Żyjący potomkowie dinozaurów

W sosnowym lesie w wiejskich północno-wschodnich Chinach, nierówne łupkowe zbocze jest wypełnione szczątkami wymarłych stworzeń sprzed 125 milionów lat, kiedy ta część prowincji Liaoning była pokryta słodkowodnymi jeziorami. Wybuchy wulkanów regularnie wstrząsały tym obszarem w tamtym czasie, grzebiąc w popiele miliony gadów, ryb, ślimaków i owadów. Stąpam ostrożnie wśród niezliczonych skamieniałości, podnoszę płytę łupka niewiele większą od mojej dłoni i uderzam w jej krawędź młotkiem skalnym. Szew rozdziela rybę o rdzawym kolorze na pół, tworząc lustrzane odbicia delikatnych płetw i kości tak cienkich jak ludzkie włosy.

Jeden z gwiazd chińskich paleontologów, Zhou Zhonghe, uśmiecha się. „Niesamowite miejsce, prawda?”, mówi.

W 1995 roku Zhou i jego koledzy ogłosili odkrycie skamieliny z tej prehistorycznej strefy katastrofy, które zapowiadało nową erę paleontologii. Skamielina ta była prymitywnym ptakiem wielkości wrony, który mógł zostać uduszony przez wyziewy wulkaniczne, gdy krążył nad jeziorami te wszystkie miliony lat temu. Nazwali nowy gatunek Confuciusornis, po chińskim filozofie.

Do tego czasu tylko garstka skamielin prehistorycznych ptaków została odkopana gdziekolwiek na świecie. To częściowo dlatego, że ptaki, wtedy jak i teraz, były znacznie mniej powszechne niż ryby i bezkręgowce, a częściowo dlatego, że ptaki łatwiej uniknęły lawin błotnych, dołów smolistych, wybuchów wulkanów i innych zjawisk geologicznych, które przechwyciły zwierzęta i zachowały ich ślady na wieki. Naukowcy zlokalizowali tylko dziesięć nienaruszonych skamieniałych szkieletów najwcześniejszego znanego ptaka, Archaeopteryx, który żył pod koniec okresu jurajskiego, około 145 milionów lat temu.

Zhou, który pracuje w Instytucie Paleontologii Kręgowców i Paleoantropologii (IVPP) Chińskiej Akademii Nauk w Pekinie, wierzył, że niezwykłe złoża kości w Liaoning mogą wypełnić niektóre z wielu pustych miejsc w zapisie kopalnym najwcześniejszych ptaków. Nie mógł być bardziej proroczy. W ciągu ostatnich 15 lat ze starożytnego dna jeziora, zwanego formacją Yixian, wydobyto tysiące doskonale zachowanych skamieniałych ptaków. Region ten przyniósł również oszałamiające okazy dinozaurów, których nigdy wcześniej nie widziano. W rezultacie Chiny stały się kluczem do rozwiązania jednego z największych pytań w nauce o dinozaurach w ciągu ostatnich 150 lat: prawdziwego związku między ptakami a dinozaurami.

Pomysł, że ptaki – najbardziej zróżnicowana grupa kręgowców lądowych, licząca prawie 10 000 żyjących gatunków – pochodzą bezpośrednio od dinozaurów, nie jest nowy. Został podniesiony przez angielskiego biologa Thomasa Henry’ego Huxleya w jego rozprawie z 1870 r. zatytułowanej Further Evidence of the Affinity between the Dinosaurian Reptiles and Birds. Huxley, znany anatom, pamiętany prawdopodobnie najlepiej ze swej żarliwej obrony teorii ewolucji Karola Darwina, dostrzegł niewielką różnicę między strukturą kostną Compsognathus, dinozaura nie większego od indyka, a Archaeopteryx, który został odkryty w Niemczech i opisany w 1861 roku. Kiedy Huxley patrzył na strusie i inne współczesne ptaki, widział małe dinozaury. Gdyby kości nogi małego kurczaka zostały powiększone i skamieniałe, zauważył, „nie byłoby w ich charakterystyce nic, co mogłoby nas powstrzymać przed zaliczeniem ich do Dinosauria.”

Przez dziesięciolecia badacze wątpiący w związek dinozaurów z ptakami przedstawiali również dobre argumenty anatomiczne. Mówili, że dinozaurom brakuje wielu cech, które są wyraźnie ptasie, w tym wahaczy, czyli złączonych obojczyków, kości najeżonych kieszeniami powietrznymi, elastycznych stawów nadgarstkowych i trójpalczastych stóp. Co więcej, domniemane powiązanie wydawało się sprzeczne z tym, co wszyscy uważali, że wiedzą: że ptaki to małe, inteligentne, szybkie, ciepłokrwiste stworzenia, podczas gdy dinozaury – z greckiego „przerażająco wielka jaszczurka” – były zimnokrwistymi, tępymi, posuwistymi, gadopodobnymi stworzeniami.

Pod koniec lat 60. skamieniały szkielet dinozaura z Montany zaczął podważać to założenie. Deinonychus, czyli „straszny szpon” po sierpowatym szponie na każdej tylnej stopie, stał około 11 stóp od głowy do ogona i był smukłym drapieżnikiem. Co więcej, jego struktura kostna była podobna do Archaeopteryx. Wkrótce naukowcy zebrali inne intrygujące dowody fizyczne, odkrywając, że złączone obojczyki były jednak powszechne u dinozaurów. Kości Deinonychusa i Velociraptora miały kieszenie powietrzne i elastyczne stawy nadgarstkowe. Cechy dinozaurów coraz bardziej przypominały ptaki. „Wszystkie te rzeczy zostały wyjęte z definicji bycia ptakiem” – mówi paleontolog Matthew Carrano ze Smithsonian National Museum of Natural History.

Jednak była jedna ważna cecha, której nie znaleziono u dinozaurów, a niewielu ekspertów czułoby się w pełni komfortowo twierdząc, że cykady i triceratopsy są spokrewnione, dopóki nie mieliby dowodów na to brakujące ogniwo anatomiczne: pióra.

Biedny chiński rolnik, Li Yingfang, dokonał jednego z największych znalezisk skamieniałości wszech czasów, w sierpniu 1996 roku w wiosce Sihetun, godzinę drogi od miejsca, gdzie szukałem skamieniałych ryb. „Kopałem doły pod sadzenie drzew” – wspomina Li, który obecnie pracuje na pełen etat w muzeum dinozaurów zbudowanym właśnie w tym miejscu. Z jednego z otworów wydobył płytę łupkową o długości dwóch stóp. Doświadczony poszukiwacz skamieniałości Li rozłupał płytę i ujrzał stworzenie niepodobne do żadnego innego, jakie widział. Szkielet miał podobną do ptasiej czaszkę, długi ogon i odciski tego, co wydawało się być strukturami przypominającymi pióra.

Z powodu piór Ji Qiang, ówczesny dyrektor Narodowego Muzeum Geologicznego, które kupiło jedną z płyt Li, założył, że jest to nowy gatunek prymitywnego ptaka. Ale inni chińscy paleontolodzy byli przekonani, że to dinozaur.

Podczas wizyty w Pekinie w październiku tego roku Philip Currie, paleontolog pracujący obecnie na Uniwersytecie w Albercie, zobaczył okaz i zdał sobie sprawę, że wywróci on paleontologię do góry nogami. W następnym miesiącu Currie, wieloletni miłośnik Chin, pokazał jego zdjęcie kolegom na dorocznym spotkaniu Society of Vertebrate Paleontology. Zdjęcie skradło show. „To była taka niesamowita skamielina” – wspomina paleontolog Hans-Dieter Sues z National Museum of Natural History. „Sensacyjna.” Zachodni paleontolodzy wkrótce pielgrzymowali do Pekinu, by zobaczyć skamielinę. „Wrócili oszołomieni” – mówi Sues.

Pomimo piór, szkielet nie pozostawiał wątpliwości, że nowy gatunek, nazwany Sinosauropteryx, co oznacza „chińskie skrzydło jaszczurki”, był dinozaurem. Żył on około 125 milionów lat temu, na podstawie datowania pierwiastków radioaktywnych w osadach, które zamknęły skamielinę. Jego włókna opłucnej – długie, cienkie struktury wystające z łuskowatej skóry – przekonały większość paleontologów, że zwierzę to było pierwszym opierzonym dinozaurem, jakiego kiedykolwiek odnaleziono. Od tego czasu w tym miejscu odkryto kilkanaście dinozaurów z włóknami lub piórami.

Analizując okazy z Chin, paleontolodzy wypełnili luki w zapisie kopalnym i prześledzili ewolucyjne związki między różnymi dinozaurami. Skamieniałości ostatecznie potwierdziły, dla wszystkich z wyjątkiem kilku sceptyków, że ptaki pochodzą od dinozaurów i są żywymi przedstawicielami linii dinozaurów zwanych Maniraptorans.

Większość dinozaurów nie należała do linii, która dała początek ptakom; zajmowały one inne gałęzie drzewa genealogicznego dinozaurów. Sinosauropteryx, w rzeczywistości, był tym, co paleontolodzy nazywają nie-ptasim dinozaurem, mimo że miał pióra. To spostrzeżenie skłoniło paleontologów do zrewidowania poglądów na temat innych nieazjatyckich dinozaurów, takich jak osławiony mięsożerca Velociraptor, a nawet niektórzy członkowie grupy tyranozaurów. One również prawdopodobnie były ozdobione piórami.

Obfitość opierzonych skamieniałości pozwoliła paleontologom zbadać fundamentalne pytanie: Dlaczego pióra wyewoluowały? Dziś wiadomo, że pióra spełniają wiele funkcji: pomagają ptakom zatrzymać ciepło ciała, odpychają wodę i przyciągają partnera. I oczywiście wspomagają lot – ale nie zawsze, jak pokazują strusie i pingwiny, które mają pióra, ale nie latają. Wiele opierzonych dinozaurów nie miało skrzydeł lub były one zbyt ciężkie, w stosunku do długości ich opierzonych kończyn, by latać.

Odszyfrowanie, jak pióra zmieniały się na przestrzeni wieków z wrzecionowatych włókien w delikatne instrumenty lotu, rzuciłoby światło na przejście dinozaurów w ptaki i jak dobór naturalny wykuł tę złożoną cechę. Niewielu naukowców zna starożytne pióra tak dokładnie jak Xu Xing z IVPP. Odkrył on 40 gatunków dinozaurów – więcej niż jakikolwiek inny żyjący naukowiec – z całych Chin. Jego biuro w IVPP, naprzeciwko pekińskiego zoo, jest zagracone skamielinami i odlewami.

Xu postrzega ewolucję piór jako proces stopniowy. Pióra w swojej najbardziej prymitywnej formie były pojedynczymi włóknami, przypominającymi dudki, które wystawały z gadziej skóry. Te proste struktury sięgają daleko wstecz; nawet pterodaktyle miały coś w rodzaju włókien. Xu sugeruje, że ewolucja piór mogła rozpocząć się u wspólnego przodka pterodaktyli i dinozaurów – blisko 240 mln lat temu, czyli jakieś 95 mln lat przed Archaeopteryx.

Po pojawieniu się pojedynczych włókien nastąpiło połączenie wielu włókien u podstawy. Następnie w zapisie kopalnym pojawiły się sparowane kolce wystrzeliwujące z centralnego trzonu. W końcu gęste rzędy zazębiających się kolców utworzyły płaską powierzchnię: podstawowy schemat tak zwanych piór współczesnych ptaków. Wszystkie te rodzaje piór znaleziono w kopalnych odciskach teropodów, podrzędu dinozaurów obejmującego Tyrannosaurus rex, a także ptaki i inne Maniraptorans.

Włókna znaleziono również w innych miejscach drzewa genealogicznego dinozaurów, u gatunków dalekich od teropodów, takich jak Psittacosaurus, roślinożerca o papuziej twarzy, który powstał około 130 milionów lat temu. Miał on rzadkie pojedyncze włókna wzdłuż ogona. Nie jest jasne, dlaczego włókna pojawiają się u niektórych linii dinozaurów, a u innych nie. „Jedna z możliwości jest taka, że struktury podobne do piór wyewoluowały bardzo wcześnie w historii dinozaurów,” mówi Xu, i niektóre grupy zachowały te struktury, podczas gdy inne je utraciły. „Ale w końcu u Maniraptoranów pióra ustabilizowały się i wyewoluowały w nowoczesne pióra” – mówi. Włókna mogły też ewoluować niezależnie w różnych okresach. Jak zauważa Sues, „wydaje się, że pod względem genetycznym nie jest wielką sztuczką przekształcenie łuski w włókno.”

Początkowo pojedyncze włókna mogły służyć do pokazów, dinozaurowy odpowiednik opalizującego upierzenia pawia. Żywe dowody na potwierdzenie tej teorii pojawiły się, gdy naukowcy ujawnili prawdziwe kolory 125-milionowych piór. Pióra ptaków i łuski gadów zawierają melanosomy – maleńkie woreczki przechowujące odmiany pigmentu melaniny. Wielu paleontologów podejrzewało, że pióra dinozaurów również zawierają melanosomy. W laboratorium Mike’a Bentona na Uniwersytecie w Bristolu Zhang Fucheng z IVPP spędził ponad rok, poszukując melanosomów na zdjęciach skamieniałości ptaków i dinozaurów wykonanych za pomocą mikroskopu elektronowego. Pracowitość Zhanga opłaciła się w 2009 r., kiedy zidentyfikował on u Confuciusornis melanosomy zawierające eumelaninę, która nadaje piórom szary lub czarny odcień, oraz feomelaninę, która nadaje im kolor od kasztanowego do czerwono-brązowego. Pióra zwierzęcia miały łaty z białego, czarnego i pomarańczowo-brązowego kolorowania.

Sinosauropteryx był jeszcze bardziej oszałamiający. Zhang stwierdził, że włókna biegnące w dół jego grzbietu i ogona musiały sprawić, że dinozaur wyglądał jak słup fryzjerski w pomarańczowo-białe paski. Taki żywy wzór sugeruje, że „pióra powstały najpierw jako środki do wyświetlania kolorów” – twierdzi Benton.

Wcześniejsze pióra mogły służyć do innych celów. Wydrążone włókna mogły rozpraszać ciepło, podobnie jak falbanki niektórych współczesnych jaszczurek. Inni paleontolodzy spekulują, że pióra najpierw wyewoluowały, by zatrzymywać ciepło. Wymowny przykład pochodzi ze skamielin Oviraptora – teropoda odkopanego w Mongolii, który żył około 75 milionów lat temu – siedzącego nad wypełnionymi jajami gniazdami. Oviraptory chowały nogi w środku gniazda i obejmowały jego obrzeża długimi kończynami przednimi – postawa ta zdumiewająco przypominała ptaki trzymające jaja w cieple. Dinozaury spokrewnione z Oviraptor były pokryte piórami, co sugeruje, że Oviraptor był również. „Siedzenie na takim gnieździe miało sens tylko wtedy, gdy miał pióra”, by delikatnie izolować swoje młode, mówi Sues.

Pióra oczywiście w końcu stały się narzędziem lotu. Niektórzy paleontolodzy przewidują scenariusz, w którym dinozaury po raz pierwszy użyły piór, by pomóc im zająć drzewa. „Ponieważ dinozaury miały kostki na zawiasach, nie mogły obracać stopami i nie mogły się dobrze wspinać. Być może pióra pomagały im wspinać się na pnie drzew” – mówi Carrano. Młode ptaki z gatunków żyjących głównie na ziemi, takich jak indyki, używają w ten sposób swoich skrzydeł. Pióra mogły przez miliony lat stawać się coraz bardziej aerodynamiczne, co w końcu pozwoliło dinozaurom szybować z drzewa na drzewo. Osobniki zdolne do wykonywania takich wyczynów mogły być w stanie dotrzeć do nowych źródeł pożywienia lub lepiej uciec drapieżnikom – i przekazać tę cechę kolejnym pokoleniom.

Jednym z najbardziej czarujących okazów, które wyłoniły się z łupkowych pokładów Liaoning, jest Microraptor, odkryty przez Xu w 2003 roku. Bestia miała stopę lub dwie długości i ważyła zaledwie dwa funty. Microraptor, należący do rodziny dromaeosaur, nie był przodkiem ptaków, ale nie był też podobny do żadnego z wcześniej odkrytych opierzonych dinozaurów. Xu nazywa go „czteroskrzydłym” dinozaurem, ponieważ miał długie, pióra na rękach i nogach. Ze względu na złączone kości piersiowe i asymetryczne pióra, mówi Xu, Microraptor z pewnością mógł szybować z drzewa na drzewo, a może nawet był lepszy w lataniu o własnych siłach niż Archaeopteryx.

W zeszłym roku Xu odkrył kolejny gatunek czteroskrzydłego dinozaura, również w Liaoning. Poza pokazaniem, że lot czteroskrzydłowego dinozaura nie był przypadkowy, nowy gatunek, Anchiornis huxleyi, nazwany na cześć Thomasa Henry’ego Huxleya, jest najwcześniejszym znanym opierzonym dinozaurem. Pochodzi on z jurajskich osadów jeziornych sprzed 155 mln do 160 mln lat. Znalezisko to wyeliminowało ostatni zarzut wobec ewolucyjnego związku ptaków z dinozaurami. Przez lata sceptycy podnosili tzw. paradoks temporalny: nie było opierzonych dinozaurów starszych niż Archaeopteryx, więc ptaki nie mogły powstać z dinozaurów. Teraz ten argument został zdmuchnięty: Anchiornis jest o miliony lat starszy od Archaeopteryx.

Czteroskrzydłe dinozaury były ostatecznie martwą gałęzią na drzewie życia; znikają z zapisu kopalnego około 80 milionów lat temu. Ich upadek pozostawił tylko jedną linię dinozaurów zdolną do lotu: ptaki.

Kiedy dinozaury przekształciły się w ptaki? Trudno powiedzieć. „Głęboko w historii ewolucji niezwykle trudno jest wyznaczyć granicę między ptakami a dinozaurami” – mówi Xu. Pomijając drobne różnice w kształcie kręgów szyjnych i względnej długości ramion, wczesne ptaki i ich krewni z Maniraptoran, tacy jak Velociraptor, wyglądają bardzo podobnie.

„Gdyby Archaeopteryx został odkryty dzisiaj, nie sądzę, byś nazwał go ptakiem. Nazwałbyś go pierzastym dinozaurem” – mówi Carrano. Nadal nazywa się go pierwszym ptakiem, ale bardziej z powodów historycznych niż dlatego, że jest najstarszym lub najlepszym ucieleśnieniem ptasich cech.

Z drugiej strony, Confuciusornis, który posiadał pierwszy dziób i najwcześniejszy pygostyle, czyli złączone kręgi ogonowe, które podtrzymywały pióra, naprawdę wygląda jak ptak. „To przechodzi test węchu” – mówi Carrano.

Odkąd ostatni z nie-azjatyckich dinozaurów wymarł 65 milionów lat temu podczas masowego wymierania, które zamknęło kurtynę okresu kredowego, ptaki rozwinęły inne cechy, które odróżniają je od dinozaurów. Współczesne ptaki mają wyższą przemianę materii niż nawet najbardziej zwinny Velociraptor kiedykolwiek miał. Zęby zniknęły w pewnym momencie historii ewolucji ptaków. Ogony ptaków stały się krótsze, ich umiejętności latania lepsze, a mózgi większe niż u dinozaurów. A współczesne ptaki, w przeciwieństwie do swoich maniraptorańskich przodków, mają duży palec u nogi, który odstaje od pozostałych palców, co pozwala ptakom grzędować. „Stopniowo przechodzimy od długich ramion i ogromnych dłoni Maniraptoranów do czegoś, co wygląda jak skrzydełko kurczaka w KFC” – mówi Sues. Biorąc pod uwagę zakres tych ptasich adaptacji, nic dziwnego, że ewolucyjne powiązanie między dinozaurami a ptakami, jakie znamy, pozostawało ukryte, dopóki paleontolodzy nie zaczęli analizować bogatego zapisu skamieniałości z Chin.

Chaoyang to ponure chińskie miasto z zakurzonymi ulicami; w swoich ciemnych zakamarkach przypomina zapyziałe XIX-wieczne amerykańskie miasteczka górnicze. Jednak dla kolekcjonerów skamieniałości Chaoyang jest rajem, położonym zaledwie godzinę jazdy od najbardziej produktywnych pokładów formacji Yixian.

Jedna z ulic jest pełna sklepów sprzedających yuhuashi, czyli skamieniałości ryb. Oprawione skamieniałości osadzone w łupkach, często w lustrzanych odbiciach par, można mieć za dolara lub dwa. Popularnym przedmiotem jest mozaika, w której kilkadziesiąt małych płyt tworzy mapę Chin; skamieniałe ryby wydają się płynąć w kierunku stolicy, Pekinu (a żadna mapa nie jest kompletna bez ryby reprezentującej Tajwan). Kupcy sprzedają skamieniałe owady, skorupiaki i rośliny. Czasami, pomimo przepisów zabraniających handlu skamieniałościami o wartości naukowej, mniej skrupulatni sprzedawcy byli znani z tego, że sprzedawali skamieniałości dinozaurów. Najważniejsze okazy, jak mówi Zhou, „nie są odkrywane przez naukowców w miejskich sklepach ze skamieniałościami, lecz w domach handlarzy lub rolników, którzy je wykopali.”

Oprócz Sinosauropteryx, kilka innych rewelacyjnych okazów wyszło na światło dzienne dzięki amatorom, a nie wykopaliskom naukowym. Wyzwaniem dla Zhou i jego kolegów jest znalezienie gorących okazów, zanim znikną one w prywatnych kolekcjach. Tak więc Zhou i jego kolega Zhang Jiangyong, specjalista od starożytnych ryb w IVPP, przyjechali do prowincji Liaoning, by sprawdzić skamieniałości, które sprzedawcy przyjaźnie nastawieni do ich sprawy dostali w swoje ręce w ostatnim czasie.

Większość zapasów w sklepach ze skamieniałościami pochodzi od rolników, którzy rąbią się na skamieniałych złożach, gdy nie doglądają swoich pól. Mały, dobrze zachowany okaz ryby może przynieść znalazcy równowartość 25 centów, co wystarcza na ciepły posiłek. Pierzasty dinozaur może zarobić kilka tysięcy dolarów, roczny dochód lub więcej. Ta paleoekonomia, choć niszcząca złoża skamielin, pomogła napisać na nowo prehistorię.

Zhou podnosi płytę i przygląda się jej przez okulary w drucianych oprawkach. „Przewodniczący, chodź tu i popatrz” – mówi Zhou do Zhanga (który zyskał swój żartobliwy przydomek jako przewodniczący związku zawodowego pracowników 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.