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História do voo em dinossauros

Jingmai O'Connor e Yosef Kiat compartilham insights obtidos das penas das aves modernas que ajudam a compreender a história evolutiva do voo nos dinossauros.

25 de março de 2024

Image credit: National Geographic Society/James L. Amos.

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Restrições funcionais no número e formato das penas de voo

PNAS: Bem-vindo ao Science Sessions , o podcast do Proceedings of the National Academy of Sciences , onde conectamos você com membros da Academia, pesquisadores e legisladores. Junte-se a nós enquanto exploramos as histórias por trás da ciência. Meu nome é Paul Gabrielsen. Os dinossauros são elos evolutivos com as aves modernas, embora a história do voo dos dinossauros seja obscura. Num estudo recente do PNAS, Yosef Kiat e Jingmai O'Connor, do Field Museum of Natural History de Chicago, procuraram esclarecer a história do voo. Kiat é ornitólogo e O'Connor é paleontólogo, então eles analisaram as penas dos pássaros modernos e dos dinossauros fossilizados em busca de pistas sobre se uma espécie provavelmente poderia ou não voar. Eles descrevem como o número e a forma das penas primárias fornecem informações importantes sobre as habilidades e a história de uma espécie.

Jingmai, quais penas são importantes para o vôo? Que características indicam que uma pena está associada ao voo?

O'Connor : Os pássaros parecem estar cobertos de penas. Mas diferentes partes do corpo têm penas especializadas para diferentes funções, e as mais importantes são, sem dúvida, as grandes penas que se estendem para fora do membro anterior que cria a asa que estas aves usam para a sua forma muito especializada de voo motorizado. Se você olhar a asa de um pássaro, notará que as penas mais longas, são as que ficam mais afastadas do corpo, são chamadas de remiges primários. E uma característica única dos remiges primários é que eles são assimétricos. Se você olhar para uma pena e perceber que ela tem esse espinho central, ela é chamada de raque. E então, estendendo-se para fora da espinha central, há duas partes da pena que chamamos de veias. E se você observar as penas de voo, as duas veias de cada lado da raque são assimétricas. Portanto, a veia que enfrenta o ar que se aproxima é muito, muito estreita. Essa é a veia de ponta. E então a outra veia, a veia do bordo de fuga, é muito mais larga. Essa assimetria das veias é um bom indicador se um pássaro está voando ou não.

PNAS: Antes do seu estudo, o que sabíamos sobre a evolução das penas de voo nos dinossauros?

O'Connor : Desde a primeira descoberta de dinossauros com penas na China, no final da década de 1990, aprendemos muito sobre a distribuição destas estruturas dentro dos dinossauros. Sabemos que penas semelhantes às que vemos em pássaros vivos são encontradas apenas em três grupos de dinossauros não aviários, então oviraptorossauros como o Oviraptor, troodontídeos como o Troodon e dromeossaurídeos como, você acertou, Dromaeosaurus, mas também Velociraptor e Deinonychus e coisas assim. Juntos nós os chamamos de Pennaraptora.

Então você deve ter ouvido falar que outros dinossauros também tinham penas. Mas estes tinham o que chamamos de protopenas, que eram estruturas muito mais simples, lembrando superficialmente a pele dos mamíferos.

O dinossauro mais básico que tem essas penas que parecem penas modernas são os oviraptorossauros, e eles já têm essas asinhas. E se você olhar para esses dinossauros, verá que eles têm braços minúsculos; asas realmente pequenas; e pernas muito grandes e robustas. Então você olha para eles e pensa: “Este é um animal que definitivamente não está voando”. E durante muito tempo, os paleontólogos defenderam a hipótese de que estas não são aves que não voam secundariamente, estão apenas a mostrar-nos que os dinossauros tinham asas antes de voarem.

PNAS: Que informações sobre penas você conseguiu obter de espécimes fossilizados?

O'Connor : Bem, para realmente obter informações excepcionais do registro fóssil, você precisa de fósseis excepcionais e, portanto, no nordeste da China existem literalmente milhares de espécimes de dinossauros emplumados que foram encontrados nos últimos 30 anos. Isso nos permitiu ter 65 exemplares de pennaraptoranos que preservaram penas. Isso representou 30, 35 táxons. Isso nos deu uma amostra bastante significativa de troodontídeos, dromeossaurídeos, oviraptorossauros e todas essas aves do Cretáceo que nos ajudam a começar a procurar padrões.

Temos algumas tendências muito interessantes. Estamos apenas dizendo que esses dados são realmente interessantes e precisam ser considerados se você é um paleontólogo tentando entender o voo dos dinossauros. É um tema quente: o voo evoluiu nos dinossauros alguma vez? Evoluiu várias vezes? Então, estamos apenas enfatizando que as penas precisam ser consideradas e elas, na verdade, podem ser muito informativas.

PNAS: Yosef, o que você aprendeu sobre o número de penas primárias em pássaros e dinossauros vivos?

Kiat : As penas primárias são provavelmente as penas mais importantes para o voo. Em nossa pesquisa, testei a relação entre a capacidade de voo e o número de penas primárias entre as aves modernas. Descobri que todas as espécies de aves voadoras modernas têm entre 9 a 11 penas primárias. Em contraste, algumas espécies que não voam e que perderam a capacidade de voar há muito tempo – por exemplo, os pinguins – têm menos ou mais penas. A faixa estreita de 9 a 11 penas nas asas é muito interessante. É muito surpreendente. Entre as espécies fósseis, existem alguns padrões interessantes. Anchiornis, que perdeu a capacidade de voar, tem mais penas primárias, cerca de 25. Esta espécie provavelmente perdeu secundariamente sua capacidade de voo, semelhante a algumas espécies de aves modernas que não voam.

A segunda espécie é Caudipteryx . É o primeiro dinossauro pennaraptor conhecido. Viveu há cerca de 170 milhões de anos e a sua morfologia não permite o voo. No entanto, as nove primárias nesta espécie podem indicar uma perda secundária da capacidade de voo. Estas descobertas sugerem que a evolução do voo começou mais cedo do que se supunha originalmente e que o ancestral comum de todos os pennaraptoranos pode ter tido habilidades de voo.

PNAS: Quando vemos mudanças na simetria do formato das penas e o que isso significa?

O'Connor : Vemos que mesmo que o voo tenha sido perdido recentemente, esta característica já começa a mudar. Parece que leva pelo menos 30 milhões de anos para que as aves desenvolvam uma mudança no número de penas primárias. Então, se você vir um pássaro que não está mais voando, mas tem de 9 a 11 primárias, ele está lhe contando sobre o estado ancestral, que ele evoluiu de algo que voou, mas ainda não teve tempo suficiente para desenvolver uma nova função e mudar. o número de primárias. Ao passo que, se observarmos o grau de assimetria nas penas de voo, esta é uma característica que pode mudar facilmente em resposta à evolução.

Kiat : Então, na verdade, o Caudipteryx também tinha penas primárias assimétricas até certo ponto, mas menos do que entre as espécies voadoras. Portanto, isso significa que as penas primárias assimétricas são uma característica ancestral deste clado de dinossauros, mas ainda estão mudando de forma relativamente rápida ao longo do tempo evolutivo, em resposta à perda secundária das habilidades de voo.

PNAS: Para resumir as suas descobertas, que evidências sugerem que espécies fósseis como o Archaeopteryx e o Microraptor podiam voar, e que o Caudipteryx e o Anchiornis perderam a capacidade de voar?

Kiat : Archaeopteryx e Microraptor tinham cerca de 10 penas primárias, que eram assimétricas como as aves voadoras modernas. Portanto, isso sugere capacidade de voo, enquanto o Caudipteryx tem as nove penas primárias, mas não em um nível de assimetria que indique voo. Além disso, suas asas eram pequenas demais para suportar o vôo. Anchiornis tinha um grande número de penas primárias simétricas, cerca de 25. Esta espécie provavelmente perdeu a capacidade de voar e este padrão é muito semelhante ao de avestruzes ou pinguins.

PNAS: O que ainda falta no registro fóssil que poderia preencher a história do voo?

Kiat : Acho que a descoberta de espécies fósseis adicionais, é claro, com diferentes características de plumagem, especialmente na base do Pennaraptora. Estas descobertas podem fornecer informações interessantes sobre a evolução do voo e das penas de voo.

O'Connor : É altamente improvável que as primeiras asas que evoluíram para voar tivessem esse padrão que parece estar intimamente ligado ao voo. Precisamos de dinossauros mais primitivos ou de uma amostra maior de pennaraptoranos com os quais possamos observar a estrutura das asas para descobrir como era a asa mais antiga, porque as primeiras asas que conhecemos agora parecem ser secundariamente asas incapazes de voar. Apesar disso, sabemos que a asa emplumada evoluiu primeiro para algum outro propósito e depois foi exaptada para voar. É simplesmente impossível que esta estrutura tenha evoluído diretamente para a locomoção emplumada.

PNAS: Quais são as advertências e limitações deste estudo?

Kiat : Fizemos a comparação entre as aves modernas e seus ancestrais, os dinossauros não-aviários. Ambos os grupos têm muito em comum, mas provavelmente também algumas diferenças. Por exemplo, muitos pesquisadores sugerem que o planeio existia em espécies extintas de dinossauros como uma habilidade de voo exclusiva sem voo motorizado. Esta situação não existe nas aves modernas, o que também pode afetar a evolução das penas.

O'Connor : Lembre-se de que não estamos dizendo necessariamente que todos os dromeossaurídeos são animais secundariamente incapazes de voar. Isso é o que os dados diriam e não estamos necessariamente adotando essa postura firme. Portanto, precisamos de olhar para as penas juntamente com a forma do cérebro, e a morfologia do esqueleto, e a forma como o tecido ósseo está a formar-se, e todos os outros ângulos que pudermos para estes animais extintos. Precisamos reunir todos esses dados se quisermos realmente tentar entender a evolução do voo dos dinossauros.

Modern birds took flight 95 million years ago

Pássaros modernos levantaram vôo 95 milhões de anos atrás

By Laura Geggel, Senior Writer | December 11, 2015 03:30pm ET

Credit: millions27 | Shutterstock.com

Modern birds — from the soaring eagle to the tiny hummingbird — share a common ancestor that lived about 95 million years ago in South America, a new study finds.

That feathery common ancestor laid the groundwork for its innumerable descendants. When an asteroid hit the Yucatan Peninsula about 66 million years ago, it killed off the nonavian dinosaurs. So-called modern birds in South America survived and rapidly diversified, the researchers said.
These modern South American birds then moved to other parts of the world via land bridges (even fliers need stopovers on land), diversifying during periods of global cooling, the researchers found. [Avian Ancestors: Dinosaurs That Learned to Fly]

In the new study, scientists tried to pin down the date for the most recent common ancestor of modern birds. Other studies have suggested a vast range of dates, from 72 million to 170 million years ago.
"Modern birds are the most diverse group of terrestrial vertebrates in terms of species richness and global distribution, but we still don't fully understand their large-scale evolutionary history," study co-researcher Joel Cracraft, a curator in the Department of Ornithology at the American Museum of Natural History in New York City, said in a statement. (There are more than 10,000 living species of birds, compared to about 5,000 living species of mammals.)

"It's a difficult problem to solve because we have very large gaps in the fossil record," Cracraft added. "This is the first quantitative analysis estimating where birds might have arisen, based on the best phylogenetic [family tree] hypothesis that we have today."

Modern fowls

Birds began their evolutionary split from dinosaurs about 150 million years ago, during the Jurassic period. But these early birds had some retro features: Like dinosaurs, they still had teeth; they retained their fingers, some with claws on the end of each digit; and they had long, bony tails (today's birds usually don't have long tails, and those that do sport tails have ones mostly made of feathers, not bone), said Daniel Ksepka, a curator of science at the Bruce Museum in Greenwich, Connecticut, who was not involved in the study.

A fossil of a possible relative of early birds called Archaeopteryx (note the feather-like structures), from the Museum für Naturkunde in Berlin.

Credit: H. Raab via Wikimedia Commons http://bit.ly/15U62pZ

Cracraft and his colleague used data only from modern birds, or birds without these retro features, said study co-researcher Santiago Claramunt, a research associate in the Department of Ornithology at the American Museum of Natural History. Most of the birds they examined were post-Cretaceous, living after the asteroid hit, he told Live Science.

The researchers used a two-pronged approach in dating the most recent common ancestor. They looked for DNA differences among 230 bird species representative of most avian families, and used the results to construct a family tree that goes back to the most recent common ancestor. Then, they paired that data with the fossil record — 130 fossil birds in all.

The resulting family tree showed that the most recent common ancestor of modern birds lived about 95 million years ago, they said. [Gallery: Brazil's Vanishing Birds]

Migration and climate

The team then went a few steps further, examining modern bird migration and the effects of climate on diversification.

During the Cretaceous and early Paleogene periods, South America was connected to Antarctica, Australia and New Zealand. This corridor gave plants and animals the chance to spread until South America and Antarctica separated, sometime between 50 million and 37 million years ago, according to the study.

Fossil evidence suggests that birds took advantage of this land bridge, traveling from South America to Antarctica, Australia and New Zealand, the researchers said.
Another route took modern birds to North America across a Central American land bridge that researchers think existed during the Paleogene, a period lasting from 66 million to about 23 million years ago, Claramunt told Live Science. Once in North America, these birds spread to Asia, Europe and eventually Africa, he said.

Finally, the researchers examined climate. Bird diversification increased during cool periods and dropped during warm periods, they found.
"That was an incredible revelation of this [family] tree," Claramunt said. "When temperatures go down, diversification rates go up." In fact, the bird diversification rate "is almost a mirror image," when graphed against historical temperatures, he said.

"When the Earth cools and dries, fragmentation of tropical forests results in bird populations being isolated," Cracraft said in the statement. "Many times, these small populations will end up going extinct, but fragmentation also provides the opportunity for speciation to occur and for [animal type and count] to expand when environments get warm again. This work provides pervasive evidence that avian evolution has been influenced by plate tectonics and environmental change."
Ksepka called the study "thought provoking and compelling," adding that the 95-million-year-old date "seems quite sensible."

"The idea that birds were hiding out in South America is quite interesting," Ksepka told Live Science. "Future fossil discoveries in South America and Antarctica will really help us test this hypothesis."
The study was published online today (Dec. 11) in the journal Science Advances.
Follow Laura Geggel on Twitter @LauraGeggel. Follow Live Science @livescience, Facebook & Google+. Original article on Live Science.

Função das asas dos dinossauros pode não ter sido o voo, diz estudo

Utilizando laser de alta potência, cientistas conseguiram observar tecidos raríssimos em fósseis e reconstruir aparência externa de espécimes de Anchiornis.

•  Fábio de Castro ,

O Estado de S. Paulo

02 Março 2017 | 16h09

• Cientistas querem criar 'mamofante', híbrido de mamute e elefante
• Últimos mamutes foram extintos por falta de água

Foto: Julius T. Csotonyi

Utilizando fluorescência estimulada por laser, os cientistas conseguiram reconstruir com detalhes o corpo do Anchiornis

Os resultados de um novo estudo, feito por um grupo de cientistas da China e dos Estados Unidos, levantam a hipótese de que as asas dos dinossauros se desenvolveram para finalidades que não tinham relação com o voo - como assustar predadores ou proteger os ovos. 

A descoberta, publicada na revista Nature Communications, foi possível graças ao uso de uma técnica inovadora que utiliza raios laser de alta potência para detectar traços raros de tecidos moles fossilizados em nove exemplares de Anchiornis - um dinossauro de quatro asas que viveu no fim do período Jurássico.

Os fósseis são um elemento fundamental para que os paleontólogos possam estudar animais extintos da pré-história. Mas, como a preservação dos tecidos moles é raríssima, boa parte dos traços externos do animal são reconstruídos a partir de inferências baseadas na estrutura óssea, ou em comparações com animais que existem atualmente. Usando a nova técnica, porém, os cientistas conseguiram reconstruir o formato de um animal diretamente a partir do tecido mole.

Para os cientistas, o novo estudo "oferece novas perspectivas sobre a origem das aves e sobre o desenvolvimento do voo", mas a própria aplicação da técnica também é um importante resultado da pesquisa. 

Foto: Wang XL, Pittman M et al.

O diagrama mostra a primeira reconstrução precisa da parte externa do corpo de um dinossauro alado; as áreas coloridas representam os fósseis de cada espécime que foram usados para montar o "quebra-cabeças"

O estudo foi liderado pelo americano Michael Pittman, da Universidade de Hong Kong e por Xiaoli Wang, da Universidade Linyi, em Shandong (China). A nova técnica de obtenção de imagens, batizada de fluorescência estimulada por laser (LSF, na sigla em inglês), revelou detalhes dos tecidos moles que eram invisível sob a luz visível, mesmo em microscópios potentes.

Segundo Pittman, os delicados contornos do tecido mole dos espécimes estudados revelam que esses Anchiornis, que viveram há cerca de 160 milhões de anos, já tinham diversas características das aves modernas, incluindo o formato das pernas. 

"O LSF é uma técnica revolucionária que usa raios laser de alta potência, revelando os tecidos moles invisíveis que ficaram preservados ao longo dos ossos. Esses tecidos literalmente brilham no escuro, por fluorescência", disse Pitman.
"A técnica escaneia o fóssil com um laser violeta em uma sala escura. O laser excita os poucos átomos da pele deixados no fóssil, fazendo-os brilhar e revelando o formato original do dinossauro", explicou.

De acordo com Pittman, a técnica de LSF já havia sido utilizada antes para reconstruir os padrões de cores dos dinossauros do grupo dos Psittacossauros, do período Cretáceo, e também para discernir o formato de plantas pré-históricas. O novo estudo é o primeiro a fazer isso com dinossauros alados.
O estudo dos dinossauros alados - com seus corpos de formatos únicos, com penas e aparente aerodinâmica - têm contribuído para o conhecimento da origem das aves e da origem do voo entre as espécies de lagartos, segundo os autores do estudo. Todas as aves modernas existentes têm parentesco com dinossauros, que foram os primeiros animais a conquistar os céus.

Os cientistas afirmam ter escolhido o Anchiornis por conta do rico registro paleontológico: há pelo menos 229 espécimes fósseis conhecidos desses animais, o que aumenta a chance dos pesquisadores descobrirem tecidos moles preservados.

Com o LSF, os cientistas conseguiram desvendar o contorno externo dos braços, pernas e cauda dos animais - embora não tenham chegado a conclusões sobre os formatos da cabeça, pescoço e tórax. Os traços de tecido mole encontrados mostraram que o Anchiornis tinha diversas características das aves modernas, incluindo o formato das pernas e pés e a cauda delgada.

Foto: Wang XL, Pittman M et al.

No fóssil do Anchiornis, as dobras na pele diante do cotovelo e por trás do punho (conhecidas como patágio) eram cobertas por penas

A análise dos braços do dinossauro indica que o animal teoricamente tinha a capacidade de produzir um impulso para sair do chão - um pré-requisito importante para o voo. Os cientistas também notaram pela primeira vez em um dinossauro um tecido em torno do cotovelo, chamado propatágio - existente em aves como albatrozes e pelicanos. A análise também indica que o animal era capaz de controlar a cauda separadamente dos membros, permitindo um controle corporal preciso durante o voo.

Apesar de todas essas características, os cientistas acreditam que o Anchiornis não podia de fato voar. Segundo eles, é mais provável que o animal conseguisse usar as asas para produzir grandes saltos e, eventualmente, planar ao partir de um local alto. 

"As asas do Anchiornis são reminiscências das asas de aves capazes de planar, mas é preciso realizar mais estudos biomecânicos para descobrir como ele de fato se movia. No momento não temos dados suficientes para comprovar nenhuma das hipóteses", disse Pittman. "Acreditamos que ele provavelmente tinha algum tipo de capacidade aerodinâmica", completou Wang. 
Segundo os cientistas, além de penas, o Anchiornis tinha também dentes pequenos e afiados como os das primeiras aves, o que é uma pista sobre sua alimentação: provavelmente ele comia pequenos animais como lagartos.