Klucz do przestworzy, czyli pierzaste wzloty ewolucji.

Największych cudów przyrody większości z nas nie dane było zobaczyć na własne oczy. Weźmy taki „róg jednorożca”, czyli ząb narwala. Albo oko kałamarnicy wielkie jak piłka do koszykówki, podziwiane najwyżej na zdjęciach. Istnieje jednak cud przyrody, który oglądamy na co dzień: dinozaury unoszące się w powietrzu dzięki piórom.

Ptaki są tak pospolite, że przestaliśmy zwracać uwagę na ich genialny wynalazek: upierzenie, które umożliwia im latanie. Ptasia lotka ma asymetryczną budowę, dzięki czemu wytrzymuje siłę napierającego powietrza. Jej przednia chorągiewka jest wąska i sztywna, tylna zaś szeroka i elastyczna. Aby wytworzyć siłę nośną, ptak nastawia odpowiednio skrzydło, sterując przepływem powietrza nad i pod nim.

Skrzydła samolotu korzystają z tej samej aerodynamicznej sztuczki. Ptasie jest jednak wymyślniejsze niż jakikolwiek przedmiot wykonany z nitowanej blachy. Z osi pióra wyrastają na dwie strony szeregami promienie, z każdego promienia małe promyki, niczym boczne gałęzie z konaru; z każdego promyka zaś – maleńkie haczyki. Haczyki sąsiednich promyków zaczepiają się o siebie, tworząc kratownicę, która jest leciutka, ale niezwykle wytrzymała. Gdy ptak czyści sobie upierzenie, muskając pióra dziobem, haczyki rozłączają się bez trudu, a potem zatrzaskują z powrotem.




Geneza tego zdumiewającego urządzenia  to zagadka ewolucji, która należy do najdłużej opierających się rozwiązaniu. W 1861 r., zaledwie dwa lata po tym, jak Darwin ogłosił swoje epokowe dzieło O powstawaniu gatunków, w bawarskim kamieniołomie robotnicy odkryli wyjątkową skamieniałość sprzed 150 mln lat – szczątki ptaka wielkości wrony, którego nazwano archeopteryksem. Miał pióra i inne cechy dzisiejszych ptaków, ale także ślady gadziej przeszłości – zęby, szpony na skrzydłach i długi kostny ogon. Podobnie jak skamieniałości waleni z nogami, archeopteryks zdawał się być ogniwem zasadniczej ewolucyjnej metamorfozy. – Z mojego punktu widzenia to doskonały dowód – zwierzył się Darwin przyjacielowi.

Dowód byłby lepszy, gdyby udało się znaleźć jeszcze dawniejsze stworzenia wyposażone w prymitywniejsze pióra. Ale takich szczątków szukano potem na próżno przez blisko półtora stulecia. Tymczasem inni naukowcy starali się wyjaśnić pochodzenie piór za pomocą badania łusek dzisiejszych gadów, najbliższych żyjących krewnych ptaków. Zarówno łuski, jak i pióra są płaskie. Może więc łuski ptasich przodków wydłużały się z pokolenia na pokolenie? Potem ich brzegi strzępiły się, tworząc pierwsze prawdziwe pióra. Także przypuszczenie, że zmiany te zachodziły jako przystosowanie do latania, wydawało się sensowne. Wyobraźmy sobie ptasich przodków jako małe, pokryte łuską czworonożne gady zamieszkujące w puszczy piętro koron i skaczące z drzewa na drzewo. Wydłużające się łuski zapewniałyby im coraz lepszą siłę nośną.   Ta zaś umożliwiałaby tym przedptakom wykonywanie coraz dłuższych skoków, a potem lotów ślizgowych. Później ich przednie kończyny zmieniałyby się w skrzydła, którymi można machać i dzięki temu latać aktywnie. Mówiąc krótko: ewolucja piór musiałaby zachodzić równocześnie z ewolucją latania.


Koncepcja „piór, które doprowadziły do latania”, zaczęła się kruszyć w latach 70. XX w., gdy paleontolog z Uniwersytetu Yale John Ostrom zwrócił uwagę na uderzające podobieństwa szkieletów ptaków i naziemnych dinozaurów zwanych teropodami (jest to grupa, do której należą takie znane z filmów potwory jak tyranozaur i welociraptor). – Należy przypuszczać – stwierdził Ostrom – że ptaki są żyjącymi potomkami teropodów. Większość teropodów ma jednak silne, duże tylne kończyny, krótkie kończyny przednie i długie, grube ogony. Trudno sobie wyobrazić tak zbudowane zwierzę skaczące z drzewa na drzewo. Inni paleontolodzy uznali więc, że ptaki nie są potomkami dinozaurów, lecz ich podobieństwo do dinozaurów wynika z tego, że miały z nimi wspólnego przodka w dalszej przeszłości.

W 1996 r. chińscy paleontolodzy dostarczyli  jednak zdumiewającego dowodu na poparcie hipotezy Ostroma. Była to skamieniałość małego teropoda sprzed 125 mln lat, z krótkimi przednimi łapami, jak to u teropodów. Nazwano go sinozauropteryksem, a wyróżniał się niezwykłą cechą: jego grzbiet i ogon pokrywała warstwa cienkich, wydrążonych w środku (rurkowatych) włókien. W końcu znaleziono ślady naprawdę pierwotnych piór – tyle że na ciele biegającego po ziemi teropoda. Okazało się więc, że początki piór nie mają nic wspólnego z lataniem.

Wkrótce paleontolodzy znaleźli setki innych  upierzonych teropodów. Mając tak wiele skamieniałości do badań porównawczych, wzięli się do rozwikłania dziejów piór. Na początku były zwyczajne nitkowate wyrostki. Później, w różnych liniach rodowych teropodów, tworzyły się rozmaite rodzaje piór, jedne przypominające puch dzisiejszych ptaków, inne mające symetrycznie ułożone promienie. Niektóre teropody mogły się poszczycić zagadkowymi grubymi włóknami nieprzypominającymi piór żadnego dzisiejszego ptaka. Jeśli były prapiórami, w jaki sposób powstały z płaskich łusek? Na szczęście żyją do dziś teropody z nitkowatymi piórami: pisklęta ptaków. Wszystkie ich pióra powstają najpierw jako szczeciniaste wyrostki skóry; dopiero później ulegają rozszczepieniu i przekształcają się w bardziej złożone twory. W rozwoju zarodkowym te szczecinki wyrastają z maleńkich grup komórek skóry zwanych plakodami. Pierścień szybko dzielących się komórek na szczycie plakody tworzy walcowatą ścianę, z której tworzy się pusta w środku szczecinka.




Plakody występują też u gadów. Ale u gadziego zarodka w każdej plakodzie włączają się geny, które powodują, że dzielą się jedynie komórki skóry na wewnętrznym skraju plakody, co daje łuski. Pod koniec lat 90. XX w. Richard Prum z Uniwersytetu Yale i Alan Brush z Uniwersytetu Connecticut sformułowali koncepcję, że za przejście od łusek do piór mogło odpowiadać proste przełączenie genetycznych „rozkazów” w ramach plakod. Polegało ono na tym, że komórki dzieliły się prostopadle do powierzchni skóry, a nie poziomo. Innymi słowy pióra to nie wariacja na temat łuski. To zupełnie nowa muzyka grana na tych samych instrumentach genetycznych. Gdy wyewoluowały pierwsze włókna, wystarczyły już drobne modyfikacje, by tworzyły się pióra coraz bardziej wyszukane.

Aż do niedawna uważano, że pióra pojawiły się w linii rodowej teropodów, która doprowadziła do ptaków. Tymczasem w 2009 r. chińscy naukowcy donieśli o odkryciu tianyulonga, stworzenia pokrytego na grzbiecie nitkowatymi wyrostkami, które należało do bardzo odległej od teropodów grupy gadów zwanej dinozaurami ptasiomiednicznymi (Ornithischia; teropody zaliczane są do drugiej z dwóch głównych grup dinozaurów – dinozaurów gadziomiednicznych Saurischia). Można by stąd wysnuć śmiały wniosek, że nitkowate pióra miał już przodek wszystkich dinozaurów, a dopiero później część z jego potomków utraciła je w ramach ewolucji. Początki upierzenia przesuną się jeszcze dalej wstecz, jeśli potwierdzą się odkrycia, że niektóre pterozaury były pokryte meszkiem. Pterozaury, latające gady, mają z dinozaurami jeszcze starszego wspólnego przodka.

Istnieje ewentualność nawet bardziej zdumiewająca. Najbliższymi żyjącymi dziś krewnymi ptaków, dinozaurów i pterozaurów są aligatory i krokodyle. Wprawdzie, jak każdy dobrze wie, te łuskowate stwory nie mają piór, ale u aligatorów odkryto ten sam gen, który odpowiada za budowę upierzenia u ptaków. Sugerować by to mogło, że przodkowie aligatorów jakieś 250 mln lat temu byli upierzeni. Dlatego też zdaniem niektórych właściwe pytanie nie brzmi: „jak ptaki uzyskały pióra?”, ale „jak aligatory je straciły?”.




Skoro geneza piór nie ma nic wspólnego z lataniem, to jakie korzyści czerpały z nich stworzenia, u których powstały? Niektórzy badacze są zdania, że upierzenie początkowo pełniło funkcję izolacyjną. Skamieniałe teropody znajdowano w pozycji z przednimi kończynami wyciągniętymi nad gniazdem, więc możliwe, że pióra służyły do osłaniania młodych.

Ostatnio wiarygodności nabrała hipoteza mówiąca, że pióra wyewoluowały... na pokaz. U dzisiejszych ptaków upierzenie charakteryzuje się urozmaiconą kolorystyką i deseniami, jaskrawymi mieniącymi się barwnymi plamami   i paskami. W wielu przypadkach strojne pióra służą przyciąganiu uwagi przedstawicieli płci przeciwnej. I tak na przykład paw rozkłada zdobny w opalizujące oka ogon, kiedy chce wywrzeć wrażenie na pawicy. Koncepcja, że u teropodów pióra powstały „na pokaz”, nabrała rumieńców w 2009 r., gdy naukowcy bliżej przyjrzeli się ich budowie. Wewnątrz piór odkryli maleńkie pojemniczki zwane melanosomami, które kształtem i budową odpowiadają ciałkom odpowiedzialnym za barwy w piórach dzisiejszych ptaków. Skamieniałe melanosomy przechowały się na tyle dobrze, że naukowcy mogli odtworzyć barwy piór dinozaurów. I tak na przykład ogon sinozauroptera był prawdopodobnie czerwonawy w białe paski. Być może samce tego gatunku wymachiwały tymi eleganckimi organami, by popisać się przed samicami. Możliwe też, że przedstawiciele obu płci wykorzystywali paski tak jak zebra – aby rozpoznawać się wśród zwierząt innych gatunków, a także by dezorientować drapieżców.

Niezależnie od pierwotnego przeznaczenia pióra pojawiły się najpewniej miliony lat wcześniej, nim pewien szczep dinozaurów wpadł na pomysł, by wykorzystywać je do latania. Naukowcy badają obecnie skrupulatnie te teropody, które są najbliżej spokrewnione z ptakami, chcąc się dowiedzieć, jak do tego doszło. Bardzo wiele   ujawnia anchiornis, odkryty niedawno wymarły gatunek sprzed ponad 150 mln lat. Były to zwierzęta rozmiarów kurczęcia, o upierzeniu w białoczarne pasy na przednich kończynach, co dawało pstrokaty wzór jak u koguta medalisty wystawy rolniczej. Na głowie wyrastał anchiornisowi krzykliwy, czerwonawy grzebień. Pod względem budowy pióra tego dinozaura niemal niczym nie różniły się od ptasich lotek, z tym że były symetryczne. Nie miały wąskiej i sztywnej przedniej chorągiewki, więc prawdopodobnie nie nadawały się do latania.




Braki wytrzymałości nadrabiały jednak liczbą.   Anchiornis miał zdumiewająco dużo piór. Wyrastały mu z kończyn przednich i tylnych, a nawet palców. Niewykluczone, że to dobór płciowy był motorem ewolucji tak ekstrawaganckiego upierzenia – podobnie jak napędza ewolucję ogonów u dzisiejszych pawi. Ciężkie długie ogony utrudniają tym ptakom latanie, a wybujałe upierzenie anchiornisów przeszkadzało im w bieganiu.

Corwin Sullivan i jego koledzy z Instytutu    Paleontologii Kręgowców i Paleoantropologii w Pekinie zwrócili uwagę, że anchiornis znalazł na to jakiś sposób. U teropodów, blisko spokrewnionych z dzisiejszymi ptakami, jedna z kości nadgarstka ma kształt klinowaty umożliwiający zginanie dłoni. U anchiornisa ta kość ma też klinowaty kształt, co według Sullivana wskazuje na to, że zwierzę składało przednie kończyny u boków ciała, aby pióra nie przeszkadzały przy chodzeniu. U dzisiejszych ptaków podobna kość ułatwia latanie, pozwalając na przyciągnięcie skrzydła bliżej ciała przy ruchu skrzydła do góry. Jeśli Sullivan ma rację, to znaczy, że pewna cecha przydatna do latania powstała, zanim ptaki wzleciały w powietrze. Jest to przykład zjawiska nazywanego egzaptacją: wykorzystania istniejącej części ciała do nowych zadań. Wygląda na to, że latanie stało się możliwe dzięki temu, że w ciągu milionów lat przed pojawieniem się lotu powstało wiele takich egzaptacji.

Niektórzy twierdzą, że w powietrze poderwały  się upierzone dinozaury, które pomagały sobie   w biegu wymachiwaniem przednimi łapami. Inni sądzą – wskazując na anchiornisa – że najbliżsi krewni ptaków nie byli przystosowani do szybkiego biegu i poruszali się raczej niezdarnie. Ci badacze odświeżają dawną koncepcję, że praptaki używały piór do wspomagania skoków z drzewa na drzewo, co doprowadziło do ślizgów, szybowania, a w końcu aktywnego lotu.

W górę, w dół, z gruntu czy z drzew – a dlaczego nie jedno i drugie? – Lot nie pojawił się w świecie dwuwymiarowym – podkreśla Ken Dial z Uniwersytetu Montany. U wielu ptaków pisklęta, uciekając przed drapieżnikiem pod górę, po pniu drzewa czy zboczu, pomagają sobie, wymachując niedorozwiniętymi jeszcze skrzydłami. Machanie nimi pomaga też potem powrócić na ziemię. W miarę jak ptak dorasta, takie „kontrolowane upadki” przeradzają się w aktywny lot. Przypuszczalnie rozwój piskląt odtwarza drogę ewolucyjną linii rodowej ptaków.