Dinozaury mają dziś 10 tysięcy dziobów
Kiedy okazało się, że będę musiała z powodu pandemii pozostać w domu przez długi czas, znalazłam sobie hobby, które nigdy wcześniej specjalnie mnie nie pociągało: podglądanie ptaków. Wyczyściłam porządnie mój stary karmnik, napełniłam go różnymi ziarnami, wyciągnęłam z piwnicy dawno nieużywaną lornetkę i postanowiłam rozpoczynać dzień od porannej kawy na trawie, wypatrując nadlatujących ptaków i rozpoznając je na podstawie wielkości, ubarwienia piór, kształtu dziobów i wydawanych głosów. Wedle ostatniego spisu w najbliższych okolicach domu doliczyłam się 39 gatunków. Te godziny spędzone na podglądaniu skrzydlatych gości – rozpychających się przy karmniku czyży złotawych, dzięciołów smugoszyich walących pracowicie w pnie drzew, indyków dumnie kroczących po trawniku, koliberków rubinobrodych wiszących w powietrzu nad ich ulubionymi kwiatami, myszołowów rdzawoskrzydłych krążących nad głowami – kazały mi spojrzeć na bogactwo ptasiego świata z odkrytą na nowo pasją. A przecież dane mi było dostrzec zaledwie drobny ułamek oszałamiającej różnorodności tej grupy zwierząt. Liczące dziś ponad 10 tys. gatunków ptaki stanowią najbardziej zróżnicowaną grupę kręgowców lądowych na Ziemi. Jak do tego doszło?
Ptaki należą do dinozaurów i są jedyną ich linią, która przetrwała do naszych czasów. Wyłoniły się w okresie jurajskim, między 200 a 150 mln lat temu, z teropodów – dwunożnych drapieżnych dinozaurów, do których należały takie formy, jak gigantyczny Tyrannosaurus rex czy znacznie mniejszy, ale zwinniejszy Velociraptor. Przez dziesiątki milionów lat ptaki rozwijały się wraz z innymi dinozaurami, różnicując się na wiele form fruwających, upierzonych, szybko rosnących lotników o drobnych ciałach, ale także mniej licznych, dużych, bezlotnych zwierząt. Jedna z tych grup, Neornithes, czyli nowe ptaki, wyróżniająca się zrośniętymi kośćmi stóp i kości skokowych oraz pewnymi specyficznymi cechami kości podtrzymujących skrzydła – dała początek wszystkim żyjącym dziś ptakom.
Naukowcy uważają zwykle dzisiejsze zróżnicowanie ptaków za efekt wzmożonej aktywności ewolucyjnej, która nastąpiła po brzemiennej w skutki chwili, kiedy to przed 66 mln lat uderzyła w Ziemię planetoida o 10-kilometrowej średnicy, przynosząc zagładę 75% gatunków roślin i zwierząt lądowych, w tym wszystkim dinozaurom nieptasim i większości grup ptaków. Nie bardzo wiemy, dlaczego tę katastrofę przeżyły tylko ptaki z grupy Neornithes, choć niedawne odkrycie szczątków skamieniałego „nowego ptaka” (Asteriornis) z Belgii sprzed 66,7 mln lat – spokrewnionego z dzisiejszymi kurami i kaczkami – sugeruje, że pewne znaczenie mogły mieć małe rozmiary ciała i życie w pobliżu wybrzeży morskich. Tak czy inaczej przekonanie było takie, że po wielkim wymieraniu „nowe ptaki” zdobyły przestrzeń życiową tylko dla siebie. Wyzwolone spod konkurencji ze strony innych dinozaurów (nie mówiąc o wielu innych grupach kręgowców, które również padły ofiarą kataklizmu, takich jak fruwające gady – pterozaury, przez długi czas niekwestionowani władcy przestworzy) ptaki podległy gwałtownemu różnicowaniu, wypełniając opustoszałe po innych lotnikach nisze ekologiczne.
Ale mogło też być zupełnie inaczej. Badając setki czaszek ptaków i dinozaurów, Ryan Felice z University College w Londynie i Anjali Goswami z londyńskiego Natural History Museum stwierdzili wraz ze współpracownikami, że tuż po wielkim wymieraniu tempo ewolucji ptaków w rzeczywistości spadło w porównaniu z sytuacją ich dinozaurowych poprzedników, a nie wzrosło, jak sądzono. Wyniki tej pracy, opublikowane w PLOS Biology, pokazują tempo ewolucji podczas radiacji głównych grup kręgowców i zwracają uwagę na czynniki, które mogły odgrywać decydującą rolę określającą kierunek zachodzących w nich zmian.
Skamieniałości, w których zachowałby się cały szkielet zwierzęcia, są niezwykle rzadkie, więc badania porównawcze materiału kopalnego muszą się koncentrować na określonych fragmentach ciała. Zespół Felice i Goswami przyjrzał się bliżej czaszkom, gdyż spełniają one rozliczne funkcje – dają schronienie narządom zmysłów, biorą udział w pobieraniu pożywienia, odgrywają rolę w doborze partnerów seksualnych i w obronie przed drapieżnikami. „U ptaków zróżnicowanie kształtów czaszek jest nadzwyczajne” – zauważa Felice. Porównajmy tylko takie pary gatunków, jak jastrzębie i kolibry lub gołębie i pelikany. „Czy ewolucja zróżnicowania czaszek zachodziła u ptaków szybciej niż u innych grup dinozaurów?” – pyta. Ten problem wydaje się pozornie dość błahy, ale „może pomóc nam zrozumieć, jak rodzi się różnorodność. Jeśli zróżnicowanie w jakiejś grupie zwierząt jest wysokie, to czy powstało w wyniku szybkiego procesu, czy raczej powoli i w jednostajnym rytmie?”
By zbadać to zagadnienie, zespół dokonał dokładnej analizy kształtów 391 dobrze zachowanych czaszek różnych grup współczesnych ptaków i kopalnych dinozaurów, wykorzystując do tego celu trójwymiarowe skany o wysokiej rozdzielczości. Wyniki posłużyły autorom do odtworzenia ewolucji tych zwierząt. Zwykle w porównaniach kształtów czaszek bierze się pod uwagę takie wspólne dla różnych gatunków elementy, jak szwy między kośćmi czy charakterystyczne kostne guzki lub zgrubienia. Im jednak obszerniejsza badana grupa, tym mniej takich wspólnych punktów do porównań i w rezultacie, opierając się tylko na nich, tracimy znaczną część informacji dotyczących kształtów czaszek. „W naszych badaniach traktowaliśmy te charakterystyczne elementy jako swoiste kotwice do konstruowania krzywych łączących wszystkie te punkty, co pozwalało nam wydzielać i indywidualizować poszczególne kości czaszek – mówi Goswami. – W następnym kroku budowaliśmy ogólną matrycę punktów i dokładnie tę samą procedurę stosowaliśmy do wszystkich okazów naszego zbioru, wykorzystując te same elementy i krzywe do wyznaczania interesujących nas obszarów czaszek. Dzięki temu mogliśmy w jednolity sposób operować punktami na powierzchni każdej kości, niezależnie czy były to płaskie struktury kostne u podstawy kaczego dzioba, czy potężny, wysoki aparat do gryzienia [w pysku] T. rex”.
Wynik tych analiz nie pozostawiał wątpliwości: we wszystkich obszarach czaszek dinozaury podlegały 1,5 raza szybszej ewolucji niż ptaki i to mimo ogromnego zróżnicowania ptaków, jakie nastąpiło po późnokredowym wymieraniu i w początkach ery kenozoicznej. Pomimo tej szybkiej radiacji ewolucja ptaków przebiegała znacznie wolniej niż ich dinozaurowych poprzedników. „Tempo zmian morfologicznych [ptaków] spadło właśnie wtedy, gdy ich radiacja przyspieszyła” – zauważa Goswami.
Skąd ten paradoks? Goswami uważa, że odzwierciedla to zmianę priorytetów, jakim podlegały czaszki. Podczas gdy czaszki dinozaurów zaopatrzone były w różne wyszukane ozdoby lub struktury związane z walką lub obroną, a także złożone mechanizmy służące do zdobywania i miażdżenia pożywienia (a więc i w odpowiednie miejsca do przyczepu mięśni), to u ptaków rola czaszki sprowadza się głównie do pomieszczenia i ochrony relatywnie wielkiego mózgu – tłumaczy.
Specjaliści od ewolucji ptaków, którzy nie brali udziału w tych badaniach, z uznaniem wyrażają się o zastosowanej metodologii i reprezentatywności służących tej analizie gatunków.
Odkrycie, że u dinozaurów ewolucja czaszki przebiegała w znacznie szybszym tempie niż u współczesnych ptaków, może wydawać się dziwne, zważywszy na ogromne zróżnicowanie ptasich dziobów – porównajmy choćby warzęchę, flaminga i pelikana, uważa Daniel Ksepka z Bruce Museum w Greenwich (Connecticut). Bogactwo ich kształtów sugeruje wysokie tempo ewolucji, a przecież dzioby są zasadniczym narządem czaszki. Ale po głębszym zastanowieniu dochodzimy do wniosku, że te odmienne dzioby są raczej wyjątkiem niż regułą, mówi. Jak zauważa Ksepka, „Jest cała masa grup ptaków, gdzie spotykamy dziesiątki blisko spokrewnionych gatunków o bardzo podobnych kształtach głowy, jak choćby u wróblowych czy papug, a to wskazywałoby na ograniczoną ewolucję czaszek”.
Inaczej u dinozaurów: w niektórych ich grupach ewolucja czaszek musiała być nadzwyczajna. Na przykład wśród ceratopsów (dinozaurów rogatych) „każdy gatunek miał swoistą kompozycję rogów, wypustek i kołnierzy. I wydaje się, że podlegały one szybkiej ewolucji, gdyż musiały odgrywać istotną rolę w wyborze partnerów seksualnych – mówi Ksepka. – U dinozaurów takie czaszkowe ozdoby były bardzo częste, u ptaków to rzadkość – jednym z godnych uwagi wyjątków są kazuary”. Wielkie, bezlotne kazuary – kuzyni żyjących w tropikalnych lasach Papui–Nowej Gwinei i północno-wschodniej Australii emu – mają pokaźne kostne hełmy na szczycie głowy. „Wydaje się, że u ptaków rolę takich kostnych wyrostków jako seksualnych ornamentów przejęły pióra – znamy całą gamę dzisiejszych ptaków o niewyróżniających się głowach, a za to strojnych w piękne ozdoby z piór. Spójrzmy tylko na zalatujące do naszych ogródków kardynały czy modrosójki”.
Jeśli prawdą jest, że ptasie czaszki ewoluowały relatywnie powoli, to jest to „dokładne przeciwieństwo tego, co wiemy o reszcie szkieletu”, zauważa Stephen Brusatte z University of Edinburgh, który również nie uczestniczył w tym projekcie. Wcześniejsze prace Brusatte’a i innych koncentrowały się na pozaczaszkowych częściach badanych zwierząt i stwierdzały, że u ptaków zmieniały się one szybciej niż u pozostałych dinozaurów. „Wynika to, jak sądzę, z faktu, że powstanie ptaków napędzane było przez szybkie i daleko idące zmiany szkieletu, związane głównie z przekształceniem kończyn przednich w skrzydła. Głowa odgrywała w tym procesie mniejszą rolę i zapewne dlatego zmiany w tym obszarze były mniej istotne”. Już na wczesnym etapie ewolucji ptasia głowa przybrała właściwe dla tej grupy kształty, z takimi elementami jak dziób, wielkie oczy i duży mózg. Jak mówi Brusatte: „Ptaki nie musiały już potem wiele zmieniać, by przystosować się do różnych nisz ekologicznych”. Zamiast tego – sugeruje – „po tym jak linia ptasia rozeszła się z innymi dinozaurami i ptaki wzbiły się w powietrze, adaptowały się do nowych nisz, dostosowując do nich wielkość ciała, kształt skrzydeł i style lotu, a w znacznie mniejszym stopniu budowę czaszki”.
Tego typu mozaikowość ewolucji, w której różne części ciała zmieniają się w różnym tempie, zachodziła w wielu grupach organizmów, w tym także u człowieka. Ksepka zauważa, że szybka ewolucja głów dinozaurów rogatych wyraźnie kontrastuje z ledwo zauważalnymi zmianami w kośćcu ich kończyn. Tymczasem – mówi – dzisiejsze wróblowe wykazują bardzo małą zmienność kształtów czaszek, ale wyłoniły „cały wachlarz wzorów ubarwienia”.
Goswami uważa jednak, że i inne części szkieletu ptaków mogły podlegać w toku ewolucji stosunkowo powolnym zmianom. U pozostałych dinozaurów zdarzały się dość częste przejścia od czworonożności do dwunożności i odwrotnie, a ich kończyny przednie przystosowywały się wypełniania bardzo różnych funkcji – spojrzymy tylko na groteskowo drobne ręce u tyranozaura w porównaniu z jego potężnymi nogami. Natomiast kiedy ptaki wyspecjalizowały się już w lataniu, a ich ręce przekształciły się w skrzydła, nigdy już właściwie nie doszło u nich do radykalnej zmiany planu budowy, pewnie dlatego, że ptasia kondycja nakładała na nie funkcjonalne i rozwojowe ograniczenia. „Myślę, że przyszłe badania, oparte na równie dużych, jak nasza próbkach, wykażą, że ptaki w ogóle nie dorównywały innym dinozaurom pod względem tempa ewolucji” – mówi Goswami.
Co oczywiście w niczym nie umniejsza ewolucyjnych osiągnięć tej grupy zwierząt. Przeszły one w swych dziejach przez iście piekielne momenty, opanowały przestworza i wyłoniły z siebie nieprzebraną liczbę cudownych stworzeń, z którymi dziś dzielimy tę planetę. W tym ewolucyjnym wyścigu to powolni i wytrwali okazali się zwycięzcami.