur haft svårare att upptäcka Sinosauropteryx i landskapet.

De befjädrade rovdinosaurierna tillhörde samma gren av rovdinosaurierna, coelurosaurierna, dit man räknar både Tyrannosaurus rex och de små, eleganta köttätarna som i Jurassic Park-filmerna kallas ”raptorer”.

Allt tydde därför på att fjädern uppstod i en undergrupp av rovdinosaurierna.

Men just när forskarna trodde att de hade hittat fjäderns vagga krossade ett litet behornat djur deras teori.

Växtätare reste borst

Ett fossil av växtätaren Psittacosaurus visade att den hade borst som stack ut från stjärten. Borsten var ihåliga och styva och påminde om primitiva fjädrar.

Psittacosaurus tillhör dock den grupp av behornade dinosaurier till vilken även noshörningsödlan Triceratops räknas och befinner sig därmed långt ifrån rovödlorna på dinosauriernas släktträd.

År 2014 dök ännu en växtätare med utväxter upp, Kulindadromeus, som hittades i Kulinda i östra Sibirien. Den extremt välbevarade dinosaurien var stor som en medelstor hund och hade en mycket speciell ”överrock”.

Kulindadromeus är den hittills äldsta dinosaurien med fjäderliknande utväxter. Den lilla växtätaren levde för cirka 168 miljoner år sedan.

© Andrey Atuchin

Rocken utgjordes nämligen av tre olika sorters fjäll, en kort, fjäderliknande päls och knippen av fiberstrukturer som såg ut som små krulliga band.

Kulindadromeus hade även enstaka hårliknande borst på huvudet, halsen och kroppen, medan överarmarna och låren hade små fjäderliknande ”buketter” med fem till sju borst. De senare är särskilt intressanta, eftersom något liknande förekommer hos rovdinosaurier och moderna fåglar.

Fyndplatsen tros vara omkring 168 miljoner år gammal, vilket gör Kulindadromeus till den hittills äldsta dinosaurien med fjäderliknande utväxter.

Flera forskare tolkade fyndet som ett tecken på att en gemensam förfader till samtliga dinosaurier hade fjädrar, eftersom de betraktar det som osannolikt att en så komplex fjäderdräkt som den på köttätaren Sinosauropteryx och växtätaren Kulindadromeus skulle ha uppstått isolerat hos de två huvudgrupperna av dinosaurier.

Denna hypotes är dock kontroversiell, framför allt för att fynd av fjädrar fortfarande är mycket ovanliga bland växtätande dinosaurier. En del forskare lutar i stället åt att fjädern uppstod av en slump vid flera tillfällen i olika grenar av släktträdet.

Flygödlor hade fyra sorters fjädrar

För att hitta den gemensamma förfadern tittade forskarna på flygödlorna, som levde samtidigt som dinosaurierna för 230 till 66 miljoner år sedan. Det intressanta är att flygödlorna tillhör en egen gren av släktträdet, som går direkt tillbaka till en gemensam urform.

En internationell forskargrupp ledd av paleontologen Mike Benton tror sig ha hittat spår efter fyra olika sorters fjädrar på flygödlor.

© Chuang Zhao/Reuters/Scanpix Ritzau

En internationell forskargrupp ledd av paleontologen Mike Benton har granskat två 160 miljoner år gamla flygödlefossil från Kina och hittat strukturer som de tror kommer från fyra olika sorters fjädrar på huvudet, halsen, kroppen och vingarna.

Strukturerna är de samma som vi ser hos fjädrar på fåglar och dinosaurier, vilket flyttar fjäderns ursprung. Medan man tidigare trodde att fjädern uppstod för 160 miljoner år sedan, tror man nu att det skedde för 240 miljoner år sedan. Paleontologen Mike Benton

Dateringen överensstämmer med tiden efter perm–trias-utdöendet för 252 miljoner år sedan, det tredje och värsta massutdöendet i planetens historia, i vilket omkring 95 procent av alla djur- och växtarter dog ut efter våldsamma vulkanutbrott.

Efter det återuppstod livet i nya former. De första dinosaurierna och däggdjuren uppstod, medan ödlorna utvecklades till havsdjur eller fick vingar och lättade från marken.

Forskarna bakom studien tror att en gemensam förfader till dinosaurierna och flygödlorna utvecklade protofjädrar som isolering för 240 miljoner år sedan, medan fjädrarnas övriga funktioner utvecklades långt senare.

De fokuserar bland annat på genetiska studier som visar på ett gemensamt ursprung för fjäll, hår och fjädrar, oavsett art.

Det innebär att alla dinosauriearter hade möjlighet att utveckla fjädrar, men miljömässiga förhållanden och mutationer avgjorde om och hur generna kom till uttryck. Vissa av dem utvecklade aldrig några fjädrar, medan andra hade dem under en period för att sedan förlora dem igen.

”Fjädrar” var nedbrutna utslitna fibrer

Denna tolkning är dock Mike Benton och hans kollegor rätt ensamma om. Både paleontologer och superdatorer ifrågasätter forskargruppens slutsatser.

Doktor David Unwin vid University of Leicester i England är expert på flygödlor. Han avvisar att åtminstone flygödlornas vingar var täckta av en sorts fjädrar.

Han påpekar att man har hittat omkring 30 flygödlor, flera med välbevarade vingar, och att de alla är nakna och släta. Vingmembranen har dock strukturer som i nedbrutet tillstånd kan misstolkas, eftersom de kan framstå som dunaktiga under ett mikroskop.

Vi vet att det finns fiberliknande strukturer i vingarna. När de bryts ner ser vissa av dem fransiga ut och påminner därför om dunaktiga förgreningar. Flygödleexperten David Unwin

Bristfälliga kunskaper om nedbrytningsprocesser är för övrigt ett stort problem, menar David Unwin, eftersom det försvårar paleontologernas arbete med att identifiera strukturer i fossil som under miljontals år har krossats och värmts upp långt nere i marken.

Paul Barrett, professor och expert på dinosauriernas utvecklingshistoria vid naturhistoriska museet i London, har bidragit till en ny bok om fjädrarnas ursprung.

Barrett, som tillsammans med två andra forskare arbetat med sannolikheter och datormodellering, har försökt räkna baklänges till de första fjädrarna.

Forskarna matade datormodellerna med en uppsättning data i form av 77 dinosauriearter som alla har hittats med någon form av välbevarad hud med spår av fjäll, hår eller fjäderliknande strukturer.

Dinosaurierna placerades i ett släktträd, och vid de förgreningar där det saknas fossil satte forskarna in hypotetiska fossil. I en modell satte man in en flygödla med protofjädrar och i en annan modell en fjäderlös flygödla.

På så vis kunde de återskapa olika utvecklingslinjer och beräkna sannolikheten för att de enskilda linjerna stämmer överens med verkligheten.

Modellerna visade att det var relativt osannolikt att en gemensam förfader till dinosaurierna och flygödlorna hade fjädrar.

”Jag hade räknat med att när vi modellerade utifrån en flygödla med protofjädrar så skulle det resultera i att alla dinosaurier hade fjädrar. Det förvånade mig att så inte var fallet”, säger Paul Barrett.

Befjädrad pusselbit saknas

Resultatet av datormodellerna visar att det trots de många fynden på senare år fortfarande saknas viktig information. Och trots att studien avvisar en befjädrad gemensam förfader tror Paul Barrett att bilden kan komma att förändras.

”Vi är fortfarande öppna för möjligheten att fjädrarna kan ha spelat en viktig roll i dinosauriernas historia. Bara ett eller ett par fynd av befjädrade tidiga dinosaurier eller släktingar till dinosaurierna skulle förändra vår inställning i grunden”, säger han.

Det kanske aldrig fanns några släta, fjälliga dinosaurier, som vi känner dem från bland annat Jurassic Park-filmerna. Överallt i dinosauriernas släktträd hopar sig bevisen för fjädrar.

© B. Choo/CAS

Tyrannosaurus rex kusin var en dunig mördare

Forskarna trodde tidigare att stora dinosaurier inte hade några fjädrar, eftersom stora djur inte lika lätt förlorar värme som små djur, men år 2012 hittades Yutyrannus, en nio meter lång föregångare till Tyrannosaurus rex som levde i Kina för cirka 125 miljoner år sedan. Den stora rovdinosaurien hade primitiva, dunaktiga fjädrar, och trots att man ännu inte har hittat några fjäderliknande strukturer på Tyrannosaurus rex tyder allt på att även den hade någon typ av fjädrar.

© Mark P. Witton/SPL

Rovdinosauriefötter täckta av fjädrar

Fjädrar uppstår inte ur fjäll, men det motsatta är faktiskt möjligt. Små rovdinosaurier visas ofta med fjälliga fötter, men höns – dinosauriernas närmaste nu levande släktingar – har två sorters fjäll på fötterna: små, runda kräldjursfjäll och större fjäll, som har utvecklats från fjädrar. Fossil från provinsen Liaoning i Kina visar att till exempel rovdinosaurier hade fjädrar ända ut på tårna.

© Shutterstock

Triceratops hade borst

Paleontologerna var länge övertygade om att den stora behornade dinosaurien Triceratops saknade både hår och fjädrar, men eftersom den är besläktad med den betydligt mindre Psittacosaurus, som hade långa borst på stjärten, är de inte lika säkra på det längre. Ett avtryck av Triceratops hud tyder på att den kan ha haft liknande borst. Forskarna är dock inte säkra på att borst har någonting med fjädrar att göra.

Dinosauriernas stamfader uppstod under den geologiska perioden trias för 251–200 miljoner år sedan. Enligt paleontologen Bent Lindow på Statens Naturhistoriske Museum i Köpenhamn skulle det krävas en hel del tur för att man ska hitta en så gammal fjäder.

”Det blir svårt att hitta så gamla fossil, eftersom det krävs mycket speciella förhållanden för att mjukvävnad ska bevaras. Men det är inte omöjligt. Vi kan ju börja med att målmedvetet leta efter dem”, säger han till Illustrerad Vetenskap.

Den närmaste släktingen till fåglar, dinosaurier och flygödlor är krokodilerna, eftersom de tillhör gruppen arkosaurier. De första krokodilerna uppstod under den geologiska perioden trias, och trots att de inte har några fjädrar finns förmågan att utveckla en fjäderprakt i moderna krokodilers gener.

Kanske döljer sig en avlägsen befjädrad släkting till krokodilerna i ett fossil som bara väntar på att hittas, precis som Sinosauropteryx gjorde för 25 år sedan. Allt som saknas är en fjäder.