Barva dinosauřího peří, aneb co se nečekalo ani od Liaoningu

    Je neuvěřitelné, jaké druhy informací dokáže paleontologii v současnosti získat z fosilií - i přesto, že v naprosté většině případů jsou k dispozici pouze osteologická data, a to ještě většinou značně neúplná, se již podařilo zjistit, jak někteří vymřelí pan-aviani slyšeli, viděli, jak rychle rostli, jak regulovali svou tělesnou teplotu, jak se rozmnožovali, a dokonce jak mohla vypadat jejich molekulární nebo buněčná biologie.

    Jednou z nejhůře doložitelnou vlastností vymřelého zvířete je jeho barva. Existuje několik způsobů, jak odhadnout zbarvení fosilního organismu: většinou se uvažuje spíše o ekologických než fylogenetických souvislostech. Tak např. anurognathidi, gigantický pterosaur Hatzegopteryx, sauropodomorf Argentinosaurus, jeden z největších suchozemských živočichů všech dob nebo bizarní therizinosauři a alvarezsauridi jsou všichni nejblíže příbuzní jediné žijící skupině, moderním ptákům (Neornithes). Představa, že by se zbarvení každého z nich mělo pohybovat v rozmezí dnešních ptáků je však velmi nepravděpodobná. Většina představ naopak vychází z toho, že fosilní organismy, které zaujímaly v ekosystémech stejnou pozici jako dnes známí živočichové, se jim svým zbarvením podobali, ať už šlo o třetihorní savce nebo pan-aviany. Velcí sauropodi by pak byli podobní slonům, hrochům nebo nosorožcům. Predátoři žijící v polárních nebo pouštních oblastech, případně lovící v savanách, by se zase podobali svým dnešním protějškům mezi savci nebo plazy a jejich zbarvení by bylo prostředím, ve kterém žijí, ovlivněno. Především pro malé predátory by jistě bylo užitečné splynout s okolním prostředím. Pochopitelně, že i fylogenetická pozice hraje svou roli - barvy, které se nejčastěji vyskytují u žijících ptáků, lze očekávat i u vymřelých dinosaurů, alespoň těch opeřených. Pokud je kůže holá nebo pokrytá osteodermy, škála barev, které může nabývat, se samozřejmě změní. A naopak, pokud ptáci nějakou barvu tvoří jen vzácně či nesnadno, lze očekávat podobně řídký výskyt i u jejich vymřelých příbuzných (lze se samozřejmě ptát, jestli takové barvy vůbec existují - diskuze ohledně přehnaně modrého epidexipteryga na Tetrapod Zoology měla poněkud nejasný závěr).

Anchiornis huxleyi, snažící se uniknout darwinopterovi na obrázku od Marka Wittona. Tento umělec a "pterosaurolog" se podle svých slov záměrně rozhodl namalovat anchiornise v mdlých, šedohnědých barvách, v protikladu k přehnaně barevným rekonstrukcím, jež vídáme obvykle. Fascinující je, že můžeme tento obrázek kritizovat z nepřesnosti: ne pro nějakou chybu v anatomii, ale proto, že peří nemá správnou barvu! (Zdroj: flickr.com/photos/markwitton)

    I když výše uvedené postupy mohou pomoci umělcům zabývajícím se paleontologickými rekonstrukcemi, stále jde jen o spekulace. Jediným možným způsobem, jak barvu vymřelého zvířete potvrdit, je nález chemické fosilie: pigmentu, který zbarvoval kůži nebo peří v době, kdy byl organismus ještě naživu. Určité pokroky na tomto poli již byly učiněny - na otiscích peří v ocasním vějíři oviraptorosaura druhu Caudipteryx zoui jsou rozeznatelná tmavší a světlejší pásma, což může a nemusí vypovídat o jejich zbarvení za života zvířete. Vinther et al. (2008, 2010) zase identifikovali ve fosiliích vymřelých ptáků tvar melanozómů, což jsou organely (struktury uvnitř buněk) obsahující pigmenty ze skupiny melaninů. Ty mohou způsobovat zbarvení do černa nebo šedi, ale také načervenalé hnědi a žluti.  

    Skutečný zlom ale představují až práce Zhang et al. 2010 a Li et al. 2010, které za pomoci elektronové mikroskopie analyzují velikost, tvar a hustotu rozložení struktur, jež s největší pravděpodobností představují pozůstatky melanozómů dochované uvnitř otisků dinosauřího peří. Zatímco Li a kolektiv věnují nejvíce pozornosti troodontidnímu ptákovi druhu Anchiornis huxleyi (konkrétně exempláři BMNHC PH828), Zhang a další se zaměřili na daleko širší okruh opeřených dinosaurů, zahrnující třeba i bazálního celurosaura sinosauropteryga nebo relativně odvozeného ptáka konfuciusornise. Zbývá ještě dodat, že zatímco Liovu práci mám k dispozici v původním znění, při zmínkách o Zhangově výzkumu jsem se musel spoléhat na informace z druhé ruky, ačkoli výborně zpracované profesionálním popularizátorem přírodních věd Edem Yongem. Základní premisy obou prací jsou však stejné - jak bylo vypozorováno od žijících ptáků, tvar melanozómů přesně odpovídá pigmentům, které obsahují.

Anchiornis huxleyi již se správnou barvou peří na rekonstrukci Michaela A. Digiorgia. Nestává se příliš často, aby se součástí technické vědecké práce stala barevná rekonstrukce dinosaura jako živého zvířete - ve studii Liho a kolektivu nás to však nepřekvapí. Zbývá dodat, že oproti Wittonově rekonstrukci je tato přesnější i v několika dalších směrech - otisky kolem zfosilizovaných kostí průkazně hovoří o přítomnosti zde zachycené chocholky na hlavě, a protože letky na předních i zadních končetinách anchiornise měly symetrické prapory, lze oprávněně předpokládat, že se zvíře cítilo lépe na zemi než ve vzduchu - aktivního letu pravděpodobně nebylo schopno. (Zdroj: Li et al. 2010: Figure 4)

    Li a kolektiv začali tím, že izolovali 29 vzorků ze spodních i horních částí všech typů per, jejichž otisky se kolem anchiornisova těla dochovaly. Vzorky rovněž pocházely z různých míst na těle, mezi kterými se pera často lišila - většinu těla pokrývala 1,5 až 2 cm dlouhá obrysová pera se šířkou 1,2 - 1,5 mm, tváře byly pokryty stejným typem per o délce praporu kolem 1 cm a šířce 0,8 - 1 mm, a konečně letky byly i přes 12 cm dlouhé a 15 - 20 mm široké. Pomocí skenovacího elektronového mikroskopu odhalili ve všech vzorcích kulovitá či zploštělá uhlíkatá tělíska, případně podkladovou horninu s prázdnými prostory, která těmto tělískům tvarem a rozměrem odpovídaly. Rozměry těchto útvarů se pohybovaly mezi jednou desetinou a téměř dvaceti mikrony. Ve většine vzorků byl dále přítomen jeden specifický typ melanozómů, eumelanozómy, obsahující pigment zvaný eumelanin a zodpovědný za černé nebo šedé zbarvení. Rozložení eumelanozómů se v různých částech těla téměř nelišilo. Oproti tomu otisky per z chocholky na hlavě vykazovaly spíše přítomnost kulovitých feomelanozómů, jež u dnešních ptáků obsahují feomelanin, látku vytvářející červenavé nebo žluté barvy. Aby se autoři ujistili, že barvu peří a tvar melanozómů skutečně lze spolu pevně spojit, případně aby prokázali, jak jemné toto propojení je, analyzovali tvar těchto barvu určujících organel u fylogeneticky rozmanitého vzorku ptáků, disponujících černým, šedým nebo hnědým zbarvením. Kritéria pro výběr byla následující: zbarvení musí být určeno melaninem spíše než dalšími molekulárními pigmenty, jejichž obsah v peří se nepromítá do morfologie (např. karotenoidy a porfyriny); a vybraní ptáci musí postrádat strukturální zbarvení, což je v zásadě souhrný název pro optické efekty vznikající při interakci světla se strukturami o velikosti odpovídající jeho vlnové délce. Ukázala se sice obecná platnost výše zmiňovaných faktů, přiřazujících eumalaninu a feomelaninu konkrétní barvy, ale zároveň se ukázalo, že v naprosté většině případů melaninem zbarvených per určuje výslednou barvu poměr mezi koncentrací těchto dvou látek spíše než přítomnost jednoho konkrétního typu melanozómů. Je proto třeba všímat si nejen morfologie, ale i rozložení melanozómů, a to v rámci celého pera. Výsledky obecně ukázaly, že melanozómy odpovídající hnědé barvě jsou nejkratší, pro černou barvu naopak nejdelší. Morfologie organel zodpovědných za šedé zbarvení je silně proměnlivá, nejčastěji se však nachází někde uprostřed mezi hnědými a černými pery. V kratší ose byly melanozómy černých a hnědých per kratší, u šedých per tomu bylo naopak. Šedá a hnědá pera vykazují směs melanozómů různých tvarů, zatímco černá pera jsou z tohoto hlediska celkem uniformní. Tento fakt lze vysvětlit tak, že zatímco černá barva je vytvářena téměř čistým eumelaninem, zatímco na šedých a hnědých perech se v různých kombinacích podílí jak eumelanin, tak feomelanin. Žádný melanozóm nalezený ve vzorcích z anchiornisova peří se dále svým tvarem ani rozměry nijak nevymyká tomu, co známe od žijících ptáků. U 24 vzorků se povedlo určit barvu s 90% pravděpodobností, u 3 vzorků je zbarvení za života zvířete nejisté a zbytek postrádal vyšší počet melanozómů, což autoři intepretují tak, že tato pera nebyla pigmentovaná vůbec.

Melanin ovlivňující barevnou variaci v rámci jediného pera, předvedený na pírku žijící zebřičky pestré (Taeniopygia guttata). Za černošedou barvu ve spodku pera je zodpovědný eumelanin uvnitř eumelanozómů, za ryšavý vršek zase feomelanin ve feomelanozómech. (Zdroj: scienceblogs.com/notrocketscience)

    Vzorky obrysových per pokrývajících tělo zvířete, okraje předních končetin a velkou část jeho nohou nasvědčují černému nebo šedému zbarvení. Špičky letek na předních končetinách, pera na prstech na noze (ano, i tato část těla byla u deinonychosaurů opeřená, odvozenější ptáci však toto opeření ztratili) a protáhlá obrysová pera na holeni a chodidle byly zřejmě čistě černé. Po stranách hlavy zbarvení kolísalo mezi černou a červenavě hnědou, podobně jako u chocholu, jenž byl po stranách šedý a pouze nejdelší pera uprostřed měla ryšavou barvu. Ve spodní části letek na všech čtyřech končetinách byla koncentrace melanozómů řídká a peří zde bylo bělavé. Zbarvení ocasu zůstává naneštěstí neznámé, protože od jinak perfektně dochovaného exempláře BMNHC PH828 tato část těla není známa. Li et al. (2010) navíc potvrdili hypotézu již předtím vyslovenou v případě kaudipteryga - že barva otiskův hornině, přestože se to může zdát velmi překvapivé, skutečně může být dokladem barvy peří za života zvířete - tmavší regiony v otiscích peří okolo anchiornise se shodují s místy největší koncentrace eumelanozómů, nesoucích černý pigment. 

    Druhá část práce ukazuje, že zbarvení anchiornise je mimořádně podobné tomu, co známe od širokého okruhu žijících ptáků. To má značný evoluční význam a ukazuje to, že melaninem způsobované variace zbarvení v rámci jednoho pera i mezi více pery bylo a je společné minimálně pro klad vznikající posledním společným předkem žijících ptáků a troodontidů (autoři jej nazývají Paraves, správně je ovšem Eumaniraptora). Komplexní vzorce zbarvení používají dnešní ptáci ke komunikaci mezi jedinci různých pohlaví, případně k odstrašení predátorů a efektním obranným postojům, jak je tomu u slunatce nádherného (Eurypygia helias); nebo pro varování dalších zástupců hejna před vnějšími hrozbami. Jeden nebo více těchto způsobů využití zřejmě platil i pro druhohorní deinonychosauří ptáky, jako byl Anchiornis. Oproti tomu další, tvarové odlišení různých per na těle může být mladšího původu, protože obrysové peří anchiornise je sice rozrůzněno tvarem, zachovává si ale téměř konstantní poměr šířky a délky. Protože od kompsognathida druhu Sinosauropteryx prima známe barevné odlišení mezi jednotlivými pery, ale ne v rámci jednoho pera, je zřejmé, že tento druh barevné variace peří - který je rovněž u současných ptáků částý - je starší a předchází dokonce vzniku obrysového peří. Oproti tomu různé barvy v různých místech jediného pera se s velkou pravděpodobností objevily kdesi mezi bodem odštěpení komspognathidů od ostatních celurosaurů a vznikem eumaniraptorů - dost možná, že se vznikem (nebo těsně po vzniku) letek, na kterém je postavena má definice jména Aves. Autoři spekulují o tom, že jde o synapomorfii všech maniraptorů, zapomínají však, že sem patří i skupiny, od kterých obrysová pera neznáme vůbec (therizinosauři, alvarezsauridi).

Snímky ze skenovacího elektronového mikroskopu, zachycující rozložení melanozómů ve všech studovaných vzorcích. Sférické útvary odpovídají feomelanozómům, zodpovědnými za hnědé a červené odstíny, ty protáhlejší pak eumelanozómům, nesoucím černý nebo šedý pigment. (Modifikováno z Li et al. 2010: Supporting Online Material: Figure S5 a Figure S5 cont.)

    Jak už bylo řečeno, mezitím se na dochované pozůstatky melanozómů v otiscích peří liaoningských dinosaurů zaměřil i další kolektiv autorů - Zhang et al. (2010). Ti věnovali daleko větší pozornost dokazování toho, že intepretace nalezených struktur jako melanozómů je správná. Přestože tělíska se tvarem i velikostí mohou podobat bakteriím, zdá se, že se nacházejí uvnitř per a analogických integumentárních struktur, ne v tenké vrstvičce kolem nich, jak bývá u bakterií obvyklé. Rovněž jejich rozmístění v rámci fosilií je stejné, jako u žijících ptáků - včetně o něco větší hustoty výskytu eumelanozómů. Vůbec nejsilnějším argumentem je vztah mezi barvou otisků a pozorovaným druhem melanozómů - tmavé otisky korespondují s tyčinkovitými eumelanozómy, což bakteriální interpretace nedokáže vysvětlit. 

    To, že se Zhangův kolektiv zaměřil i na ty dinosaury, kteří ještě nedisponují dokonale vyvinutým obrysovým peřím, nerozeznatelným od moderních ptáků, s sebou navíc nese ještě důležitější implikace než jen ty, co se vztahují k evoluci ptačí barevnosti. Přestože protopeří, objevené u jasně neptačích dinosaurů v druhé polovině devadesátých let, je jen tou nejlépe patrnou demonstrací faktu, že ptáci jsou podskupinou dinosaurů - i kdyby nic takového známo nebylo, množství kosterní a dokonce i paleobiologické evidence je přímo zdrcující -, odpůrci dinosaur-bird linku se pokusili jeho homologii se skutečným peřím vyvrátit. Známo je v této souvislosti především jméno Lingham-Soliara, který se opakovaně pokusil dokázat, že vláknité struktury pokrývající tělo sinosauropteryga nebo dilonga jsou pouze kolagenovými vlákny, jež za života zvířete tvořila součást kůže a jež se v důsledku zvláštního průběhu rozkladu rozptýlila mimo těla (Lingham-Soliar et al. 2007, Lingham-Soliar 2009). Nález organel typických pro ptačí peří tuto teorii vyvrací; kolagenová vlákna melanozómy nenesou. Ze závěrů Zhanga lze citovat např. model zbarvení sinosauropteryga, ve kterém se po zádech a ocasu tohoto dinosaura táhly pruhy kaštanově až načervenale hnědé barvy. Oproti tomu Confuciusornis vykazoval pokročilejší stav, ve kterém lze rozeznat různé barvy i v rámci jediného pera: šlo opět o různé odstíny černé, šedé, hnědé a červené. Barvu sinornithosaura, který měl být ve studii také analyzován, již Yongem explicitně nezmiňuje. Zato ovšem cituje částečnou kritiku J. Vinthera, který je v tématu barvy dinosauřího peří průkopníkem - ten sice považuje za průkaznou přítomnost a tvarové rozlišení melanozómů, ale odvozovat z nich konkrétní barvy má být silně spekulativní, protože ty závisí na specifickém rozložení jednotlivých typů organel. Pravdou je, že Vintherův argument může být platný ve vztahu ke Zhangovým výsledkům, jichž snad nebylo dosaženo zcela ideální metodologií. Sám Vinther však jeho chyby napravil, když v práci Li et al. 2010 jako jeden ze spoluautorů představil celkem rozsáhlou tabulární analýzu, mapující s vysokou úspěšností vztah morfologie a rozložení melanozómů vůči výsledné barvě peří. Tato analýza je volně dostupná online v přídavných datech k samotné práci. A tak ani predikce konkrétních barev nejsou nedostatečně doložené, přestože vliv jiných pigmentů a strukturálních barev zůstává neznámý.

Vývoj barevnosti peří podle Li et al. (2010) - rozdíly nejprve mezi jednotlivými pery, poté i v melanizaci v rámci jediného pera. Uzly sice nejsou popsané tak, aby přesně odpovídaly "phylogenetic bracketingu", obecně se ale závěry autorů zdají být dobře podloženy. (Zdroj: blog.revealedsingularity.net)

Zdroje: 

• http://scienceblogs.com/notrocketscience/2010/01/what_colours_were_dinosaur...
• Li, Q., Gao, K.-Q., Vinther, J., Shawkey, M. D., Clarke, J. A., D'Alba, L., Meng, Q., Briggs, D. E. G. & Prum, R. O. 2010. Plumage color patterns of an extinct dinosaur. Science 327 (5971):1369-1372. 
• Lingham-Soliar, T., Feduccia, A. & Wang, X. 2007. A new Chinese specimen indicates that ‘protofeathers’ in the Early Cretaceous theropod dinosaur Sinosauropteryx are degraded collagen fibres. Proceeding of the Royal Society B: Biological Sciences 274:1823–1829.
• Lingham-Soliar, T. 2009. Dinosaur protofeathers: pushing back the origin of feathers into the Middle Triassic? Journal of Ornithology 151 (1):193-200.
• Vinther, J., Briggs, D. E. G., Clarke, J., Mayr, G. & Prum, R. O. 2010. Structural coloration in a fossil feather. Biology Letters 6 (1):128-131.
• Vinther, J., Briggs, D. E. G., Prum, R. O. & Saranathan, V. 2010. The colour of fossil feathers. Biology Letters 4:522-525
• Zhang, F., Kearns, S. L., Orr, P. J., Benton, M. J., Zhou, Z., Johnson, D., Xu, X. & Wang, X. 2010. Fossilized melanosomes and the colour of Cretaceous dinosaurs and birds. Nature 463:1075-1078.