Fossile Haut zeigt Koevolution mit Federn und Stoffwechsel bei gefiederten Dinosauriern und frühen Vögeln

Fossile Weichteilstruktur

Kleine Gewebestücke (0,01-0,4 mm2; Abb. 1a-d und ergänzende Abb. 2-6) sind eng mit fossilen Federn verbunden (d.h., normalerweise innerhalb von 500 µm von kohlenstoffhaltigen Federresten, ergänzende Abb. 2e, g, j, k, o, s, t). Die Flecken bestehen eindeutig aus fossilem Gewebe und spiegeln nicht die Verunreinigung der Oberfläche mit modernem Material während der Probenpräparation wider, da sie in Kalziumphosphat konserviert sind (siehe „Taphonomie“, unten); außerdem weisen mehrere Proben Ränder auf, die zum Teil von der umgebenden Matrix überdeckt werden. Die Gewebe sind also nicht einfach an der Probenoberfläche angeklebt, wie es bei der Kontamination durch Luftpartikel im Labor der Fall war.

Die Gewebeflecken sind typischerweise 3-6 µm dick und planar (Abb. 1a-e). Querschnitte und Bruchflächen zeigen eine innere faserige Schicht (1,0-1,2 µm dick) zwischen zwei dünneren strukturlosen Schichten (0,2-0,5 µm dick) (Abb. 1f-h). Die äußere Oberfläche der strukturlosen Schicht ist glatt und kann eine subtile polygonale Textur aufweisen, die durch 10-15 µm breite Polygone definiert ist (Abb. 1e, h).

Die faserige Schicht zeigt ebenfalls Polygone (Abb. 1f, h und 2a-e sowie ergänzende Abb. 6), die Anordnungen dicht gepackter Fasern von 0,1-0,5 µm Breite enthalten (Abb. 2f-i und ergänzende Abb. 5f). Gut erhaltene Fasern zeigen schraubenförmige Verdrehungen (Abb. 2h, i). Die Fasern in den Randbereichen jedes Polygons sind 0,1-0,3 µm breit und parallel zur Gewebeoberfläche ausgerichtet; die Fasern im Inneren jedes Polygons sind 0,3-0,5 µm breit und verlaufen normalerweise senkrecht zur Gewebeoberfläche (Abb. 2b, h und ergänzende Abb. S6d). In den Randbereichen von 1-2 µm jedes Polygons verlaufen die Fasern in der Regel orthogonal zum seitlichen Polygonrand und enden an der Verbindungsstelle zwischen benachbarten Polygonen oder überbrücken diese (Abb. 2f, g und ergänzende Abb. 6e). Die Polygone sind in der Regel gleichdimensional, jedoch lokal verlängert und zueinander ausgerichtet, wobei die dicken Fasern in jedem Polygon subparallel zur Gewebeoberfläche und die dünnen Fasern parallel zum Polygonrand verlaufen (Abb. 2j, k und ergänzende Abb. 6g-l). Einige Polygone zeigen eine zentrale Vertiefung (Abb. 2c-e und ergänzende Abb. 6a-c), in der die dicken Fasern eine 1-2 µm breite kugelförmige Struktur umhüllen können (Abb. 2e).

Fossile Korneozyten

Die Textur dieser fossilen Gewebe unterscheidet sich von derjenigen von Conchostracan-Schalen und Fischschuppen aus dem Wirtssediment, der Schale des modernen Mytilus, der modernen und fossilen Federrachis und der modernen Reptilienepidermis (ergänzende Abb. 7a-n). Die längliche Geometrie einiger Polygone (Abb. 2j, k und ergänzende Abb. 6g, l) deutet auf eine elastische Verformung eines nicht biomineralisierten Gewebes durch mechanische Belastung hin. Aufgrund ihrer Größe, Geometrie und inneren Struktur werden die polygonalen Strukturen als Korneozyten (epidermale Keratinozyten) interpretiert. Bei modernen Amnioten handelt es sich um polyedrische, abgeflachte Zellen (1-3 µm × ca. 15 µm), die mit Keratin-Tonofibrillen, Lipiden und Matrixproteinen gefüllt sind18,19,20 (Abb. 3a, b und ergänzende Abb. 2u-x, 8, 9). Die äußere strukturlose Schicht des fossilen Materials entspricht dem Zellrand; sie ist dicker als die ursprüngliche biologische Vorlage, d. h. die korneale Zellhülle und/oder Zellmembran, was jedoch nicht unerwartet ist und die diagenetische Überwucherung durch Kalziumphosphat widerspiegelt (siehe „Taphonomie“). Die Fasern in den fossilen Korneozyten werden als mineralisierte Tonofibrillen identifiziert: gerade, unverzweigte Bündel übereinander gewundener α-Keratinfibrillen mit einer Breite von 0,25-1 µm18,21 , die den Hauptbestandteil des Zytoskeletts der Korneozyten bilden22 und von amorphen Zytoskelettproteinen22 umhüllt sind. In den Fossilien stoßen die dünnen Tonofibrillen oft an die der Nachbarzelle (Abb. 2g und ergänzende Abb. 6e), können aber lokal auch die Grenze zwischen benachbarten Zellen überbrücken (Abb. 2f). Letzteres erinnert an Desmosomen, Regionen mit starker interzellulärer Bindung zwischen modernen Korneozyten23. Die zentralen kugelförmigen Strukturen in den fossilen Korneozyten ähneln toten Zellkernen24, wie sie auch in den Korneozyten heutiger Vögel (aber nicht heutiger Reptilien und Säugetiere) zu finden sind24 (ergänzende Abb. 8). Die Position dieser pyknotischen Kerne wird bei lebenden Vögeln24 oft durch Vertiefungen in der Korneozytenoberfläche angezeigt (Abb. 3b); einige fossile Zellen zeigen ähnliche Vertiefungen (Abb. 2c und ergänzende Abb. 6a-c).

Taphonomie

Keratin ist aufgrund seiner stark vernetzten parakristallinen Struktur und seines hydrophoben unpolaren Charakters ein relativ widerspenstiges Biomolekül23. Die Replikation der fossilen Korneozyten in Kalziumphosphat ist daher etwas unerwartet, da dieser Prozess in der Regel steile geochemische Gradienten erfordert, die für einen frühen Zerfall charakteristisch sind25 , und in der Regel für zersetzungsanfälliges Gewebe wie Muskel26 und Verdauungsgewebe27 gilt. Widerspenstige Gewebe wie Hautkollagen können jedoch in Kalziumphosphat nachgebildet werden, wenn sie eine inhärente Quelle für Kalzium und insbesondere für Phosphationen enthalten, die während des Zerfalls freigesetzt werden28. Korneozyten enthalten Quellen für diese beiden Ionen. Während der terminalen Differenzierung steigen die intrazellulären Kalziumkonzentrationen29 und die α-Keratinketten werden umfassend phosphoryliert23. Außerdem sind die Lipidgranula der Korneozyten30 reich an Phosphor und Phosphat31. Diese chemischen Bestandteile würden beim Abbau der Granula freigesetzt werden und sich auf dem verbleibenden organischen Substrat, d. h. den Tonofibrillen, ablagern.

Bei lebenden Säugetieren benötigen die dicht gepackten Anordnungen von Tonofibrillen reichlich Interkeratin-Matrixproteine zur Stabilität32. Diese Proteine sind jedoch in den Fossilien nicht zu finden. Dies ist nicht unerwartet, da diese Proteine in den Korneozyten von Vögeln selten sind33 und, was besonders kritisch ist, als dispergierte Monomere34 vorkommen und ein geringeres Erhaltungspotenzial haben als die stark vernetzten und polymerisierten Keratinbündel der Tonofibrillen. Die äußere strukturlose Schicht der fossilen Korneozyten ist dicker als die wahrscheinliche(n) biologische(n) Vorlage(n), d. h. die korneale Zellhülle (eine bis zu 100 nm dicke Schicht aus Lipiden, Keratin und anderen Proteinen, die die Zellmembran während der terminalen Differenzierung ersetzt34) und/oder die Zellmembran. Dies könnte auf ein lokales Mikroumfeld zurückzuführen sein, das die Ausfällung von Kalziumphosphat begünstigt: Während der terminalen Differenzierung sammeln sich an der Peripherie der sich entwickelnden Korneozyten Granula aus Keratohyalin an, einem stark phosphorylierten Protein35 mit einer hohen Affinität für Kalziumionen36. Die Dicke der äußeren festen Kalziumphosphatschicht in den Fossilien sowie der allmähliche Übergang von dieser zur inneren faserigen Schicht lassen darauf schließen, dass die Ausfällung von Phosphat von den Rändern zum Inneren der Korneozyten verlief. In diesem Szenario wäre in den Randzonen der Zellen mehr Phosphat vorhanden gewesen, als für die Replikation der Tonofibrillen erforderlich war. Das zusätzliche Phosphat wäre als Kalziumphosphat in den Zwischenräumen zwischen den Tonofibrillen ausgefallen und von der Innenseite des Zellrands nach innen gewandert.

Hautablösung bei gefiederten Dinosauriern und frühen Vögeln

Bei lebenden Amnioten ist die epidermale verhornte Schicht typischerweise 5-20 Zellen dick (die Dicke variiert jedoch je nach Art und Lage am Körper38). Die Flecken der fossilen Korneozyten sind jedoch nur eine Zelle dick (Abb. 1f und ergänzende Abb. 5c, 10). Dies sowie die gleichbleibend geringe Größe (<400 μm) der Flecken und die bemerkenswert hohe Erhaltungstreue sind unvereinbar mit der selektiven Erhaltung einer kontinuierlichen Gewebeschicht in situ. In einer Minderheit (n = 8) der Beispiele befindet sich die Haut am Rande der Probe fossiler Weichteile und könnte daher möglicherweise ein kleineres Fragment eines ursprünglich größeren Stücks fossiler Haut darstellen (wobei der Rest des Stücks auf der fossilen Platte liegt). In den meisten Beispielen ist jedoch der gesamte Umriss des Hautfragments innerhalb des Randes einer Probe enthalten. Die Untersuchung der Ränder verschiedener Proben bei starker Vergrößerung zeigt, dass die Probe und das sie umgebende Sediment oft in genau derselben Ebene liegen (z. B. in der ergänzenden Abb. 10). Selbst wenn der Rand der Hautprobe vom Sediment bedeckt ist, ist es unwahrscheinlich, dass die Probe viel größer als die offensichtliche Größe war, da die fossile Haut, da sie fast perfekt planar ist, eine natürliche Ebene der Spaltung bildet.

Es gibt keinen Hinweis darauf, dass die erhaltene Dicke der Haut ein Artefakt der Präparation oder Erosion ist. Bei der Spaltung einer Gesteinsplatte verläuft die Spaltebene häufig ungleichmäßig durch die Weichteile und legt Strukturen in unterschiedlichen Tiefen frei. Bei den hier untersuchten Fossilien verläuft die Spaltebene in der Regel durch die Korneozyten (und legt deren innere Struktur frei) und nur selten entlang der Außenfläche der Korneozytenschicht. Es gibt keine Hinweise auf die Entfernung von mehr als einer Schicht von Korneozyten: FIB-Schnitte zeigen die Erhaltung von nur einer Schicht, und mehrere REM-Aufnahmen zeigen vollständige vertikale Schnitte durch die erhaltene Haut (wo die Beziehung zum über- und unterirdischen Sediment sichtbar ist), mit Anzeichen für nur eine einzige Schicht von Korneozyten. Die faserige innere Füllung der fossilen Korneozyten ist dort freigelegt, wo die Spaltungsebene der fossilen Platte durch die Gewebestücke verläuft. Die Topographie der fossilen Korneozyten variiert jedoch mit der Lage der Spaltungsebene, die lokal im Millimeterbereich durch die Weichteile variieren kann: Die Korneozyten können mit erhabenen Rändern und einer zentralen Vertiefung oder mit vertieften Rändern und einer zentralen erhabenen Zone auftreten (Abb. S9).

Die Größe, unregelmäßige Geometrie und Dicke der Korneozytenfelder ähneln abgeschiedenen Flocken der verhornten Schicht (schuppenartige Partikel39; Abb. 3). Bei lebenden Vögeln werden Korneozyten einzeln oder in Flecken von bis zu 0,5 mm2 ausgeschieden, die in Federn eingeschlossen sein können (Abb. 3c, d und ergänzende Abb. 2u, v). Die hier beschriebenen Fossilien liefern den ersten Beweis für den Hautablösungsprozess bei basalen Vögeln und nicht-avischen Maniraptor-Dinosauriern und bestätigen, dass zumindest einige nicht-avische Dinosaurier ihre Haut in kleinen Flecken ablösen40. Diese Art der Häutung ist identisch mit der von modernen Vögeln18 (Abb. 3c, d) und Säugetieren20 und impliziert ein kontinuierliches somatisches Wachstum. Dies steht im Gegensatz zu vielen lebenden Reptilien, z. B., Lepidosaurier, die ihre Haut ganz oder in großen Abschnitten abziehen21, aber die Art der Häutung kann durch Faktoren wie Ernährung und Umwelt beeinflusst werden41.

Evolutionäre Implikationen der fossilen Korneozytenstruktur

Die fossilen Korneozyten weisen wichtige Anpassungen auf, die bei ihren Gegenstücken in heutigen Vögeln und Säugetieren zu finden sind, insbesondere ihre abgeflachte polygonale Geometrie und faserige Zellinhalte, die mit α-Keratin-Tonofibrillen übereinstimmen16. Darüber hinaus weisen die fossilen Tonofibrillen (wie bei den heutigen Beispielen22) robuste interzelluläre Verbindungen auf und bilden ein durchgehendes Gerüst über der Hornhautschicht (Abb. 2b, c, j und ergänzende Abb. 6). Im Gegensatz dazu enthalten Korneozyten in lebenden Reptilien eine homogene Masse von β-Keratin (mit zusätzlichen Proteinen in der Zellhülle) und fusionieren während der Entwicklung, wobei sie reife β-Schichten ohne deutliche Zellgrenzen bilden42. Die Beibehaltung pyknotischer Kerne in den fossilen Korneozyten ist ein eindeutig aviäres Merkmal, das bei modernen Reptilien nicht vorkommt (siehe jedoch Ref. 20).

Epidermale Morphogenese und Differenzierung gelten bei Therapsiden und Sauropsiden als divergent31. Unsere Daten unterstützen andere Belege dafür, dass gemeinsame epidermale Merkmale bei Vögeln und Säugetieren auf eine konvergente Evolution hindeuten43 , und legen nahe, dass lipidreiche Korneozyteninhalte evolutionär abgeleitete Merkmale bei Vögeln und gefiederten nichtavischen Maniraptoren sein könnten. Evo-Devo-Studien haben nahegelegt, dass die Epidermis der Vögel aus der Ausdehnung von Scharnierbereichen in der „Protofeder“-tragenden schuppigen Haut entstanden sein könnte20. Während fossile Beweise für diesen Übergang fehlen, zeigen unsere Daten, dass die Epidermis basaler Vögel und nicht-avianischer Dinosaurier aus der Gattung der Maniraptoren bereits einen ausgesprochen modernen Charakter entwickelt hatte, selbst bei Taxa, die nicht zum motorisierten Flug fähig waren. Dies schließt die Möglichkeit nicht aus, dass zumindest einige der hier beschriebenen epidermalen Merkmale ihren Ursprung bei basaleren Theropoden hatten, insbesondere dort, wo die erhaltene Haut keine Schuppen aufweist (wie bei Sciurumimus44). Verfeinerte genomische Mechanismen zur Modulation der komplexen Keratinexpression in der Epidermis45, die terminale Differenzierung von Keratinozyten und die Aufteilung der α- und β-Keratinsynthese in der Haut von gefiederten Tieren32 wurden wahrscheinlich im Tandem mit der Federevolution nahe der Basis der Maniraptora bis zum späten Mitteljura modifiziert (Abb. 4). Vorhandene Fossildaten deuten darauf hin, dass dies nach der Evolution des Schnabels bei Maniraptoriformes und vor der Evolution der Patagien und Pterylae der Vorderextremitäten geschah (Abb. 4); das erste fossile Auftreten all dieser Merkmale erstreckt sich über einen Zeitraum von ca. 10-15 Ma, was auf einen Innovationsschub in der Evolution des gefiederten Integuments nahe der Grenze zwischen Unterem und Mittlerem Jura und darüber hinaus hindeutet. Der früheste Nachweis von Hautmuskulatur in Verbindung mit Federn ist ca. 30 Ma jünger, bei einem Vogel aus der Familie der Ornithothorax17. In Anbetracht der wesentlichen Rolle, die dieses dermale Netzwerk für den Halt der Federn und die Kontrolle der Federausrichtung spielt18, könnte sein Fehlen bei gefiederten nicht-avischen Maniraptoren eine taphonomische Verzerrung widerspiegeln.

In bestimmten Aspekten sind die fossilen Korneozyten eindeutig nicht-avianisch und deuten darauf hin, dass gefiederte Dinosaurier und frühe Vögel eine einzigartige integumentäre Anatomie und Physiologie hatten, die zwischen der von modernen Vögeln und nicht gefiederten Dinosauriern liegt. Bei heutigen Vögeln sind die Tonofibrillen der Korneozyten locker zwischen den intrazellulären Lipiden verteilt19; dies erleichtert die Verdunstungskühlung als Reaktion auf die Wärmeproduktion während des Fluges und die Isolierung durch das Gefieder46. Im Gegensatz dazu sind die fossilen Tonofibrillen dicht gepackt und füllen das Zellinnere aus. Es gibt keine Anzeichen für eine postmortale Schrumpfung der fossilen Korneozyten: Der Größenbereich stimmt mit dem moderner Vögel überein, und es gibt keine Anzeichen für diagenetische Faltenbildung, Verdrehung oder Trennung einzelner Zellen. Dies deutet stark darauf hin, dass die erhaltene Dichte der Tonofilamente in den fossilen Korneozyten eine ursprünglich höhere Dichte widerspiegelt als bei heutigen Vögeln. Dies hat nichts mit der Körpergröße zu tun: heutige Vögel unterschiedlicher Größe (z. B. Zebrafink und Strauß) weisen locker verteilte Tonofibrillen auf47. Die fossilen Vögel hatten daher wahrscheinlich einen geringeren physiologischen Bedarf an Verdunstungskühlung und damit eine geringere Körperwärmeproduktion im Zusammenhang mit der Flugaktivität46 als moderne Vögel. Dies steht im Einklang mit anderen Belegen für niedrige Grundumsatzraten bei nicht-avianischen Dinosauriern47,48 und basalen Vögeln47 und mit der Hypothese, dass die Federn von Microraptor49 und möglicherweise Confuciusornis48 (siehe jedoch Ref. 50) nicht für den motorisierten Flug angepasst waren, zumindest nicht für längere Zeiträume50.