Dinosauriernas levande ättlingar
I en tallskog på landsbygden i nordöstra Kina finns det på en skarp skifferbacke rester av utdöda varelser från 125 miljoner år sedan, när denna del av Liaoningprovinsen var täckt av sötvattensjöar. Vulkanutbrott skakade regelbundet området på den tiden och begravde otaliga miljoner reptiler, fiskar, sniglar och insekter i aska. Jag går försiktigt bland de otaliga fossilerna, plockar upp en skifferplatta som inte är mycket större än min hand och slår på dess kant med en stenhammare. En söm delar en rödbrun fisk på mitten och ger spegelavtryck av känsliga fenor och ben som är tunna som människohår.
En av Kinas stjärnpaleontologer, Zhou Zhonghe, ler. ”Fantastisk plats, eller hur?” säger han.
Det var 1995 som Zhou och kollegor tillkännagav upptäckten av ett fossil från detta förhistoriska katastrofområde som inledde en ny paleontologisk tidsålder. Fossilet var en primitiv fågel i storlek av en kråka som kan ha kvävts av vulkaniska ångor när den rullade över sjöarna för alla dessa miljoner år sedan. De döpte den nya arten till Confuciusornis, efter den kinesiske filosofen.
Intills dess hade endast en handfull förhistoriska fågelfossil grävts upp någonstans i världen. Det beror delvis på att fåglar, då som nu, var mycket ovanligare än fiskar och ryggradslösa djur, och delvis på att fåglar lättare undvek slamströmmar, tjärgropar, vulkanutbrott och andra geologiska fenomen som fångade djur och bevarade spår av dem för evigheten. Forskarna har bara hittat tio intakta fossila skelett av den tidigast kända fågeln, Archaeopteryx, som levde i slutet av juraperioden för cirka 145 miljoner år sedan.
Zhou, som arbetar vid Institutet för ryggradsdjurspaläontologi och paleoantropologi (IVPP) vid Kinas vetenskapsakademi i Peking, trodde att de extraordinära benlagren i Liaoning skulle kunna fylla ut några av de många tomrummen i det fossila materialet om de tidigaste fåglarna. Han kunde inte ha varit mer profetisk. Under de senaste 15 åren har tusentals utsökt bevarade fossila fåglar dykt upp från den gamla sjöbädden, som kallas Yixianformationen. Regionen har också gett fantastiska dinosaurieexemplar som aldrig tidigare har setts. Som ett resultat av detta har Kina varit nyckeln till att lösa en av de största frågorna inom dinosaurieforskningen under de senaste 150 åren: det verkliga förhållandet mellan fåglar och dinosaurier.
Tanken att fåglar – den mest diversifierade gruppen av landlevande ryggradsdjur, med nästan 10 000 levande arter – härstammar direkt från dinosaurier är inte ny. Den togs upp av den engelske biologen Thomas Henry Huxley i hans avhandling från 1870, Further Evidence of the Affinity between the Dinosaurian Reptiles and Birds. Huxley, en berömd anatom som kanske är mest känd för sitt brinnande försvar av Charles Darwins evolutionsteori, såg liten skillnad mellan benstrukturen hos Compsognathus, en dinosaurie som inte var större än en kalkon, och Archaeopteryx, som upptäcktes i Tyskland och beskrevs 1861. När Huxley tittade på strutsar och andra moderna fåglar såg han små dinosaurier. Om man förstorade och fossilerade benbenen från en kycklingunge, konstaterade han, ”skulle det inte finnas något i deras karaktär som skulle hindra oss från att hänföra dem till dinosaurierna.”
Under årtiondena har forskare som tvivlade på sambandet mellan dinosaurier och fåglar ändå framfört goda anatomiska argument. De menade att dinosaurierna saknar ett antal kännetecken som är tydligt aviära, bland annat önskeben eller sammanfogade nyckelben, ben som är genomsyrade av luftfickor, flexibla handledsleder och tretåiga fötter. Dessutom verkade den påstådda kopplingen strida mot vad alla trodde att de visste: att fåglar är små, intelligenta, snabba, varmblodiga sprites, medan dinosaurier – från grekiskan för ”fruktansvärt stor ödla” – var kallblodiga, tråkiga, plumpa, reptilliknande varelser.
I slutet av 1960-talet började ett fossiliserat dinosaurieskelett från Montana att undergräva detta antagande. Deinonychus, eller ”fruktansvärd klo” efter den sickelformade klon på varje bakfot, var ungefär tre meter lång från huvud till svans och var ett smidigt rovdjur. Dessutom liknade dess benstruktur den hos Archaeopteryx. Snart samlade forskarna in andra fascinerande fysiska bevis och upptäckte att sammanfogade nyckelben trots allt var vanliga hos dinosaurier. Deinonychus och Velociraptors ben hade luftfickor och flexibla handledsleder. Dinosauriernas drag blev hela tiden mer och mer fågelliknande. ”Alla dessa saker var borttagna från definitionen av att vara en fågel”, säger paleontologen Matthew Carrano vid Smithsonian National Museum of Natural History.
Men det fanns ett viktigt kännetecken som inte hade hittats hos dinosaurier, och få experter skulle känna sig helt bekväma med att hävda att kikare och triceratops var besläktade förrän de hade bevis för denna saknade anatomiska länk: fjädrar.
En fattig kinesisk bonde, Li Yingfang, gjorde ett av de största fossilfynden genom tiderna i augusti 1996 i byn Sihetun, en timmes bilresa från den plats där jag hade letat efter fossila fiskar. ”Jag grävde hål för att plantera träd”, minns Li, som nu har ett heltidsjobb på ett dinosauriemuseum som byggts på samma plats. Från ett hål grävde han upp en två fot lång skifferplatta. Li, som är en erfaren fossiljägare, skar sönder plattan och fick se en varelse som inte liknar någon annan han tidigare sett. Skelettet hade en fågelliknande skalle, en lång svans och avtryck av vad som verkade vara fjäderliknande strukturer.
På grund av fjädrarna antog Ji Qiang, som då var chef för det nationella geologiska museet, som köpte en av Li’s plattor, att det var en ny art av primitiv fågel. Men andra kinesiska paleontologer var övertygade om att det var en dinosaurie.
På ett besök i Peking i oktober samma år fick Philip Currie, paleontolog som numera arbetar vid University of Alberta, se exemplaret och insåg att det skulle ställa paleontologin på huvudet. Månaden därpå visade Currie, som sedan länge är en Kina-anhängare, ett fotografi av det för kollegor vid årsmötet för Society of Vertebrate Paleontology. Bilden stal showen. ”Det var ett så fantastiskt fossil”, minns paleontologen Hans-Dieter Sues från National Museum of Natural History. ”Sensationellt.” Paleontologer från västvärlden vallfärdade snart till Peking för att se fossilet. ”De kom tillbaka med häpnad”, säger Sues.
Trots fjädrarna lämnade skelettet ingen tvekan om att den nya arten, som fick namnet Sinosauropteryx, vilket betyder ”kinesisk ödlevinge”, var en dinosaurie. Den levde för cirka 125 miljoner år sedan, baserat på dateringen av radioaktiva element i de sediment som omslöt fossilet. Dess integrumentala trådar – långa, tunna strukturer som sticker ut från den fjälliga huden – övertygade de flesta paleontologer om att djuret var den första dinosaurien med fjäderdräkt som någonsin grävts fram. Ett dussintal dinosaurier med trådar eller fjädrar har sedan dess upptäckts på den platsen.
Genom att analysera exemplar från Kina har paleontologer fyllt luckor i fossilregistret och spårat de evolutionära relationerna mellan olika dinosaurier. Fossilerna har äntligen bekräftat, för alla utom några få skeptiker, att fåglar härstammar från dinosaurier och att de är de levande representanterna för en dinosaurieledning som kallas Maniraptorerna.
De flesta dinosaurier ingick inte i den ledningslinje som gav upphov till fåglar; de upptog andra grenar av dinosauriernas släktträd. Sinosauropteryx var faktiskt vad paleontologer kallar en icke-aviär dinosaurie, trots att den hade fjädrar. Denna insikt har fått paleontologerna att revidera sin syn på andra icke-aviära dinosaurier, såsom den ökända köttätaren Velociraptor och till och med vissa medlemmar av tyrannosauriegruppen. Även de var troligen prydda med fjädrar.
Den stora mängden fossil med fjädrar har gjort det möjligt för paleontologer att undersöka en grundläggande fråga: Varför utvecklades fjädrar? I dag står det klart att fjädrar fyller många funktioner: de hjälper fåglar att behålla kroppsvärmen, avstötta vatten och locka till sig en partner. Och naturligtvis hjälper de till att flyga – men inte alltid, vilket strutsar och pingviner, som har fjädrar men inte kan flyga, visar. Många dinosaurier med fjädrar hade inga vingar eller var för tunga i förhållande till längden på sina fjäderklädda lemmar för att kunna flyga.
Om man kan tyda hur fjädrarna har förändrats genom tiderna, från spinkiga fibrer till känsliga flyginstrument, skulle man kunna kasta ljus över dinosauriernas övergång till fåglar och hur det naturliga urvalet har skapat denna komplexa egenskap. Få forskare känner till forntida fjädrar mer ingående än Xu Xing från IVPP. Han har upptäckt 40 dinosauriearter – fler än någon annan levande forskare – från hela Kina. Hans kontor på IVPP, tvärs över gatan från Pekings zoo, är fullt av fossiler och avgjutningar.
Xu tänker sig fjäderutvecklingen som en stegvis process. Fjädrarna i sin mest primitiva form var enstaka trådar, som liknade fjädrar, som stack ut från reptilhuden. Dessa enkla strukturer går långt tillbaka; till och med pterodactyler hade filament av något slag. Xu föreslår att fjäderevolutionen kan ha börjat hos en gemensam förfader till pterodactyler och dinosaurier – för nästan 240 miljoner år sedan, eller cirka 95 miljoner år före Archaeopteryx.
Efter uppkomsten av enstaka trådar kom flera trådar som var sammanfogade vid basen. Nästa som dök upp i fossilregistret var parvisa taggar som sköt ut från ett centralt skaft. Så småningom bildade täta rader av sammanfogade taggar en plan yta: den grundläggande ritningen för de moderna fåglarnas så kallade pennfjädrar. Alla dessa fjädertyper har hittats i fossila avtryck av theropoder, den dinosaurieunderordning som omfattar Tyrannosaurus rex samt fåglar och andra Maniraptoraner.
Fjädrar finns även på andra ställen i dinosauriernas släktträd, hos arter som ligger långt ifrån theropoderna, t.ex. Psittacosaurus, en växtätare med papegojsminne som uppstod för cirka 130 miljoner år sedan. Den hade enstaka trådar längs svansen. Det är oklart varför trådar förekommer i vissa dinosaurielinjer men inte i andra. ”En möjlighet är att fjäderliknande strukturer utvecklades mycket tidigt i dinosauriernas historia”, säger Xu, och att vissa grupper behöll strukturerna medan andra grupper förlorade dem. ”Men slutligen i Maniraptorans stabiliserades fjädrarna och utvecklades till moderna fjädrar”, säger han. Eller så kan filamenten ha utvecklats oberoende av varandra vid olika tidpunkter. Som Sues påpekar: ”Det verkar som om det genetiskt sett inte är något stort trick att göra en fjäder till en filament.”
Originellt kan de enskilda filamenten mycket väl ha varit till för att visas upp, dinosauriernas motsvarighet till en påfågels skimrande fjäderdräkt. Levande bevis för den teorin dök upp när forskare avslöjade de sanna färgerna hos 125 miljoner år gamla fjädrar. Fågelfjädrar och reptilfjäll innehåller melanosomer – små säckar som innehåller olika varianter av pigmentet melanin. Många paleontologer misstänkte att dinosauriernas fjädrar också innehöll melanosomer. I Mike Bentons laboratorium vid University of Bristol tillbringade Zhang Fucheng från IVPP mer än ett år med att leta efter melanosomer i fotografier av fågel- och dinosauriefossil som tagits med ett elektronmikroskop. Zhangs flit lönade sig 2009 när han hittade melanosomer i Confuciusornis som innehöll eumelanin, som ger fjädrarna en grå eller svart nyans, och pheomelanin, som ger dem en kastanjebrunt till rödbrun färg. Djurets fjädrar hade fläckar av vit, svart och orangebrun färg.
Sinosauropteryx var ännu mer häpnadsväckande. Zhang konstaterade att de trådar som löpte nedför ryggen och svansen måste ha fått dinosaurien att se ut som en orange-vitrandig frisörstång. Ett sådant levande mönster tyder på att ”fjädrar först uppstod som medel för färgvisning”, säger Benton.
Från början kan fjädrar ha haft andra syften. Håliga trådar kan ha avlett värme, ungefär som krusiduller på vissa moderna ödlor gör idag. Andra paleontologer spekulerar i att fjädrar först utvecklades för att behålla värmen. Ett talande exempel är fossil av Oviraptor – en teropod som grävdes upp i Mongoliet och som levde för cirka 75 miljoner år sedan – som sitter över äggfyllda bon. Oviraptorerna stoppade in sina ben i mitten av boet och kramade om kanten med sina långa framben – en hållning som på ett kusligt sätt påminner om en ruvande fågel som håller sina ägg varma. Dinosaurier som är besläktade med Oviraptor var täckta med fjädrar i form av pennor, vilket tyder på att även Oviraptor var det. ”Att sitta på ett sådant bo är bara logiskt om den hade fjädrar” för att försiktigt isolera sina ungar, säger Sues.
Fjädrar blev förstås så småningom ett instrument för flygning. Vissa paleontologer föreställer sig ett scenario där dinosaurierna använde fjädrar för att hjälpa dem att ta plats i träd för första gången. ”Eftersom dinosaurierna hade ledade fotleder kunde de inte rotera fötterna och de kunde inte klättra bra. Fjädrar kanske hjälpte dem att klättra uppför trädstammar”, säger Carrano. Fågelungar av främst marklevande arter som kalkoner använder sina vingar på detta sätt. Fjädrarna kan ha blivit alltmer aerodynamiska under miljontals år, vilket till slut gjorde det möjligt för dinosaurierna att glida från träd till träd. Individer som kan utföra en sådan prestation kan ha kunnat nå nya födokällor eller bättre undkomma rovdjur – och föra egenskapen vidare till efterföljande generationer.
Ett av de mest fascinerande exemplar som framkommit från Liaonings skifferbäddar är Microraptor, som Xu upptäckte 2003. Det bantamviktiga odjuret var en halvmeter eller två meter långt och vägde endast två kilo. Microraptor, som tillhör familjen Dromaeosaurier, var inte en förfader till fåglar, men den liknade inte heller någon tidigare upptäckt dinosaurie med fjäderdräkt. Xu kallar den en ”fyrvingad” dinosaurie eftersom den hade långa fjädrar på armar och ben. På grund av det sammansmälta bröstbenet och de asymmetriska fjädrarna, säger Xu, kunde Microraptor säkert glida från träd till träd, och den kan till och med ha varit bättre på att flyga av egen kraft än vad Archaeopteryx var.
Förra året upptäckte Xu en annan art av fyrvingad dinosaurie, också i Liaoning. Förutom att den nya arten, Anchiornis huxleyi, som är uppkallad efter Thomas Henry Huxley, visar att flygning med fyra vingar inte var en tillfällighet, är den tidigast kända dinosaurien med fjädrar. Den kom från 155-160 miljoner år gamla avlagringar i jurassiska sjöbäddar. Fyndet undanröjde den sista invändningen mot den evolutionära kopplingen mellan fåglar och dinosaurier. I åratal hade skeptiker tagit upp den så kallade tidsparadoxen: det fanns inga dinosaurier med fjädrar som var äldre än Archaeopteryx, så fåglar kunde inte ha uppstått från dinosaurier. Nu var det argumentet bortblåst: Anchiornis är miljontals år äldre än Archaeopteryx.
Fyravingade dinosaurier var i slutändan en död gren på livets träd; de försvann från fossilregistret för cirka 80 miljoner år sedan. När de försvann fanns det bara en dinosaurieledning som kunde flyga: fåglarna.
När dinosaurierna utvecklades till fåglar? Svårt att säga. ”Det är extremt svårt att dra en gräns mellan fåglar och dinosaurier i den djupa evolutionära historien”, säger Xu. Bortsett från mindre skillnader i form av nackkotorna och den relativa längden på armarna är de tidiga fåglarna och deras släktingar från Maniraptoran, som Velociraptor, mycket lika.
”Om Archaeopteryx hade upptäckts i dag tror jag inte att man skulle kalla den för en fågel. Man skulle kalla den en dinosaurie med fjädrar”, säger Carrano. Den kallas fortfarande för den första fågeln, men mer av historiska skäl än för att den är den äldsta eller bästa förkroppsligandet av fågelliknande egenskaper.
Å andra sidan ser Confuciusornis, som hade den första näbben och den tidigaste pygostylen, eller sammansvetsade svanskotor som bar upp fjädrar, verkligen ut som en fågel. ”Den klarar sniff-testet”, säger Carrano.
Sedan de sista icke-aviära dinosaurierna dog ut för 65 miljoner år sedan under massutdöendet som avslutade kritaperioden, har fåglar utvecklat andra egenskaper som skiljer dem från dinosaurierna. Moderna fåglar har högre ämnesomsättning än vad till och med den mest smidiga Velociraptor någonsin hade. Tänderna försvann någon gång under fåglarnas evolutionära historia. Fåglarnas svansar blev kortare, deras flygförmåga blev bättre och deras hjärnor blev större än dinosauriernas. Och moderna fåglar har, till skillnad från sina förfäder från Maniraptoran, en stortå som sticker ut från de andra tårna, vilket gör det möjligt för fåglar att sitta på en sittbräda. ”Man går gradvis från de långa armarna och enorma händerna hos de icke-aviära maniraptorerna till något som ser ut som en kycklingvinge som man får på KFC”, säger Sues. Med tanke på omfattningen av dessa fågelanpassningar är det inte konstigt att den evolutionära kopplingen mellan dinosaurier och fåglar som vi känner till dem förblev dold tills paleontologerna började analysera de rika fossilregistren från Kina.
Chaoyang är en tråkig kinesisk stad med dammiga gator; i sina mörkare hörn påminner den om grymma amerikanska kolgruvebyar från 1800-talet. Men för fossilsamlare är Chaoyang ett paradis, bara en timmes bilresa från några av Yixian-formationens mest produktiva bäddar.
En gata kantas av butiker som säljer yuhuashi, eller fiskfossil. Inramade fossiler inbäddade i skiffer, ofta i spegelvända par, kan köpas för en dollar eller två. Ett populärt föremål är en mosaik där några dussin små plattor bildar en karta över Kina; fossila fiskar verkar simma mot huvudstaden Peking (och ingen karta är komplett utan en fisk som representerar Taiwan). Handlare säljer fossila insekter, kräftdjur och växter. Ibland, trots lagar som förbjuder handel med fossil av vetenskapligt värde, har mindre skrupelfria handlare varit kända för att sälja dinosauriefossil, trots lagar som förbjuder handel med fossil av vetenskapligt värde. De viktigaste exemplaren, säger Zhou, ”upptäcks inte av vetenskapsmän i stadens fossilbutiker, utan hemma hos de handlare eller jordbrukare som grävt dem.”
Förutom Sinosauropteryx har flera andra avslöjande exemplar kommit i dagen genom amatörer snarare än vid vetenskapliga utgrävningar. Utmaningen för Zhou och hans kollegor är att hitta heta exemplar innan de försvinner till privata samlingar. Därför har Zhou och hans kollega Zhang Jiangyong, som är specialist på gamla fiskar vid IVPP, åkt till Liaoningprovinsen för att kolla upp alla fossil som handlare som är vänligt inställda till deras sak har fått tag på på senare tid.
Det mesta av lagret i fossilbutikerna kommer från lantbrukare som hackar i fossilbäddarna när de inte sköter sina åkrar. Ett litet välbevarat exemplar av en fisk kan ge sin upphittare motsvarande 25 cent, vilket räcker till en varm måltid. En dinosaurie med fjädrar kan ge flera tusen dollar, en årsinkomst eller mer. Hur destruktiv den än är för fossilbäddarna har denna paleoekonomi bidragit till att skriva om förhistorien.
Zhou plockar upp en skiva och tittar på den genom sina trådbågade glasögon. ”Ordförande, kom hit och titta”, säger Zhou till Zhang (som fick sitt lekfulla smeknamn som ordförande för IVPP:s fackförening för anställda). 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.
