Uma simples pena complexa

A descoberta de fósseis de penas de dinossauro, combinado ao estudo do desenvolvimento embrionário das aves modernas, permite entender como as penas evoluíram.

Charles Darwin usou em A Origem das Espécies uma engenhosa estratégia argumentativa: discutiu antecipadamente possíveis objeções à sua teoria evolutiva. Uma das críticas antevista por ele foi a ausência de fósseis intermediários entre alguns dos principais grupos de seres vivos. Por exemplo, se as aves descendem de ancestrais que não eram aves (diz-se “não-avianos”), deveriam existir fósseis com características intermediárias entre as aves e seus ancestrais.

Darwin argumentou que a ausência de formas intermediárias era devida à imperfeição do registro fóssil, pois este preservaria apenas uma pequena porção de todas as espécies que existiram durante a história do nosso planeta. Ademais, escreveu Darwin, o conhecimento sobre o registro fóssil é incompleto e, por esta razão, ele anteviu que novos fósseis transicionais seriam descobertos e algumas das lacunas seriam preenchidas.

Eis que, em 1860, apenas um ano após a publicação da primeira edição de A Origem das Espécies, uma pena fóssil isolada foi encontrada em rochas formadas há 150 milhões de anos, na Bavária (Figura 1). Poucos anos depois, no mesmo local, foram encontrados dois esqueletos fossilizados com impressões de penas similares ao redor do corpo. A espécie foi chamada de Archaeopteryx lithographica e tornou-se um ícone da teoria evolutiva (foto acima). Ela tinha penas e asas, mas, ao contrário das aves atuais, tinha também dentes, garras nas mãos e uma longa cauda composta por vértebras não fusionadas. Na última edição de A Origem das Espécies, Darwin pode regozijar-se: “Mesmo o imenso intervalo entre aves e répteis foi (…) parcialmente coberto”.

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Figura 1: À esquerda, a primeira pena descoberta de Archaeopteryx. Ao cento, as penas do dinossauro DIP-V-15103 preservadas em âmbar. À direita, penas de um papagaio atual.

Atualmente são conhecidas mais de uma dezena de espécimes de Archaeopteryx, além de centenas de outros fósseis mostrando que as aves modernas são dinossauros terópodes (grupo que inclui os famosos dinossauros carnívoros bípedes como Tyrannosaurus e Velociraptor) que sobreviveram a um evento de extinção em massa há 66 milhões de anos.

Mas é provável que nem Darwin, nos seus dias mais otimistas, pudesse sonhar que o registro fóssil reservaria um espécime como o descrito este mês na revista Current Biology. O fóssil, descoberto em Mianmar, consiste de um pequeno fragmento da cauda de um dinossauro terópode preservado em âmbar há 100 milhões de anos. Por ser apenas um fragmento, não foi possível atribuir um nome específico, nem determinar com precisão sua posição filogenética, sendo denominado simplesmente por seu código de identificação no museu: DIP-V-15103.

Através do âmbar semitransparente, é possível observar vestígios de vértebras, músculos, pele e penas, além de restos do ecossistema em que ele vivia, como folhas e até mesmo formigas. A beleza do fóssil fez com que ele ganhasse as manchetes ao redor do mundo. Mas, além do seu apelo estético e emocional, ele traz também interessantes dados sobre a evolução dos dinossauros, especialmente sobre a evolução da morfologia das penas.

A pena de Archaeopteryx descoberta em 1860 é uma pena completamente moderna (Figura 1). Ela possui um ramo central, chamado de raque, que se insere na pele por meio do cálamo (Figura 2). Possui também ramos perpendiculares à raque, chamados de barbas, e ramos perpendiculares às barbas, chamados de bárbulas. Finalmente, apresenta estruturas em forma de gancho perpendiculares às bárbulas, chamadas de barbicelas, responsáveis por fechar a superfície das penas, chamada de vexilo (ver a figura 2 abaixo).

Which Came First, the Feather or the Bird?
Figura 2: Morfologia das penas das aves modernas. Modificado de Prum e Brush (2012).

Em contraste a esta estrutura complexa, presente nas penas das aves atuais e em Archaeopteryx, as penas de DIP-V-15103, assim como muitas outras das penas recentemente encontradas em dinossauros não-avianos, são mais simples.

Interessantemente, estas morfologias mais simples foram previstas por um modelo baseado no desenvolvimento e crescimento das penas modernas (Figura 3), proposto em 1999 por Richard Prum, ex-professor visitante na Unicamp e atualmente professor na Universidade de Yale (EUA).

O estágio 1 seria a evolução de um filamento não-ramificado, como uma cerda oca. Esta morfologia foi encontrada, por exemplo, em Sinosauropteryx.

O estágio 2 seria a evolução do cálamo (a base oca das penas, antigamente usada para escrever com tinta) e de barbas longas e flexíveis, similares às plúmulas das aves modernas (aquelas penas macias que usamos para fazer casacos e cobertores). Plúmulas foram observadas, por exemplo, em Caudipteryx e Sinornithosaurus.

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Figura 3: Modelo da evolução morfológica das penas proposto por Prum (1999) e alguns exemplos de fósseis que corroboram o modelo.

O estágio 3 é o mais controverso, pois tem sido difícil inferir qual morfologia evoluiu primeiro: uma raque central (estágio 3a) ou bárbulas nas barbas (estágio 3b).

A excelente preservação das penas de DIP-V-15103 ajudou a resolver este ponto. É possível observar que as penas na cauda possuíam bárbulas tanto nas barbas quanto nas raques (uma morfologia ligeiramente diferente da predita no estágio 4), sugerindo que as bárbulas evoluíram primeiro (estágio 3b) e que a raque central se formou posteriormente pela fusão de barbas que já possuíam bárbulas.

Por último, a evolução de barbicelas (estágio 5) permitiu o fechamento do vexilo, como na pena de Archaeopteryx, possibilitando assim que as penas fossem utilizadas para o voo na linhagem das aves.

Quando Darwin defendeu que a teoria da evolução permitiria explicar a origem da diversidade dos seres vivos, ele proporcionou um programa de pesquisa ao mesmo tempo fértil e desafiador. Entender a evolução das penas das aves, com sua grande complexidade e beleza, tem sido um dos desafios mais duros. A tabelinha entre paleontologia e biologia experimental está, finalmente, permitindo enfrentá-lo.

João Francisco Botelho (Yale University, EUA).

PARA SABER MAIS:

McKellar, Ryan C., et al. A diverse assemblage of Late Cretaceous dinosaur and bird feathers from Canadian amber. Science 333.6049 (2011): 1619-1622.

Perrichot V.,Marion L., Néraudeau D., Vullo R., Tafforeau P. The early evolution of feathers: fossil evidence from Cretaceous amber of France Proc. Biol. Sci., 275 (2008), pp. 1197–1202

Prum R. O., and A. H. Brush. Which came first, the feather or the bird?. Scientific American 23 (2014): 76-85.

Prum, R.O. Development and evolutionary origin of feathers J. Exp. Zool., 285 (1999), pp. 291–306

Xing, Lida, et al. A Feathered Dinosaur Tail with Primitive Plumage Trapped in Mid-Cretaceous AmberCurrent Biology 26:3352-3360 (2016).

Xu, Z. Zhou, R.O. Prum Branched integumental structures in Sinornithosaurusand the origin of feathers Nature, 410 (2001), pp. 200–204

Xu, X. Zheng, H. You Exceptional dinosaur fossils show ontogenetic development of early feathers Nature, 464 (2010), pp. 1338–1341

Imagem de capa: Colagem mostrando DIP-V-15103 e o terceiro espécime de Archaeopteryx (espécime de Berlim).

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