Synchrotron X-ray sheds light on some of the world's oldest dinosaur eggs

Raio-X síncrotron lança luz sobre alguns dos ovos de dinossauro mais antigos do mundo

by European Synchrotron Radiation Facility

 

Some of the world's oldest known dinosaur eggs and embryos. The clutch of Massospondylus carinatus eggs discovered in 1976 in Golden Gate Highland National Park, South Africa. Credit: Brett Eloff

An international team of scientists led by the University of the Witwatersrand in South Africa has produced highly detailed reproductions of the skulls of some of the oldest known dinosaur embryos in 3-D, using powerful and non-destructive synchrotron techniques at the ESRF, the European Synchrotron in France. They found that the skulls develop in the same order as those of today's crocodiles, chickens, turtles and lizards. The findings are published today in Scientific Reports.

The scientists have published the 3-D reconstructions of the ~2-cm-long embryonic skulls in Scientific Reports. The embryos, found in 1976 in Golden Gate Highlands National Park (Free State Province, South Africa) belong to South Africa's iconic dinosaur Massospondylus carinatus, a 5-meter-long herbivore that nested in the Free State region 200 million years ago.

The scientific usefulness of the embryos was previously limited by their extremely fragile nature and tiny size. In 2015, scientists Kimi Chapelle and Jonah Choiniere from the University of Witwatersrand brought them to the European Synchrotron (ESRF) in Grenoble, France for scanning. At the ESRF, an 844-metre ring of electrons traveling at the speed of light emits high-powered X-ray beams that can be used to scan matter non-destructively, including fossils. The embryos were scanned at an unprecedented level of detail, at the resolution of an individual bone cell. 

With these data in hand, and after nearly three years of data processing at the Wits laboratory, the team was able to reconstruct a 3-D model of the baby dinosaur skull. "No lab CT scanner in the world can generate these kinds of data," said Vincent Fernandez, one of the co-authors and scientist at the Natural History Museum in London (U.K.). "Only with a huge facility like the ESRF can we unlock the hidden potential of our most exciting fossils. This research is a great example of a global collaboration between Europe and the South African National Research Foundation," he adds.

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Uma equipe internacional de cientistas liderada pela Universidade de Witwatersrand, na África do Sul, produziu reproduções altamente detalhadas dos crânios de alguns dos mais antigos embriões de dinossauros conhecidos em 3D, usando técnicas síncrotron poderosas e não destrutivas no ESRF, o European Síncrotron na França. Eles descobriram que os crânios se desenvolvem na mesma ordem que os crocodilos, galinhas, tartarugas e lagartos de hoje. Os resultados são publicados hoje no Scientific Reports.

Os cientistas publicaram as reconstruções em 3D dos crânios embrionários de 2 cm de comprimento no Scientific Reports. Os embriões, encontrados em 1976 no Parque Nacional Golden Gate Highlands (Província de Estado Livre, África do Sul) pertencem ao icônico dinossauro da África do Sul Massospondylus carinatus, um herbívoro de 5 metros de comprimento e aninhado na região de Estado Livre há 200 milhões de anos.

 A utilidade científica dos embriões era anteriormente limitada por sua natureza extremamente frágil e tamanho pequeno. Em 2015, os cientistas Kimi Chapelle e Jonah Choiniere, da Universidade de Witwatersrand, os trouxeram ao Síncrotron Europeu (ESRF) em Grenoble, na França, para digitalização. No ESRF, um anel de elétrons de 844 metros que viaja à velocidade da luz emite feixes de raios X de alta potência que podem ser usados ​​para varrer a matéria de maneira não destrutiva, incluindo fósseis. Os embriões foram escaneados com um nível de detalhe sem precedentes, na resolução de uma célula óssea individual.

 Com esses dados em mãos, e após quase três anos de processamento de dados no laboratório Wits, a equipe conseguiu reconstruir um modelo 3D do crânio do bebê dinossauro. "Nenhum scanner de laboratório no mundo pode gerar esses tipos de dados", disse Vincent Fernandez, um dos co-autores e cientista do Museu de História Natural de Londres (Reino Unido). "Somente com uma enorme instalação como a ESRF podemos desbloquear o potencial oculto de nossos fósseis mais emocionantes. Esta pesquisa é um ótimo exemplo de uma colaboração global entre a Europa e a Fundação Nacional de Pesquisa da África do Sul", acrescenta ele.

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Up until now, it was believed that the embryos in those eggs had died just before hatching. However, during the study, lead author Chapelle noticed similarities with the developing embryos of living dinosaur relatives (crocodiles, chickens, turtles, and lizards). By comparing which bones of the skull were present at different stages of their embryonic development, Chapelle and co-authors demonstrated that the Massospondylus embryos were actually much younger than previously thought and were only at 60% through their incubation period.

The team also found that each embryo had two types of teeth preserved in its developing jaws. One set was made up of very simple triangular teeth that would have been resorbed or shed before hatching, just like geckos and crocodiles today. The second set was very similar to those of adults, and would be the ones that the embryos hatched with. "I was really surprised to find that these embryos not only had teeth, but had two types of teeth. The teeth are so tiny; they range from 0.4 to 0.7 mm wide. That's smaller than the tip of a toothpick," says Chapelle.

The researchers concluded that the dinosaurs developed in the egg just like their reptilian relatives, whose embryonic developmental pattern hasn't changed in 200 million years. "It's incredible that in more than 250 million years of reptile evolution, the way the skull develops in the egg remains more or less the same. Goes to show—you don't mess with a good thing," says Jonah Choiniere, professor at the University of Witwatersrand and also co-author of the study.

The team hopes to apply their method to other dinosaur embryos to estimate their level of development. They will be looking at the rest of the skeleton of the Massospondylus embryos to see if it also shares similarities in development with today's dinosaur relatives. The arms and legs of the Massospondylus embryos have already been used to show that hatchlings likely walked on two legs.

More information: Conserved in-ovo cranial ossification sequences of extant saurians allow estimation of embryonic dinosaur developmental stages, Scientific Reports (2020).

Kimberley E. J. Chapelle et al. A quantitative method for inferring locomotory shifts in amniotes during ontogeny, its application to dinosaurs and its bearing on the evolution of posture, Palaeontology (2019). DOI: 10.1111/pala.12451

Baby pterosaurs were cute, defenceless and unable to fly

Zhao Chuang

By Aylin Woodward

The largest ever collection of pterosaur eggs and embryos has been found in north-west China. It includes 215 eggs, some with intact embryos. The “Pterosaur Park” is evidence that these pterosaur babies were born flightless and needed looking after, and that their parents nested in huge shared colonies.
The first flying vertebrates and the biggest animals to ever get off the ground, pterosaurs evolved some 220 million years ago from a group of reptiles that gave rise to crocodiles, dinosaurs, and later birds. The species studied, Hamipterus tianshanensis, lived in the early Cretaceous nearly 120 million years ago. They likely ate fish and other small animals.

To date scientists have only found a handful of pterosaur bone beds. Their eggs and embryos are even more rare, so we know little about how they lived and reproduced.

In 2004, the first fossilised pterosaur embryo was found in north-east China. But it was flattened “like Cretaceous roadkill”, says Alexander Kellner at the Federal University of Rio de Janeiro in Brazil, making it hard to get useful data. Ten years later, five more eggs were unearthed in north-west China, and another in Argentina.

Eggs galore

So when Kellner’s colleague Xiaolin Wang at the Chinese Academy of Sciences in Beijing called him in to say he had found over 200, he reacted with disbelief. “It was so amazing, I said, ‘Come on Xiaolin, you made it up’,” he says.
The H. tianshanensis eggs are each the size of a small chicken egg, but with a soft shell like a snake’s egg instead of a hard, brittle one. They were found in a sandstone block just 3.28 square metres in size.
Kellner and his colleagues used computed tomography (CT) to scan what’s inside. They found that sixteen of the 215 eggs held embryos.

Alexander Kellner/Museu Nacional (UFRJ)

The embryos’ wings and legs showed differing amounts of bone development. Some embryos had fully-formed femurs but not wings, meaning they were likely flightless at birth. The researchers think this means hatchlings needed parental care.

These results are in direct contrast to what scientists previously thought—that pterosaurs came out of their eggs ready to fly. Kellner says when H. tianshanensis hatched, it could walk around but not fly.
This is reasonable, but many baby birds don’t need fully ossified limbs to fly, says Kevin Padian at the University of California, Berkeley.

However, the embryos also had underdeveloped pectoral muscles, which pterosaurs needed to get off the ground. This is further evidence that hatchlings were flightless, says Kellner.
It may be that H. tianshanensis hatchlings were flightless, but other pterosaurs were more developed when they hatched and thus could fly.

Pterosaurs that nest together

Since the eggs contain embryos in a variety of growth stages, the eggs cannot all have come from the same mother. This indicates that H. tianshanensis nested in colonies, says Kellner, like modern rookeries.
The eggs are also scattered in four geological layers in the sandstone. Each level with eggs could represent a different storm and subsequent flood, which floated the eggs away from their nests to a nearby lake, where they were buried. The existence of multiple layers implies that pterosaurs used the same nesting ground year after year, Kellner says.
Nesting colonies are possible, says David Unwin at the University of Leicester in the UK. However, he says pterosaurs buried their eggs, so they may simply have laid them in the same place because it was the optimal burial environment, much as certain beaches are optimal for sea turtles.

Journal reference: Science, DOI: 10.1126/science.aan2329

"Ninho de pterossauros" com mais de 200 ovos é descoberto na China

Pesquisa com participação de brasileiros encontra fósseis dos répteis voadores da época dos dinossauros

por Cesar Baima

30/11/2017 17:00 / Atualizado 01/12/2017 8:03

Parte dos ossos e centenas de ovos fossilizados de pterossauros encontrados pelos pesquisadores na região de Turpan-Hami, China - Divulgação/Alexander Kellner

Últimas de Ciência

RIO - Há 120 milhões de anos, um grupo de pterossauros, répteis voadores da época dos dinossauros, escolheu uma área nos arredores de Turpan, cidade no Noroeste da China, como seu local de reprodução. Então, as fêmeas da espécie, Hamipterus tianshanensis, voltavam regularmente ao lugar para depositar seus ovos, criando o que os cientistas acreditam ser um “ninho coletivo”. Um dia, porém, tempestades fizeram os rios da região transbordarem, inundando a área e carregando centenas de ovos, enterrando-os em sedimentos não muito longe de onde estavam originalmente.
Com o passar do tempo, estes ovos acabaram fossilizados, preservando sua forma tridimensional em uma camada de arenito (tipo de rocha resultado da compactação de material granulado, como areia) na formação geológica da Bacia de Turpan-Hami, nesta região da China. E ali eles permaneceram até que, muitos milênios depois, uma equipe de pesquisadores, com a participação de cientistas chineses e brasileiros, os encontrou, no que está sendo saudada como uma das maiores e mais importantes descobertas do tipo até agora, ajudando a revelar como eram, se reproduziam e desenvolviam estes animais hoje extintos e sem descendentes evolutivos.

Saiba mais sobre a descoberta

Diferentemente do que se imagina, os pterossauros não são dinossauros, mas “primos” deles, pertencendo a outro ramo evolutivo. Estes répteis alados surgiram por volta de 225 milhões de anos atrás e foram extintos junto com os dinossauros há cerca de 66 milhões de anos.

O achado expande enormemente o registro fóssil de ovos de pterossauros, o que deverá possibilitar novas revelações sobre como eram, se desenvolviam e viviam estes animais, dos quais não restaram descendentes evolucionários hoje. A espécie da qual foi descoberto o “ninho” na China, Hamipterus tianshanensis, alcançava uma envergadura (distância da ponta de uma asa à ponta da outra) de 3,5 metros, com cerca de 1,2 metro de altura e 12 quilos de peso.

Localizada no Noroeste da China, a Bacia de Turpan-Hami compreende duas depressões onde está o quarto ponto mais baixo do planeta, 154 metros abaixo do nível do mar. O clima é extremamente árido, do tipo deserto continental, com precipitação anual média de apenas 15,7 mm, temperaturas máximas que podem beirar os 50º Celsius e mínimas que já chegaram a -28ºC.

 

Relatado pelo paleontólogo Alexander Kellner, este cenário não seria crível nem para o próprio pesquisador brasileiro se tivesse sido descrito a ele não faz muito tempo, admite. Isto porque, até recentemente, o registro fóssil tridimensional de ovos de pterossauros em todo mundo se resumia a seis exemplares: um encontrado na Argentina e todos outros cinco também em Turpan.
Mas embora parte da história contada por Kellner ainda seja preliminar, ou mesmo um tanto especulatória, o achado em si - de pelo menos 215 ovos fossilizados desta espécie de pterossauro, muitos com partes dos embriões também preservados dentro deles - é bem real, e está detalhado, junto com as primeiras análises de seu conteúdo, em artigo do qual é coautor e publicado nesta quinta-feira na prestigiosa revista científica “Science”.

'É como ganhar na loteria', diz pesquisador

- É como ganhar na loteria – compara Kellner, professor da UFRJ e pesquisador do Museu Nacional, onde apresentou nesta quinta-feira réplica do “ninho de pterossauros” que ficará em exposição na instituição. - Se há pouco tempo me dissessem que íamos encontrar mais de 200 ovos fossilizados de pterossauros juntos num só lugar, eu ia dizer que a pessoa estava maluca. Ovos já são naturalmente frágeis, o que faz com que sejam difíceis de serem preservados, e no caso de ovos de casca mole, como os de pterossauros, a situação é ainda pior, já que isso os torna ainda mais difíceis de serem fossilizados. E aí está outro aspecto fundamental de nossa descoberta: estes ovos foram parar ali depois que chuvas torrenciais os carregaram uma pequena distância desde o ninho original, isto é, seu processo de fossilização foi decorrente de um evento de alta energia, e não de baixa energia como se imaginaria, e futuras escavações devem ficar atentas a esta possibilidade.

Parte do ninho de pterossauros visto mais de perto - Alexandre Cassiano / Agência O Globo

Segundo Kellner, o achado amplia o registro fóssil de ovos de pterossauros de tal forma que os cientistas esperam poder montar uma abrangente série do desenvolvimento embriológico destes animais, trazendo pistas sobre sua morfologia e comportamentos.

Para começar, ele destaca que o fato serem tantos ovos juntos em tão variados estados de desenvolvimento indica que ao menos esta espécie mantinha estes ninhos coletivos.
- Primeiro, não é de se imaginar que duzentos e tantos ovos tenham sido postos por uma única fêmea – explica. - Segundo, ovos estragam muito fácil, então a distância inicial entre eles não pode ter sido muito grande, isto é, eles não foram trazidos de vários lugares diferentes por uma hipotética inundação e se acumularam no local onde foram fossilizados. E, em terceiro, estão seus diferentes estágios embrionários, o que aponta que foram postos em momentos diferentes.

Espécie talvez guardasse ninhos

Outro aspecto sugerido pela descoberta é que os indivíduos adultos da espécie talvez se revezassem na guarda do ninho coletivo e no cuidado com os filhotes recém-eclodidos. Isto porque nas camadas de arenito foram observadas diversas “concentrações” de ovos em estágios similares de desenvolvimento, e junto com eles também foram encontrados restos fossilizados de exemplares jovens dos animais, com idades estimadas de até dois anos. Além disso, as análises feitas até agora nos embriões mostram que seus fêmures (ossos da perna) se desenvolviam muito mais rápido que os úmeros (ossos do braço).

Pesquisadores brasileiros apresentam a descoberta dos ovos de pterossauro no Museu Nacional - Alexandre Cassiano / Agência O Globo

- Isto sugere que, assim que eclodiam, estes pterossauros tinham condições de andar, mas não de voar, requerendo algum cuidado parental – conta Kellner, para quem isso reforça a noção de que ao menos esta espécie tinha ninhos coletivos. - Já as concentrações de ovos, na nossa interpretação, indicam que esta espécie voltava regularmente para a área de nidificação, num tipo de comportamento que vemos hoje em répteis como as tartarugas, que sempre voltam para mesma praia para pôr seus ovos. É só uma suposição, mas estes pterossauros provavelmente se juntavam em uma área por algum motivo escolhida para ser seu ninho coletivo, alguns ficavam por ali a guardando, depois iam embora e as fêmeas voltavam para pôr mais ovos.
Um dos maiores especialistas em pterossauros do mundo, Kellner afirma que a colaboração com os chineses está sendo fundamental para o avanço no conhecimento sobre estes animais pré-históricos, que considera “fascinantes”. O paleontólogo brasileiro ressalta que, diferentemente do que se imagina, os pterossauros não são dinossauros. Isso, no entanto, não impediu que perecessem junto com seus “primos” répteis gigantes há cerca de 66 milhões de anos, quando, acredita-se, um grande asteroide se chocou com o planeta, exacerbando mudanças climáticas então já em curso.
- Pterossauros e dinossauros tiveram um ancestral comum, muitos milhões de anos atrás, mas depois cada um seguiu um caminho evolutivo diferente – frisa. - E apesar de as teorias atuais dizerem que as aves de hoje são descendentes dos dinossauros, os pterossauros também não têm nada a ver com isso, da mesma forma que não têm nada a ver com os morcegos e os morcegos não têm nada a ver com as águias, por exemplo. Os pterossauros não deixaram descendentes no mundo animal atual, o que os torna ainda mais fascinantes, já que não temos nada parecido com eles hoje em dia.
Kellner diz que a Bacia de Turpan-Hami é de especial interesse para o estudo dos pterossauros por ser praticamente monoespecífica, isto é, todos que viviam lá pertenciam à mesma espécie. Identificada oficialmente apenas em 2014 graças a trabalho que também contou com a participação do cientista brasileiro, a Hamipterus tianshanensis também é até agora a única no seu gênero na ordem dos pterossauros.
- Apesar da quantidade tremenda de fósseis de pterossauros que estamos encontrando, parece que só existia esta espécie lá – atesta, elogiando a disposição do governo chinês em investir no estudo da região. - A China é um dos países que mais investem em paleontologia no mundo hoje.
Já aqui no Brasil, destaca, faltam recursos para isso:
- Temos no Nordeste, na Bacia do Araripe, um dos maiores e melhores depósitos de fósseis paleontológicos do mundo que ainda é em grande parte inexplorado. Se tivéssemos 10% do que os chineses investem, estaríamos muito bem, fazendo descobertas importantes como essa frequentemente, mas infelizmente não é o que acontece – conclui, ressaltando, no entanto, que não fossem financiamentos para suas pesquisas que recebe da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro (Faperj) e do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), não teria condições de manter a colaboração com os colegas chineses.