La peau fossilisée révèle la coévolution avec les plumes et le métabolisme chez les dinosaures à plumes et les premiers oiseaux

Structure des tissus mous fossiles

De petites taches de tissu (0,01-0,4 mm2 ; Fig. 1a-d et Fig. supplémentaires 2-6) sont étroitement associées aux plumes fossiles (c’est-à-dire, généralement à moins de 500 µm des résidus de plumes carbonées, Fig. supplémentaire 2e, g, j, k, o, s, t). Les taches sont définitivement des tissus fossiles et ne reflètent pas une contamination de surface par des matériaux modernes pendant la préparation de l’échantillon, car elles sont préservées dans le phosphate de calcium (voir ‘Taphonomie’, ci-dessous) ; en outre, plusieurs échantillons présentent des marges qui sont recouvertes, en partie, par la matrice environnante. Les tissus n’ont donc pas simplement adhéré à la surface de l’échantillon à la suite d’une contamination par des particules en suspension dans l’air au laboratoire.

Les plaques de tissu sont typiquement 3-6 µm d’épaisseur et planes (Fig. 1a-e). Les sections transversales et les surfaces fracturées montrent une couche fibreuse interne (1,0-1,2 µm d’épaisseur) entre deux couches sans structure plus fines (0,2-0,5 µm d’épaisseur) (Fig. 1f-h). La surface externe de la couche sans structure est lisse et peut présenter une texture polygonale subtile définie par des polygones de 10-15 µm de large (Fig. 1e, h).

La couche fibreuse présente également des polygones (Figs. 1f, h et 2a-e, et Fig. 6 supplémentaire) qui contiennent des réseaux de fibres densément tassées de 0,1-0,5 µm de large (Fig. 2f-i et Fig. 5f supplémentaire). Les fibres bien conservées présentent une torsion hélicoïdale (Fig. 2h, i). Les fibres dans les parties marginales de chaque polygone ont une largeur de 0,1-0,3 µm et sont orientées parallèlement à la surface du tissu ; celles à l’intérieur de chaque polygone ont une largeur de 0,3-0,5 µm et sont généralement perpendiculaires à la surface du tissu (Fig. 2b, h et Supplementary Fig. S6d). Dans les 1-2 µm marginaux de chaque polygone, les fibres sont généralement orthogonales à la marge latérale du polygone et se terminent à la jonction des polygones adjacents ou la traversent (Fig. 2f, g et Supplementary Fig. 6e). Les polygones sont généralement équidimensionnels mais sont localement allongés et mutuellement alignés, où les fibres épaisses de chaque polygone sont sub-parallèles à la surface du tissu et les fibres fines, parallèles à la marge du polygone (Fig. 2j, k et Supplementary Fig. 6g-l). Certains polygones montrent une dépression centrale (Fig. 2c-e et Supplementary Fig. 6a-c) dans laquelle les fibres épaisses peuvent envelopper une structure globulaire de 1-2 µm de large (Fig. 2e).

Cornéocytes fossiles

La texture de ces tissus fossiles diffère de celle des coquilles de conchostracés et des écailles de poissons provenant du sédiment hôte, de la coquille de Mytilus moderne, du rachis de plumes modernes et fossiles et de l’épiderme de reptiles modernes (figure supplémentaire 7a-n). La géométrie allongée de certains polygones (Fig. 2j, k et Supplementary Fig. 6g, l) implique une déformation élastique d’un tissu non biominéralisé due à une contrainte mécanique. Sur la base de leur taille, de leur géométrie et de leur structure interne, les structures polygonales sont interprétées comme des cornéocytes (kératinocytes épidermiques). Chez les amniotes modernes, ce sont des cellules aplaties polyédriques (1-3 µm × environ 15 µm) remplies de tonofibrilles de kératine, de lipides et de protéines matricielles18,19,20 (Fig. 3a, b et Fig. supplémentaires 2u-x, 8, 9). La couche externe sans structure du matériel fossile correspond à la marge cellulaire ; elle est plus épaisse que le modèle biologique original, c’est-à-dire l’enveloppe cellulaire cornée et/ou la membrane cellulaire, mais ce n’est pas inattendu, reflétant la croissance diagénétique par le phosphate de calcium (voir ‘Taphonomie’). Les fibres des cornéocytes fossiles sont identifiées comme des tonofibrilles minéralisées : des faisceaux droits et non ramifiés de fibrilles d’α-kératine super enroulées de 0,25 à 1 µm de large18,21 qui constituent le principal composant du cytosquelette des cornéocytes22 et sont enveloppés de protéines amorphes du cytosquelette22. Dans les fossiles, les fines tonofibrilles sont souvent contiguës à celles de la cellule adjacente (Fig. 2g et Fig. 6e supplémentaire), mais peuvent localement franchir la limite entre cellules adjacentes (Fig. 2f). Ce dernier point rappelle les desmosomes, régions de forte fixation intercellulaire entre les cornéocytes modernes23. Les structures globulaires centrales des cornéocytes fossiles ressemblent à des noyaux de cellules mortes24, comme dans les cornéocytes des oiseaux actuels (mais pas des reptiles et des mammifères actuels)24 (Fig. 8 supplémentaire). La position de ces noyaux pycnotiques est souvent indiquée par des dépressions à la surface des cornéocytes chez les oiseaux existants24 (figure 3b) ; certaines cellules fossiles présentent des dépressions similaires (figure 2c et figure supplémentaire 6a-c).

Taphonomie

La kératine est une biomolécule relativement récalcitrante en raison de sa structure paracristalline fortement réticulée et de son caractère hydrophobe non polaire23. La réplication des cornéocytes fossiles en phosphate de calcium est donc quelque peu inattendue, car ce processus nécessite généralement des gradients géochimiques abrupts caractéristiques d’une décomposition précoce25 et s’applique habituellement aux tissus sujets à la décomposition, tels que les muscles26 et les tissus digestifs27. Les tissus récalcitrants, comme le collagène dermique, peuvent toutefois être reproduits dans du phosphate de calcium lorsqu’ils contiennent une source inhérente de calcium et, en particulier, des ions phosphate qui sont libérés pendant la décomposition28. Les cornéocytes contiennent des sources de ces deux ions. Pendant la différenciation terminale, les concentrations intracellulaires de calcium augmentent29 et les chaînes d’α-kératine sont largement phosphorylées23. De plus, les granules lipidiques des cornéocytes30 sont riches en phosphore et en phosphate31. Ces fragments chimiques seraient libérés pendant la dégradation des granules et précipiteraient sur le substrat organique restant, c’est-à-dire les tonofibrilles.

Chez les mammifères existants, les réseaux densément compacts de tonofibrilles nécessitent d’abondantes protéines de la matrice interkératinique pour leur stabilité32. Ces protéines, cependant, ne sont pas évidentes dans les fossiles. Ce n’est pas inattendu, car les protéines sont rares dans les cornéocytes aviaires existants33 et, surtout, se présentent sous forme de monomères dispersés34 et auraient un potentiel de conservation plus faible que les faisceaux de kératine hautement réticulés et polymérisés des tonofibrilles. La couche externe sans structure des cornéocytes fossiles est plus épaisse que le(s) modèle(s) biologique(s) probable(s), c’est-à-dire l’enveloppe cellulaire cornée (une couche de lipides, de kératine et d’autres protéines d’une épaisseur pouvant atteindre 100 nm qui remplace la membrane cellulaire au cours de la différenciation terminale34) et/ou la membrane cellulaire. Cela peut refléter un microenvironnement local propice à la précipitation du phosphate de calcium : pendant la différenciation terminale, des granules de kératohyaline, une protéine fortement phosphorylée35 ayant une grande affinité pour les ions calcium36, s’accumulent à la périphérie des cornéocytes en développement37. L’épaisseur de la couche externe solide de phosphate de calcium dans les fossiles, ainsi que la transition graduelle de celle-ci à la couche fibreuse interne, suggèrent que la précipitation du phosphate s’est faite des marges vers l’intérieur des cornéocytes. Dans ce scénario, la disponibilité du phosphate dans les zones marginales des cellules aurait dépassé celle nécessaire à la réplication des tonofibrilles. Le phosphate supplémentaire aurait précipité sous forme de phosphate de calcium dans les espaces interstitiels entre les tonofibrilles, progressant vers l’intérieur à partir de la face interne de la marge cellulaire.

La mue de la peau chez les dinosaures à plumes et les premiers oiseaux

Chez les amniotes existants, la couche épidermique cornifiée est généralement épaisse de 5 à 20 cellules (mais l’épaisseur varie selon les espèces et l’emplacement sur le corps38). Les plaques de cornéocytes fossiles, cependant, sont d’une seule cellule d’épaisseur (Fig. 1f et Figures supplémentaires 5c, 10). Ceci, plus la petite taille constante (<400 μm) des taches et la fidélité remarquablement élevée de la préservation, est incompatible avec la préservation sélective d’une feuille continue de tissu in situ. Dans une minorité (n = 8) d’exemples, la peau se trouve au bord de l’échantillon de tissus mous fossiles et pourrait donc potentiellement représenter un plus petit fragment d’un morceau de peau fossile initialement plus grand (avec le reste du morceau sur la dalle fossile). Dans la plupart des exemples, cependant, le contour entier du fragment de peau est contenu dans la marge d’un échantillon. L’examen des marges de divers échantillons à fort grossissement révèle que l’échantillon et le sédiment qui l’entoure sont souvent exactement dans le même plan (par exemple, Fig. 10 supplémentaire). Même lorsque la marge de l’échantillon de peau est couverte par le sédiment, il est peu probable que l’échantillon ait été beaucoup plus grand que la taille apparente car la peau fossile, étant presque parfaitement plane, forme un plan naturel de fendage.

Il n’y a aucune preuve que l’épaisseur préservée de la peau soit un artefact de préparation ou d’érosion. Lors du fendage d’une dalle rocheuse, le plan de fendage traverse fréquemment les tissus mous de manière inégale, exposant des structures à différentes profondeurs. Dans les fossiles étudiés ici, le plan de fendage passe généralement par les cornéocytes (exposant leur structure interne), et rarement le long de la face externe de la couche de cornéocytes. Il n’y a aucune preuve de l’élimination de plus d’une couche de cornéocytes : Les coupes FIB montrent la préservation d’une seule couche et plusieurs images SEM montrent des coupes verticales complètes à travers la peau préservée (où la relation avec le sédiment sus- et sous-jacent est visible), avec la preuve d’une seule couche de cornéocytes. Le remplissage interne fibreux des cornéocytes fossiles est exposé là où le plan de division de la dalle fossile traverse les plaques de tissu. La topographie des cornéocytes fossiles varie cependant avec la position du plan de séparation, qui peut varier localement à travers les tissus mous à l’échelle du millimètre : les cornéocytes peuvent se présenter avec des marges surélevées et une dépression centrale, ou avec des marges déprimées et une zone centrale surélevée (Fig. S9).

La taille, la géométrie irrégulière et l’épaisseur des plaques de cornéocytes ressemblent à des flocons détachés de la couche cornifiée (particules pelliculaires39 ; Fig. 3). Chez les oiseaux existants, les cornéocytes sont excrétés individuellement ou en plaques jusqu’à 0,5 mm2 qui peuvent être entraînées dans les plumes (Fig. 3c, d et Fig. supplémentaire 2u, v). Les fossiles décrits ici fournissent la première preuve du processus de mue de la peau chez les oiseaux basaux et les dinosaures maniraptoriens non aviaires et confirment qu’au moins certains dinosaures non aviaires muent leur peau en petites plaques40. Ce style de mue est identique à celui des oiseaux modernes18 (Fig. 3c, d) et des mammifères20 et implique une croissance somatique continue. Cela contraste avec de nombreux reptiles existants, par ex, lépidosaures, qui perdent leur peau entière ou en grandes sections21, mais le style de mue peut être influencé par des facteurs tels que le régime alimentaire et l’environnement41.

Implications évolutives de la structure des cornéocytes fossiles

Les cornéocytes fossiles présentent des adaptations clés trouvées dans leurs homologues chez les oiseaux et les mammifères existants, en particulier leur géométrie polygonale aplatie et leur contenu cellulaire fibreux cohérent avec les tonofibrilles d’α-kératine16. En outre, les tonofibrilles fossiles (comme dans les exemples existants22) présentent des connexions intercellulaires robustes et forment un échafaudage continu à travers la feuille de cornéocyte (Fig. 2b, c, j et Fig. 6 supplémentaire). En revanche, les cornéocytes des reptiles existants contiennent une masse homogène de β-kératine (avec des protéines supplémentaires présentes dans l’enveloppe cellulaire) et fusionnent au cours du développement, formant des couches β matures sans limites cellulaires distinctes42. La rétention de noyaux pycnotiques dans les cornéocytes fossiles est une caractéristique nettement aviaire qui n’est pas observée chez les reptiles modernes (mais voir réf. 20).

La morphogenèse et la différenciation épidermiques sont considérées comme ayant divergé chez les therapsides et les sauropsides31. Nos données appuient d’autres preuves que les caractéristiques épidermiques partagées chez les oiseaux et les mammifères indiquent une évolution convergente43 et suggèrent que les contenus cornéocytaires riches en lipides peuvent être des caractères dérivés de l’évolution chez les oiseaux et les maniraptorans non aviaires à plumes. Des études d’évolution ont suggéré que l’épiderme aviaire pourrait être né de l’expansion des régions charnières de la peau écailleuse portant des  » protoplumes « 20. Bien que les preuves fossiles de cette transition fassent défaut, nos données montrent que l’épiderme des oiseaux basaux et des dinosaures maniraptoriens non aviaires avait déjà évolué vers un caractère résolument moderne, même chez les taxons qui ne sont pas capables de voler. Cela n’exclut pas la possibilité qu’au moins certaines des caractéristiques épidermiques décrites ici soient apparues chez des théropodes plus basiques, notamment lorsque la peau préservée ne présente pas d’écailles (comme chez Sciurumimus44). Les mécanismes génomiques raffinés permettant de moduler l’expression complexe de la kératine dans l’épiderme45, la différenciation terminale des kératinocytes et la répartition de la synthèse des α- et β- kératines dans la peau des animaux à plumes32 ont probablement été modifiés en même temps que l’évolution des plumes près de la base des Maniraptora vers la fin du Jurassique moyen (Fig. 4). Les données fossiles existantes suggèrent que cela s’est produit après l’évolution du bec chez les Maniraptoriformes et avant l’évolution des patagias et des ptéroles des membres antérieurs (Fig. 4) ; les premières occurrences fossiles de toutes ces caractéristiques s’échelonnent sur environ 10-15 Ma, ce qui suggère une poussée d’innovation dans l’évolution du tégument à plumes à proximité et au-delà de la limite entre le Jurassique inférieur et moyen. La plus ancienne preuve d’une musculature dermique associée à des plumes est environ 30 Ma plus jeune, chez un oiseau ornithothoracé de 125 Ma17. Étant donné le rôle essentiel joué par ce réseau dermique dans le soutien des plumes et le contrôle de leur orientation18, son absence chez les maniraptoriens non aviaires à plumes peut refléter un biais taphonomique.

Dans certains aspects, les cornéocytes fossiles sont distinctement non-aviens et indiquent que les dinosaures à plumes et les premiers oiseaux avaient une anatomie et une physiologie tégumentaires uniques, transitionnelles entre celles des oiseaux modernes et des dinosaures sans plumes. Chez les oiseaux actuels, les tonofibrilles des cornéocytes sont dispersées de manière lâche parmi les lipides intracellulaires19 ; cela facilite le refroidissement par évaporation en réponse à la production de chaleur pendant le vol et l’isolation par le plumage46. En revanche, les tonofibrilles fossiles sont densément emballées et remplissent l’intérieur de la cellule. Il n’y a aucune preuve de rétrécissement post-mortem des cornéocytes fossiles : la gamme de taille est cohérente avec celles des oiseaux modernes, et il n’y a aucune preuve de plissement diagénétique, de contorsion ou de séparation des cellules individuelles. Ceci suggère fortement que la densité préservée des tonofilaments dans les cornéocytes fossiles reflète des densités originellement plus élevées que chez les oiseaux actuels. Il ne s’agit pas d’une fonction de la taille du corps : les oiseaux existants de taille disparate (par exemple, le diamant mandarin et l’autruche) présentent des tonofilaments faiblement dispersés47. Les oiseaux fossiles sont donc susceptibles d’avoir eu un besoin physiologique plus faible de refroidissement par évaporation et, par conséquent, une production de chaleur corporelle liée à l’activité de vol plus faible46 que chez les oiseaux modernes. Ceci est cohérent avec d’autres preuves de faibles taux métaboliques basaux chez les dinosaures maniraptoriens non aviaires47,48 et les oiseaux basaux47 et avec les hypothèses selon lesquelles les plumes de Microraptor49 et, potentiellement, de Confuciusornis48 (mais voir réf. 50) n’étaient pas adaptées au vol motorisé, du moins pour des périodes prolongées50.