Höyhenestä 23 700 000 000 kanaksi

Vielä 25 vuotta ensimmäisen höyhenpeitteisen dinosauruksen löytämisen jälkeen on epäselvää, mistä sulat juontuvat. Uusi kiistanalainen löytö vihjaa, etteivät hirmuliskot olleet ainoita höyhenellisiä muinaiseläimiä. Ehkä kaikilla oli yhteinen kantamuoto.

Vielä 25 vuotta ensimmäisen höyhenpeitteisen dinosauruksen löytämisen jälkeen on epäselvää, mistä sulat juontuvat. Uusi kiistanalainen löytö vihjaa, etteivät hirmuliskot olleet ainoita höyhenellisiä muinaiseläimiä. Ehkä kaikilla oli yhteinen kantamuoto.

Kiinassa pulpahti esiin vuonna 1996 kivettyneestä järvenpohjasta kalkkunan kokoisen raidallisen eläimen fossiili. Se oli petodinosaurus, jolla oli paksu ja lämmin höyhenpuku ja samantapainen rosvonaamio kuin supilla.

Järvenpohjassa 125 miljoonaa vuotta säilynyt hirmulisko löi tutkijat ällikällä. Nimen Sinosauropteryx saanut eläin oli ensimmäinen dinosaurus, jolla havaittiin höyhenpeitteisyyttä siivettömyydestä huolimatta.

Sinosauropteryxin fossiili sisälsi melanosomeiksi kutsuttuja pigmenttijyväsiä, joista pystyttiin hahmottamaan, minkä värinen dinosaurus oli.

© Julius T. Csotonyi/SPL & Shutterstock

Sinosauropteryx oli ristiriidassa sen käsityksen kanssa, että höyhenien kehitys liittyi lintujen evoluutioon ja lentokyvyn syntymiseen. Nykyisten yli 10 000 lintulajin – ja samalla yli 23 miljardin kanan – esivanhemmilla ei ilmeisesti ollut pienintäkään pyrkyä lentäjiksi, vaikka paleontologit ja ornitologit olivat pitkään luulleet niin.

Ajatusta, että höyhenillä oli tärkeä osa dinosaurusten kehityshistoriassa, ei ole syytä torjua. Paul Barrett, professori ja dinosaurusten evoluution asiantuntija

Millaista osaa höyhenet sitten näyttelivät? Kaksi lentoliskon fossiilia herätti kiihkeän keskustelun – ja ravisteli dinosaurusten sukupuuta juurta myöten.

Petodinosauruksilla oli höyheniä

Vanhin kivettynyt höyhen löydettiin vuonna 1861 Etelä-Saksassa sijaitsevassa Solnhofenissa kahden kalkkikivilevyn välistä. Höyhen kuului todennäköisesti 150 miljoonaa vuotta sitten eläneelle Archaeopteryx-liskolinnulle, jonka fossiili löydettiin lähistöltä.

Vanhin tunnettu höyhen kuului ilmeisesti Archaeopteryx-liskolinnulle, joka oli variksen kokoinen liitelijä.

© University of Hong Kong

Yli sadan vuoden ajan kivettynyt höyhen ja Archaeopteryx olivat höyhenpuvun kehitystä koskevan tutkimuksen keskiössä. Niiden vuoksi myös höyhenet ja lentäminen liitettiin yhteen ikään kuin erottamattomaksi kokonaisuudeksi.

Kyseessä oli kuitenkin harhakäsitys. Kun Sinosauropteryx löytyi kiinalaisjärven pohjasta, kävi selville, että höyhenet palvelivat muita päämääriä kuin painovoiman kumoamista.

Sinosauropteryxillä ei ollut lenninsulkia eikä varsinaista höyhenpeitettä. Sen sijaan sillä oli eräänlainen untuvapuku, josta käytetään englanninkielistä nimitystä dino fuzz. Se koostui niin sanotuista esihöyhenistä, jotka olivat pieniä, alkeellisia haivenia. Esihöyhenien päätehtävä oli todennäköisesti eristäminen, eli ne auttoivat matelijaa säätelemään ruumiinlämpöään.

Vuoteen 1999 asti oletettiin, että höyhenet syntyivät suomuista, mutta ornitologi Richard Prum yhdysvaltalaisesta Kansasin yliopistosta kumosi teorian. Höyhen versoo pienestä ihokuopasta ja kasvaa sen jälkeen vaiheittain heijastaen sen kehityshistoriallista muuntumisprosessia.

© Lotte Fredslund

Solurengas muodostaa putken

Höyhen saa alkunsa samalla tavalla kuin suomu ihon tupessa tapahtuvasta solunjakautumisesta. Solujen muodostamasta renkaasta muodostuu jakautumisten myötä putki, joka kasvaa toisesta päästään ulos höyhentupesta niin sanottuna esihöyhenenä. Dinosaurusten esihöyhenet muistuttivat pieniä kankeita harjoja.

© Lotte Fredslund

Esiuntuvan pehmeät haarakkeet syntyvät

Esihöyhen jatkaa kehitystään niin sanotuksi esiuntuvaksi, jossa on lyhyt varsi ja pitkät, pehmeät haarakkeet. Joillakin dinosauruksilla, kuten sirppikyntisillä Deinonychus-lajeilla, esiuntuvat peittivät koko vartalon, joten ne toimivat todennäköisesti eristeenä.

© Lotte Fredslund

Alkeellinen höyhen haaroittuu

Seuraavassa kehitysvaiheessa esiuntuvasta tulee alkeellinen höyhen, joka muistuttaa nykyisten lintujen höyheniä mutta ilman lentämiseen liittyviä ominaisuuksia. Alkeellinen höyhen leviää varresta aina vain pienemmiksi haarakkeiksi.

© Lotte Fredslund

Aerodynamiikka nostaa linnut siivilleen

Viimeisessä höyhenen kehitysvaiheessa syntyvät koukulliset haarakkeet, jotka tarttuvat toisiinsa ja tiivistävät rakenteen. Modernit lenninsulat ovat epäsymmetrisiä, jotta ilma virtaa nopeammin siiven ylä- kuin alapuolitse, jolloin syntyy nostovoimaa.

Kun tiedeyhteisön enemmistö asettui sille kannalle, että linnut polveutuvat dinosauruksista, höyhenten kehittymistä alettiin tutkia entistä ahkerammin.

Kahden viime vuosikymmenen aikana on tehty useita merkittäviä löytöjä, jotka koskevat paitsi muinaisia lintuja myös ainakin viittä eri petodinosaurusta. Niillä oli hyvin erilaisia höyheniä ja höyhenenkaltaisia sarveismuodostumia.

Tutkimustuloksista saadaan kiittää kansainvälisen yhteistyön kannalta parempaa maailmanpoliittista ilmapiiriä, jonka ansiosta Kiinan aarrekammiot ovat avautuneet enemmän, nuoria ja uutteria paleontologeja sekä nykyaikaista tekniikkaa, kuten laserstimuloitua fluoresenssia (LSF), jossa laser saa muutoin näkymättömät pehmeät kudokset, kuten ihon ja höyhenet, erottumaan.

Löydöt ovat merkittäviä, sillä ne eivät ainoastaan kerro eläinten sukulaisuudesta ja siten valota evoluution mekanismeja, vaan ne myös antavat tietoa fysiologiasta, elinolosuhteista ja käyttäytymisestä.

Esimerkiksi Sinosauropteryxin paksun ja lämpimän höyhenpuvun kaltainen eriste voi tarkoittaa, että eläin kykeni pitämään ruumiinlämpönsä aina suunnilleen samana niin kuin tasalämpöiset linnut ja nisäkkäät.

Höyhenten melanosomit eli pigmenttijyväset paljastavat lisäksi, että Sinosauropteryx oli punertava ja että sen pyrstössä oli vaaleita raitoja. Väreiltään ja kuvioiltaan eläin sopi avaraan ympäristöön, sillä tumma selkä ja valkoinen vatsa häivyttävät ääriviivoja vaihtelevan valon ja varjon vaikutelman ansiosta.

Avarissa ympäristöissä elävillä eläimillä on vatsan yläosassa selvä tumman ja vaalean raja, kun taas metsäneläimillä raja on häilyvämpi ja alempana.

Vatsan yläosassa kulkeva raja himmentää sitä varjoa, joka auringonpaisteessa osuu vartaloon. Siksi eläin vaikuttaa ”litteämmältä”. Tästä syystä saalistajien saattoi olla vaikea erottaa Sinosauropteryxiä taustasta.

Höyhenelliset petodinosaurukset kuuluivat samaan Coelurosauria-nimiseen kladiin eli kehityslinjaan kuin vaikkapa Tyrannosaurus rex ja Jurassic Park -elokuvissa esiintyvät pienet lihansyöjäliskot, "raptorit".

Kaikki viittasi siis siihen, että ensimmäiset höyhenet kehittyivät petodinosaurusten alaryhmässä.

Mutta juuri kun tutkijat uskoivat selvittäneensä höyhenien alkuperän, pieni sarvekas kaatoi koko teorian.

Kasvinsyöjät kohottivat harjaksia

Kasveja syöneen Psittacosaurus-dinosauruksen fossiili paljasti, että sillä oli hännässään harjaksia. Onttoina ja jäykkinä ne muistuttivat alkeellisia höyheniä.

Psittacosaurus kuuluu kuitenkin sarvellisiin dinosauruksiin eli sarvinaamoihin, joista tunnetuimpia on Triceratops, eikä ole siten dinosaurusten sukupuussa lähelläkään petoliskoja.

Vuonna 2014 löytyi vielä yksi kasvinsyöjädinosaurus, jolla oli ulokkeita. Itä-Siperiassa sijaitsevasta Kulindasta löydetty Kulindadromeus vastasi mitoiltaan keskikokoista koiraa. Fossiili oli säilynyt erinomaisesti ”päällystakissaan”.

Kulindadromeus on vanhin tunnettu esimerkki dinosauruksesta, jolla oli höyheniä muistuttavia muodostumia. Pieni kasvinsyöjä eli noin 168 miljoonaa vuotta sitten.

© Andrey Atuchin

Päällystakki koostui kolmenlaisista suomuista, lyhyestä höyhenyksen kaltaisesta turkista ja kuitukimpuista, jotka muistuttivat lyhyitä kierteisiä nauhoja.

Lisäksi Kulindadromeus-dinosauruksella oli päässään, kaulassaan ja vartalossaan karvamaisia harjaksia ja olkavarsissaan ja reisissään pieniä höyhenmäisiä 5–7 harjaksen kimppuja. Erityisesti nämä ovat kiinnostavia, sillä vastaavia muodostumia ei ole löydetty petodinosauruksilta eikä nykylinnuilta.

Löydön iäksi on määritetty noin 168 miljoonaa vuotta, joten Kulindadromeus on tähän mennessä vanhin dinosaurus, jolla on ollut höyhenmäisiä muodostumia.

Monet tutkijat tulkitsivat piirteet merkiksi siitä, että kaikkien dinosaurusten yhteisillä esivanhemmilla oli ollut höyheniä. He pitivät epätodennäköisenä, että Sinosauropteryx-lihansyöjälle ja Kulindadromeus-kasvinsyöjälle ominainen monimuotoinen höyhenpeite oli kehittynyt kummassakin dinosaurusten pääryhmässä ilman yhteyttä toisiinsa.

Käsitys on kuitenkin kiistanalainen – erityisesti siitä syystä, että höyhenet vaikuttavat yhä olleen harvinaisia kasvinsyöjädinosauruksilla. Osa tutkijoista uskookin, että höyheniä syntyi sattumalta useaan otteeseen sukupuun eri haaroissa.

Lentoliskoilla oli neljänlaisia höyheniä

Jäljittäessään mahdollisia yhteisiä esivanhempia tutkijat tarkastelivat pterosaureja eli lentoliskoja, joita eli dinosaurusten rinnalla 66–230 miljoonaa vuotta sitten. On mielenkiintoista, että lentoliskot muodostavat sukupuussa oman oksan, joka kasvaa suoraan yhteisestä kantamuodosta.

Paleontologi Mike Bentonin johtaman kansainvälisen tutkimusryhmän mukaan lentoliskoilta on löydetty neljänlaisten höyhenten jälkiä.

© Chuang Zhao/Reuters/Scanpix Ritzau

Kansainvälinen tutkijaryhmä analysoi paleontologi Mike Bentonin johdolla kahta 160 miljoonaa vuotta vanhaa Kiinasta löydettyä lentoliskon fossiilia ja löysi rakenteita, joiden oletetaan olevan neljänlaisten pää-, kaula-, vartalo- ja siipihöyhenien jäännöksiä.

Rakenteet ovat samanlaisia kuin lintujen ja dinosaurusten höyhenissä. Niinpä höyhenet eivät syntyneet 160 miljoonaa vaan 240 miljoonaa vuotta sitten. Paleontologi Mike Benton

Ajoitus käy yksiin sen eläinten suuren joukkotuhon kanssa, joka tapahtui permikauden lopulla 252 miljoonaa vuotta sitten. Se oli maapallon historian kolmas ja pahin joukkosukupuutto, sillä raju tulivuoritoiminta hävitti peräti 95 prosenttia kaikista eläin- ja kasvilajeista.

Ajan mittaan syntyi uusia elämänmuotoja. Ensimmäiset dinosaurukset ja nisäkkäät ilmestyivät, ja liskot sopeutuivat elämään meressä tai liikkumaan siipiensä varassa ilmassa.

Tutkimuksen tekijät olettavat, että dinosaurusten ja lentoliskojen yhteiset esivanhemmat saivat esihöyheniä eristeekseen 240 miljoonaa vuotta sitten ja että höyhenien muut toimintatavat kehittyivät paljon myöhemmin.

Käsitys perustuu muun muassa geneettisiin analyyseihin, joiden mukaan suomut, karvat ja höyhenet ovat samaa perua lajieroista huolimatta.

Toisin sanoen kaikkien dinosauruslajien oli mahdollista kehittää höyheniä, mutta elinolosuhteet ja mutaatiot määräsivät, mitkä geenit ilmentyivät ja miten ne vaikuttivat evoluutioon. Osalle ei syntynyt koskaan höyheniä, osalla taas oli niitä ehkä vain tilapäisesti.

”Höyhen” oli rispaantuneita kuituja

Mike Bentonin tutkijaryhmän näkemys on kuitenkin jäänyt vaille laajaa tukea, sillä paleontologiset tutkimukset ja supertietokoneajot puhuvat enimmäkseen aivan toisenlaisen selityksen puolesta.

Lentoliskoihin erikoistunut David Unwin brittiläisestä Leicesterin yliopistosta kyseenalaistaa käsityksen, jonka mukaan kaikkien lentoliskojen siipiä peittivät jonkinlaiset höyhenet.

Unwinin mukaan on löydetty noin 30 lentoliskoa, joiden hyvin säilyneet siivet näyttävät pinnaltaan paljailta ja sileiltä. Sen sijaan siipikalvosta voi olla erotettavissa mikroskoopilla untuvamaisia rakenteita. Kyseessä on kuitenkin virhetulkinta hajoamassa olevasta kudoksesta.

Siipien sisäosien tiedetään sisältäneen kuitumaisia rakenteita. Kun ne hajosivat, ne alkoivat näyttää rispaantuneilta ja siten untuvamaisilta haarakkeilta. Lentoliskospesialisti David Unwin

David Unwin pitää hajoamisprosessien huonoa tuntemusta suurena ongelmana. Paleontologien voi olla vaikea tunnistaa ja tulkita oikein fossiilien rakenteita, jotka ovat rusentuneet ja lämmenneet maan uumenissa miljoonien vuosien aikana.

Dinosaurusten kehityshistoriaan perehtynyt professori Paul Barrett Lontoon luonnontieteellisestä museosta on julkaissut jokin aika sitten höyhenien alkuperää käsittelevän kirjan.

Barrett on yhdessä kahden muun tutkijan kanssa määrittänyt todennäköisyyksiä ja luonut tietokonemalleja kartoittaakseen matkan ensimmäiseen höyheneen.

Tutkijat syöttivät malleihin 77:ää eri dinosauruslajia koskevia tietoja. Kaikki löydöt sisälsivät jossain muodossa hyvin säilynyttä ihoa, jossa oli suomuja, karvoja tai höyheniä muistuttavien muodostumien jälkiä.

Dinosaurukset sijoitettiin sukupuuhun, ja niitä haaroja, joista fossiilit puuttuvat, täydennettiin ajateltavissa olevilla lajeilla. Yhteen malliin pantiin lentolisko, jolla oli esihöyheniä, ja toiseen höyhenetön lentolisko.

Näin voitiin luoda vaihtoehtoisia kehityslinjoja ja määrittää todennäköisyys sille, että yksittäiset linjat vastaavat todellisuutta.

Mallit paljastivat, että dinosaurusten ja lentoliskojen yhteisillä esivanhemmilla oli höyheniä vain hyvin pienellä todennäköisyydellä.

”Odotin, että kun mallinnuksen lähtökohtana oli lentolisko, jolla oli esihöyheniä, tulokseksi tulisi, että kaikilla dinosauruksilla oli höyheniä. Yllätyin, kun näin ei ollutkaan”, toteaa Paul Barrett.

Palapelistä puuttuu höyhenellinen osa

Tietokonemallien tulos paljastaa, että viime vuosien lukuisista löydöistä huolimatta tiedoissa on yhä pahoja aukkoja. Vaikka tutkimus ei tue höyhenellisten esivanhempien olemassaoloa, kuva voi Paul Barrettin mukaan vielä muuttua.

”Ajatusta, että höyhenillä oli tärkeä osa dinosaurusten kehityshistoriassa, ei ole syytä torjua. Jo yksi tai muutama höyhenellistä varhaista dinosaurusta tai dinosaurusten sukulaista koskeva löytö voi muuttaa asetelmaa ratkaisevasti”, toteaa Barrett.

Sileät ja suomulliset dinosaurukset, joita nähdään muun muassa Jurassic Park -elokuvissa, ovat häviämässä. Kaikkiin dinosaurusten sukupuun osiin ilmestyy todisteita höyhenistä.

© B. Choo/CAS

T. rexin serkku oli untuvainen tappaja

Pitkään uskottiin, että suurilla dinosauruksilla ei ollut höyheniä, koska isot eläimet eivät menetä lämpöä niin kuin pienet. Vuonna 2012 Kiinasta löydettiin kuitenkin yhdeksän metriä pitkä T. rexin edeltäjä, Yutyrannus, joka eli noin 125 miljoonaa vuotta sitten. Kookkaalla petodinosauruksella oli alkeellisia untuvamaisia höyheniä. Vaikka T. rexiltä ei ole vielä löydetty höyhenmäisiä muodostumia, kaikki viittaa siihen, että silläkin oli jonkinlaisia höyheniä.

© Mark P. Witton/SPL

Raptorin jalkoja peittivät höyhenet

Vaikka suomut eivät voi kehittyä höyheniksi, päinvastainen muutos on mahdollinen. Pienten petodinosaurusten jalat esitetään usein suomullisina, mutta kanoilla, jotka ovat dinosaurusten lähimpiä nykysukulaisia, on kahdenlaisia suomuja jaloissaan: pieniä pyöreitä matelijansuomuja ja suurempia, höyhenistä syntyneitä suomuja. Kiinan Liaoningista löytyneet fossiilit osoittavat, että raptoreilla höyhenpeite saattoi ulottua aina varpaisiin asti.

© Shutterstock

Triceratopsilla oli harjaksia

Paleontologit olivat kauan varmoja siitä, että suuri sarvellinen Triceratops oli karvaton ja höyhenetön. Koska se oli kuitenkin sukua paljon pienemmälle Psittacosaurukselle, jolla oli pitkiä harjaksia hännässään, tutkijat ovat alkaneet horjua kahden vaiheilla. Triceratopsin ihon painauma vihjaa, että siinä oli samankaltaisia harjaksia. Vielä ei kuitenkaan tiedetä, oliko harjaksilla mitään tekemistä höyhenien kanssa.

Dinosaurusten kantamuoto kehittyi triaskaudella 200–251 miljoonaa vuotta sitten. Paleontologi Bent Lindow Kööpenhaminassa toimivasta Tanskan luonnontieteellisestä museosta pitäisi tuolta ajalta olevan höyhenen löytymistä todellisena onnenpotkuna.

”Noin vanhoja fossiileja ei ole helppo löytää, sillä pehmeiden kudosten säilyminen vaatii aivan erityiset olosuhteet. Mahdotonta se ei kuitenkaan ole – niitä täytyy vain alkaa etsiä määrätietoisesti”, toteaa Lindow Tieteen Kuvalehdelle.

Lintujen, dinosaurusten ja lentoliskojen lähimpiä sukulaisia ovat krokotiilit, sillä ne kaikki kuuluvat arkosaureihin. Ensimmäiset krokotiilit kehittyivät juuri triaskaudella, ja siitä huolimatta, että krokotiileilla ei ole höyheniä, niiden perimässä piilee nykyäänkin kyky kehittää höyhenpuku.

Ehkä jokin kerrostuma kätkee sisäänsä hyvin kaukaisen nykykrokotiilien sukulaisen fossiilin, joka vain odottaa löytämistään – niin kuin Sinosauropteryx 25 vuotta sitten. Puuttuu vain yksi ainoa höyhen.