Discendenti viventi dei dinosauri

In una pineta nel nord-est della Cina rurale, un aspro pendio scistoso è pieno di resti di creature estinte di 125 milioni di anni fa, quando questa parte della provincia di Liaoning era coperta da laghi d’acqua dolce. Le eruzioni vulcaniche hanno convogliato regolarmente la zona in quel periodo, seppellendo nella cenere milioni di rettili, pesci, lumache e insetti. Passo con cautela tra la miriade di fossili, prendo una lastra di scisto non molto più grande della mia mano e ne colpisco il bordo con un martello da roccia. Una cucitura spacca a metà un pesce color ruggine, producendo impronte speculari di pinne delicate e ossa sottili come capelli umani.

Una delle star cinesi della paleontologia, Zhou Zhonghe, sorride. “Era il 1995 quando Zhou e i suoi colleghi annunciarono la scoperta di un fossile in questa zona disastrata della preistoria, che inaugurò una nuova era della paleontologia. Il fossile era un uccello primitivo delle dimensioni di un corvo che potrebbe essere stato asfissiato dai fumi vulcanici mentre ruotava sopra i laghi tutti quei milioni di anni fa. Hanno chiamato la nuova specie Confuciusornis, dal nome del filosofo cinese.

Fino ad allora, solo una manciata di fossili di uccelli preistorici erano stati portati alla luce in tutto il mondo. Questo in parte perché gli uccelli, allora come oggi, erano molto meno comuni dei pesci e degli invertebrati, e in parte perché gli uccelli si sottraevano più facilmente a frane, pozzi di catrame, eruzioni vulcaniche e altri fenomeni geologici che catturavano gli animali e ne conservavano le tracce nei secoli. Gli scienziati hanno trovato solo dieci scheletri fossili intatti del primo uccello conosciuto, Archaeopteryx, che visse alla fine del periodo giurassico, circa 145 milioni di anni fa.

Zhou, che lavora presso l’Istituto di Paleontologia dei Vertebrati e Paleoantropologia (IVPP) dell’Accademia Cinese delle Scienze di Pechino, credeva che gli straordinari letti di ossa nel Liaoning potrebbero riempire alcuni dei molti vuoti nel record fossile dei primi uccelli. Non avrebbe potuto essere più profetico. Negli ultimi 15 anni, migliaia di uccelli fossili squisitamente conservati sono emersi dall’antico letto del lago, chiamato Formazione Yixian. La regione ha anche prodotto esemplari di dinosauri stupefacenti, che non erano mai stati visti prima. Come risultato, la Cina è stata la chiave per risolvere una delle più grandi domande nella scienza dei dinosauri negli ultimi 150 anni: la vera relazione tra uccelli e dinosauri.

L’idea che gli uccelli – il gruppo più vario di vertebrati terrestri, con quasi 10.000 specie viventi – discendano direttamente dai dinosauri non è nuova. Fu sollevata dal biologo inglese Thomas Henry Huxley nel suo trattato del 1870, Further Evidence of the Affinity between the Dinosaurian Reptiles and Birds. Huxley, un rinomato anatomista forse meglio ricordato per la sua ardente difesa della teoria dell’evoluzione di Charles Darwin, vide poca differenza tra la struttura ossea di Compsognathus, un dinosauro non più grande di un tacchino, e Archaeopteryx, che fu scoperto in Germania e descritto nel 1861. Quando Huxley guardava gli struzzi e altri uccelli moderni, vedeva dinosauri più piccoli. Se le ossa delle zampe di un pulcino venissero ingrandite e fossilizzate, notò, “non ci sarebbe nulla nei loro caratteri che ci impedirebbe di riferirli ai Dinosauria.”

Ancora, nel corso dei decenni i ricercatori che dubitavano del legame dinosauro-uccello hanno anche fatto buoni argomenti anatomici. Hanno detto che i dinosauri mancano di un certo numero di caratteristiche che sono distintamente aviarie, tra cui le ossa del braccio, o clavicole fuse, le ossa piene di sacche d’aria, le articolazioni del polso flessibili e i piedi a tre dita. Inoltre, il presunto collegamento sembrava contrario a ciò che tutti pensavano di sapere: che gli uccelli sono piccoli, intelligenti, veloci, sprites a sangue caldo, mentre i dinosauri – dal greco per “lucertola spaventosamente grande” – erano creature a sangue freddo, noiose, pesanti, simili a rettili.

Nei tardi anni ’60, uno scheletro fossile di dinosauro dal Montana ha cominciato a minare questa ipotesi. Deinonychus, o “artiglio terribile” dopo l’artiglio a forma di falce su ogni piede posteriore, era alto circa 11 piedi dalla testa alla coda ed era un agile predatore. Inoltre, la sua struttura ossea era simile a quella di Archaeopteryx. Presto gli scienziati raccolsero altre prove fisiche intriganti, scoprendo che le clavicole fuse erano comuni nei dinosauri dopo tutto. Le ossa di Deinonychus e Velociraptor avevano sacche d’aria e articolazioni del polso flessibili. I tratti dei dinosauri erano sempre più simili a quelli degli uccelli. “Tutte queste cose sono state eliminate dalla definizione di essere un uccello”, dice il paleontologo Matthew Carrano dello Smithsonian National Museum of Natural History.

Ma c’era una caratteristica importante che non era stata trovata nei dinosauri, e pochi esperti si sarebbero sentiti completamente a loro agio nell’affermare che cincie e triceratopi erano parenti fino a quando non avessero avuto prove di questo collegamento anatomico mancante: le piume.

Un povero contadino cinese, Li Yingfang, ha fatto uno dei più grandi ritrovamenti di fossili di tutti i tempi, nell’agosto 1996 nel villaggio di Sihetun, a un’ora di macchina dal sito dove avevo cercato i pesci fossili. “Stavo scavando delle buche per piantare degli alberi”, ricorda Li, che ora ha un lavoro a tempo pieno in un museo dei dinosauri costruito proprio in quel sito. Da un buco ha portato alla luce una lastra di scisto lunga due piedi. Un esperto cacciatore di fossili, Li spaccò la lastra e vide una creatura diversa da qualsiasi altra che aveva visto. Lo scheletro aveva un cranio simile a quello di un uccello, una lunga coda e impronte di quelle che sembravano essere strutture simili a piume.

A causa delle piume, Ji Qiang, allora direttore del Museo Geologico Nazionale, che acquistò una delle lastre di Li, pensò che fosse una nuova specie di uccello primitivo. Ma altri paleontologi cinesi erano convinti che si trattasse di un dinosauro.

In una visita a Pechino quell’ottobre, Philip Currie, un paleontologo ora all’Università di Alberta, vide l’esemplare e capì che avrebbe dato una svolta alla paleontologia. Il mese successivo, Currie, da molto tempo in Cina, ha mostrato una sua fotografia ai colleghi alla riunione annuale della Società di Paleontologia Vertebrata. L’immagine ha rubato la scena. “Era un fossile così sorprendente”, ricorda il paleontologo Hans-Dieter Sues del Museo Nazionale di Storia Naturale. “Sensazionale”. I paleontologi occidentali fecero presto un pellegrinaggio a Pechino per vedere il fossile. “Nonostante le piume, lo scheletro non lasciava dubbi sul fatto che la nuova specie, chiamata Sinosauropteryx, che significa “ala di lucertola cinese”, fosse un dinosauro. Ha vissuto circa 125 milioni di anni fa, in base alla datazione degli elementi radioattivi nei sedimenti che hanno racchiuso il fossile. I suoi filamenti tegumentari – strutture lunghe e sottili che sporgono dalla sua pelle squamosa – hanno convinto la maggior parte dei paleontologi che l’animale era il primo dinosauro piumato mai portato alla luce. Una dozzina di dinosauri con filamenti o piume sono stati scoperti in quel sito.

Analizzando gli esemplari provenienti dalla Cina, i paleontologi hanno colmato le lacune nel record fossile e tracciato le relazioni evolutive tra vari dinosauri. I fossili hanno finalmente confermato, a tutti tranne che a pochi scettici, che gli uccelli discendono dai dinosauri e sono i rappresentanti viventi di una stirpe di dinosauri chiamata Maniraptorans.

La maggior parte dei dinosauri non faceva parte della stirpe che ha dato origine agli uccelli; essi occupavano altri rami dell’albero genealogico dei dinosauri. Sinosauropteryx, infatti, era quello che i paleontologi chiamano un dinosauro non-aviano, anche se aveva le piume. Questa intuizione ha spinto i paleontologi a rivedere la loro visione di altri dinosauri non aviari, come il noto mangiatore di carne Velociraptor e anche alcuni membri del gruppo dei tirannosauri. Anche loro erano probabilmente ornati di piume.

L’abbondanza di fossili piumati ha permesso ai paleontologi di esaminare una domanda fondamentale: Perché le piume si sono evolute? Oggi è chiaro che le piume svolgono molte funzioni: aiutano gli uccelli a trattenere il calore corporeo, a respingere l’acqua e ad attirare un compagno. E naturalmente aiutano il volo – ma non sempre, come dimostrano gli struzzi e i pinguini, che hanno le piume ma non volano. Molti dinosauri piumati non avevano le ali o erano troppo pesanti, rispetto alla lunghezza dei loro arti piumati, per volare.

Decifrare come le piume si sono trasformate nel corso dei secoli da fibre sottili a delicati strumenti di volo potrebbe far luce sulla transizione dei dinosauri agli uccelli, e come la selezione naturale ha forgiato questo tratto complesso. Pochi scienziati conoscono le piume antiche più intimamente di Xu Xing dell’IVPP. Ha scoperto 40 specie di dinosauri – più di qualsiasi altro scienziato vivente – da tutta la Cina. Il suo ufficio all’IVPP, di fronte allo zoo di Pechino, è pieno di fossili e calchi.

Xu immagina l’evoluzione delle piume come un processo incrementale. Le piume nella loro forma più primitiva erano singoli filamenti, simili ad aculei, che sporgevano dalla pelle dei rettili. Queste strutture semplici vanno molto indietro; anche gli pterodattili avevano dei filamenti di sorta. Xu suggerisce che l’evoluzione delle piume potrebbe essere iniziata in un antenato comune di pterodattili e dinosauri, circa 240 milioni di anni fa, o circa 95 milioni di anni prima di Archaeopteryx. I prossimi ad apparire nel record fossile erano barbe accoppiate che sparavano fuori da un albero centrale. Alla fine, file dense di barbe intrecciate formarono una superficie piatta: lo schema di base delle cosiddette piume pennacee degli uccelli moderni. Tutti questi tipi di piume sono stati trovati in impronte fossili di teropodi, il sottordine dei dinosauri che include Tyrannosaurus rex così come gli uccelli e altri Maniraptorans.

I filamenti si trovano anche altrove nell’albero della famiglia dei dinosauri, in specie molto lontane dai teropodi, come Psittacosaurus, un erbivoro dalla faccia di pappagallo che è sorto circa 130 milioni di anni fa. Aveva radi filamenti singoli lungo la coda. Non è chiaro perché i filamenti appaiono in alcuni lignaggi di dinosauri ma non in altri. “Una possibilità è che le strutture simili alle piume si siano evolute molto presto nella storia dei dinosauri”, dice Xu, e alcuni gruppi hanno mantenuto le strutture, mentre altri gruppi le hanno perse. “Ma alla fine nei Maniraptorani, le piume si sono stabilizzate e si sono evolute in piume moderne”, dice. Oppure i filamenti potrebbero essersi evoluti indipendentemente in tempi diversi. Come sottolinea Sues, “Sembra che, geneticamente, non sia un grande trucco per trasformare una squama in un filamento.”

Originariamente, i singoli filamenti potrebbero essere stati per la visualizzazione, l’equivalente dei dinosauri del piumaggio iridescente di un pavone. Prove evidenti di questa teoria sono apparse quando gli scienziati hanno rivelato i veri colori delle piume di 125 milioni di anni fa. Le piume degli uccelli e le scaglie dei rettili contengono melanosomi, piccole sacche che contengono varietà di melanina. Molti paleontologi sospettavano che anche le piume dei dinosauri contenessero melanosomi. Nel laboratorio di Mike Benton all’Università di Bristol, Zhang Fucheng dell’IVPP ha trascorso più di un anno alla ricerca di melanosomi in fotografie di uccelli e dinosauri fossili scattate con un microscopio elettronico. La diligenza di Zhang ha dato i suoi frutti nel 2009, quando ha individuato i melanosomi nel Confuciusornis che contenevano eumelanina, che dà alle piume una sfumatura grigia o nera, e feomelanina, che dà loro un colore marrone-rossastro. Le piume dell’animale avevano macchie di colorazione bianca, nera e arancione-marrone.

Sinosauropteryx era ancora più sorprendente. Zhang ha scoperto che i filamenti che corrono lungo la schiena e la coda devono aver fatto sembrare il dinosauro un palo da barbiere a strisce bianche e arancioni. Un modello così vibrante suggerisce che “le piume sono nate come agenti per la visualizzazione dei colori”, dice Benton.

Le prime piume avrebbero potuto servire ad altri scopi. I filamenti cavi potrebbero aver dissipato il calore, proprio come fanno oggi i fronzoli di alcune lucertole moderne. Altri paleontologi ipotizzano che le piume si siano evolute per trattenere il calore. Un esempio significativo viene dai fossili di Oviraptor – un teropode dissotterrato in Mongolia che visse circa 75 milioni di anni fa – che si accovacciava su nidi pieni di uova. Gli Oviraptor infilavano le gambe al centro della frizione e abbracciavano la periferia con le loro lunghe zampe anteriori – una postura che ha una sorprendente somiglianza con gli uccelli che covano e tengono le loro uova al caldo. I dinosauri imparentati con Oviraptor erano ricoperti di piume pennacee, suggerendo che anche Oviraptor lo fosse. “Sedersi su un nido come quello aveva senso solo se aveva piume” per isolare delicatamente i suoi piccoli, dice Sues.

Le piume sono diventate, naturalmente, uno strumento di volo. Alcuni paleontologi immaginano uno scenario in cui i dinosauri hanno usato le piume per aiutarli ad occupare gli alberi per la prima volta. “Poiché i dinosauri avevano caviglie incernierate, non potevano ruotare i piedi e non potevano arrampicarsi bene. Forse le piume li aiutavano ad arrampicarsi sui tronchi d’albero”, dice Carrano. I cuccioli di specie che vivono principalmente a terra, come i tacchini, usano le loro ali in questo modo. Le piume possono essere diventate sempre più aerodinamiche nel corso di milioni di anni, permettendo ai dinosauri di planare da un albero all’altro. Gli individui in grado di eseguire una tale impresa potrebbero essere stati in grado di raggiungere nuove fonti di cibo o di sfuggire meglio ai predatori, e di trasmettere il tratto alle generazioni successive.

Uno degli esemplari più affascinanti che emergono dai letti di scisto della Liaoning è Microraptor, scoperto da Xu nel 2003. La bestia del peso di un bantametro era lunga un piede o due e pesava solo due libbre. Microraptor, della famiglia dei Dromaeosauri, non era un antenato degli uccelli, ma era anche diverso da qualsiasi dinosauro piumato scoperto in precedenza. Xu lo chiama un dinosauro “a quattro ali” perché aveva lunghe piume pennacee sulle braccia e sulle gambe. A causa del suo sterno fuso e delle piume asimmetriche, dice Xu, Microraptor poteva sicuramente planare da un albero all’altro, e potrebbe anche essere stato migliore di Archaeopteryx nel volare con le proprie forze.

L’anno scorso Xu ha scoperto un’altra specie di dinosauro a quattro ali, sempre a Liaoning. Oltre a dimostrare che il volo a quattro ali non era un caso, la nuova specie, Anchiornis huxleyi, chiamata così in onore di Thomas Henry Huxley, è il primo dinosauro piumato conosciuto. Proveniva da depositi lacustri giurassici di 155 milioni a 160 milioni di anni. La scoperta ha eliminato l’ultima obiezione al legame evolutivo tra uccelli e dinosauri. Per anni, gli scettici avevano sollevato il cosiddetto paradosso temporale: non c’erano dinosauri piumati più vecchi di Archaeopteryx, quindi gli uccelli non potevano essere sorti dai dinosauri. Ora questo argomento è stato spazzato via: Anchiornis è milioni di anni più vecchio di Archaeopteryx.

I dinosauri a quattro ali erano in definitiva un ramo morto sull’albero della vita; sono scomparsi dal record fossile circa 80 milioni di anni fa. La loro scomparsa ha lasciato solo una stirpe di dinosauri in grado di volare: gli uccelli.

Quando i dinosauri si sono evoluti in uccelli? Difficile dirlo. “Nel profondo della storia evolutiva, è estremamente difficile tracciare la linea tra uccelli e dinosauri”, dice Xu. A parte piccole differenze nella forma delle vertebre del collo e la lunghezza relativa delle braccia, i primi uccelli e i loro parenti Maniraptor, come Velociraptor, si assomigliano molto.

“Se Archaeopteryx fosse scoperto oggi, non credo che lo chiamereste un uccello. Lo si chiamerebbe un dinosauro piumato”, dice Carrano. Viene ancora chiamato il primo uccello, ma più per ragioni storiche che perché è il più antico o la migliore incarnazione di tratti simili a quelli degli uccelli.

D’altra parte, Confuciusornis, che possedeva il primo becco e il primo pigostilo, o vertebre della coda fuse che supportavano le piume, sembra veramente un uccello. “Da quando l’ultimo dei dinosauri non aviari si è estinto 65 milioni di anni fa durante l’estinzione di massa che ha chiuso il sipario sul Cretaceo, gli uccelli hanno sviluppato altre caratteristiche che li distinguono dai dinosauri. Gli uccelli moderni hanno un metabolismo più alto di quello che anche il più agile Velociraptor abbia mai avuto. I denti sono scomparsi a un certo punto della storia evolutiva degli uccelli. Le code degli uccelli si sono accorciate, le loro abilità di volo sono migliorate e il loro cervello è diventato più grande di quello dei dinosauri. E gli uccelli moderni, a differenza dei loro antenati Maniraptoran, hanno un alluce che sporge dalle altre dita, che permette agli uccelli di appollaiarsi. “Si passa gradualmente dalle lunghe braccia e dalle enormi mani dei Maniraptorani non aviari a qualcosa che assomiglia all’ala di pollo che si trova al KFC”, dice Sues. Data la portata di questi adattamenti aviari, non c’è da meravigliarsi che il legame evolutivo tra i dinosauri e gli uccelli come li conosciamo sia rimasto nascosto fino a quando i paleontologi hanno iniziato ad analizzare il ricco record fossile dalla Cina. Ma per i collezionisti di fossili, Chaoyang è un paradiso, a solo un’ora di macchina da alcuni dei letti più produttivi della Formazione Yixian.

Una strada è fiancheggiata da negozi che vendono yuhuashi, o fossili di pesce. I fossili incastonati nello scisto, spesso in coppie speculari, possono essere acquistati per un dollaro o due. Un articolo popolare è un mosaico in cui alcune dozzine di piccole lastre formano una mappa della Cina; i pesci fossili sembrano nuotare verso la capitale, Pechino (e nessuna mappa è completa senza un pesce che rappresenta Taiwan). I commercianti vendono insetti, crostacei e piante fossili. Occasionalmente, nonostante le leggi che vietano il commercio di fossili di valore scientifico, i commercianti meno scrupolosi sono stati conosciuti per vendere fossili di dinosauro. Gli esemplari più importanti, dice Zhou, “non sono stati scoperti dagli scienziati nei negozi di fossili della città, ma nelle case dei commercianti o degli agricoltori che li hanno scavati.”

Oltre al Sinosauropteryx, molti altri esemplari rivelatori sono venuti alla luce grazie a dilettanti piuttosto che a scavi scientifici. La sfida per Zhou e i suoi colleghi è quella di trovare gli esemplari caldi prima che spariscano nelle collezioni private. Così Zhou e il suo collega Zhang Jiangyong, uno specialista di pesci antichi all’IVPP, sono venuti nella provincia di Liaoning per controllare tutti i fossili su cui i commercianti amici della loro causa hanno messo le mani negli ultimi tempi.

La maggior parte delle scorte nei negozi di fossili proviene da contadini che si danno da fare sui letti fossili quando non si occupano dei loro campi. Un piccolo esemplare di pesce ben conservato può fruttare a chi lo trova l’equivalente di 25 centesimi, abbastanza per un pasto caldo. Un dinosauro piumato può fruttare diverse migliaia di dollari, il reddito di un anno o più. Per quanto sia distruttiva per i letti fossili, questa paleoeconomia ha contribuito a riscrivere la preistoria.

Zhou prende una lastra e la guarda attraverso i suoi occhiali con la montatura in filo di ferro. “Presidente, vieni qui e guarda”, dice Zhou a Zhang (che si è guadagnato il soprannome scherzoso di presidente del sindacato dei dipendenti di IVPP). Zhang examines the specimen and adds it to a pile that will be hauled back to Beijing for study—and, if they are lucky, reveal another hidden branch of the tree of life.

Richard Stone has written about a Stonehenge burial, a rare antelope and mysterious Tibetan towers for Smithsonian.