Arxiu d'etiquetes: fòssil

Cutting up dinosaur’s evolutionary tree

For more than 130 years dinosaurs have been classified into two distinct orders, the saurischians and the ornithischians. But as it is common in biological sciences, every theory is true until the opposite is proved. A new study has called into question classical dinosaur classification, destroying and redistributing some of the different dinosaur groups. Even if this new hypothesis isn’t 100% sure yet, in this entry we’ll explain what this dinosaur reordering consists in.

TRADITIONAL DINOSAUR CLASSIFICATION

Since the XIX century, dinosaurs have been divided into two large orders based on their hip anatomy. The order Saurischia (lizard-hipped) includes theropods (carnivorous dinosaurs and current birds) and sauropodomorphs (large, long-necked herbivores); the order Ornithischia (bird-hipped) includes ornithopods (herbivorous and duck-billed dinosaurs), marginocephalians (dinosaurs with horns and hardened skulls) and thyreophorans (armored dinosaurs).

732px-Evolution_of_dinosaurs_by_Zureks.svg-min
Traditional dinosaur evolutionary tree by Zureks, with the two different hip morphologies at the bottom.

Yet, this classification doesn’t have the last word. Palaeontology is an extremely volatile science, as with each new discovery, you can dismantle everything you knew at that moment, even if it’s a centenary-old hypothesis. This is what has recently happened with dinosaurs.

THE RISE OF A NEW HYPOTHESIS

A new study published in March 2017, has caused the reconsideration of traditional dinosaur classification. Many previous studies assumed the Saurichia/Ornithischia classification as true and so, the used characters and taxons were all focussed on this classification. However, this new study has pioneered in many aspects:

  • It includes a larger number of species and taxons (many more than in previous investigations).
  • Previous studies gave more importance to basal theropod and sauropodomorph dinosaurs (traditional saurischians), as they were the first dinosaurs to diversify, including few basal ornithischians.
  • It has also included many dinosauromorph archosaurs (non-dinosaur taxons).
  • Older studies had assumed many ornithischian characters to be symplesiomorphies (ancestral characters of all dinosaurs) and they only focused on a few synapomorphies (characters found in a monophyletic group).

This study has detached from many of the previous assumptions on dinosaur phylogeny and has analysed a large number of species and many characters not included in previous investigations. This has made the resulting evolutionary tree pretty different from the ones obtained before.

RESHAPING THE TREE

Then, how does the dinosaur’s evolutionary tree stand according to this hypothesis? Well, the matter is somewhat complex, even if the different groups are still divided in two orders:

  • Order Saurischia which, according to this study, only includes sauropodomorphs and herrerasaurids (a group of carnivorous, non-theropod saurischians).
  • The new order Ornithoscelida (bird-limbed) that includes the traditional ornithischians and theropods, which are no longer saurischians.

Keeping this in mind, let’s now see the characteristics that define these two orders.

Saurischians

The order Saurischia is almost the same, except that theropods are no longer part of this group. This order presents the original saurischian hip structure, which the dinosaurs’ ancestors also had. According to this new hypothesis,  herrerasaurids and sauropodomorphs are all included as saurischians.

Herrerasaurids (Herrerasauridae family) were a small group of basal saurischians that evolved towards meat-eating. That’s why for a long time it was thought that they were the sister-taxon of theropods, but it was later seen that they were found among the first saurischians. Even if they were pretty specialized, they were probably displaced by competition with other predators, appearing during the middle Triassic and becoming extinct at the end of it.

229366767_309c6f9d6e_b-min
Photo by Brian Smith of a Herrerasaurus skeleton and model, from the Field Museum of Natural History of Chicago.

Herrerasaurids occupied a similar ecological niche as theropods. The new hypothesis implies that hypercarnivory (feeding exclusively on meat) evolved independently twice in dinosaurs, which makes some palaeontologist question it. Yet the herrerasaurid and theropod anatomy differed in some aspects, such as the anatomy of their hands (more generalistic in herrerasaurids) and the jaw structure.

The first sauropodomorphs were biped animals just like herrerasaurids, even if they were omnivorous. Yet, sauropodomorphs would end up becoming huge herbivorous quadrupeds with characteristic long necks.

thecodontosaurus-antiquus-skeleton1-min
Thecodontosaurus skeleton (by Qilong), a basal sauropodomorph and a reconstruction of Plateosaurus (from Walters, Senter & Robins) a more advanced one. Even if it cannot be appreciated in this image, sauropodomorphs would increase very their size very much during their evolution (Thecodontosaurus 2 metres, Plateosaurus up to 10 metres).

Ornithoscelidans

The new dinosaur order is Ornithoscelida, which groups theropods with ornithischians. This taxon is supported by more than twenty skeletal synapomorphies (derived characters shared by a clade), present both in basal theropods and ornithischians. Some of these characteristics include the presence of a gap between premaxillar and maxillar teeth (diastema) and the fusion of the ends of the tibia and the fibula into a tibiotarsus (even if these characteristics are only found on the most basal species).

ornithoscelida-min
Scheme from Baron et al. (2017) of the skulls of two basal ornithoscelidans, Eoraptor (a theropod, top) and Heterodontosaurus (an ornithischian, bottom).

Both theropods and the first ornithischians were bipedal animals. Also, the presence of heterodont teeth in the ancestral members of both groups leads us to think that the first ornithoscelidans were omnivorous, which would later specialise in feeding on meat and on plants (theropods and ornithopods respectively).

Daemonosaurus-face-min
Reconstruction of the face of Daemonosaurus, one of the first theropods, by DeadMonkey8984.

A curiosity about the new classification is that accepting Ornithoscelida as a valid taxon, all feathered dinosaurs are put together into one group. Everyone knows that many theropods presented feathers (as they were the ancestors of birds) but, what most people don’t know is that feathers have also been found in some basal ornithischians and in more advanced ones too.

Kulindadromeus_by_Tom_Parker-min
Reconstruction by Tom Parker of Kulindadromeus, a ornithischian which feathers have been proved to be present on most of its body.

KEEP INVESTIGATING

Then, is this hypothesis irrevocable? Well, no of course. Even if it’s pretty tempting to assume that the dinosaur’s natural history has been changed, we cannot say that from now on dinosaurs will be classified this way.

new evolution-min
Dinosaur evolutionary tree according to Baron et al. (2017), in which we can see the different clades; Dinosauria (A), Saurischia (B) and Ornithoscelida (C).

Even if this study shows really interesting results about the origin of dinosaurs, we cannot dismiss hundreds of previous studies about this group of animals. We’ll have to remain alert to new articles that step by step will keep unveiling more information about the relationships between these Mesozoic reptiles. And that’s what’s so stimulating about biology, that there’s nothing sure! And that with new investigation techniques and new discoveries, little by little we learn more about the world around us.

Keep your mind open and keep investigating!

REFERENCES

The following sources have been consulted during the elaboration of this entry:

difusio-angles

Podant l’arbre evolutiu dels dinosaures

Durant més de 130 anys els dinosaures han estat classificats en dos ordres separats, els saurisquis i els ornitisquis. Però com sempre passa en les ciències biològiques, tota teoria és certa fins que es demostra el contrari. Un nou estudi ha posat en entredit la classificació clàssica dels dinosaures, eliminant i redistribuïnt alguns dels diferents grups de dinosaures. Tot i que aquesta nova hipòtesis no és segura al 100%, en aquesta entrada us explicarem en què consisteix aquesta reordenació dels dinosaures.

CLASSIFICACIÓ TRADICIONAL DELS DINOSAURES

Des del segle XIX, els dinosaures s’han dividit en dos grans ordres basats en la estructura de la seva pelvis. L’ordre Saurischia (pelvis de llangardaix) inclou als teròpodes (dinosaures carnívors i ocells actuals) i als sauropodomorfs (grans herbívors de coll llarg); l’ordre Ornithischia (pelvis d’ocell) inclou als ornitòpodes (dinosaures herbívors i amb bec d’ànec), als marginocèfals (dinosaures amb banyes i estructures cranials endurides) i als tireòfors (dinosaures cuirassats).

732px-Evolution_of_dinosaurs_by_Zureks.svg-min
Arbre evolutiu tradicional dels dinosaures per Zureks, amb els dos tipus de pelvis dinosauries a baix.

Tanmateix, aquesta classificació no té l’última paraula. La paleontologia és una ciència extremadament volàtil, ja que amb cada nou descobriment es pot desmuntar tot el que es sabia fins al moment, encara que es tracti d’una hipòtesi centenària. Això és el que ha passat amb els dinosaures recentment.

L’INICI D’UNA NOVA HIPÒTESI

Un nou estudi publicat el març del 2017, ha fet replantejar la classificació tradicional del dinosaures. Molts estudis anteriors assumien com a certa la classificació en Saurischia/Ornithischia tradicional i per tant, els caràcters i els taxons utilitzats ja anaven enfocats en aquesta classificació. En canvi, aquest nou estudi ha estat pioner en varis aspectes:

  • Inclou un gran nombre d’espècies i taxons (molts més que en investigacions anteriors).
  • Estudis anteriors donaven molt més ènfasi en dinosaures teròpodes i sauropodomorfs (saurisquis tradicionals) basals, ja que van ser dels primers grups en diversificar-se, incloent pocs ornitisquis basals.
  • També s’hi han inclòs molts arcosaures dinosauromorfs (taxons no dinosaures).
  • Estudis anteriors havien assumit que molts caràcters dels ornitisquis eren simplesiomòrfics (caràcters ancestrals de tots els dinosaures) i només es centraven en poques sinapomorfies (caràcters compartits per un grup monofilètic).

Aquest estudi s’ha desprès de moltes de les presuposicions anteriors sobre filogènia dinosauria i ha analitzat un gran nombre de espècies i multitud de caràcters no inclosos en investigacions anteriors. Això ha fet que l’arbre evolutiu resultant fos molt diferent dels que s’havien obtingut fins llavors.

RECONSTRUÏNT L’ARBRE

Llavors, com queda l’arbre evolutiu dels dinosaures segons aquesta hipòtesi? Doncs el tema és una mica complicat, tot i que els diferents taxons segueixen quedant dividits en dos ordres:

  • L’ordre Saurischia que, segons l’estudi, només inclou als sauropodomorfs i als herrerasàurids (grup de saurisquis carnívors no teròpodes).
  • El nou ordre Ornithoscelida (potes d’ocell) que inclou als ornitisquis tradicionals i als teròpodes, que deixen de ser saurisquis.

Tenint això en ment, vegem doncs les característiques que defineixen aquests dos grups.

Saurisquis

L’ordre Saurischia es manté pràcticament igual, excepte que els teròpodes es queden fora del grup. Aquest ordre presenta la pelvis d’estructura saurisquia original, com també la presentaven els avantpassats dels dinosaures. Segons la nova hipòtesi, dins dels saurisquis s’hi inclouen els herrerasàurids i els sauropodomorfs.

Els herrerasàurids (família Herrerasauridae) van ser un petit grup de saurisquis basals que van evolucionar cap a una dieta carnívora. Per això durant un temps es pensava que eren el grup germà dels teròpodes, però després es va veure que el seu lloc es trobava entre els primers saurisquis. Tot i estar força especialitzats, probablement la competència amb altres depredadors va fer que no duressin molt de temps, apareixent a mitjans del Triàssic i extingint-se al finals d’aquest període.

229366767_309c6f9d6e_b-min
Foto de Brian Smith d’un esquelet i un model de Herrerasaurus del Field Museum of Natural History de Chicago.

Els herrerasàurids ocupaven un nínxol ecològic similar al dels teròpodes. La nova hipòtesi implica doncs que la hipercanivoria (alimentació exclusivament de carn) va evolucionar independentment dos cops en els dinosaures, cosa que fa que alguns paleontòlegs la posin en dubte. Tanmateix, l’anatomia dels herrerasàurids i dels teròpodes diferia en certs aspectes, com la anatomia de les mans (més generalista en els herrerasàurids) i la estructura de la mandíbula.

Els primers sauropodomorfs eren animals bípedes igual que els herrerasàurids, tot i que aquests eren animals omnívors. Tanmateix, els sauropodomorfs acabarien convertint-se en enormes quadrúpedes herbívors amb colls llarguíssims característics.

thecodontosaurus-antiquus-skeleton1-min
Esquelet de Thecodontosaurus (per Qilong), un sauropodomorf basal i una reconstrucció de Plateosaurus (per Walters, Senter & Robins) un de més avançat. Tot i que en aquesta imatge no s’aprecia, al llarg de la seva evolució, els sauropodomorfs augmentarien molt la seva mida (Thecodontosaurus 2 metres, Plateosaurus fins a 10 metres).

Ornitoscèlids

El nou ordre de dinosaures és Ornithoscelida, que agrupa els teròpodes amb els ornitisquis. Aquest taxó està recolzada per més de vint sinapomorfies (caràcters derivats compartits per un clade) esquelètiques, presents tant en teròpodes com en ornitisquis basals. Algunes d’aquestes característiques inclouen la presència d’una separació entre les dents premaxil·lars i maxil·lars (diastema) i la fusió dels extrems de la tíbia i la fíbula en un tibiotars (tot i que aquests caràcters només es troben en les espècies més basals).

ornithoscelida-min
Esquema de Baron et al. (2017) dels cranis de dos ornitoscèlids basals, Eoraptor (un teròpode, superior) i Heterodontosaurus (un ornitisqui, inferior).

Tant els teròpodes com els primers ornitisquis eren animals bípedes. A més, la presència de dents heterodontes en els membres ancestrals d’ambdós grups fa pensar que els primers ornitoscèlids eren omnívors, els quals després s’especialitzarien en alimentar-se de carn i de vegetació (teròpodes i ornitisquis respectivament).

Daemonosaurus-face-min
Reconstrucció de la cara de Daemonosaurus, un dels primers teròpodes, per DeadMonkey8984.

Una curiositat de la nova classificació és que acceptant a Ornithoscelida com un taxó vàlid, s’agrupen a tots els dinosaures amb plomes en un sol grup. Per tots és sabut que molts teròpodes presentaven plomes (ja que eren els avantpassats dels ocells) però, el que molta gent desconeix és que la presència de plomes també s’ha demostrat en alguns ornitisquis basals i en altres més avançats.

Kulindadromeus_by_Tom_Parker-min
Reconstrucció per Tom Parker de Kulindadromeus, un ornitisqui del qual s’han trobat proves que presentava plomes a gran part del cos.

SEGUIR INVESTIGANT

I llavors, és definitiva aquesta hipòtesi? Doncs no, per descomptat. Tot i que resulta força atractiu dir que s’ha canviat la història natural dels dinosaures per sempre, no podem dir que a partir d’ara els dinosaures es classifiquin d’aquesta manera.

new evolution-min
Arbre evolutiu dels dinosaures segons Baron et al. (2017), on veiem els diferents clades; Dinosauria (A), Saurischia (B) i Ornithoscelida (C).

Encara que aquest estudi mostri resultats interessants sobre l’origen dels dinosaures, no es poden ignorar els centenars d’estudis anteriors que s’han fet sobre aquest grup d’animals. Haurem d’estar atents a nous articles que poc a poc vagin desvelant més informació sobre les relacions entre aquests rèptils mesozoics. I és que això és el més estimulant de la biologia, que no hi ha res segur! I que amb noves tècniques d’estudi i nous descobriments, poc a poc aprenem més sobre el món que ens envolta.

Mantingueu la ment oberta i seguiu investigant!

REFERÈNCIES

S’han consultat les següents fonts durant l’elaboració d’aquesta entrada:

difusio-catala

Tuatara: reintroduction of a living fossil

There’s a reptile in New Zealand whose lineage arose in the time of the dinosaurs. Even if its external appearance is similar to that of a lizard, the tuatara (whose name means “spiny back” in the Maori language) is an animal with many unique characteristics that classify it in an order different from the other reptiles. In this entry we’ll explain the main characteristics of this relic from the past, as interesting as endangered.

ORIGIN AND EVOLUTION

The tuataras are unusual reptiles whose lineage goes back to 240 million years ago, at the middle Triassic. Tuataras are lepidosaurs, yet they form a different lineage from the squamates, and that’s why they are found in their own order, the rhynchocephalians (order Rhynchocephalia). Lots of species flourished during the Mesozoic, even if almost all of them were replaced by squamates. At the end of the Mesozoic only one family survived, the Sphenodontidae.

homoeosaurus-min
Homoeosaurus fossil, an extinct relative of the tuataras. Photo by Haplochromis.

Of all the existing sphenodontids, only tuataras have survived to the present day. Traditionally it was considered that tuataras included two species: the common tuatara (Sphenodon punctatus) and the Brother’s Island tuatara (Sphenodon guntheri), although recent analyses have popularized the idea that the tuatara is only one species, S. punctatus.

TUATARA ANATOMY

As we have already stated, tuataras look externally like a lizard, having a certain resemblance to iguanas. Male tuataras are larger than females, measuring up to 61 cm in length and one kilogramme of weight, while females only measure 45 cm and weigh half a kilo. Tuataras present a spiny crest on their backs which give them their common name. This crest is bigger in males, and can be erected as display.

30-ish_male_tuatara-min
Photo by KeresH of a young male tuatara.

What really distinguishes the tuataras is their internal anatomy. All the other reptiles have modified greatly their skull structure, but tuataras have maintained the original diapsid configuration without most changes. While crocodiles and turtles have developed a sturdy skull, tuataras conserve wide temporal openings, and while squamates have developed flexible skulls and jaws, tuataras keep a rigid cranium. Also, unlike most reptiles, tuataras present no external ears.

tuatara_skull-2-min
Modified image from the drawing by Nobu Tamura of the tuatara skull. In it we can see the main characteristics that distinguish it: 1. Beak-shaped premaxilla, 2. Acrodont teeth, fused to the jaws, 3. Diapsid-like wide temporal openings and 4. Parietal or pineal opening.

The name Rhynchocephalia means “beak head” and it refers to the beak-like structure of their premaxilla. Tuataras are also one of the few reptiles with acrodont teeth, which are fused to the maxilla and the jaw, and are not renewed. Also, they present a unique saw-like jaw movement, moving it forwards and backwards.

Video by YouOriginal, of some captive tuataras feeding. In this video we can appreciate the singular jaw movement.

Finally, one of the more incredible anatomic characteristics of tuataras is that they conserve their parietal or pineal eye. This is a structure reminiscent from the first tetrapods, which connects with the pineal gland and which is involved in the thermoregulation and circadian rhythms. Even if some other animals also keep it, the tuataras present a real third eye, with complete lens, cornea and retina, even if it gets covered with scales as they age.

HABITAT AND BIOLOGY

Tuataras live in some thirty islets in the Cook Strait, between the two main islands of New Zealand. Also, the previously considered species S. guntheri is found on Brother’s Island, in the northwest of South Island. All populations live in coastal forests or scrublands, with loose soils easy to dig. Also, in most of their distribution area there are colonies of sea birds, whose nests are also used by tuataras.

nz_southern_island_forest-min
Photo by Satoru Kikuchi of a typical humid forest of New Zealand.

Compared with most reptiles, tuataras live in relatively cold habitats, with annual temperatures oscillating between 5 to 28°C. Tuataras are mainly nocturnal, usually coming out of their burrows at night, even if sometimes they can be found basking in the sun during the day (especially in winter).

Tuataras have few natural predators. Apart from some introduced animals, only gulls and some birds of prey represent a danger for these reptiles. In contrast, their diet is fairly varied. Being sit-and-wait predators, tuataras feed mainly on invertebrates like beetles, crickets and spiders, even if they are able to predate on lizards, eggs and bird chicks, and even younger tuataras. As their acrodont teeth don’t renew, these get worn down in time, so older individuals usually feed on softer prey like snails and worms.

Tuataras mate between January and March (summer), when the territorial males compete for the females, which will lay around 18-19 eggs between October and December (spring). The sex of the offspring depends on the incubation temperature (males at higher temperatures and females at lower ones). The eggs will hatch after 11-16 months (one of the longest incubation periods of all reptiles), from which young tuataras will be born, who will avoid the cannibalistic adults being active mainly during the day.

Unique video of the birth of a tuatara at the Victoria University of Wellington. The translucent mark on the little tuatara’s head corresponds to the parietal eye.

As we can see based on their long incubation period, tuataras develop slowly. These reptiles do not reach sexual maturity until the age of 12, and they keep growing. Also, tuataras are extremely long-lived animals, living up to more than 60 years in the wild. In captivity they can live more than 100 years.

CONSERVATION AND THREATS

Before the arrival of man, the tuataras were present in both main islands of New Zealand and many more islets. When the first European settlers arrived, tuataras were already only found in about 32 little islands. It’s believed that the extinction of tuataras from the main islands was due to habitat destruction and to the introduction of foreign mammals like rats. Other threats include the low genetic diversity caused by isolation of the different populations and climate change, which can affect the sex of the offspring.

north_island_map_tuatara-min
Current distribution map of the tuataras. The squares correspond to the old species Sphenodon guntheri, now considered a population of S. punctatus.

When the first human settlers arrived in the isles, it is thought that 80% of New Zealand was covered in forests. When the first Polynesian tribes came around the year 1250, they caused the deforestation of more than half the archipelago. Centuries later, with the arrival of Europeans, deforestation intensified even more, up to the current situation, with only 23% of the original forest still preserved.

pacific_rat-min
Photo by Cliff of a Pacific rat (Rattus exulans), one of the main threats for the tuataras.

The introduction of foreign mammals has been one of the main factors of the recent decline of tuataras, especially the introduction of the Pacific rat (Rattus exulans). This rodent has affected the populations of both tuataras and many of New Zealand’s endemic bird species. In studies on coexisting populations of tuataras and rats, it has been observed that rats, apart from preying on eggs and hatchlings, also compete with adult tuataras for resources. With an extremely slow life cycle, tuataras can’t recover from this impact.

8321043716_a91acb9691_o-min
Photo by Br3nda of a reintroduced and tagged tuatara.

Yet, tuataras are currently classified as “least concern” in the IUCN red list. This is thanks to the great efforts of conservation groups that have contributed to the recovery of this species. One of the main tasks has been the eradication of the Pacific rat from the main island where tuataras live. In order to do that, a titanic effort was made in many islets where entire populations of tuataras were captured to participate in captive breeding programs, while the rats were eliminated from these islands. After their main threat was eradicated, all the captured individuals and their captive-born offspring were released in their natural habitat so they could live without such a fierce competitor.

Video by Carla Braun-Elwert, about the breeding success of an old tuatara couple.

Currently, the wild tuatara population is estimated to be between 60.000 and 100.000 individuals. It can be said that this living fossil, which was on the brink of extinction after millions of years of existence, received a second opportunity to keep inhabiting the incredible islands of New Zealand. We hope that in the future, we can keep enjoying the existence of these reptiles, the only survivors of a practically extinct lineage, for many more centuries.

REFERENCES

The following sources have been consulted during the elaboration of this entry:

difusio-angles

Tuatara: reintroducció d’un fòssil vivent

A Nova Zelanda existeix un rèptil el llinatge del qual va sorgir a l’època dels dinosaures. Encara que externament s’assembla a un llangardaix, el tuatara (el nom vol dir “esquena espinosa” en llengua maorí) és una animal amb moltes característiques úniques que fan que se’l classifiqui en un ordre propi separat de la resta de rèptils. En aquesta entrada us explicarem les principals característiques d’aquesta relíquia del passat tant interessant com amenaçada.

ORIGEN I EVOLUCIÓ

Els tuatares són rèptils inusuals el llinatge dels quals es remonta a fa 240 milions d’anys, a meitats del període Triàssic. Els tuatares són lepidosaures, tot i que formen un llinatge diferent al dels escamosos, pel que es troben en un ordre propi, els rincocèfals (ordre Rhynchocephalia). Moltes espècies es van diversificar durant el Mesozoic, tot i que pràcticament totes foren reemplaçades pels escamosos. A finals del Mesozoic només quedava una família, els Sphenodontidae.

homoeosaurus-min
Fòssil de Homoeosaurus, un parent extingit dels tuatares. Foto de Haplochromis.

De tots els esfenodòntids que van existir, només els tuatares han sobreviscut fins a l’actualitat. Tradicionalment es considerava que els tuatares incloïen dues espècies: el tuatara comú (Sphenodon punctatus) i el tuatara de la illa Brothers (Sphenodon guntheri), encara que anàlisis recents han popularitzat la idea de que el tuatara és una única espècie, S. punctatus.

ANATOMIA DEL TUATARA

Com ja hem comentat, els tuatares s’assemblen externament a un llangardaix, tenint certa semblança amb les iguanes. Els mascles de tuatara són més grans que les femelles, arribant als 61 cm de longitud i el quilo de pes, mentres que aquestes només arriben als 45 cm i el mig quilo. Els tuatares presenten una filera d’espines al dors que els confereix el seu nom comú. Aquestes és més gran en els mascles, i es pot eriçar per a exhibir-se.

30-ish_male_tuatara-min
Foto feta per KeresH d’un mascle jove de tuatara.

El que realment distingeix als tuatares és la seva anatomia interna. La resta de rèptils han modificat molt l’estructura del seu crani, però els tuatares han conservat la estructura diàpsida original sense molts canvis. Mentres que cocodrils i tortugues han desenvolupat cranis massissos, els tuatares conserven àmplies obertures temporals, i encara que els escamosos han desenvolupat cranis i mandíbules molt flexibles, els tuatares mantenen un crani rígid. A més, a diferència de la majoria de rèptils, els tuatares no presenten oïdes externes.

tuatara_skull-2-min
Imatge modificada del dibuix de Nobu Tamura sobre el crani del tuatara. En aquest hi veiem les principals característiques que el distingeixen: 1. Premaxil·lar en forma de bec, 2. Dents acrodonts fusionats a les mandíbules, 3. Àmplies obertures temporals típicament diàpsides i 4. Obertura parietal o pineal.

El nom Rhynchocephalia vol dir “cap de bec” i fa referència a l’estructura de bec del premaxil·lar. Els tuatares també són dels pocs rèptils amb dents acrodonts, els quals es troben fusionats al maxilar i la mandíbula y no es renoven. A més, presenten un moviment mandibular únic tipus serra, movent la mandíbula endavant i enrera.

Vídeo de YouOriginal, d'uns tuatares en captivitat alimentant-se. En aquest vídeo podem apreciar el moviment singular de la mandíbula.

Finalment, una de les característiques anatòmiques més increïbles dels tuatares és que aquests conserven el ull parietal o pineal. Aquesta, és una estructura reminiscent dels primers tetràpodes, conectada amb la glàndula pineal i que està involucrada en la regulació de la temperatura i els ritmes circadians. Encara que alguns altres animals també el conserven, els tuatares presenten un autèntic tercer ull, amb una retina i cristal·lí complets, encara que aquest es va cobrint d’escates amb l’edat.

HÀBITAT I BIOLOGIA

Els tuatares viuen en uns trenta illots a l’estret de Cook, entre les dues illes principals de Nova Zelanda. A més, l’antiga espècie S. guntheri es troba a l’illa de Brothers, a la part nord-oriental de illa Sur. Totes les poblacions viuen en zones boscoses o de matollar costaneres, amb terres tous on poden excavar. A més, a gran part de la seva àrea de distribució existeixen colònies d’aus marines, els nius de les quals són aprofitats pels tuatares.

nz_southern_island_forest-min
Foto de Satoru Kikuchi d’un típic bosc neozelandès.

Comparats amb la majoria de rèptils, els tuatares viuen en hàbitats relativament freds, amb temperatures anuals que oscil·len entre els 5 i els 28°C. Els tuatares són principalment nocturns, sortint dels seus caus normalment de nit, tot i que a vegades se’ls pot trobar prenent el sol a ple dia (especialment a l’hivern).

Els tuatares tenen pocs depredadors naturals. A part d’alguns animals introduïts, només les gavines i algunes aus de presa presenten un perill per aquests rèptils. La seva dieta, en canvi, és bastant variada. Sent depredadors que esperen a que les seves preses passin per davant seu, els tuatares s’alimenten principalment d’invertebrats com escarabats, grills i aranyes, tot i que poden arribar a depredar petits llangardaixos, ous i pollets d’aus, i fins i tot tuatares més petits. Com que les seves dents acrodontes no es renoven, aquestes es van desgastant al cap del temps, pel qual els exemplars més vells solen alimentar-se de preses més toves com cargols i cucs.

Els tuatares es reprodueixen entre gener i març (estiu), moment en el que els territorials mascles competeixen per les femelles, les quals pondràn uns 18-19 ous entre l’octubre i el desembre (primavera). El sexe de les cries dependrà de la temperatura d’incubació (mascles a temperatures més altes, femelles a més baixes). Els ous eclosionaran al cap de 11-16 mesos (un dels temps d’incubació més llargs de tots els rèptils), dels quals sortiran petits tuatares que evitaran als adults caníbals sent principalment diürns.

Vídeo únic del naixement d’un tuatara a la Victoria University de Wellington. La marca translúcida del cap del petit tuatara correspòn a l'ull parietal.

Com ja hem vist pel seu llarg període d’incubació, els tuatares es desenvolupen lentament. Aquests rèptils no arribaran a la maduresa sexual fins passats els 12 anys, tot i que segueixen creixent a partir de llavors. A més, els tuatares són animals molt longeus, arribant a viure més de 60 anys en estat salvatge. En captivitat poden arribar a superar els 100 anys d’edat.

CONSERVACIÓ I AMENACES

Abans de l’arribada de l’home, els tuatares estaven presents a les dues illes principals de Nova Zelanda i en molts més illots. Quan els colons europeus van arribar, els tuatares ja només es trobaven a unes 32 petites illes. Es creu que la desaparició dels tuatares de les illes principals es deu principalment a la destrucció de l’hàbitat i a la introducció de mamífers foranis com les rates. Altres amenaces són la baixa diversitat genètica per l’aïllament de les diferents poblacions i el canvi climàtic, que pot afectar al sexe de la descendència.

north_island_map_tuatara-min
Mapa de la distribució actual dels tuatares. Els quadrats corresponen a l’antiga espècie Sphenodon guntheri, ara considerada una població de S. punctatus.

Quan l’ésser humà arribà a les illes, es creu que el 80% de Nova Zelanda estava coberta de boscos. Amb l’arribada de les primeres tribus polinèsies cap a l’any 1250, començà la deforestació de més de la meitat de l’arxipèlag. Segle després, amb l’arribada dels europeus, aquesta deforestació s’intensificà encara més, fins a la situació actual, que només es conserva el 23% del bosc original.

pacific_rat-min
Foto de Cliff d’una rata del Pacífic (Rattus exulans), una de les principals amenaces pels tuatares.

La introducció de mamífers foranis ha sigut un dels principals factors de declivi dels tuatares a l’actualitat, en especial la introducció de la rata del Pacífic (Rattus exulans). Aquest rosegador ha afectat a les poblacions, no només de tuatares, sinó també les de moltes espècies d’aus endèmiques de Nova Zelanda. En estudis de convivència entre les rates i els tuatares, s’ha observat que les rates, a més de depredar els ous i juvenils, també competeixen amb els tuatares adults pels recursos. Amb un cicle vital tant lent, els tuatares no poden recuperar-se d’aquest impacte.

8321043716_a91acb9691_o-min
Foto de Br3nda d’un tuatara reintroduït i marcat.

Tot i així, actualment els tuatares estàn classificat com sota “preocupació menor” a la llista roja de la IUCN. Això és gràcies als grans esforços de grups conservacionistes que han contribuït a la recuperació d’aquesta espècie. Una de les principals tasques ha estat la eliminació de la rata del Pacífic de les principals illes on habiten els tuatares. Per a això, es realitzà un esforç titànic en moltes illes en les que es van capturar poblacions senceres de tuatares per a la reproducció en captivitat, mentres s’eliminava a les rates d’aquests illots. Un cop eliminada la seva principal amenaça, tots els individus capturats i els seus descendents nascuts en captivitat van ser tornats als seus hàbitats naturals per a que poguéssin viure sense aquest ferotge competidor.

Vídeo de Carla Braun-Elwert, sobre l'èxit reproductor d’una vella parella de tuatares.

Actualment, la població salvatge de tuatares s’estima entre els 60.000 i els 100.000 individus. Es pot dir que aquest fòssil vivent, que va estar a punt de desaparèixer després de milions d’anys d’existència, va rebre una segona oportunitat per a seguir habitant les increïbles illes neozelandeses. Esperem que en el futur, poguem seguir disfrutant de l’existència d’aquest rèptils, únics supervivents d’un llinatge pràcticament extingit, per molts segles més.

REFERÈNCIES

S’han consultat les següents fonts durant l’elaboració d’aquesta entrada:

difusio-catala

Shell evolution with just four fossil turtles

Turtles are charming animals yet, while they look cute to most people, they’ve been racking the brains of palaeontologists for decades. The combination of apparently primitive features and an extremely specialized anatomy, has made the reconstruction of the origin and evolution of these reptiles a nearly impossible task. In this entry we’ll try to get a general idea about the evolution of one of the most striking characteristics of turtles (the shell) with only four examples of primitive “turtles”.

CURRENT AND EXTINCT RELATIVES

As we explained in an earlier entry, the origin of turtles is still debated among the scientific community. Turtles show some anatomic characteristics not found among any current vertebrate, which makes their phylogenetic origin confusing. One of the characteristics that has puzzled palaeontologist more is their skull.

caretta_carettazz-min
Skull of a loggerhead sea turtle (Caretta caretta) in which we can see the lack of temporal openings. Photo by David Stang.

While the rest of reptiles are diapsid (they present a pair of temporal openings at each side of the skull), turtles present a typically anapsid cranium (without any temporal openings). Yet, recent genomic studies have proved that it’s more likely that testudines (order Testudines, current turtles) descend from a diapsid ancestor and that through their evolution they reverted back to the primitive anapsid form. What is not so clear is if turtles are more closely related to lepidosaurs (lizards, snakes and tuataras) or to archosaurs (crocodiles and birds). The most accepted hypothesis is the second one.

Even if the origins of the testudines are still somewhat mysterious, most palaeontologists coincide in that they belong to the clade Pantestudines, which groups all those species more closely related to turtles than to any other animal. A group of reptiles that are also found inside the pantestudines are the sauropterygians like plesiosaurs and placodonts.

plesiosaurus_3db-min
Reconstruction by Dmitry Bogdanov of the sauropterygian Plesiosaurus, a distant relative of turtles.

EVOLUTION OF TESTUDINES

The rest of pantestudines help us to form an image of how turtles acquired such a specialized anatomy. But first, take a look at some of the characteristics of turtles:

  • A shell made up of two parts: the upper shell (carapace) which comes from the fusion of the vertebrae and the dorsal ribs and the lower shell (plastron) that originates from ventral ribs called “gastralia” (still present in some current reptiles).
  • While the rest of vertebrates present the scapula over their ribs, the turtle’s ribs (their carapace) cover the scapula.
  • The ability to hide their heads and limbs in their shells.
  • The absence of teeth; having instead horny ridges in their jaws.

As we’ll see, these characteristics were acquired very gradually.

8374089715_ed63b95c7d_o-min
The carapace of a dead turtle, in which we can see how the ribs fuse with the vertebrae to form the shell. Photo by Fritz Flohr Reynolds.

Even if their relationship with turtles isn’t still very clear, Eunotosaurus africanus is the most ancient candidate to being a turtle’s relative. Eunotosaurus was a fossorial animal that lived 260 million years ago in South Africa. This animal had very wide dorsal ribs which contacted each other, which is thought to have served as an anchoring point for powerful leg muscles, used while digging. Also, similarly to current turtles, Eunotosaurus had lost the intercostal muscles and presented a reorganization of the respiratory musculature.

eunotosaurus-min
Fossil of Eunotosaurus, in which the characteristically wide ribs can be seen. Photo by Flowcomm.

The oldest indisputable relative of turtles is Pappochelys rosiane from Germany (240 million years ago). The name “Pappochelys” literally means “grandfather turtle” as, before the discovery of Eunotosaurus it was the oldest turtle relative. Just like Eunotosaurus, it presented wide dorsal ribs in contact with each other. Also, its ventral ribs were already wider and thicker and its scapular girdle was placed below the dorsal ribs.

pappo_skelett
Drawing by Rainer Schoch of the skeleton of Pappochelys in which we can see some of its characteristics. It is believed that Pappochelys was a semiaquatic animal that swam with the aid of its long tail.

The next step in the evolution of turtles is found 220 million years ago, during the late Triassic in China. Its name is Odontochely semitestacea, which means “toothed turtle with half a shell”. This name is due to the fact that, unlike true turtles, Odontochelys still had a mouth full of teeth and it only presented the lower half of the shell, the plastron. Even if it also had thick dorsal ribs, only paleontological proofs of the plastron have been found. Odontochelys was discovered in freshwater deposits, leads us to believe that at first it only developed the plastron to protect itself from predators attacking from below.

odontochelys_bw-min
Reconstruction by Nobu Tamura of Odontochelys semitestacea. It’s not considered to be a true turtle due to the fact that it only had half a shell.

The first testudine known to possess a complete shell is Proganochelys quenstedti from the Triassic period, 210 million years ago. It already presented many characteristics found in current turtles: the shell was completely formed, with carapace and plastron, its skull was anapsid looking and it had no teeth. However, Proganochelys wasn’t able to retract its head and legs inside its shell (even if this may be because of the horns it had). It also presented two extra shell pieces at both sides, which probably served to protect its legs.

proganochelys_model-min
Reconstruction of Proganochelys from the Museum am Lowentor of Stuttgart. Photo by Ghedoghedo.

PRESENT DAY TURTLES

The order Testudines as we know it, appeared around 190 million years ago, during the Jurassic period. These current turtles are classified into two different suborders, which both separated quickly at the beginning of the evolution of testudines:

Suborder Pleurodira: This suborder is the smallest one as it only contains three current families, all native from the southern hemisphere. The main characteristic is the form in which they retract their neck laterally inside their shell, which leaves the neck exposed and makes the cervical vertebrae present a characteristic shape (Pleurodira roughly means “side neck”). Also, pleurodirans present 13 scutes in their plastrons.

chelodina_longicollis_1-min
Photo by Ian Sutton of an eastern long-necked turtle (Chelodina longicollis), a typical pleurodiran.

Suborder Cryptodira: Cryptodirans comprise most turtles. While pleurodirans only include freshwater species (as the testudines common ancestor is thought to be), criptodirans include freshwater terrapins, terrestrial tortoises and sea turtles. Apart from only presenting between 11 and 12 scutes in their plastrons, their principal characteristic is the ability to retract their neck and to hide their heads completely in their shell (Cryptodira roughly means “hidden neck”). Cryptodirans are found in practically all the continents and oceans (except in the coldest habitats).

alabama_red-bellied_turtle_us_fws_cropped-min
Photo of an Alabama red-bellied turtle (Pseudemys alabamensis) by the U.S. Fish and Wildlife Service. In this photo we can see how cryptodirans hide their heads.

Even if there still are some questions to be answered about the evolution of turtles, we hope that with this little introduction to some of the most characteristic fossil “turtles”, you have had an overall view about how turtles got their shells. Whatever their origins are, we hope that the apparition of men isn’t what puts an end to the history of this group of slow but steady creatures.

REFERENCES

The following sources have been consulted during the elaboration of this entry:

difusio-angles

Evolució de la closca amb només quatre tortugues fòssils

Les tortugues són animals simpàtics que, tot i que resulten adorables per a la majoria de gent, porten de cap als paleontòlegs des de fa molt de temps. La combinació de característiques considerades primitives amb una anatomia especialment derivada, ha fet que l’origen i evolució d’aquests rèptils hagin sigut quasi impossibles de reconstruir. En aquesta entrada intentarem fer-nos una idea sobre com es va desenvolupar una de les principals característiques de les tortugues (la closca) amb només quatre exemples de “tortugues” primitives.

PARENTS ACTUALS I EXTINGITS

Com ja vam explicar en una entrada anterior, l’origen dels testudinis encara és tema de debat dins la comunitat científica. Les tortugues presenten algunes característiques anatòmiques úniques entre els vertebrats actuals que fan que es pugui confondre el seu origen filogenètic. Una de les característiques que més ha confós als paleontòlegs és el seu crani.

caretta_carettazz-min
Crani de tortuga careta (Caretta caretta) en el que podem veure la manca d’obertures temporals. Foto de David Stang.

Mentre que la resta de rèptils són diàpsids (presenten dues obertures temporals a cada costat del crani), les tortugues presenten un crani típicament anàpsid (sense cap obertura temporal). Tot i així, estudis genòmics recents han demostrat que molt probablement els testudinis (ordre Testudines, les tortugues actuals) descendeixen d’un avantpassat amb un crani i que al llarg de la seva evolució van revertir a la forma anàpsida primitiva. El que no està tant clar és si les tortugues estan més emparentades amb els lepidosaures (llangardaixos, serps i tuàtares) o amb els arcosaures (cocodrils i aus). La hipòtesi més acceptada és la segona.

Tot i que els origens dels testudinis encara són una mica misteriosos, la majoria de paleontòlegs coincideixen en que aquests es troben dins del clade Pantestudines, el qual agrupa a totes aquelles espècies més emparentades amb les tortugues que amb qualsevol altre animal. Un grup de rèptils que també es troben dins dels pantestudins són els sauropterigis com els plesiosaures i els placodonts.

plesiosaurus_3db-min
Reconstrucció de Dmitry Bogdanov del sauropterigi Plesiosaurus, un parent llunyà de les tortugues.

EVOLUCIÓ DELS TESTUDINIS

La resta de pantestudins ens ajuden a formar una imatge de com les tortugues van adquirir una anatomia tant especialitzada. Però primer, mirem algunes de les característiques de les tortugues:

  • Una closca formada per dues parts: la meitat dorsal (espàldar) que prové de la fusió de les vèrtebres i les costelles dorsals i la meitat ventral (plastró) que prové de unes costelles ventrals anomenades “gastralia” (presents en alguns rèptils actuals).
  • Mentre que la resta de vertebrats presentem l’escàpula per sobre les costelles, les costelles de les tortugues (la seva closca) es troben cobrint l’escàpula.
  • La habilitat d’amagar el cap i les potes dins la closca.
  • La absència de dents; en canvi presenten becs còrnis.

Com veurem, la adquisició d’aquestes característiques es va donar molt gradualment.

8374089715_ed63b95c7d_o-min
Espàldar d’una tortuga morta, on veiem com les costelles es fusionen amb les vèrtebres per a formar la closca. Foto de Fritz Flohr Reynolds.

Tot i que encara no està clar la seva relació exacta amb les tortugues, Eunotosaurus africanus és el candidat a parent de les tortugues més antic. El Eunotosaurus era un animal fossorial que visqué fa 260 milions d’anys a Sudàfrica. Aquest animal tenia unes costelles dorsals molt amples i en contacte amb elles, cosa que es creu que servia de punt d’anclatge per als potents músculs de les potes davanteres, utilitzats mentre excavava. A més, de forma semblant a les tortugues actuals, Eunotosaurus havia perdut els músculs intercostals i presentava una reorganització de la musculatura respiratòria.

eunotosaurus-min
Fòssil de Eunotosaurus, on s’aprecien les costelles amples característiques. Foto de Flowcomm.

El parent indiscutible més antic de les tortugues és Pappochelys rosinae d’Alemanya (fa 240 milions d’anys). El nom “Pappochelys” vol dir literalment “tortuga avi”, ja que abans del descobriment de Eunotosaurus era el parent més antic d’aquestes. Igual que Eunotosaurus, presentava les costelles dorsals amples i en contacte entre elles. A més, les seves costelles ventrals ja eren més amples i gruixudes i la seva cintura escapular es situava sota les costelles dorsals.

pappo_skelett
Dibuix de Rainer Schoch de l’esquelet de Pappochelys on es poden veure algunes de les seves característiques. Es creu que Pappochelys era un animal semiaquàtic que nedava impulsat per la seva llarga cua.

El següent pas en l’evolució de les tortugues el trobem fa 220 milions d’anys, a la segona meitat del Triàssic de Xina. El seu nom és Odontochelys semitestacea, cosa que vol dir “tortuga dentada amb mitja closca”. Aquest nom es dèu al fet que, a diferència de les tortugues autèntiques, Odontochelys tenia una boca amb dents i només presentava la part ventral de la closca, el plastró. Tot i que també tenia les costelles dorsals amples, només s’han trobat proves de la presència de plastró. Odontochelys va ser descobert en dipòsits d’aigua dolça, de manera que sembla plausible que desenvolupés primer un plastró per protegir-se de depredadors que l’ataquéssin de sota.

odontochelys_bw-min
Reconstrucció de Nobu Tamura d’Odontochelys semitestacea. El fet de que només presentés mitja closca fa que no se’l consideri una tortuga autèntica.

El primer conegut testudini amb una closca completa és Proganochelys quenstedti del Triàssic, fa 210 milions d’anys. Aquest ja presentava moltes de les característiques de les tortugues actuals: la closca estava completament formada, amb espàldar i plastró, el seu crani era de configuració anàpsida i no presentava dents. No obstant això, Proganochelys no era capaç d’amagar el cap i les potes dins de la closca (tot i que això potser es devia a les banyes que presentava). A més, presentava dues peces de la closca extra als costats d’aquesta, que probablement servien per protegir les potes.

proganochelys_model-min
Reconstrucció de Proganochelys del Museum am Lowentor de Stuttgart. Foto de Ghedoghedo.

TORTUGUES D’AVUI EN DIA

L’ordre dels Testudines tal i com els coneixem avui, va aparèixer fa uns 190 milions d’anys, durant el Juràssic. Aquestes tortugues actuals es classifiquen en dos subordres diferents, els quals es van separar molt ràpidament al principi de l’evolució dels testudinis:

Subordre Pleurodira: Aquest subordre és el més petit ja que només conté tres famílies actuals, totes natives de l’hemisferi sud. La principal característica és la forma en que amaguen el cap lateralment a dins la closca, cosa que fa que part del coll quedi exposat i que les vèrtebres cervicals tinguin una forma característica (Pleurodira vol dir aproximadament, “coll de costat”). A més, els pleurodirs presenten 13 escuts al plastró.

chelodina_longicollis_1-min
Foto d’Ian Sutton d’una tortuga de coll de serp australiana (Chelodina longicollis), un pleurodir típic.

Subordre Cryptodira: Els criptodirs comprenen a la gran majoria de tortugues. Mentre que els pleurodirs només presenten espècies d’aigua dolça (com es creu que era l’avantpassat comú dels testudinis), els criptodirs inclouen espècies aquàtiques, però també terrestres i marines. Apart de presentar només entre 11 i 12 escuts als plastró, la seva característica principal és la capacitat de retraure el coll i per tant amagar el cap completament dins la closca (Criptodira vol dir aproximadament, “coll amagat”). Els criptodirs es troben pràcticament a tots els continents i a tots els oceans (excepte en els hàbitats més freds).

alabama_red-bellied_turtle_us_fws_cropped-min
Tortuga de ventre vermell d’Alabama (Pseudemys alabamensis), de la U.S. Fish and Wildlife Service. En aquesta foto veiem com amaguen el cap els criptodirs.

Tot i que encara queden preguntes per respondre sobre l’evolució de les tortugues, esperem que amb aquesta petita introducció a algunes de les “tortugues” fòssils més característiques us hàgiu fet una idea de com les tortugues van aconseguir la closca. Siguin quins siguin els seus orígens, esperem que l’aparició de l’home no sigui el que posi fi a la història d’aquest grup d’animals lent però constant.

REFERÈNCIES

Durant l’elaboració d’aquesta entrada s’han consultat les següent fonts:

difusio-catala

Knowing fossils and their age

In All You Need Is Biology we often make reference to fossils to explain the past of living beings. But what is exactly a fossil and how is it formed? Which is the utility of fossils? Have you ever wondered how science knows the age of a fossil? Read on to find out!

WHAT IS A FOSSIL?

If you think of a fossil, surely the first thing that comes to your mind is a dinosaur bone or a petrified shell that you found in the forest, but a fossil is much more. Fossils are remnants (complete or partial) of  living beings that have lived in the past (thousands, millions of years) or traces of their activity that are preserved generally in sedimentary rocks. So, there are different types of fossils:

  • Petrified and permineralized fossils: are those corresponding to the classical definition of fossil in which organic or hollow parts are replaced with minerals (see next section). Its formation can leave internal or external molds in which the original material may disappear.

    cangrejo herradura, fósil, cosmocaixa, mireia querol rovira, horseshoe crab
    Petrified fossil of horseshoe crab and its footsteps. CosmoCaixa. Photo: Mireia Querol Rovira
  • Ichnofossils (trace fossils): traces of the activity of a living being that are recorded in the rock and give information about the behavior of the species. They may be changes in the environment (nests and other structures), traces (footprints), stools (coprolites -excrements-, eggs …) and other traces such as scratches, bites…
    Cosmocaixa, huevos, dinosaurio, nido, mireia querol rovira
    Dinosaur eggs (nest). CosmoCaixa. Photo: Mireia Querol Rovira

    coprolitos, cosmocaixa, excrementos fósiles, mireia querol rovira
    Coprolites, CosmoCaixa. Photo: Mireia Querol Rovira
  • Amber: fossilized resin of more than 20 million years old. The intermediate state of amber is called copal (less than 20 million years) old. The resin, before becoming amber can trap insects, arachnids, pollen… in this case is considered a double fossil.

    Pieza de ámbar a la lupa con insectos en su interior. CosmoCaixa. Foto: Mireia Querol Rovira
    Piece of amber with insects inside, CosmoCaixa. Photo: Mireia Querol Rovira
  • Chemical fossils: are fossil fuels like oil and coal, which are formed by the accumulation of organic matter at high pressures and temperatures along with the action of anaerobic bacteria (bacteria that don’t use oxygen for metabolism).
  • Subfossil: when the fossilization process is not completed the remains are known as subfossils. They don’t have more than 11,000 years old. This is the case of our recent ancestors (Chalcolithic).

    Ötzi a subfossil. It is Europe’s oldest natural mummy. He lived during the Chalcolithic (Copper Age) and died 5300 years ago. Photo: Wikimedia Commons
  • Living fossils: name given to today’s living organisms very similar to species extinct. The most famous case is the coelacanth, it was believed extinct for 65 million years until it was rediscovered in 1938, but there are other examples such as nautilus.

    ammonites, nautilus, cosmocaixa, fósil, mireia querol rovira
    Comparison between the shell of a current nautilus (left) with an ammonite of millions of years old (right). CosmoCaixa. Photo: Mireia Rovira Querol
  • Pseudofossils: are rock formations that seem remains of living beings, but in reality they are formed by geological processes. The best known case is pyrolusite dendrites that seem plants. 
Infiltraciones de priolusita en piedra calcárea. CosmoCaixa. Foto: Mireia Querol
Pirolusita infiltrations in limestone. CosmoCaixa. Photo: Mireia Querol

Obviously fossils became more common after the appearance of hard parts (shells, teeth, bones …), 543 million years ago (Cambrian Explosion). The fossil record prior to this period is very scarce. The oldes tknown fossils are stromatolites, rocks that still they exist today formed by the precipitation of calcium carbonate because of the activity of photosynthetic bacteria.

The science of fossils is Paleontology.

stromatolite, estromatòli, estromatolito, mireia querol rovira, fossil, fósil
Stromatolite 2,800 million years old, Australian Museum. Photo: Mireia Querol Rovira

HOW A FOSSIL IS FORMED?

The fossilization can occur in five ways:

  • Petrifaction: is the replacement of organic material by minerals from the remains of a living being buried. An exact copy of the body is obtained in stone. The first step of petrificationis  permineralizationthe pores of the body are filled with mineral but organic tissue is unchanged. It is the most common method of fossilized bones).
  • Gelling: the body becomes embedded in the ice and don’t suffer transformations .
  • Compression : the dead body is on a soft layer of soil, such as clay, and is covered by layers of sediment .
  • Inclusion : organisms trapped in amber, or petroleum .
  • Impression: organisms leave impressions in the mud and the trace is preserved until the clay hardens.
    Fossilization processes and resulting fossils. Unknown author

    UTILITY OF FOSSILS

  • Fossils give us information on how living things were in the past, resulting in evidence of the biological evolution and help to establish the lineages of living things today.
  • Allow analyzing of cyclical phenomena such as climate change, atmosphere-ocean dynamics and even orbital perturbations of the planets.
  • Those who are of a certain age can be use to date the rocks in where they are found (guide fossils).
  • They give information of geological processes such as the movement of the continents, the presence of ancient oceans, formation of mountains…
  • The chemical fossils are our main source of energy .
  • They give climate information from the past, for example, studying the growth of rings in fossilized trunks or deposition of organic matter in the glacial varves.
    mireia querol rovira, tronco fósil, xilópalo, AMNH
    Fossil trunks where growth rings are observed. American Museum of Natural History. Photo: Mireia Querol Rovira

    DATING FOSSILS

    To determine the age of fossils there are indirect methods (relative dating) and direct (absolute dating). As there is no perfect method and accuracy decreases with age, the sites are often dated with more than one technique.

    RELATIVE DATING

    The fossils are dated according to the context in which they are found, if they are associated with other fossils (guide fossils) or objects of known age and it depends on the stratum they are found.

    In geology, stratums are different levels of rocks that are ordered by their depth: according to stratigraphy, the oldest ones are found at greater depths, while the modern ones are more superficial, as the sediments have not had much time to deposit on the substrate. Obviously if there are geological disturbances dating would be wrong if there were only this method.

    stratigraphic chart fossils
    Stratigraphic timescale. Picture: Ray Troll

    ABSOLUTE DATING

    This methods are more accurate and are based on the physical characteristics of matter.

    RADIOMETRIC DATING

    They are based on the rate of decay of radioactive isotopes in rocks and fossils. Isotopes are atoms of the same element but with different number of neutrons in their nuclei. Radioactive isotopes are unstable, so they are transformed into a more stable ones at a rate known to scientists emitting radiation. Comparing the amount of unstable isotopes to stable in a sample, scientits can estimate the time that has elapsed since the fossil or rock formed.

    Carbon 14 cycle. Unknown author
    Carbon-14 cycle. Unknown author
  • Radiocarbon (Carbon-14): in living organisms, the relationship between C12 and C14 is constant, but when they die, this relationship changes: the uptake of C14 stops and decay with a descomposing rate of 5730 years. Knowing the difference between C12 and C14 of the sample, we can date when the organism died. The maximum limit of this method are 60,000 years, therefore only applies to recent fossils.
  • Aluminum 26-Beryllium 10: it has the same application as the C14, but has a much greater decaying period, allowing  datings up to 10 datings millions of years, and even up to 15 million years.
  • Potassium-Argon (40K/40Ar): is used to date rocks and volcanic ash older than than 10,000 years old. This was the method used to date the Laetoli footprints, the first traces of bipedalism of our lineage left by Australopithecus afarensis.
  • Uranium Series (Uranium-Thorium): various techniques with uranium isotopes. They are sed in mineral deposits in caves (speleothems) and in calcium carbonate materials (such as corals).
  • Calcium 41: allows to date bones in a time interval from 50,000 to 1,000,000 years .

PALEOMAGNETIC DATING

The magnetic north pole has changed throughout the history of Earth and its geographical coordinates are known in different geological eras.

Some minerals have magnetic properties and are directed towards the north magnetic pole when in aqueous suspension, for example clays. But when laid on the ground, they are fixed to the position that the north magnetic pole was at the time. If we look at what coordinates are oriented such minerals at the site, we can associate it with a particular time.

Deposición de partículas magnéticas orientadas hacia el polo norte magnético. Fuente: Understanding Earth, Press and Seiver, W.H. Freeman and Co.
Deposition of magnetic particles oriented towards the magnetic north pole. Source: Understanding Earth, Press and Seiver, W.H. Freeman and Co.

This dating is used on clay remains and as the magnetic north pole has been several times in the same geographical coordinates, you get more than one date. Depending on the context of the site, you may discard some dates to reach a final dating.

THERMOLUMINESCENCE DATING AND  OPTICALLY STIMULATED LUMINESCENCE (OSL)

Certain minerals (quartz, feldspar, calcite …) accumulate in its crystal structure changes due to radioactive decay of the environment. These changes are cumulative, continuous and time dependent to radiation exposure. When subjected to external stimuli, mineral emits light due to these changes. This luminescence is weak and distinct as apply heat (TL), visible light (OSL) or infrared (IRSL).

Fluorite's thermoluminescence. Photo: Mauswiesel
Fluorite’s thermoluminescence. Photo: Mauswiesel

Can be dated samples that were protected from sunlight and heat to more than 500 ° C, otherwise the “clock” is reset as the energy naturally releases.

ELECTRON PARAMAGNETIC RESONANCE (ESR)

The ESR (electro spin resonance) involves irradiating the sample and measuring the energy absorbed by the sample depending on the amount of natural radiation which it has been subjected during its history. It is a complex method which you can get more information here.

REFERENCES

Coneixent els fòssils i la seva edat

A All You Need Is Biology sovint fem referència als fòssils per explicar el passat dels éssers vius. Però què és exactament un fòssil i com es forma? Per a què serveixen els fòssils? T’has preguntat mai com ho fa la ciència per saber l’edat d’un fòssil? Segueix llegint per descobrir-ho!

QUÈ ÉS UN FÒSSIL?

Si penses en un fòssil, segurament el primer que et ve al cap és un os de dinosaure o una petxina petrificada que et vas trobar al bosc, però un fòssil és molt més. Els fòssils són restes (completes o parcials) d’éssers vius que van viure en el passat (milers, milions d’anys) o rastres de la seva activitat que queden conservats (generalment en roques sedimentàries). Així doncs, existeixen diferents tipus de fòssils:

  • Petrificats i permineralitzats: són els que corresponen a la definició clàssica de fòssil en què les parts orgàniques o buides són substituïdes per minerals (veure apartat següent). La seva formació pot deixar motlles interns o externs (per exemple, de petxines) en el qual el material original pot desaparèixer. La fusta fossilitzada d’aquesta manera es coneix com a  xilòpal.

    cangrejo herradura, fósil, cosmocaixa, mireia querol rovira
    Fòssil petrificat de cranc ferradura i les seves petjades, CosmoCaixa. Foto: Mireia Querol Rovira
  • Icnofòssils: restes de l’activitat d’un ésser viu que queden registrades en la roca i donen informació sobre el comportament de les espècies. Poden ser modificacions de l’entorn (nius i altres construccions), empremtes (icnites), deposicions (copròlits excrements-, ous…) i altres marques com esgarrapades, mossegades…
    Cosmocaixa, huevos, dinosaurio, nido, mireia querol rovira
    Ous de dinosaure (niu). CosmoCaixa. foto: Mireia Querol Rovira

    coprolitos, cosmocaixa, excrementos fósiles, mireia querol rovira
    Copròlits, CosmoCaixa. foto: Mireia Querol Rovira
  • Ambre: resina fòssil de més de 20 milions d’antiguitat. Abans passa per un estat intermedi que s’anomena copal (menys de 20 milions d’anys). La resina, abans de passar a ambre, pot atrapar insectes, aràcnids, pol·len… en aquest cas es consideraria un doble fòssil.

    Pieza de ámbar a la lupa con insectos en su interior. CosmoCaixa. Foto: Mireia Querol Rovira
    Peça d’ambre a la lupa amb insectes al seu interior, CosmoCaixa. Foto: Mireia Querol Rovira
  • Fòssils químics: són els combustibles fòssils, com el petroli i el carbó, que es van formar per l’acumulació de matèria orgànica a altes pressions i temperatures juntament amb l’acció de bacteris anaerobis (que no utilitzen oxigen per al seu metabolisme).
  • Subfòssil: quan el procés de fossilització no s’ha completat (per haver passat poc temps, o les condicions perquè es donés la fossilització no van ser propícies) les restes es coneixen com subfòssils. No tenen més de 11.000 anys d’antiguitat. És el cas dels nostres avantpassats més recents (Edat dels Metalls).
Ötzi, un subfòssil. És la mòmia natural més antiga d’Europa. Va viure durant el Calcolític (Edat de Coure) i va morir fa 5.300 anys. Foto: Wikimedia Commons
    • Fòssil vivent: nom que es dóna a éssers vius actuals molt semblants a organismes ja extingits. El cas més famós és el del celacant, que es creia extingit des de feia 65 milions d’anys fins que va ser redescobert el 1938, però hi ha altres exemples com els nàutils.

      ammonites, nautilus, cosmocaixa, fósil, mireia querol rovira
      Comparació entre la closca d’un nautilus actual (esquerra) i un ammonit de milions d’anys d’antiguitat (dreta). CosmoCaixa. Foto :Mireia Querol Rovira
    • Pseudofòssils: són formacions a les roques que semblen restes d’éssers vius, però en realitat s’han format per processos geològics. El cas més conegut són les dendrites de pirolusita, que semblen vegetals.

      Infiltraciones de priolusita en piedra calcárea. CosmoCaixa. Foto: Mireia Querol
      Infiltracions de priolusita en lloses calcàries, CosmoCaixa. Foto: Mireia Querol

Lògicament els fòssils es van fer més comuns a partir de l’aparició de parts dures (petxines, dents, ossos…), fa 543 milions d’anys (Explosió del Cambrià). El registre fòssil anterior a aquest període és molt escàs. Els fòssils més antics que es coneixen són els estromatòlits, roques formades per la precipitació de carbonat càlcic a causa de l’activitat de bacteris fotosintètics que encara existeixen en l’actualitat.

La ciència que estudia els fòssils és la Paleontologia .

stromatolite, estromatòli, estromatolito, mireia querol rovira, fossil, fósil
Estromatòlit de 2.800 milions d’anys d’antiguitat, Australian Museum. Foto: Mireia Querol Rovira

COM ES FORMA UN FÒSSIL?

La fossilització es pot donar de cinc maneres diferents:

    • Petrificació: és la substitució de la matèria orgànica per substàncies minerals de les restes d’un ésser viu enterrat. S’obté una còpia exacta de l’organisme en pedra. El primer pas de la petrificació és la permineralització: els porus de l’organisme estan farcits de mineral però el teixit orgànic està inalterat. És la fossilització més comú que pateixen els ossos.
    • Gelificació: l’organisme queda incrustat en el gel i no pateix gairebé transformacions.
    • Compressió: l’organisme mort queda sobre una capa tova del sòl, com el fang, i queda cobert per capes de sediments.
    • Inclusió : els organismes queden atrapats en ambre o petroli.
    • Impressió: els organismes deixen impressions en el fang i es conserva la marca fins que el fang s’endureix.
Processos de fossilització i fòssils resultants. Autor desconegut

UTILITAT DELS FÒSSILS

  • Els fòssils ens donen informació de com eren els éssers vius en el passat, resultant una evidència de la evolució biològica i una ajuda per establir els llinatges dels éssers vius actuals.
  • Permeten analitzar fenòmens cíclics com canvis climàtics, dinàmiques atmosfera-oceà i fins i tot les pertorbacions orbitals dels planetes.
  • Els que són exclusius d’una determinada època permeten datar amb força exactitud les roques en què es troben (fòssils guia).
  • Donen informació de processos geològics com el moviment dels continents, presència d’antics oceans, cadenes muntanyoses…
  • Els fòssils químics són la nostra principal font d’energia actual.
  • Donen informació sobre el clima del passat, per exemple, estudiant els anells de creixement dels troncs fòssils o les deposicions de matèria orgànica en les varves glacials.

    mireia querol rovira, tronco fósil, xilópalo, AMNH
    Troncs fòssils on s’observen anells de creixement. American Museum of Natural History. Foto: Mireia Querol Rovira

DATACIÓ DELS FÒSSILS

Per conèixer l’edat dels fòssils existeixen mètodes indirectes (datació relativa) i directes (datació absoluta). Com que no hi ha cap mètode perfecte i la precisió disminueix amb l’antiguitat, els jaciments se solen datar amb més d’una tècnica.

DATACIÓ RELATIVA

Els fòssils es daten segons el context en el qual han estat trobats, si estan associats a altres fòssils (fòssils guia) o objectes dels que es coneix l’edat i segons l’estrat en el qual es troben.

En geologia, els estrats són els diferents nivells de roques que s’ordenen segons la seva profunditat: segons la estratigrafia, els més antics són els que es troben a major profunditat, mentre que els més moderns són els més superficials, ja que els sediments no han tingut tant de temps per dipositar-se al substrat. Lògicament si hi ha moviments de terres i alteracions geològiques la datació seria incorrecta si només existís aquest mètode.

Esquema de las eras geológicas y estratso con sus correspondientes fósiles. Fuente
Esquema de les eres geològiques i estrats amb els seus corresponents fòssils. Font

DATACIÓ ABSOLUTA

És més precisa i es basa en les característiques físiques de la matèria.

DATACIÓ RADIOMÈTRICA

Es basa en la velocitat de desintegració d’isòtops radioactius presents en roques i fòssils. Els isòtops són àtoms del mateix element però amb diferent quantitat de neutrons en el seu nucli . Els isòtops radioactius són inestables, pel que es transformen en altres més estables a una velocitat coneguda pels científics emetent radiació. Comparant la quantitat d’isòtops inestables amb els estables en una mostra, la ciència pot estimar el temps que ha transcorregut des que es va formar el fòssil o roca.

carbono 14
Esquema del cicle del Carboni 14. Font
  • Radiocarboni (Carboni-14): en organismes vius, la relació entre el C12 i el C14 és constant, però quan moren, aquesta relació canvia ja que el C14 deixa de incorporar-se al cos i el que queda es descomposa radioactivament en un període de semidesintegració de 5730 anys. Coneixent la diferència entre el C12 i C14 de la mostra, podrem datar quan va morir l’organisme. El límit màxim de datació per aquest mètode són 60.000 anys, per tant només s’aplica a fòssils recents.
  • Beril·li 10-Alumini 26: té la mateixa aplicació que el C14, però té un període de semidesintegració molt més gran, de manera que permet datacions de 10 milions d’anys, i fins i tot de fins a 15 milions d’anys.
  • Potassi-Argó (40K/40Ar): s’utilitza per datar roques i cendres d’origen volcànic de més de 10.000 anys. És el mètode que es va utilitzar per datar les petjades de Laetoli , el primer rastre de bipedisme del nostre llinatge deixat per Australopithecus afarensis.
  • Sèries de l’Urani (Urani-Tori): s’utilitzen diverses tècniques mitjançant els isòtops de l’urani. S’utilitzen en materials de carbonat de calci, (com coralls) i dipòsits minerals en coves (espeleotemes ).
  • Calci 41: permet datar restes òssies en un interval de temps entre 50.000 i 1.000.000 d’anys.

DATACIÓ PER PALEOMAGNETISME

El pol nord magnètic ha anat canviant al llarg de la història de la Terra, i es coneixen les coordenades geogràfiques en diferents èpoques geològiques.

Alguns minerals tenen propietats magnètiques i es dirigeixen cap al pol nord magnètic quan estan en suspensió aquosa, per exemple en les argiles. Però si es dipositen a terra, queden fixats cap a la posició que tenia el pol nord magnètic en aquell moment. Si observem cap a quines coordenades estan orientats aquests minerals al jaciment, el podem associar amb una època determinada.

Deposición de partículas magnéticas orientadas hacia el polo norte magnético. Fuente: Understanding Earth, Press and Seiver, W.H. Freeman and Co.
Deposició de partícules magnètiques orientades cap al pol nord magnètic. Font: Understanding Earth, Press and Seiver, W.H. Freeman and Co.

Aquesta datació s’utilitza en restes dipositades sobre fons argilosos i com el pol nord magnètic ha estat diverses vegades en les mateixes coordenades geogràfiques, s’obté més d’una data de datació. Segons el context del jaciment, es podran descartar algunes d’aquestes dates fins arribar a una definitiva.

DATACIÓ PER TERMOLUMINISCÈNCIA I LUMINISCÈNCIA ÒPTICA SIMULADA

Certs minerals (quars, feldspat, calcita…) acumulen modificacions en la seva estructura cristal·lina degudes a la desintegració radioactiva de l’entorn. Aquestes modificacions són acumulatives, contínues i dependents del temps d’exposició a la radiació. Quan se sotmet al mineral a estímuls externs, emet llum a causa d’aquestes modificacions. Aquesta luminiscència és molt feble i diferent segons se li apliqui calor (TL), llum visible (OSL) o infrarojos (IRSL).

Termoluminiscencia de la fluorita. Foto: Mauswiesel
Termoluminiscència de la fluorita. Foto: Mauswiesel

Només es poden datar mostres que hagin estat protegides de la llum solar o del calor a més de 500 ºC, ja que llavors es reinicia “el rellotge” en alliberar l’energia de manera natural.

RESSONÀNCIA PARAMAGNÈTICA ELECTRÒNICA (ESR)

La ESR (electro spin ressonance) consisteix a sotmetre la mostra a radiació i mesurar l’energia absorbida per la mostra en funció de la quantitat de radiació a la qual ha estat sotmesa durant la seva història. És un mètode complex del que pots obtenir més informació aquí.

REFERÈNCIES

mireia querol rovira

Feathered dinosaurs: the origin of birds

The presence of feathers is one the main characteristics of modern birds. Currently many dinosaur fossils show us that feathers appeared long before birds. Yet the feathers that those Mesozoic animals had weren’t exactly the same as the ones current birds have. The evolution of feathers was a long and gradual process, and in this entry we’ll review the most important evolutionary stages that brought those dinosaurs to develop anatomically modern feathers.

If you like this article and believe that our blog is useful, we ask for your vote in Bitácoras Awards 2015 as the best blog of Education and Science. Click the image below, enter with your Facebook or Twitter account, type the URL of the blog in the category “Educación y ciencia” and press enter. In just 30 seconds you will help us to spread more science! Please leave a comment if you have any question.

188x225

Today’s feathers

Feathers are fundamental structures for the life of modern birds. Feathers help them insulate from cold and hot weather, make them waterproof, camouflage, allow them to fly and in many species, feathers are very important in the mating rituals. In many birds, plumage allows us to differentiate between different species, telling a male and a female apart, and even allows us to know the age of an individual.

Chrysolophus_pictus_walkingMale golden pheasant (Chrysolophus pictus) photographed at Kuala Lumpur’s Bird Park, showing us different types of feathers. Photo by Bjørn Christian Tørrissen.

Feathers are the most complex integumentary structures found in vertebrates. These are formed in the epidermis, in little follicles which produce keratin. The β-keratin of the bird’s feathers, claws and beak is much more folded than the α-keratin found in mammalian’s hair, hooves or horns, making the first a much stronger structure. Feathers are resistant and light structures, but in many birds they correspond to a third of their body weight.

Modern feathers have a central shaft divided into two parts: the proximal part which inserts to the body called the calamus, and the rachis, the distal part from which the laminar part of the feather appears. This is called the vane and is disposed on both sides of the rachis. The laminar part is made of parallel ramifications called barbs, which have ramifications called barbules which also have ramifications in the shape of small hooks called barbicels that make barbules cross-attach to each other. The superior end of the vane (pennaceous part) barbules are perfectly arranged by the barbicels, while in the inferior end (plumulaceus part) barbules lack barbicels and so they float free from each other.

Parts_of_feather_modified

Parts of a feather:

  1. Vane
  2. Rachis
  3. Pennaceous barbs
  4. Plumulaceous barbs or afterfeather
  5. Calamus

According to its structure, in current birds we can find two main types of feathers:

Contour feathers: These are the feathers that make up the shape of the bird. These are long, flat feathers with a well-developed rachis and well-arranged barbs. These can be further classified into generic contour feathers, which cover the head, neck, trunk and limbs of the animal, and the flight feathers, called rectrices the ones in the tail (symmetric) and remiges the ones in the wings (asymmetric).

Parrot-featherFeathers of a macaw. Photo by Jörg Gorβ.

Down feathers: These are found forming a second layer under the contour feathers. These are feathers with a short rachis and with disordered barbs floating freely. Its main function is to thermally insulate the bird. Natal down feathers covering most bird hatchlings in some time of their lives are called “neossoptilus”.

Young_barn_owl_(Tyto_alba_pratincola)Barn owl hatchling (Tyto alba) covered in down feathers. Photo by Maxgreen.

Apart from these two types, there are other kinds of feathers in birds, such as the semiplumes (with an intermediate structure between contour and down feathers) and the bristles and filoplumes (with few barbs and mainly with a sensory function).

Tipos_de_plumasDifferent types of feathers we can find on modern birds, drawings by Osado. From left to right: Rectrix (tail), remex (wing), generic contour feather, semiplume, down feather, bristle and filoplume.

Origin and evolution of feathers

Probably dinosaurs develped the first feathers as a system to avoid the loss of body heat. Having a covering feathers, a layer of warm air becomes trapped around the animal, making its body temperature more stable. That’s why some scientists think that many dinosaur species had an almost endothermic metabolism (mesothermy), with high and constant body temperature. Nevertheless, primitive feathers or “protofeathers” were very different from modern feathers.

Deinonychus_im_NHM_WienReconstruction of Deinonynchus by Stephen Czerkas, at the Natural History Museum of Vienna. Photo by Domser.

As we will now see, protofeathers went through different evolutionary stages before becoming modern feathers. Even if here we present you these stages linearly, it doesn’t mean that when a new kind of protofeather appeared the previous one disappeared. Just like modern birds sport different kinds of feathers, many dinosaurs presented different combinations of protofeathers, which only represented different levels of specialization.

Stage 1: A single filament

Feather_evolution_StageI_v2Drawing about the origin and formation of the first protofeathers. Extracted from Prum & Brush (2002).

The first known protofeathers were nothing more than a cylindrical hollow spine-like filament, which formed on a follicle’s collar. Even though feathers and protofeathers are typically exclusive characteristics of theropods, this first protofeathers have also been found in two groups of non-theropod dinosaurs. These are the Heterodontosauridae and Psittacosauridae families, many species of which had spines homologous to stage 1 protofeathers which probably also served to retain body heat.

FruitadensReconstruction of a heterodontosaurid named Fruitadens. Drawing by Smokeybjb.

In theropods, feathers appeared in a group named Coelurosauria, which includes animals like the tyrannosaur, the velociraptor and modern birds. The oldest feathered coelurosaur known is Sciurumimus, which literally means “squirrel mimic”. This fossil got its name for its fully feathered tail, covered in filamentous protofeathers similar to a squirrel’s.

sciurumimus_skeleton_by_franz_josef73-d5osy3yReconstruction of a juvenile Sciurumimus based on the skeleton found in Bavaria. Drawing by Franz Joseph.

Stage 2: A plumulaceous protofeather

Feather_evolution_Stage2_v2Second stage in the evolution of feathers, in which a division in the follicle produces various barbs with a single origin. Extracted from Prum & Brush (2002).

The next step on the evolution of feathers was the division of the cellular collar of the follicle, which brought the branching of the filament. The result is a plumulaceous protofeather with unbranched barbs originating in a calamus. Stage 2 protofeather are similar to down feathers of current birds and have been found in a wide variety of theropod fossils.

These protofeathers provided a better insulation, helping the animal to keep its body heat. It is also believed that it’s likely that the smallest dinosaurs were more fully covered in protofeathers, since smaller animals loose heat faster than bigger animals and so, they need more mechanisms to retain body heat. Bigger coelurosaur species like Tyrannosaurus may have lost their protofeathers much like modern elephants have lost almost all their body hair. Yet, it is possible that some species presented protofeathers after birth and during the first stages of life, and after growing up they would either loose them or only present them on some body parts.

Juravenator_by_Tom_ParkerReconstruction of a juvenile Juravenator in which we can appreciate how it was covered both with protofeathers and scales. Drawing by Tom Parker.

Yet in a Chinese paleontological site, the two biggest feathered dinosaurs known were discovered. The first to be discovered was Beipiaosaurus, a strange looking coelurosaur of about 3 metres long with long claws, which presented protofeathers both filamentous (stage 1) and plumulaceous (stage 2). This species shared its habitat with Yutyrannus, a 9 metre-long animal up to 1400 kilos of weight, which had almost all its body covered in plumulaceous protofeathers. These two animals probably lived in a humid and cold environment, and their coat of protofeathers helped them to keep their warmth when temperatures would fall.

dino-herdReconstruction of four Yutyrannus and a pair of Beipiaosaurus on their habitat. Drawing by Brian Choo.

Stage 3: Fusion and branching

Feather_evolution_Stages1to3bDrawing of the evolution of feathers from stage 1 to 3. Extracted from Sues (2001).

The third stage in the evolution of feathers gave rise to a protofeather with a central rachis made from the fusion of some barbs (3a) and a protofeather with barbules branching from the main barbs (3b). The combination of these two characters produced a pennaceous, vaned protofeather similar to the ones found in modern birds but less firm, as it lacked the hooked barbicels of modern feathers.

Feather_evolution_StageII_IIIa_v2Fossils of stage 3a protofeathers where we can see a central rachis from which various barbs extend. Extracted from Perrichot (2008).

Stage 4: Hooks to maintain order

Feather_evolution_3-5_v2Modified drawing from Prum & Brush (2002) of the apparition of hooks on the barbules of the stage 4.

It is in this stage where we can start talking about present day feathers. The stage 3 structure with a rachis, barbs and barbules, developed small hooks on the barbules which made them cross-attach and keep the vane together. These feathers were like the ones found in modern birds, the contour feathers, which present a central shaft and a symmetric vane.

Anchiornis_martyniukReconstruction of the troodontid called Anchiornis, where the wide cover of feathers it presented can be seen. Drawing by Matt Martyniuk.

These feathers are found in many different dinosaurs, many of which had begun to develop adaptations for flight, or at least gliding. Despite this, we can also find them in typically running dinosaurs like Velociraptor, a terrestrial predator about the size of a turkey, with a long mouth and a sickle-shaped claw on its hind legs. This claw is thought to be used mainly to kill their prey, but some scientists think that they used their claw to climb trees and ambush their prey from above. Maybe their feathers served them to make more controlled leaps when they fell on their victims.

Velociraptor_restraining_an_oviraptorosaur_by_durbedDrawing of a velociraptor attacking an oviraptotosaur. Drawing by Durbed.

These feathers are also found in the oviraptorosaurs, a coelurosaurian group with beak and few or no teeth. Even if they couldn’t fly, they probably used their arm feathers to incubate their eggs (like the Avimimus genre) and the ones on the tail for display and communication with other members of their species (like the Caudipteryx, and Nomingia genera).

Nomingia_gobiensisReconstruction of the oviraptorosaurian Nomingia, in which we can see the fan of feathers on its tail. Drawing by Smokeybjb.

Other dinosaurs like Scansoriopteryx had an arboreal lifestyle, and the feathers on its arms allowed it to glide from one tree to the other both to hunt and to escape predators. A relative of this animal called Epidexipteryx, even though not having feathers on its arms (as far as is known) presented long vaned feathers on the tail, probably to send visual signals to other members of its species.

Epidexipteryx_NTReconstruction of Epidexipteryx in which the long vaned tail feathers can be appreciated. Reconstruction by Nobu Tamura.

Stage 5: Asymmetry brings flight

Amber_feathersDrawings and fossils of all the different stages of the evolution of feathers. Extracted from McKellar et al (2011).

Finally the last stage in the evolution of feathers is the appearance of asymmetric feathers, with a displaced rachis making one half of the vane wider than the other. These feathers are the remiges found on the wings of birds, which not only increase drag during gliding, but also allow the animal to leave the ground and fly.

poecile-montanus-kittila-85459_1920Photo of a Willow tit (Poecile montanus) taking flight, where we can perfectly see the asymmetric remiges on its wings. Photo by David Mark.

Even if it’s generally assumed that apart from birds no other dinosaur group accomplished powered flight, there’s one group which got really close. The microraptorians were a group of small feathered dinosaurs characterized by presenting flight feathers, not only on their front limbs but also on their hind limbs. The most famous of them, Microraptor, had asymmetrical flight feathers on its arms, legs and, unlike modern birds, on its tail.

Microraptor4Drawing of the silhouette of Microraptor gliding. Extracted from Xu et al.

Even if it’s usually considered a glider, some authors argue that possibly Microraptor was capacitated to fly. Some skeletal characteristics indicate that some microraptorians may have been better suited for flight than Archaeopteryx, the ancestor of modern birds. For example, Microraptor presented a fused more developed sternum than Archaeopteryx, which would have made for a major anchor point for the flight muscles.

Video from the American Natural History Museum of the reconstruction of the appearance of Microraptor.

Nevertheless, Archaeopteryx is still considered the nearest to the ancestor of modern birds that, even if it wasn’t a great flier, it already had the different kinds of feathers found on current birds. Probably many more dinosaurs were covered with feathers or protofeathers, but in this entry we have only seen the species which show irrefutable evidence of having them. As we have seen, the road to reach modern feathers was long and gave rise to a wide diversity of dinosaur species, but after a meteorite practically extinguished life on Earth 65 million years ago, only one group of feathered dinosaurs survived and thrived.

This is labeled USNM# 4178. The original fossil is at Humboldt Museum, East Be rlin. The rock was found in Solnhofn, West Germany, and it is from the Jurassi c period.Fossil of Archaeopteryx lithographica from the late Jurassic found at southern Germany. Photo by James L. Amos.

Difusió-anglès

Did you enjoyed it? Remember to assess our work in Bitácoras Awards voting for us as the best blog of Education! Thanks a lot.

188x225

References

The next sources have been consulted during the elaboration of this entry:

Dinosaures emplomallats: l’origen dels ocells

La presència de plomes és una de les característiques més destacables dels ocells actuals. Actualment són molts els fòssils de dinosaures que ens indiquen que les plomes van aparèixer molt abans que els ocells moderns. Tanmateix, les plomes que presentaven aquests animals mesozoics no eren exactament iguals a les que tenen els ocells d’avui en dia. L’evolució de les plomes va ser un procés llarg i gradual, i en aquesta entrada intentarem fer un repàs dels principals estadis evolutius que van portar a aquests dinosaures a desenvolupar les plomes actuals.

Si t’agrada aquest article i creus que el nostre blog és útil, et demanem per favor el teu vot en els Premis Bitácoras 2015 com el millor bloc d’Educació i Ciència. Clica la imatge següent, entra amb el teu compte de Facebook o Twitter, escriu la URL del blog a la categoria “Educació i Ciència” i prem enter. En només 30 segons ens ajudaràs a divulgar més ciència! Si us plau, deixa un comentari per a qualsevol dubte.

188x225

Plomes actuals

Les plomes són estructures fonamentals per a la vida dels ocells actuals. Els proporcionen aïllament contra el fred, la calor i l’aigua, camuflatge, els permeten el vol i en moltes espècies són importantíssimes en els rituals d’aparellament. En molts ocells, el plomatge permet diferenciar entre diferents espècies, entre mascles i femelles, i fins i tot ens permet saber l’edat d’un individu.

Chrysolophus_pictus_walkingMascle de faisà daurat (Chrysolophus pictus) fotografiat al Bird Park de Kuala Lumpur mostrant-nos diverses morfologies de plomes. Foto de Bjørn Christian Tørrissen.

Les plomes són les estructures tegumentàries més complexes de totes les que trobem entre els vertebrats. Aquestes es formen a l’epidermis, en petits fol·licles que produeixen queratina. La β-queratina de les plomes, les urpes i el bec dels ocells es troba molt més replegada  que la α-queratina del pèl, les peülles i les banyes dels mamífers, fent que sigui molt més forta l’estructura de la primera. Les plomes són estructures resistents i lleugeres, tot i que en molts ocells corresponen a un terç del seu pes corporal.

Les plomes actuals presenten un eix dividit en dues parts: el càlem o canó, la part més proximal i que s’inserta al cos, i el raquis, la part més distal i d’ón surt la part laminar de la ploma. Aquesta s’anomena vexil o estandart i està disposada a ambdós costats del raquis. La part laminar està composta per ramificacions paralel·les anomenades barbes, les quals alhora es ramifiquen en barbetes o bàrbules, les quals també es ramifiquen en petits ganxos que fan que les bàrbules s’enganxin entre elles. A la part superior del vexil (part plomàcia) les barbes queden perfectament ordenades pel sistema de ganxos, mentre que a la part inferior (part plumosa) les barbes estan separades i desordenades, ja que presenten pocs ganxos.

Parts_of_feather_modified

Parts d’una ploma:

  1. Vexil o estandart
  2. Raquis
  3. Barbes plumàcies
  4. Barbes plumoses
  5. Càlem o canó

Segons la seva estructura, en els ocells actuals hi trobem dos tipus principals de plomes:

Plomes de contorn: Son les plomes que dónen forma a l’ocell. Son plomes llargues i planes, amb el raquis desenvolupat i barbes ordenades. Aquestes es poden classificar en les plomes genèriques de contorn, que recobreixen el cap, coll, tronc i membres de l’animal, i les plomes de vol, anomenades timoneres o rectrius les de la cua (simètriques) i remera o rèmige les de les ales (asimètriques).

Parrot-featherPlomes d’un guacamai. Foto de Jörg Gorβ.

Plomissol: Aquestes es troben formant una segona capa sota les plomes de contorn. Són plomes amb raquis curt i amb les barbes desordenades i separades entre elles. La seva funció principal és la d’aïllar tèrmicament a l’ocell. El plomissol natal que recobreix els polls de la majoria d’aus en algún moment del seu desenvolupament s’anomena “neossoptilus”.

Young_barn_owl_(Tyto_alba_pratincola)Poll d’òliba (Tyto alba) cobert de plomissol. Foto de Maxgreen.

Apart d’aquests dos tipus, en els ocells hi ha altres classes de plomes, com ara les semiplomes (amb una estructura intermitja entre les de contorn i el plomissol) i les cerdes i filoplomes (amb poques barbes i funció principalment sensorial).

Tipos_de_plumasDibuixos esquemàtics dels diferents tipus de plomes que trobem en els ocells actuals, fets per Osado. D’esquerra a dreta: Rectriu (cua), rèmige (ala), ploma genèrica de contorn, semiploma, plomissol, cerda i filoploma.

Origen i evolució de les plomes

Probablement els dinosaures van desenvolupar les primeres plomes com un sistema per evitar la pèrdua d’escalfor corporal. Tenint una cobertura de plomes es crea una capa d’aire calent al voltant de l’animal fent que la seva temperatura sigui més estable. Per això es creu que molts dinosaures tenien un metabolisme quasi endotèrmic (mesotermia) amb una temperatura alta i constant. Tot i així, les plomes primitives o “protoplomes” eren molt diferents de les plomes actuals.

Deinonychus_im_NHM_WienReconstrucció de Deinonynchus feta per Stephen Czerkas, al Museu d’Història Natural de Viena. Foto de Domser.

Com veurem a continuació, les protoplomes van passar per diferents estadis evolutius fins a arribar a les plomes actuals. Tot i que aquí us presentem aquests estadis de forma linial, no vol dir que al aparèixer un nou tipus de protoploma desaparegués l’anterior. Igual que els ocells actuals presenten diferents tipus de plomes, molts dinosaures presentaven diferents combinacions de protoplomes, les quals només representen diferents nivells d’especialització evolutiva.

Estadi 1: Un únic filament

Feather_evolution_StageI_v2Esquema sobre l’origen i formació de les primeres protoplomes. Extret de Prum & Brush (2002).

Les primeres protoplomes de les que es té constància no eren res més que uns tubs cilíndrics buits, més semblants a espines que a plomes, que provenien del collar d’un fol·licle. Tot i que les plomes i protoplomes són característiques típiques dels teròpodes, aquestes primeres protoplomes també s’han trobat en dos grups de dinosaures no teròpodes. Aquests són les famílies Heterodontosauridae i Psittacosauridae molts membres de les quals presentaven espines homòlogues a les protoplomes dels teròpodes que segurament també tenien la funció de retindre l’escalfor corporal.

FruitadensReconstrucció de l’heterodontosàurid anomenat Fruitadens. Dibuix de Smokeybjb.

En els teròpodes, les plomes van apareixer en un grup anomenat Coelurosauria, que inclou a animals com el tiranosaure, el velociraptor i els ocells actuals. El coelurosaure amb protoplomes més antic del que es té constància és Sciurumimus, literalment “imitador d’esquirols”. S’anomenà així a aquest fòssil per la seva cua plena de protoplomes filamentoses, semblant a la cua d’un esquirol.

sciurumimus_skeleton_by_franz_josef73-d5osy3yReconstrucció d’un juvenil de Sciurumimus basat en un esquelet trobat a Baviera. Dibuix de Franz Joseph.

Estadi 2: Un plomall de barbes

Feather_evolution_Stage2_v2Segon estadi de l’evolució de les plomes, on una divisió del fol·licle fa que es formin vàries barbes amb un mateix origen. Extret de Prum & Brush (2002).

El següent pas en l’evolució de les plomes fou la divisió del collar cel·lular del fol·licle per a fer que el filament resultant es ramifiqui. El resultat és un plomall de barbes que s’extenen des del càlem. Les protoplomes d’aquest estadi s’assemblen al plomissol actual dels ocells (protoplomes plumoses), i s’han trobat en una gran varietat de fòssils de teròpodes.

Aquestes protoplomes proporcionaven un major aïllament, ajudant a l’animal a conservar la seva temperatura corporal. Es creu també, que és més probable que els dinosaures amb el cos més recobert de protoplomes fóssin els més petits, ja que els animals petits perden escalfor més ràpidament que els animals més grans i per tant necessiten més mecanismes per a retindre l’escalfor corporal. Les espècies de coelurosaures més grans com Tyrannosaurus potser haurien perdut les protoplomes de manera similar a com els elefants actuals han perdut pràcticament tot el pèl del cos. Tot i així, és possible que algunes espècies presentessin protoplomes al néixer i durant les primeres etapes de la seva vida, i que al créixer o les perdéssin o només les presentéssin en algunes parts del cos.

Juravenator_by_Tom_ParkerReconstrucció d’un juvenil de Juravenator on veiem que presentava tant protoplomes com escames. Dibuix de Tom Parker.

Tanmateix en un jaciment de la Xina, s’hi van trobar les restes dels dos dinosaures amb plomes més grans dels que es té constància. El primer que es va descobrir fou Beipiaosaurus, un estrany coleurosaure de 3 metres de llarg amb llargues urpes, que presentava protplomes tant filamentoses (estadi 1) com plumoses (estadi 2). Aquest compartia l’hàbitat amb Yutyrannus, un animal de 9 metres de llarg i 1400 kilos de pes que presentava pràcticament tot el cos cobert de protoplomes plumoses. Aquests dos animals probablement vivien en un ambient fred i humit, i la seva capa de protoplomes els ajudava a conservar l’escalfor quan baixaven les temperatures.

dino-herdReconstrucció de quatre Yutyrannus i un parell de Beipiaosaurus en el seu hàbitat. Dibuix de Brian Choo.

Estadi 3: Fusió i ramificació

Feather_evolution_Stages1to3bEsquema de l’evolució de les plomes de l’estadi 1 al 3. Extret de Sues (2001).

El tercer estadi en l’evolució de les plomes és el que va donar una protoploma amb un raquis central format per la fusió d’algunes barbes (3a), i una en la que aparegueren bàrbules que sorgien de les barbes (3b). La combinació d’aquests dos caràcters donà una protoploma plumàcia, bipennada, semblant a les plomes actuals dels ocells tot i que, al no tindre ganxos per a unir les bàrbules entre elles no tindrien la solidesa de les plomes modernes.

Feather_evolution_StageII_IIIa_v2Fòssils de protoplomes de l’estadi 3a on es veu un raquis central d’on surten vàries barbes. Extret de Perrichot (2008).

Estadi 4: Ganxos per mantindre l’ordre

Feather_evolution_3-5_v2Esquema modificat de Plum & Brush (2002) de l’aparició dels ganxos entre les bàrbules de l’estadi 4.

En aquest estadi és on podem començar a parlar de plomes pròpiament dites. La estructura amb raquis, barbes i bàrbules de l’estadi 3, va desenvolupar uns petits ganxos a les bàrbules que feien que aquestes s’enganxéssin i mantinguéssin el vexil unit i amb les barbes ordenades. Aquestes plomes són les que presenten els ocells actuals, les anomenades plomes de contorn, les quals presenten un raquis central i un vexil simètric.

Anchiornis_martyniukReconstrucció del troodòntid Anchiornis, on s’aprecia la àmplia cobertura de plomes que presentava. Dibuix de Matt Martyniuk.

Aquestes plomes les trobem en diferents dinosaures, molts dels quals ja començaven a desenvolupar adaptacions per a volar, o almenys planar. Tot i així, també es troben en dinosaures típicament corredors com el Velociraptor, un depredador terrestre de la mida d’un gall d’indi amb un musell llarg i una urpa amb forma de falç a les potes del darrere. L’urpa es creu que servia per a matar a les preses, tot i que alguns científics creuen que feien servir l’urpa per a enfilar-se als arbres i emboscar les preses des de dalt. Potser les plomes li haurien servit per a controlar el salt quan s’avalançava sobre les seves víctimes.

Velociraptor_restraining_an_oviraptorosaur_by_durbedReconstrucció d’un velociraptor atacant a un oviraptorosaure. Dibuix de Durbed.

Aquestes plomes també les trobem en els oviraptorosaures, un grup de coelurosaures amb bec i poques o cap dent. Tot i que no podien volar, aquest grup probablement feia servir les plomes dels braços per a incubar els ous (com en el gènere Avimimus) i les de la cua per a exhibir-se i comunicarse amb els seus congèneres (com els gèneres Caudipteryx, i Nomingia).

Nomingia_gobiensisReconstrucció de l’oviraptorosaure Nomingia, on es veu el ventall de plomes a la cua. Dibuix de Smokeybjb.

Altres dinosaures com Scansoriopteryx tenien un estil de vida arborícola, i les plomes dels braços li servien per planar d’arbre en arbre, tant per caçar com per fugir dels depredadors. Un parent d’aquest, el Epidexipteryx tot i no presentar plomes als braços (que se sàpiga) presentava llargues plomes pennades a la cua, probablement per enviar senyals visuals a altres membres de la seva espècie.

Epidexipteryx_NTReconstrucció de Epidexipteryx on s’observa les llargues plomes pennades de la cua. Reconstrucció de Nobu Tamura.

Estadi 5: L’asimetria permet el vol

Amber_feathersEsquema i fòssils de tots els passos en l’evolució de les plomes. Extret de McKellar et al (2011).

Finalment l’últim estadi en l’evolució de les plomes és l’aparició de plomes asimètriques, amb el raquis desplaçat fent que una part del vexil sigui més ampla que l’altra. Aquestes plomes són les plomes remeres o rèmiges de les ales dels ocells, les quals no només a fer resistència a l’aire en el planeig, sinó que fan que l’animal pugui elevar-se de terra i volar.

poecile-montanus-kittila-85459_1920Foto de mallerenga capnegre (Poecile montanus) alçant el vol, on es veuen perfectament les rèmiges asimètriques de les ales. Foto de David Mark.

Tot i que es creu que apart dels ocells cap grup de dinosaures va aconseguir volar realment, hi ha un grup que s’hi va apropar molt. Els anomenat microraptors eren un grup de dinosaures emplomallats que es caracteritzaven per presentar plomes de vol, no només a les potes del davant sinó també a les del darrere. Microraptor, el més famós d’aquests, presentava plomes de vol asimètriques als braços, les cames i, a diferència dels ocells actuals, també a la cua.

Microraptor4Dibuix de la silueta de Microraptor planant. Extret de Xu et al.

Tot i que generalment se’l considera un planador, alguns autors argumenten que possiblement Microraptor hagués estat capacitat per a volar. Algunes característiques esquelètiques indiquen que alguns microraptors podrien haver estat millor adaptats al vol que Archaeopteryx, l’avantpassat dels ocells moderns. Per exemple, Microraptor presentava un esternó fusionat més desenvolupat que Archaeopteryx, cosa que feia que tingués un major punt d’inserció per als músculs de vol.

Video del Museu Americà d’Història Natural sobre la reconstrucció de l’aspecte de Microraptor.

Tanmateix, el més proper a l’avantpassat dels ocells actuals fou Archaeopteryx, el qual tot i no ser un gran volador, ja presentava les plomes com les de les aus modernes. Probablement molts més dinosaures estaven coberts de plomes o protoplomes, però en aquesta entrada només hem mentat les espècies de les que es tenen proves irrefutables de que en presentaven. Com hem vist, el camí fins a arribar a les plomes actuals fou llarg i va donar lloc a una gran diversitat d’espècies de dinosaures, però després de que un meteorit extingís pràcticament la vida a la Terra fa 65 milions d’anys, només un grup de dinosaures emplomallats sobrevisqué i prosperà.

This is labeled USNM# 4178. The original fossil is at Humboldt Museum, East Be rlin. The rock was found in Solnhofn, West Germany, and it is from the Jurassi c period.Fòssil de Archaeopteryx lithographica de finals del Juràssic trobat al sud d’Alemanya. Foto de James L. Amos.

Difusió-català

T’ha agradat? Recorda valorar la nostra feina votant-nos als Premis Bitácoras com a millor blog d’Educació i Ciència! Moltíssimes gràcies.

188x225

Referències

Per a l’elaboració d’aquesta entrada s’han utilitzat les següents referències: