hollywood houdt koppig vast aan het beeld van de geschubde, reptielachtige en bloeddorstige dinosaurussen, ook nu weer in de nieuwste aflevering van jurassic park. nochtans blijkt uit onderzoek in de evolutiebiologie, paleontologie en genetica dat een bepaalde groep van vleesetende dinosaurussen getooid ging in een verenkleed. bovendien weten we nu redelijk zeker dat de vogels in onze achtertuin hun nazaten zijn.
De dinosaurus in uw achtertuin
De fascinatie voor vogels leeft al lang in wetenschappelijke kringen. Vogels vormen vandaag veruit de meest diverse groep van dynamisch (dit wil zeggen: op eigen spierkracht) vliegende gewervelde dieren. Ze komen voor op alle continenten, inclusief Antarctica (onder andere pinguïns), en kennen de meest uiteenlopende formaten en kleuren. Nochtans bleven tot voor kort vele vragen over hun evolutie, zoals de geologische timing en de snelheid van de soortenontwikkeling, onbeantwoord. Science heeft daarom in december 2014 een volledige uitgave gewijd aan de evolutie van de vogels. Acht van de negen publicaties stonden op naam van het ‘Avian Genome Consortium’ (AGC), een internationale organisatie van wetenschappers die zich wijden aan het onderzoek naar de onderlinge genetische en evolutionaire relaties van vogels, maar ook naar hun overeenkomsten met andere reptielen. Er werd onder meer gekeken naar onderlinge verwantschappen van bestaande vogelsoorten en wanneer die ontstonden. Verdere aandachtspunten waren de vraag naar welke genetische sequenties gepaard gaan met zanggedrag, de evolutie van sekschromosomen, hoe vogels een tandeloze bek ontwikkelden, een vergelijking van vogelgenomen met die van hun verre neven de krokodilachtigen, en hoe het genoom van een voorouder op de dinosauruslijn er zou kunnen hebben uitgezien.
Het ontstaan van moderne vogels blijft een controversieel onderwerp. Hoewel er weinig twijfel bestaat over de oorsprong van loopvogels zoals kiwi’s, struisvogels en tinamoes (de zogenaamde Paleognathae) en eenden en hoenders (Galloanseres), was er onduidelijkheid over de moderne vogels (Neoaves). Verschillende studies wezen op een soort van bigbangdiversificatie van de Neoaves na de biodiversiteitscrisis op het einde van het krijt, zowat 65 miljoen jaar geleden. Een aantal contrasterende onderzoeken wees dan weer op een eerder gradueel ontstaan van deze soortenhoeveelheid, beginnend in het krijt tussen de 80 en 125 miljoen jaar geleden. Uiteindelijk bleek de gebruikte methode een sterke invloed te hebben op het resultaat. Daarom was een holistische aanpak nodig waarbij fossielen en moderne genetische methoden gecombineerd worden om de levensboom te reconstrueren.
Het AGC is heel ver gegaan in zijn inspanningen. De vraag over de onderlinge verwantschappen van de verschillende groepen vogels en het moment waarop deze diversificatie plaatsvond, vereiste de codering van het volledige genoom van 48 verschillende vogelsoorten. Deze 48 soorten vertegenwoordigen op zijn minst 32 van de 35 huidige vogelordes, en hun genomen leverden dus een brede kijk op de bestaande vogeldiversiteit. Om deze gigantische hoeveelheid data te kunnen analyseren had het AGC toegang tot maar liefst negen supercomputercentra en ontwikkelde het nieuwe algoritmes om de data te verwerken. Het titanenwerk bevestigde dat vogels een snelle diversificatie ondergingen na de massa-extinctie in het krijt-paleogeen, en dat de meeste moderne vogelordes geëvolueerd zijn binnen de 10 tot 15 miljoen jaar tijd na deze gebeurtenis. Ook kon een aantal betwiste onderlinge verwantschappen van bepaalde vogelgroepen worden aangetoond.
De eerste grote splitsing in de vogelstamboom is die tussen de Passerea en de Columbea, de ene genoemd naar de zangvogels die er deel van uitmaken en de andere naar de tortels en duiven
De eerste grote splitsing in de vogelstamboom is die tussen de Passerea en de Columbea, de ene genoemd naar de zangvogels die er deel van uitmaken en de andere naar de tortels en duiven. Deze twee grote groepen hebben convergent een grote diversiteit aan water- en landvogels voortgebracht. Een belangrijk inzicht was onder meer dat de roofvogels in de Passerea (valken enerzijds, arenden en uilen anderzijds) niet direct aan elkaar verwant zijn. Dit betekent dat een gemeenschappelijke voorouder van de landvogels in deze groep hoogstwaarschijnlijk aan de top van de voedselketen stond (zoals de uitgestorven gigantische ‘terror birds’ van het paleogeen), waarna dit kenmerk in verschillende groepen (zoals zangvogels, neushoornvogels, spechten) weer verdwenen is. Opmerkelijk is ook dat in de groep van de Columbea duiven en flamingo’s directe verwanten blijken te zijn. Een aantal vogelsoorten is gekend om zijn zangtalenten en vocalisatie (de eigenschap om geluiden te imiteren). Bij de identificatie en analyse van verschillende genen verantwoordelijk voor vocalisatie bleek dat dit in de groep van de Passerea drie keer onafhankelijk is ontstaan (namelijk bij kolibries, papegaaien en zangvogels). Bovendien werd ook duidelijk dat bij de mens een aantal gelijkaardige genen, die verantwoordelijk zijn voor spraakontwikkeling, op een analoge manier zijn geëvolueerd. De bevinding dat de neurale circuits voor vocalisatie onafhankelijk evolueerden in soorten waarvan de gemeenschappelijke voorouder 310 miljoen jaar geleden leefde, en dat gelijkaardige moleculaire modificaties van verschillende genen daarvoor verantwoordelijk zijn, wijst waarschijnlijk op het feit dat er maar een beperkt aantal opties zijn om verbindingen in de hersenen te maken die dergelijke complexe functies kunnen realiseren.
Aan de hand van fossielen vermoedden we al langer dat krokodilachtigen evolutionair gezien dichter bij vogels staan dan bij slangen en hagedissen
Aan de hand van fossielen vermoedden we al langer dat krokodilachtigen evolutionair gezien dichter bij vogels staan dan bij slangen en hagedissen. Samen vormen vogels en krokodillen de enige overlevende archosauriërs, een groep waartoe alle dinosauriërs en uitgestorven krokodilachtigen behoren. Ook schildpadden zijn volgens recent genetisch onderzoek nauwer verwant aan deze groep dan aan de slangen en hagedissen. In de speciale Science-uitgave werd ook aandacht gegeven aan evolutiepatronen binnen de archosauriërgroep, en hoe ze verschillen van zoogdieren. De analyse bevestigde vermoedens over de verwantschap tussen vogels en krokodillen, maar toonde ook aan dat schildpadden niet ver van deze splitsing staan. Door het genoom van verschillende krokodil- en vogelsoorten met elkaar en met een aantal niet-verwante diersoorten te vergelijken hebben we nu ook een duidelijker beeld van hoe het genoom van een oerarchosauriër, maar ook dat van een oervogel, er moet hebben uitgezien. Met deze informatie werd het mogelijk om de evolutie van tandeloosheid te onderzoeken. Door het traceren van een aantal mutaties in bepaalde genen die verantwoordelijk zijn voor tandvorming, konden wetenschappers een stamboom reconstrueren met de verschillende stappen in de reductie van tanden in een aantal diergroepen. Door deze stamboom te kalibreren met fossielen die de eigenschappen in kwestie vertonen en bovendien een gekende geologische ouderdom hebben, kon men inschatten wanneer deze dieren hun tanden voor het eerst volledig verloren. Moderne vogels blijken alle eenzelfde gemeenschappelijke voorouder te hebben die rond 116 miljoen jaar geleden in twee evolutionaire stappen eerst de voorste tanden ingewisseld had voor een laagje keratine en daarna ook de hele snuit met het materiaal bedekte. Op dezelfde manier heeft een gemeenschappelijke voorouder van de schildpadden in een enkele keer een tandeloze bek geëvolueerd. Bij zoogdieren ziet het patroon er echter anders uit, aangezien verschillende zoogdieren (miereneters, aardvarkens, pangolins en baleinwalvissen) onafhankelijk van elkaar hun tanden op verschillende manieren verloren.
Het werk van het AGC, dat vooral gericht is op moleculaire genetische inzichten, werd aangevuld door een internationaal team van paleontologen. In dezelfde uitgave geven ze een overzicht van hoe die genetische gegevens in overeenstemming kunnen worden gebracht met fossielen van uitgestorven vogelordes (Paraves). Vogels (of Aves) maken deel uit van een grotere groep van Paraves, waartoe ook dinosauriërs met vogelkenmerken zoals de Velociraptor mongoliensis en de Archaeopteryx lithographica behoren. Dankzij een heleboel recente ontdekkingen van gevederde dinosauriërs uit het jura- en krijttijdperk van Duitsland, China, Canada en Rusland hebben we nu een duidelijk beeld van hoe vogels evolueerden vanuit een bepaalde groep van tweebenige dinosauriërs waartoe ook de iconische Tyrannosaurus rex behoorde. Deze groep wordt de theropoden genoemd en bestaat hoofdzakelijk uit tweebenige carnivoren. Over een tijdspanne van bijna 250 miljoen jaar heeft deze groep grote en hele grote exemplaren geproduceerd (zoals de T. rex), maar in een bepaalde tak ook steeds kleinere zoals de Microraptor en zelfs minuscule zoals de kolibries die we vandaag kennen. Over de basis van de stamboom van vogels bestaat op dit moment nog geen consensus. Cruciale soorten zoals de Archaeopteryx en de Anchiornis willen wel eens van evolutionaire tak verspringen al naargelang de auteurs. Toch hebben we een redelijk goed begrip van de overgang van dino’s naar vogels.
De Kulindadromeus, een kleine dino, had schubben op zijn staart, maar was op zijn hele lichaam bedekt met kleine donsachtige veertjes
De schitterende reeks fossielen waarover we beschikken helpt ons het ontstaan van de vliegkunsten van theropoden en vogels beter te begrijpen. De (bijna) complete skeletten van deze dinovogels gaan meestal ook gepaard met een goed bewaard verenkleed. Dit leverde in de jaren 1990 en 2000 enkele sensationele inzichten op. Eén daarvan is de hypothese dat wellicht alle dinosauriërs de genetische achtergrond hadden om allerhande veren, pluimen en donsveertjes te ontwikkelen. In 2014 maakten wetenschappers van het Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen onder leiding van Pascal Godefroit de ontdekking van de Kulindadromeus bekend. Deze kleine dino was een vroege schakel in een totaal andere groep van plantenetende dino’s, had schubben op zijn staart, maar was op zijn hele lichaam bedekt met kleine donsachtige veertjes. De oorsprong van veren moet dus veel vroeger op de stamboom van dinosauriërs worden gezocht. Uit onderzoek naar de structuur van hun botten weten we dat dinosauriërs over het algemeen zeer snel groeiden en een hoog metabolisme hadden. Bovendien hadden de meeste soorten ook een heterogene long zoals vogels, waarbij een complex systeem van luchtzakken voor een dubbel zo efficiënte zuurstofopname zorgde. Waarschijnlijk waren ze dus warmbloedig, net zoals vogels, waardoor een warm verenkleed in bepaalde klimaten een belangrijk voordeel werd. Het valt ook niet uit te sluiten dat bepaalde kleuren en structuren van veren een belangrijke rol hebben gespeeld bij seksuele selectie. Vliegen is echter pas mogelijk wanneer een vogel asymmetrische veren heeft (dit heeft met aerodynamische principes te maken). Dergelijke asymmetrische veren komen niet alleen voor bij vogels, maar ook bij een aantal soorten theropoden die niet op de directe stamlijn van de vogels zitten, zoals bijvoorbeeld de Microraptor. Hoogstwaarschijnlijk is het dynamische vliegen dus verscheidene malen onafhankelijk ontstaan in een aantal vroege vogels en voorlopers van vogels.
We hebben tijdens de laatste twintig jaar heel wat geleerd over de biologie, evolutie en het uitsterven van dinosauriërs. De technologie uit de film Jurassic World die het klonen van de uitgestorven wezens mogelijk maakt, is bijvoorbeeld geïnspireerd op reëel onderzoek. Men heeft effectief proteïnen en fragmenten van DNA teruggevonden in 65 miljoen jaar oude botcellen. De botcellen en andere zachte weefsels zijn bewaard door complexe chemische reacties van organische moleculen onder invloed van zuurstof- en vooral ijzeratomen (chelatie). Ongerustheid is overbodig, de DNA-fragmenten in de botcellen blijken te versnipperd door de tand des tijds. Wel werden proteïnen gevonden die deel uitmaken van het celskelet, evenals collageen, dat buiten de cel de mineralen in het bot samenkit.
Het is onwaarschijnlijk dat men in fossielen ooit bruikbaar compleet DNA-materiaal vindt waarmee een lichamelijke reconstructie mogelijk wordt
Het is onwaarschijnlijk dat men in fossielen ooit bruikbaar compleet DNA-materiaal vindt waarmee een lichamelijke reconstructie mogelijk wordt. Een andere methode die men kan uitproberen is het genoom van een moderne vogel zodanig manipuleren dat die weer kenmerken van zijn voorouders krijgt. Dat is het onderzoek waarmee John R. Horner (Museum of the Rockies) zich bezighoudt. Hij wil uit een kip een ‘chickenosaurus’ creëren die tanden, klauwen en een benige staart heeft. Het klinkt fantastisch, maar theoretisch en technologisch is het mogelijk: wetenschappers in Harvard hebben in mei 2015 nog aangetoond hoe ze in een kippenembryo een dinosaurussnuit konden laten groeien door bepaalde genen die een rol spelen bij de ontwikkeling van de bek te onderdrukken. De ethische beschouwingen van dit onderzoek vallen buiten het kader van dit artikel, maar de onderzoekers in kwestie zijn er vooral op gebrand om de link tussen dinosaurussen en vogels vanuit een genetisch standpunt aan te tonen. Deze verregaande experimenten zijn vooral bedoeld als antwoord op de vele creationistische lobby’s in de Verenigde Staten die blijvende pogingen doen om evolutieleer uit de schoolboeken te halen, en hier spijtig genoeg af en toe ook in slagen.
Ook in België is er aandacht voor paleontologisch onderzoek. Aan de Vrije Universiteit Brussel loopt momenteel een onderzoeksproject naar het impactevent uit het krijt en paleogeen en naar de biodiversiteitscrisis die geleid heeft tot het uitsterven van alle niet-vogel-dinosauriërs. In samenwerking met het Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen en het Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek Vlaanderen is in oktober 2014 een project gestart over de laatste grote herbivoren van het krijt. De hadrosauriërs (zoals de Edmontosaurus of de Olorotitan) kwamen wereldwijd in grote getallen voor, waren direct onderhevig aan de gevolgen van veranderingen in klimaat en vegetatie, en spelen dus een cruciale rol bij het beter begrijpen van het patroon van uitsterven. Lang werd vermoed dat de biodiversiteitscrisis in het krijt-paleogeen een gradueel patroon had, en dat sommige dinosaurussoorten reeds uitstierven voor de meteoriet insloeg op het schiereiland Yucatan. Deze interpretaties waren grotendeels gebaseerd op gegevens van het Noord-Amerikaanse continent, waar tijdens het krijt een grote zee het continent in twee verdeelde. Naar het einde van het krijt begon de zeespiegel van deze zee te zakken en verdween ze ook compleet, met grote gevolgen voor lokale klimaten en ecosystemen, terwijl in andere delen van de wereld deze zeespiegeldaling een veel kleinere invloed had. Een vergelijking van hadrosauriërsoorten uit Noord-Amerika, Azië en Europa moet hierop in de toekomst een antwoord bieden. Door de weefselstructuur van botten en tanden van deze dieren te onderzoeken krijgen we een beeld van hun groeisnelheid en dieet en hoe die variëren in andere omgevingen. Bovendien kunnen we, dankzij de opbouw van nieuwe infrastructuren in het labo voor stabiele isotopen, binnenkort ook migratiepatronen onderzoeken aan de hand van stabiele isotopen die opgeslagen zijn in het tandglazuur van deze dieren. Met gedetailleerde informatie over al dan niet aanwezige biologische discrepanties tussen Noord-Amerikaanse en Aziatische hadrosauriërs, zullen we een veel betere kijk hebben op de aard van de gebeurtenissen op het einde van het krijt, 65 miljoen jaar geleden.
Met dank aan Pascal Godefroit (KBIN) en Yuri Bolotski (Russian Academy of Sciences) voor de afbeelding van Kulindadromeus.
Guojie Zhang, Erich D. Jarvis en M. Thomas P. Gilbert, ‘A flock of genomes’, in: Science, 2014, 346 (6215), 1308-1309 [DOI:10.1126/science.346.6215.1308]
Robert W. Meredith, Guojie Zhang, M. Thomas P. Gilbert, Erich D. Jarvis en Mark S. Springer, ‘Evidence for a single loss of mineralized teeth in the common avian ancestor’, in: Science, 2014, 346 (6215), 1254390 [DOI:10.1126/science.1254390]
Mary H. Schweitzer, Wenxia Zheng, Timothy P. Cleland, Mark B. Goodwin, Elizabeth Boatman, Elizabeth Theil, et al., ‘A role for iron and oxygen chemistry in preserving soft tissues, cells and molecules from deep time’, in: Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 2013, 281 (1775), 20132741–20132741. [http://doi.org/10.1126/science.1137614]
Xing Xu, Zhonghe Zhou, Robert Dudley, Susan Mackem, Cheng-Ming Chuong, Gregory M. Erickson en David J. Varricchio, ‘An integrative approach to understanding bird origins’, in: Science, 2014, 346 (6215), 1253293 [DOI:10.1126/science.1253293]
Koen Stein is als paleontoloog verbonden aan de Vrije Universiteit Brussel.
Philippe Claeys is als geochemicus verbonden aan de Vrije Universiteit Brussel.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License