Fosszilizált bőr a tollakkal és az anyagcserével való együttfejlődést mutatja a tollas dinoszauruszok és a korai madarak esetében

Fosszilis lágyszövetek szerkezete

Kis szövetfoltok (0,01-0,4 mm2; ábra 1a-d és kiegészítő ábrák 2-6) szorosan kapcsolódnak a fosszilis tollakhoz (pl., rendszerint 500 µm-en belül a szénszerű tollmaradványoktól, 2e, g, g, j, k, o, s, t kiegészítő ábra). A foltok egyértelműen fosszilis szövetből származnak, és nem a minta előkészítése során modern anyaggal történő felületi szennyeződést tükrözik, mivel kalcium-foszfátban konzerválódtak (lásd alább a “Taphonomia” című részt); továbbá több mintán olyan peremek láthatók, amelyeket részben átfed a környező mátrix. A szövetek tehát nem egyszerűen a laboratóriumban a levegőben lévő részecskékkel való szennyeződés következtében tapadtak a minta felületéhez.

ben látható rétegeket mutatja

A szövetfoltok jellemzően 3-6 µm vastagok és síkszerűek (1a-e. ábra). A keresztmetszetek és a törésfelületek egy belső rostos réteget (1,0-1,2 µm vastag) mutatnak két vékonyabb, szerkezet nélküli réteg (0,2-0,5 µm vastag) között (1f-h ábra). A strukturálatlan réteg külső felülete sima, és 10-15 µm széles poligonok által meghatározott finom poligonális textúrát mutathat (1e, h ábra).

A rostos rétegben is láthatók poligonok (1f, h és 2a-e ábra, valamint 6. kiegészítő ábra), amelyek sűrűn pakolt, 0,1-0,5 µm széles szálak tömbjeit tartalmazzák (2f-i ábra és 5f kiegészítő ábra). A jól megőrződött rostok helikoidális csavarodást mutatnak (2h, i. ábra). Az egyes poligonok szélső részein lévő rostok 0,1-0,3 µm szélesek és a szövetfelszínnel párhuzamosan tájoltak; az egyes poligonok belsejében lévő rostok 0,3-0,5 µm szélesek és általában merőlegesek a szövetfelszínre (2b. ábra, h és S6d kiegészítő ábra). Az egyes poligonok szélső 1-2 µm-es részén a rostok általában merőlegesek az oldalsó poligonszegélyre, és a szomszédos poligonoknál végződnek, vagy áthidalják a szomszédos poligonok közötti átmenetet (2f., g. ábra és 6e. kiegészítő ábra). A poligonok általában egyenlő dimenziójúak, de lokálisan megnyúltak és egymáshoz igazodnak, ahol az egyes poligonok vastag rostjai a szövetfelszínnel szubparalel, a vékony rostok pedig a poligon szélével párhuzamosak (2j., k. ábra és 6g-l. kiegészítő ábra). Néhány poligon központi mélyedést mutat (2c-e. ábra és 6a-c. kiegészítő ábra), amelyben a vastag rostok 1-2 µm széles gömbölyded struktúrát burkolhatnak be (2e. ábra).

Fosszilis szarurétegek

Ezeknek a fosszilis szöveteknek a textúrája különbözik a kagylóhéjak és a halpikkelyek textúrájától a gazdatest üledékből, a modern Mytilus héjától, a modern és fosszilis tollak rachisától és a modern hüllők epidermiszétől (7a-n. kiegészítő ábra). Néhány poligon hosszúkás geometriája (2j., k. ábra és 6g., l. kiegészítő ábra) egy nem biomineralizált szövet mechanikai igénybevétel miatti rugalmas deformációjára utal. Méretük, geometriájuk és belső szerkezetük alapján a poligonális struktúrákat szaruráknak (epidermális keratinocitáknak) értelmezzük. A modern amniótákban ezek poliéderes-lapított sejtek (1-3 µm × kb. 15 µm), amelyek keratin tonofibrillumokkal, lipidekkel és mátrixfehérjékkel18,19,20 vannak kitöltve (3a, b ábra és 2u-x, 8, 9. kiegészítő ábra). A fosszilis anyag külső, szerkezet nélküli rétege a sejtperemnek felel meg; vastagabb, mint az eredeti biológiai sablon, azaz a szaruréteges sejtburkolat és/vagy a sejtmembrán, de ez nem váratlan, és a kalcium-foszfát általi diagenetikus túlnövekedést tükrözi (lásd “Taphonomia”). A fosszilis szarurétegek rostjait mineralizált tonofibrillumokként azonosították: 0,25-1 µm széles, szupertekercselt α-keratin fibrillumok egyenes, elágazás nélküli kötegei18,21 , amelyek a szaruréteg citoszkeletonjának22 fő összetevői, és amelyeket amorf citoszkeletális fehérjék22 burkolnak be. A kövületekben a vékony tonofibrillumok gyakran érintkeznek a szomszédos sejtekével (2g. ábra és 6e. kiegészítő ábra), de helyenként áthidalhatják a szomszédos sejtek közötti határt is (2f. ábra). Ez utóbbi a deszmoszómákra, a modern szarurétegek közötti erős sejtközi kötődés régióira emlékeztet23. A fosszilis szaruhártyasejteken belüli központi gömbölyded struktúrák hasonlítanak az elhalt sejtmagokra24 , akárcsak a ma élő madarak (de nem a ma élő hüllők és emlősök)24 szaruhártyasejtjeiben (8. kiegészítő ábra). Ezeknek a piknotikus sejtmagoknak a helyzetét gyakran a szaruhártya felszínén lévő mélyedések jelzik a ma élő madaraknál24 (3b. ábra); néhány fosszilis sejt hasonló mélyedéseket mutat (2c. ábra és 6a-c. kiegészítő ábra).

Tafonómia

A keratin egy viszonylag visszahúzódó biomolekula erősen térhálósodott parakristályos szerkezete és hidrofób, nem poláros jellege miatt23. A fosszilis szarurétegek kalcium-foszfátban való reprodukciója ezért némileg váratlan, mivel ez a folyamat általában a korai bomlásra jellemző meredek geokémiai gradienseket igényel25 , és általában olyan bomlásra hajlamos szövetekre vonatkozik, mint az izom26 és az emésztőszövetek27. A visszahúzódó szövetek, mint például a bőr kollagénje azonban kalcium-foszfátban is reprodukálhatók, amennyiben tartalmaznak eredendő kalciumforrást, és különösen a bomlás során felszabaduló foszfátionokat28. A szaruhártyasejtek mindkét ion forrását tartalmazzák. A terminális differenciálódás során az intracelluláris kalciumkoncentráció megnő29 és az α-keratin láncok nagymértékben foszforilálódnak23. Továbbá a szaruhártya lipidgranulumok30 foszforban és foszfátban gazdagok31. Ezek a kémiai részek a granulumok lebomlása során felszabadulnának, és kicsapódnának a megmaradó szerves szubsztrátumon, azaz a tonofibrillákon.

A ma élő emlősökben a tonofibrillák sűrűn csomagolt tömbjei a stabilitáshoz bőséges interkeratin mátrixfehérjéket igényelnek32. Ezek a fehérjék azonban a kövületekben nem mutatkoznak. Ez nem váratlan, mivel a fehérjék ritkán fordulnak elő a madarak szarurétegeiben33 , és ami kritikus, hogy szétszórt monomerként34 fordulnak elő, így a tonofibrillumok erősen térhálósodott és polimerizált keratinkötegeihez képest kisebb megőrzési potenciállal rendelkeznének. A fosszilis szarurétegek külső, szerkezet nélküli rétege vastagabb, mint a valószínűsíthető biológiai sablon(ok), azaz a szaruréteg sejtburka (lipidekből, keratinból és egyéb fehérjékből álló, akár 100 nm vastagságú réteg, amely a terminális differenciálódás során a sejtmembránt helyettesíti34 ) és/vagy a sejtmembrán. Ez tükrözheti a kalcium-foszfát kicsapódását elősegítő helyi mikrokörnyezetet: a terminális differenciálódás során a fejlődő szaruhártyasejtek perifériáján felhalmozódnak a keratohialin, egy kiterjedten foszforilált, a kalciumionok iránt nagy affinitással rendelkező35 fehérje36 szemcséi37. A kövületekben a külső szilárd kalcium-foszfátréteg vastagsága, valamint az erről a belső rostos rétegbe való fokozatos átmenet arra utal, hogy a foszfát kicsapódása a peremektől a szarurétegek belseje felé haladt. Ebben a forgatókönyvben a sejtek peremzónáiban a foszfát elérhetősége meghaladta a tonofibrillumok szaporodásához szükséges mennyiséget. A további foszfát kalcium-foszfátként csapódott volna ki a tonofibrillumok közötti intersticiális terekben, a sejtek peremének belső oldalától befelé haladva.

Bőrhullás a tollas dinoszauruszoknál és a korai madaraknál

A ma élő amniótáknál a hámszaruréteg jellemzően 5-20 sejt vastagságú (de a vastagság fajonként és a testen való elhelyezkedés szerint változik38). A fosszilis szarurétegek foltjai azonban egy sejt vastagságúak (1f. ábra és 5c, 10. kiegészítő ábra). Ez, valamint a foltok következetesen kis mérete (<400 μm) és a megőrzés figyelemre méltóan nagyfokú hűsége nem egyeztethető össze az in situ szövetek összefüggő lapjának szelektív megőrzésével. A példák egy kisebbségében (n = 8) a bőr a fosszilis lágyrészek mintájának szélén fordul elő, és így potenciálisan egy eredetileg nagyobb fosszilis bőrdarab kisebb töredékét képviselheti (a darab maradékával a fosszilis lemezen). A legtöbb példában azonban a bőrdarab teljes körvonala a minta szélén belül található. A különböző minták peremének nagy nagyítással történő vizsgálata azt mutatja, hogy a minta és a környező üledék gyakran pontosan egy síkban van (pl. 10. kiegészítő ábra). Még ott is, ahol a bőrminta peremét üledék fedi, a minta valószínűleg nem lehetett sokkal nagyobb a látszólagos méretnél, mivel a fosszilis bőr, mivel szinte tökéletesen sík, természetes hasadási síkot képez.

Nincs bizonyíték arra, hogy a bőr megőrzött vastagsága a preparálás vagy az erózió műtárgya lenne. A kőzetlemez hasadása során a hasítási sík gyakran egyenetlenül halad át a lágyrészeken, különböző mélységben lévő struktúrákat tárva fel. Az itt vizsgált kövületeknél a hasítás síkja általában a szarurétegeken halad át (feltárva azok belső szerkezetét), és ritkán a szaruréteg külső felülete mentén. Nincs bizonyíték egynél több szaruréteg eltávolítására: A FIB-metszetek csak egy réteg megőrzését mutatják, és számos SEM-felvétel teljes függőleges metszeteket mutat a megőrzött bőrön keresztül (ahol látható a kapcsolat a felül- és alatta lévő üledékkel), és csak egyetlen szaruréteg szarneocitákra utaló bizonyítékokkal. A fosszilis szarurétegek rostos belső kitöltése ott látható, ahol a fosszilis lemez hasadási síkja áthalad a szövetfoltokon. A fosszilis szarurétegek topográfiája azonban a hasadási sík helyzetétől függően változik, ami a lágyszöveteken keresztül helyenként milliméteres skálán változhat: a szarurétegek lehetnek emelt pereműek és középen mélyedéssel, vagy mélyített pereműek és középen emelkedett zónával (S9. ábra).

A szarurétegek foltjainak mérete, szabálytalan geometriája és vastagsága a szaruréteg levedlett pelyheire (korpaszerű részecskék39; 3. ábra) hasonlít. A ma élő madaraknál a szarurétegsejtek egyenként vagy akár 0,5 mm2 -es foltokban válnak le, amelyek a tollak belsejébe kerülhetnek (3c., d. ábra és 2u., v. kiegészítő ábra). Az itt leírt fosszíliák szolgáltatják az első bizonyítékot a bazális madarak és a nem őslakos maniraptor dinoszauruszok bőrlevedlési folyamatára, és megerősítik, hogy legalább néhány nem őslakos dinoszaurusz kis foltokban levedlette a bőrét40. Ez a vedlési stílus megegyezik a modern madarak18 (3c., d. ábra) és az emlősök20 stílusával, és folyamatos szomatikus növekedést feltételez. Ez ellentétben áll számos ma élő hüllővel, pl, lepidoszauruszokkal, amelyek egészben vagy nagy szakaszokban hullajtják a bőrüket21 , de a hullajtási stílust olyan tényezők befolyásolhatják, mint a táplálkozás és a környezet41.

A fosszilis szaruhártya szerkezetének evolúciós következményei

A fosszilis szaruhártya sejtek kulcsfontosságú adaptációkat mutatnak, amelyek a mai madarak és emlősök megfelelőinél is megtalálhatók, különösen a lapított poligonális geometria és az α-keratin tonofibrillumoknak megfelelő rostos sejttartalom16. Továbbá, a fosszilis tonofibrillumok (akárcsak az extáns példáknál22 ) erős sejtközi kapcsolatokat mutatnak, és a szarurétegben folyamatos vázat alkotnak (2b, c, j ábra és 6. kiegészítő ábra). Ezzel szemben a hüllők szarurétegei homogén β-keratin tömeget tartalmaznak (további fehérjékkel a sejtburkolatban), és a fejlődés során összeolvadnak, kifejlett β-rétegeket alkotva, különálló sejthatárok nélkül42. A piknotikus sejtmagok megtartása a fosszilis szaruhártyasejtekben kifejezetten madárjellegű tulajdonság, amely a modern hüllőknél nem figyelhető meg (lásd azonban a 20. hivatkozást).

Az epidermális morfogenezis és differenciálódás a therapsidáknál és a sauropsidáknál eltérőnek tekinthető31. Adataink alátámasztják azokat az egyéb bizonyítékokat, amelyek szerint a madarak és emlősök közös epidermális jellemzői konvergens evolúcióra utalnak43 , és arra utalnak, hogy a lipidekben gazdag szaruhártya-tartalmak evolúciósan származtatott jellemzők lehetnek a madarak és a tollas nem ősmaniraptoránok esetében. Evo-devo-vizsgálatok azt sugallták, hogy a madárepidermisz a “prototollat” viselő pikkelyes bőr csuklós régióinak kiterjedéséből keletkezhetett20. Bár erre az átmenetre nincs fosszilis bizonyíték, adataink azt mutatják, hogy a bazális madarak és a nem-aviai maniraptor dinoszauruszok epidermisze már határozottan modern jelleget alakított ki, még a motoros repülésre nem képes taxonoknál is. Ez nem zárja ki annak lehetőségét, hogy az itt leírt epidermális jellemzők közül legalább néhány a bazálisabb theropodákból származik, különösen ott, ahol a megőrzött bőrből hiányzik a pikkelyek nyoma (mint a Sciurumimus44 esetében). Az epidermiszben a keratin komplex expresszióját45 , a keratinociták terminális differenciálódását és az α- és β-keratin szintézisének felosztását a tollas állatok bőrében32 moduláló kifinomult genomikus mechanizmusok valószínűleg a tollak evolúciójával párhuzamosan módosultak a Maniraptora bázisa közelében a késő középső jura végére (4. ábra). A meglévő fosszilis adatok arra utalnak, hogy ez a Maniraptoriformes csőrének evolúciója után és az elülső végtagok patagia és pterylae evolúciója előtt történt (4. ábra); mindezen jellemzők első fosszilis előfordulásai kb. 10-15 Ma-ra tehetőek, ami arra utal, hogy a tollas testek evolúciójában az alsó-középső jura határához közel és azon túl is megtörtént az innováció. A tollakhoz kapcsolódó bőrizomzat legkorábbi bizonyítékai kb. 30 Ma-nál fiatalabbak, egy 125 Ma-ban élt ornithothoracea madárnál17. Tekintettel arra, hogy ez a bőrhálózat alapvető szerepet játszik a tolltartásban és a tollak orientációjának szabályozásában18 , hiánya a tollas nem ősmaniraptoránusoknál taphonomiai torzítást tükrözhet.

A fosszilis szarurákok bizonyos szempontból kifejezetten nem őslakosok, és arra utalnak, hogy a tollas dinoszauruszok és a korai madarak egyedi integumentális anatómiával és fiziológiával rendelkeztek, amely átmeneti a modern madarak és a nem tollas dinoszauruszok között. A ma élő madaraknál a szaruhártya tonofibrillumok lazán eloszlanak az intracelluláris lipidek között19; ez megkönnyíti a repülés közbeni hőtermelésre reagáló párolgási hűtést és a tollazat általi szigetelést46. Ezzel szemben a fosszilis tonofibrillumok sűrűn tömörülnek és kitöltik a sejt belsejét. Nincs bizonyíték a fosszilis szarurétegek halál utáni zsugorodására: a mérettartomány megegyezik a modern madarakéval, és nincs bizonyíték diagenetikus ráncosodásra, kontúrozásra vagy az egyes sejtek szétválására. Ez határozottan arra utal, hogy a fosszilis szaruhártyasejtekben a tonofilamentumok megőrzött sűrűsége eredetileg nagyobb sűrűséget tükröz, mint a ma élő madarakban. Ez nem a testméret függvénye: a különböző méretű, ma élő madarak (pl. a zebrapinty és a strucc) lazán eloszló tonofibrillákat mutatnak47. A fosszilis madaraknak tehát valószínűleg kisebb volt a fiziológiai igényük a párologtató hűtésre, és ezzel együtt a repülési tevékenységgel kapcsolatos alacsonyabb testhőtermelésre46 , mint a mai madaraknak. Ez összhangban van más bizonyítékokkal, amelyek a nem ősmaniraptor dinoszauruszok47,48 és a bazális madarak47 alacsony alapanyagcseréjére utalnak, valamint azzal a feltételezéssel, hogy a Microraptor49 és potenciálisan a Confuciusornis48 (de lásd 50. hivatkozás) tollazata nem volt alkalmas motoros repülésre, legalábbis hosszabb ideig50.