pan-Aves


Zleva doprava: ara hyacintový (Anodorhynchus hyacinthinus), zdroj: flickr.com (JMJ32); Gigantoraptor a Alectrosaurus, autor Luis V. Rey

Zrychlená morfologická evoluce podporuje výjimečnost ptáků a ptačí linie v rámci teropodů

    Brusatte a spol. analyzují rychlost morfologické evoluce na přechodu od neptačích dinosaurů k ptákům. Autoři se tak snaží otestovat hypotézu G. G. Simpsona, podle které je vznik nového tělního plánu doprovázen "vlnami" zrychlené morfologické evoluce.

Slepice (Gallus gallus f. domestica), konfuciusornitid Zhongornis (považovaný ovšem i za "přechodný článek" mezi dlouho- a krátkoocasými ptáky nebo dokonce skanzoriopterygidního oviraptorosaura – viz níže) a bazální eudromeosaur Bambiraptor. Tři zástupci extrémně úspěšného kladu Paraves, který se zdá v teropodní evoluci zaujímat zvláštní místo a blízko jehož báze došlo k převratným změnám v dinosauřím tělním plánu a tempu morfologické evoluce. (Zdroj: Ksepka 2014: Figure 1, kredit: Jason Brougham)

1. Fylogenetická analýza – matice a metodologie

    Základ jejich studie tvoří značně rozšířená verze datové matice TWG (Theropod Working Group). Ta je dlouhodobým – nyní již zhruba 20-letým – projektem skupiny výzkumníků soustředěné okolo American Museum of Natural History. Během těchto dvaceti let se matice postupně rozrůstala, až donedávna se ale stále potácela okolo 350 znaků. S prvním velkým rozšířením přišli Turner et al. (2012), kteří TWG zkombinovali s ptačí datovou maticí Clarke et al. (2006) a dostali se tak na celkových 474 znaků. (Viz ale recenzi této studie od Mickey Mortimerové, podle které se spojení obou matic autorům úplně nepovedlo a mnohá chybějící data ve výsledné supermatici chyběla zcela zbytečně.) Brusatte a spol. ale zacházejí ještě daleko dále: nejenže rozšířili matici na celkových 853 znaků, se kterými už konkuruje Megamatrici Andrey Cau'a, ale také významně zvýšili její taxon sampling. Ke vzorku Turnera a spol. Brusatte et al. (2014) přidávají hned 41 nových taxonů a jejich celkový počet tak zvyšují na 152. Zde dokonce Brusatte a spol. Megamatrici výrazně překonávají – ta ve své poslední publikované verzi (Lee et al. 2014) zahrnovala "jen" 120 taxonů z celého kladu Theropoda, zatímco nová studie se omezuje na celurosaury. S výjimkou dvou loni popsaných paravianů – eosinopteryga a aurornise (Godefroit et al. 2013a,b) – se na tomto přírůstku podílejí čistě bazální zástupci celurosaurů, jako jsou tyrannosauroidi nebo ornitomimosauři. Zatímco předchozí verze TWG matice se zaměřovaly na příbuzenství v rámci paravianů (tj. mezi dromeosauridy, troodontidy a avialami), Brusatte a spol. pokrývají celurosaury daleko uniformněji. Zatímco kódování paravianů nebylo změněno téměř vůbec a kódování non-paravianních maniraptorů jen málo, na kódování bazálních celurosaurů si autoři dali záležet – důkladně jej překontrolovali a v případě potřeby změnili. Konečně 5 taxonů žijících ptáků bylo kódováno "konzervativně", což znamená, že všechny znaky, kde jsou přesné homologie s bazálními celurosaury nejisté (jako je tomu např. u kůstek v ptačím zápěstí), byly kódovány jako neznámé.
    Brusatte a spol. pro svou analýzu používají metodu maximální parsimonie, která podle očekávání odkryla velké množství optimálních (nejkratších) stromů. Svou analýzu znakové evoluce autoři zakládají na jediném náhodně vybraném stromu z tohoto vzorku, a její robustnost vůči fylogenetické nejistotě ověřují tím, že jí zopakují pro 9 dalších náhodně vybraných stromů. Bayesovská analýza, která poskytuje vzorek aposteriorního rozdělení (tj. tisícovky stromů, které sice nejsou optimální, ale mají k optimu blízko), by byla pro tyto účely zřejmě vhodnější. Bayes by navíc umožnil odhadnout fylogenezi a její dataci současně (a to tak, že nejistota ve fylogenezi by byla vyintegrována při odhadu datace, a nejistota v dataci vyintegrována při odhadu fylogeneze), zatímco strom vzešlý z analýzy metodou nejvyšší parsimonie je třeba datovat v odděleném kroku pomocí jedné ze specializovaných škálovacích (time-scaling) metod (viz např. Bapst 2014 nebo nedávný článek o tip-dating metodách zde na blogu). Tuto výhodu bayesovského přístupu nedávno demonstrovali Lee et al. (2014) ve studii, o které budu ještě muset napsat více.

1.1 Fylogenetické výsledky

    V hlavních rysech je kladogram Brusatteho a spol. konzervativní. Nejbazálnějším celurosaurem (a jediným zástupcem této skupiny, který stojí mimo Tyrannoraptora) je Bicentenaria (na blogu viz zde), která si zde ve srovnání s původní analýzou Novase a spol. (2012) prohodila místo s tugulusaurem. V pěkné ukázce toho, jak vzácné jsou robustní výsledky v analýzách s velkým objemem chybějících dat, označují autoři bazální pozici bisentenárie za "well-supported" (Brusatte et al. 2014: S13), přestože její jackknife* je roven 65% a rozkladový index 2 – na stromě s celkovou délkou 3360 kroků! Tugulusaurus a Zuolong spolu s tyrannosauroidy a maniraptoriformy tvoří polytomii u báze Tyrannoraptora. Nerozřešené zůstávají příbuzenské vztahy na bázi maniraptoriformů (mezi kompsognátidy, ornitolestem, maniraptory a ornitomimosaury), maniraptorů (mezi terizinosaury, alvarezsauroidy a pennaraptory) a eumaniraptorů (mezi dromeosauridy, troodontidy a avialami). Stejně jako Megamatrice a na rozdíl od analýzy Turnera a spol. (2012) nová fylogeneze podporuje velmi široký rozsah tyrannosauroidů, do kterých spadají klady Coeluridae (CoelurusTanycolagreus) i Proceratosauridae (Guanlong a příbuzní, více zde) stejně jako opeřený Dilong. Podpora pro tyrannosauroidní příslušnost dilonga a proceratosauridů už je přitom skutečně slušná; jackknife zde činí 82%. Nqwebasaurus vyšel stejně jako v Choiniere et al. (2012) na pozici nejbazálnějšího ornitomimosaura.

Striktní konsenzus 99999 nejúspornějších stromů, vzešlých z analýzy 853 znaků a 146 ingroup taxonů (z nichž Unenlagia a Neuquenraptor jsou spojeni do jediného OTU), a posteriori ořezané o 5 "wildcard" taxonů. Čísla pod větvemi udávají podporu jednotlivých uzlů ve tvaru "rozkladový index/jackknife". Uzly bez čísel mají rozkladový index rovný 1 a jackknife pod 60%. (Modifikováno z Brusatte et al. 2014: Figures S1 a S2)

*Jackknife je metoda, která pomáhá odhadnout nejistotu v situaci, kdy analýzu nelze jednoduše zopakovat nad jinými vzorky stejné velikosti. Do úspornostní fylogenetiky ji zavedl Farris jako konkurenci pro bootstrap svého nesmiřitelného rivala, Joe'a Felsensteina. Stejně jako bootstrap i jackknife patří do širší rodiny neparametrických metod založených na resamplingu. Bootstrap z datové matice tahá s opakováním, dokud nevytvoří nový, fiktivní dataset – "pseudoreplikát" – o stejném počtu znaků. Jackknife místo toho určité procento náhodně vybraných znaků vyřadí z analýzy, takže pseudoreplikát je menší než původní matice. Z obou metod je jackknife používán méně; jeho statistické vlastnosti silně závisejí na tom, jaké procento znaků je vyřazeno (Felsenstein 2004).

1.2 Oviraptorosauři a skanzoriopterygidi

    Zřejmě největší překvapení se vyskytují uvnitř kladu Pennaraptora, tvořeného oviraptorosaury a paraviany. Brusatte a spol. jako jedni z mála do své analýzy zahrnuli taxon Pedopenna, který nenajdeme dokonce ani v Megamatrici (nebo aspoň v její ořezané, publikované verzi). Původní popis (Xu & Zhang 2005) pedopennu odkryl v trichotomii s avialami a deinonychosaury a trvalo devět let, než byla tato pozice ověřena další nezávislou studií. Foth et al. (2014) letos v létě odhalili pedopennu jako zástupce kladu zahrnujícího taxony Anchiornis, Xiaotingia a Eosinopteryx, který formoval sesterskou skupinu k "Archaeopteryx node". Brusatte a spol. ji nyní odkrývají v sesterském vztahu se skanzoriopterygidem epidexipterygem na samé bázi oviraptorosaurů.
    Ačkoli skanzoriopterygidi v předchozích verzích TWG matice vycházeli jako bazální avialy (např. Xu et al. 2011; Novas et al. 2012) a jednou jako non-eumaniraptoří paraviani (Turner et al. 2012), jejich příslušnost k oviraptorosaurům není úplnou novinkou. Andrea Cau v roce 2010 na svém blogu Theropoda poukázal na to, že skanzoriopterygidi, oviraptorosauři a sapeornitidi – nejbazálnější skupina krátkoocasých ptáků – sdílejí krátkou, hlubokou lebku se zvětšenými premaxillárními zuby, a navrhl existenci skupiny "Magnoviraptorosauria", která by tyto tři taxony spojila. Test v Megamatrici ale tuto hypotézu přesvědčivě zamítl ve prospěch konvenční fylogeneze. Xu et al. (2010; na blogu viz zde) navrhli podobnou hypotézu, ve které klad (Oviraptorosauria + Scansoriopterygidae) tvořil sesterskou skupinu ke kladu složenému z jeholornise a krátkoocasých ptáků; nepodpořili ji ale numerickou analýzou. Stejným nedostatkem trpí i letošní krajně pochybná analýza O'Connorové a Sullivana (2014), která v plném rozsahuje obnovuje hypotézu Magnoviraptorosauria, s tou výjimkou, že místo sapeornitidů v hypotetickém kladu figuruje Zhongornis – autoři nedokázali donutit matici Xu'a a spol. (2011), aby jim očekávaný výsledek odkryla. Agnolín & Novas (2013) se svou upravenou verzí TWG matice sesterský vztah mezi oviraptorosaury a skanzoriopterygidy skutečně odhalili, ale oviraptorosauři – stejně jako nyní u Brusatteho a spol. – zůstali ve své klasické pozici mimo Avialae. Brusatte et al. (2014) podotýkají, že skanzoriopterygidy přetahují do oviraptorosaurů hlavně znaky související s jejich krátkou a hlubokou lebkou (stejně jako v předchozích studiích) a že je tato pozice mimořádně slabá: jackknife klesl pod 50% a stačí jediný krok navíc, aby výsledný klad zkolaboval.

1.3 Báze Paraves

    Zajímavé výsledky se vyskytují i uvnitř eumaniraptorů. V posledních několika letech bylo z Číny popsáno několik drobných maniraptorů, kteří začali stírat hranici mezi deinonychosaury a ptáky: Anchiornis (Xu et al. 2008; viz článek na minulé verzi blogu), Xiaotingia (Xu et al. 2011; na blogu viz zde), Eosinopteryx (Godefroit et al. 2013a) a Aurornis (Godefroit et al. 2013b). Zatímco první dva z těchto taxonů se ještě povedlo zakomponovat do tradiční fylogeneze s jasně oddělenými dromeosauridy, troodontidy a avialami (Hu et al. 2009; Lee & Worthy 2011 – viz zde; Senter et al. 2012; Turner et al. 2012; Spencer & Wilberg 2013), s popisem eosinopteryga a aurornise se zdálo, že se paravianní fylogeneze změnila v dlouhý hřebínek, táhnoucí se od "tradičních" deinonychosaurů (kteří jsou sami parafyletičtí, neboť troodontidi mají k ptákům blíž než dromeosauridi) k bazálním avialám typu archeopteryga nebo jeholornise (Godefroit et al. 2013b; Foth et al. 2014; Lee et al. 2014; viz i Agnolín & Novas 2013). Brusatte a spol. nyní prezentují teprve čtvrtou (AFAIK) studii, která zahrnuje celou čtyřku problematických čtyřkřídlých opeřenců (Anchiornis, Aurornis, Eosinopteryx, Xiaotingia), a její výsledky jsou až neuvěřitelně nudné. Všechny tyto taxony jsou navzájem svými nejbližšími příbuznými (jejich přesné vzájemné vztahy zůstaly nerozřešené) a formují klad na samé bázi troodontidů. Rovněž Archaeopteryx tentokrát odolal svému občasnému pokušení přeskočit k deinonychosaurům (Xu et al. 2011; Godefroit et al. 2013a).
    Je tedy snad stále moc brzy na to, abychom zahazovali tradiční paravianní fylogenezi? Nemyslím si. Shoda mezi největší publikovanou datovou maticí (Lee et al. 2014) a nezávislou, ale rovněž obří maticí Fotha a spol. (2014; 560 znaků) je příliš působivá, než aby ji šlo ignorovat*, a břímě důkazu tak zůstává na zastáncích tradičního uspořádání – přestože Brusatte et al. (2014) v tomto ohledu určitě podnikají krok správným směrem.

*Mickey Mortimer na DML navíc podotkla, že matice Fotha a spol. nejenže je úplnější, ale také v průměru kvalitněji kódovaná než matice Turnera a spol., jejichž kódování paravianů ponechávají Brusatte a spol. beze změny.

1.4 Ptáci

    Co se ptáků týče, poměrně pochybnou se zdá být pozice sapeornise, který má k pygostylianům dál než Jeholornis. To by znamenalo, že k drastickému zkrácení ocasní části páteře došlo v ptačí evoluci dvakrát nezávisle na sobě, či případně (a ještě nepravděpodobněji) že Jeholornis svůj dlouhý kostěný ocas vyvinul nanovo. Brusatte et al. (2014) také neodkrývají monofyletické songlingornitidy a Lithornis – normálně pokládaný za létavého paleognáta a snad i za zástupce kmenové linie tinam (Mitchell et al. 2014)* stojí mimo korunní klad ptáků (Neornithes). Tento výsledek je v celé komplikované historii, která za maticí Brusatteho a spol. stojí, novinkou – Clarke et al. (2006) odhalili litornise jako paleognáta a Turner et al. (2012) stále aspoň jako neornita (stojícího v polytomii s neognáty a tinamou, jediným zahrnutým paleognátem). Pravděpodobně jde však čistě o důsledek znakového samplingu, který je uzpůsoben spíš k rozřešení velkoškálových vztahů mezi celurosaury než k testování rozsahu Neornithes. Tomu napovídá i fakt, že klad (tinama + neognáti) neobdržel vůbec žádnou statistickou podporu.

*Příbuzenství litornise s tinamami je ale velice pochybné a oba taxony jsou dost možná spojeny výhradně pleziomorfickými znaky, které všichni ostatní paleognáti ztratili společně se schopností létat (šlo by pak o případ tzv. "přitahování krátkých větví", short-branch attraction). Na DML jsem o tom napsal zde.

1.5 Nezahrnuté a vyřazené taxony

    Autoři také komentují kritéria, na základě kterých se rozhodli některé taxony a priori vyřadit z analýzy nebo je v ní naopak ponechat. Scipionyx a "Raptorex" (ve skutečnosti nejspíš jen mládě tarbosaura – Fowler et al. 2011) byli vyřazeni, neboť jsou známi výhradně z materiálu patřícího mláďatům. Juravenator, který je na tom stejně, byl v analýze ponechán, protože jeho materiál je mimořádně kompletní a může být kódován na více znaků než kterýkoli jiný bazální celurosaur. A posteriori vyřazení juravenatora z analýzy alespoň ukázalo, že (ne)přítomnost tohoto taxonu nijak neovlivňuje topologii zbytku stromu. Řada jiných kompsognátidů (Compsognathus, Mirischia, Huaxiagnathus, Sinocalliopteryx) se do analýzy nakonec dostala taky, protože i přes všeobecné podezření na jejich nedospělost (pěkně shrnuté Mickey Mortimerovou) zatím nebyla publikována žádná histologická data, která by jejich juvenilní status definitivně potvrdila. Do analýzy se dostal i Epidendrosaurus – ač zastoupen jen nedospělým jedincem, reprezentuje unikátní, druhově chudou a málo známou skupinu celurosaurů. Množství chybějících dat ale z epidendrosaura činí "divokou kartu", která snižuje celkové rozlišení stromu, takže na finálním kladogramu tento taxon chybí. Jixiangornis, pokládaný občas za synonymum jeholornise, byl v analýze ponechán, což se ukázalo jako moudré rozhodnutí. Nejenže je tento pták podle výsledků analýzy blíže příbuzný pygostylianům (jichž je dokonce sesterskou skupinou) než jeholornisovi, ale krátce po publikaci studie Brusatteho a spol. vyšla studie, která přesvědčivě argumentuje pro jixiangornisovu validitu (Lefèvre et al. 2014). Na druhou stranu je zajímavé, že po vyřazení jixiangornise Sapeornis a Jeholornis spadnou do trichotomie s kladem Pygostylia, což je rozhodně přijatelnější než primární strom, na kterém je první taxon bazálnější než ten druhý.
    Působivé také je, že autoři vyřazují četné taxony, jejichž kódování nemohli osobně přezkoumat. Yixianosaurus se např. v nedávné době stal předmětem hned několika studií, které se neshodly na jeho fylogenetické pozici (Dececchi et al. 2012 – bazální maniraptor; Xu et al. 2013 – blíže neurčitelný deinonychosaur), Brusatte a spol. se ale nechtějí spoléhat na dříve publikované práce a taxon raději ze své analýzy vynechávají. Podobně je na tom i Xinjiangovenator, jehož pozice je rovněž extrémně nejistá a kterému se navíc zatím dostalo jen krátkého popisu (Rauhut & Xu 2005). Vynechán je překvapivě i obří opeřený tyrannosauroid Yutyrannus, který je znám z téměř kompletní kostry: ani zde totiž autoři nemohli přezkoumat materiál osobně a obrázky publikované v původním popisu nejsou dost detailní na to, aby z nich šlo kódování ověřit.
    Poněkud nešťastným se naopak jeví vynechání orkoraptora, dříve občas odkrývaného mezi kompsognátidy (např. Dal Sasso & Maganuco 2011). Brusatte a spol. to zdůvodňují tím, že Benson et al. (2009; na blogu viz zde) přesvědčivě zdokumentovali orkoraptorovu příslušnost k allosauroidnímu kladu Neovenatoridae. Problém je v tom, že allosauroidní pozice velké části neovenatoridů – té části, kterou Benson et al. (2009) nazvali Megaraptora a která zahrnuje i orkoraptora – je podle všeho založena na znacích, které v rámci Tetanurae vykazují širší výskyt a najdeme je i u tyrannosauroidů, čili celurosaurů. Novas et al. (2013) se rozhodli tuto hypotézu otestovat a zkombinovali relevantní znaky z analýzy Bensona a spol. se znaky z matice zaměřené na tyrannosauroidy. Zatímco Neovenator zůstal uvnitř allosauroidů a Chilantaisaurus se ukázal být divokou kartou přeskakující napříč celým kladem Tetanurae, skupina Megaraptora – a to včetně až dosud spolehlivě non-celurosauřího fukuiraptora – přeskočila do celurosaurů, a to konkrétně mezi bazální tyrannosauroidy, kde obsadila sesterskou pozici vůči kladu (Xiongguanlong + Tyrannosauridae). Stejný závěr podpořila i lehce upravená verze téže analýzy, obohacená o data získaná z nově objeveného nedospělého jedince megaraptora (Porfiri et al. 2014), kde mezi megaraptory vklouzl dokonce i tradiční tyrannosauroid Eotyrannus. Andrea Cau sice v Megamatrici tuto hypotézu neodhalil jako nejúspornější, rozdíl oproti optimálnímu stromku byl ale příliš malý, než aby ji šlo zamítnout. Na apriorní vyřazování megaraptorů z celurosauřích analýz je tedy možná příliš brzy.
    Hluboko v Supplemental Information konečně najdeme zasuté i některé velmi překvapivé novinky. Brusatte a spol. jako část svého projektu na rozšíření TWG matice osobně přezkoumali materiál taxonu Nedcolbertia, považovaného za jednoho z nejbazálnějších celurosaurů (Holtz & Osmólska 2004; Dal Sasso & Maganuco 2011) a dospěli k závěru, že není jasné, zda přiřazený materiál (náležející několika různým jedincům) patří ke stejnému taxonu jako holotyp. Bagaraatan je podle dosud nepublikovaných informací Petera Makovickyho chimérou složenou z materiálu tyrannosauroida a non-tyrannosauroidního celurosaura, což by vysvětlovalo, proč v předchozích analýzách vyšel jednou jako non-eumaniraptoří paravian (Rauhut & Xu 2005) a jindy jako tyrannosauroid (Carr & Williamson 2010). Pochybnostmi je konečně obklopen i nedávno popsaný a tolik medializovaný Zhuchengtyrannus. Ten by se svými 10 až 12 metry mohl společně s tyrannosaurem a tarbosaurem tvořit "velkou trojku" odvozených pozdněkřídových tyrannosauridů, podle Brusatteho a spol. ale není jisté, zda lze příslušný materiál od tarbosaura odlišit, na což ve svém článku upozornil Dan Madzia.

2. Časová kalibrace

    Jak už bylo řečeno, k provedení rozborů znakové evoluce je nejprve třeba strom zkalibrovat tak, aby byly délky větví vyjádřeny v absolutním čase (milionech let). Na stromě získaném pomocí maximální parsimonie jsou ale délky vyjádřeny v celkovém počtu změn (který je součinem trvání větve a rychlosti evoluce), a i tento počet parsimonie odhaduje zkresleně (nekoriguje ho o nepozorované znakové změny, čímž ho podhodnocuje).
    Brusatte et al. (2014) vycházejí z metody, kterou poprvé aplikovali na paleontologické stromy Ruta et al. (2006) a která předpokládá existenci morfologických hodin (Bapst 2014). Na rozdíl od bayesovských tip-dating metod popsaných v předchozím článku jde přitom o hodiny striktní, nikoli relaxované, takže rychlost morfologické evoluce je konstantní napříč celým stromem. Brusatte a spol. zde vycházejí ze stejné metodologie, kterou použili ve své nedávné studii o bahnících (Lloyd et al. 2012); poněkud ji ale upravují. Lloyd et al. (2012) využívali tři zdroje informací: počet znakových změn na každé větvi (odhadnutý pomocí rekonstrukce ancestrálních znakových stavů metodami ACCTRAN a DELTRAN), bodový odhad stáří pro každou špičku stromu (náhodně vytažený z uniformního rozdělení na příslušném časovém intervalu) a počet chybějících znaků pro každou špičku stromu. S pomocí posledního údaje dokázali zkorigovat o chybějící data větve vedoucí ke špičkám – tím, že odhadnutý počet změn vynásobili počtem známých znaků a vydělili celkovým počtem znaků –, ale ne už vnitřní větve, čili zbytek stromu. To je zjevně neuspokojivé: celý strom (včetně vnitřních větví) totiž odhadujeme jen z dat na špičkách, a obráceně by se proto i neúplnost dat měla promítat do celého stromu, a nikoli jen do jeho koncových větví.
    Aby se tomuto problému vyhnuli, Brusatte a spol. škálují strom ještě před tím, než odhadnou ancestrální stavy na jeho vnitřních uzlech. Musejí proto opustit morfologické hodiny (které závisejí na počtu znakových změn, který zase závisí na ancestrálních stavech) a přecházejí k jednodušší metodě, známé jako "equal" nebo "branch sharing" time-scaling. V prvním kroku analýzy je stáří každého kladu ztotožněno se stářím jeho nejstaršího zástupce. Tím ale vznikají větve s nulovou délkou – na každou bifurkaci dokonce připadá minimálně jedna, takže ve výsledku má nulovou délku nejméně jedna polovina všech větví na stromě. To je evidentně problematické: pokud na takové větvi došlo k jedné nebo více změnám, nulová délka implikuje nekonečně vysoké tempo evoluce. Aby se tomuto problému zamezilo, stáří kořene stromu se navýší o určitou arbitrární hodnotu a větvím s nulovou délkou se povolí sdílet sdílet dobu trvání s předcházející větví nenulové délky v takovém poměru, aby byla každá z výsledných větví stejně dlouhá. Na základě webových stránek Graeme'a Lloyda, autora této metody; slide'ů z Lloydovy přednášky; podrobné dokumentace k software'ovému balíčku paleotree od Davida Bapsta; a konečně Bapstovy prezentace z SVP 2012 jsem se pokusil nakreslit následující obrázek:

Metoda pro časové kalibrování (time-scaling) paleontologických stromů využitá ve studi Brusatteho a spol. (2014). Počáteční data se skládají z nedatované fylogeneze (1) a stratigrafického výskytu příslušných taxonů (2). Přesné stáří každého taxonu je náhodně vybráno z časových intervalů v bodě (2). V prvním kroku analýzy (3) jsou stáří zkombinována s topologií za zjednodušujícího předpokladu, že každý klad je právě tak starý, jako jeho nejstarší zástupce. Výsledkem jsou četné větve s nulovou délkou, které na obrázku vedou ke špičkám B, D, G a kladům (A+B+C) a (F+G). Ty jsou v následujícím kroku (4) odstraněny tím, že se kořen stromu posune o určitý časový interval (vyznačený šedě) do minulosti a větve s nulovou délkou se o čas rovnoměrně podělí s větvemi nenulové délky pod sebou (vyznačeno červeně a modře). Překresleno podle Lloyda (slide 15) a Bapsta (slides 43 a 45). (Zdroj: vlastní ilustrace)

    Na takto kalibrovaném stromě Brusatte a spol. odhadli ancestrální stavy metodou maximální věrohodnosti a spočetli počet znakových změn na každé větvi, přičemž brali v úvahu jen ty znaky, jejichž stav byl známý na obou koncích dané větve. Stejně jako Lloyd et al. (2012) pak použili počet známých znaků ke korekci odhadnutého počtu změn; tentokrát se ale tato korekce vztahuje na všechny větve včetně vnitřních. V této fázi tedy pro každou větev známe celkový počet změn $l$ a trvání v čase $t$, a můžeme proto spočítat rychlost $r$, se kterou se daná větev vyvíjela, jako $r = lt^{-1}$.

3. Analýzy tempa evoluce

    V dalším kroku autoři přistoupili k dvěma testům. První z nich měl odhalit, zda se určité větve vyvíjejí signifikantně rychleji či naopak pomaleji než zbytek stromu. Jak ukazují Lloyd et al. (2012), v této situaci chceme srovnat nulovou hypotézu, podle které je tempo evoluce na všech $k$ větvích stejné ($\lambda_1 = \lambda_2 = \dots = \lambda_k$), s alternativní hypotézou, podle které je tempo evoluce stejné pro všechny větve kromě $i$-té ($\lambda_i \neq \lambda_1 = \lambda_2 = \dots = \lambda_{i-1} = \lambda_{i+1} = \dots = \lambda_k$). Klíčovou statistikou je pak
\begin{equation}
D = - 2 \ln \left( \frac{L_1}{L_2} \right),
\end{equation}
kde $L_1$ je nejvyšší hodnota, které věrohodnostní funkce nabývá, pokud platí nulová hypotéza, a $L_2$ je absolutní maximum věrohodnostní funkce. V tomto konkrétním případě je tedy $L_1$ věrohodnost nejlepšího odhadu pro jediné tempo evoluce, které je podle nulové hypotézy společné všem větvím na stromě (získaného z dat na všech větvích), zatímco $L_2$ je věrohodnost nejlepšího odhadu pro tempo evoluce na $i$-té větvi (odhadnuté pouze z této větve samotné) a pro tempo evoluce společné pro všechny ostatní větve (odhadnuté z dat na všech větvích kromě $i$-té), ať už jsou tato dvě tempa stejná nebo ne.
    Druhý test se ptá, zda se ve srovnání se zbytkem stromu vyvíjí signifikantně rychleji či pomaleji určitý klad. Rychlost evoluce kladu $C$ se přitom spočte jako součet změn na všech větvích uvnitř tohoto kladu podělený celkovou dobou trvání těchto větví:
\begin{equation}
r_C = \frac{\sum\nolimits_i l_i}{\sum\nolimits_i t_i} \forall i \in C
\end{equation}
    Opět se využije test věrohodnostního poměru z rovnice (1). Čitatel ($L_1$) zůstává stejný, zatímco jmenovatel ($L_2$) se nyní rovná věrohodnosti nejlepšího odhadu pro tempo evoluce společné pro všechny větve uvnitř kladu $C$ a pro tempo evoluce společné všem větvím mimo klad $C$, ať už jsou tato dvě tempa stejná nebo ne.
    Všech 6 kenozoických taxonů přítomných v původním datasetu (žijící ptáci a Lithornis) bylo z datasetu vyřazeno, protože reprezentují pouze malý zlomek celkové diverzity post-mezozoických celurosaurů. Autoři také analýzy prováděli opakovaně na mnoha replikátech, aby se ujistili, že drobné změny v hodnotách klíčových údajů nemají vliv na hlavní výsledky. Jak bylo uvedeno výše, přesné stáří autoři tahali náhodně z uniformního rozdělení nad stratigrafickým rozsahem každého taxonu (který je jen vzácně znám s větší přesností než jako jeden celý stupeň, tj. interval o šířce několika milionů let). Jelikož doba trvání větve ovlivňuje jak věrohodnostní odhad ancestrálních stavů (a potažmo tedy i množství znakových změn $l$), tak i výpočet tempa evoluce v pozdější fázi analýzy, autoři tahání opakovali, dokud nezískali 100 různých replikátů. Nad každým z nich pak provedli dva výše popsané věrohodnostní testy. Počet replikátů byl omezený velikostí datasetu a náročností celého postupu: Lloyd et al. (2012) jich např. použili 1000.
    Brusatte a spol. dále použili celou řadu testů, aby překontrolovali validitu svých závěrů. První z nich už byl zmíněný výše: celá analýza byla zopakována na 9 dalších náhodně vybraných nejúspornějších stromech, z nichž pro každý bylo použito 25 replikátů a nad každým replikátem byly provedeny oba výše uvedené testy.
    Druhý test se zaměřoval na nejistotu ohledně doby trvání větví: autoři pomocí balíčku paleotree (Bapst 2012) překalibrovali strom metodou minimální délky (minimum branch length). Ta větve s nulovou délkou odstraňuje prostým přičtením určité arbitrárně zvolené hodnoty, přičemž čas přidaný k pozdějším větvím je odečten z větví předcházejících (viz opět zde). Brusatte et al. (2014) stanovili minimální povolenou délku větve na 1 milion let a kalibrovali tímto způsobem stejný nejúspornější strom, který byl použit pro primární analýzu, se 100 replikáty lišícími se v přesné dataci špiček.
    Třetí analýza nastavila všem větvím stejnou ("jednotkovou") délku, čímž se rychlost evoluce stala přímo úměrnou počtu znakových změn a zcela nezávislou na čase. I zde byl použit stromek z primární analýzy se 100 datačními replikáty.
    Ve čtvrtém rozboru byly ze stromu náhodně odstraňovány taxony tak, aby byla každá z 9 hlavních linií (Tyrannosauroidea, Compsognathidae, Ornithomimosauria, Therizinosauria, Alvarezsauroidea, Oviraptorosauria, Dromeosauridae, Troodontidae, Avialae) zastoupena pouhými 6 špičkami. (Tento počet byl přizpůsoben velikosti nejmenšího taxonu, kterým jsou kompsognátidi.) Celkem takto bylo ořezáno 1000 různých stromů – každému z nich byla náhodně přidělena stáří špiček a jedna z deseti topologií, se kterými pracovaly předchozí testy. V tomto místě jsou překvapivě citováni Fitch & Bruschi (1987) – molekulárněfylogenetická studie o bakteriích, která zdůraznila (již tehdy dobře známý) fakt, že počet znakových změn na určité větvi koreluje s počtem uzlů, které na této větvi leží. Druhově chudé větve, které prodělaly jen málo štěpení, tak zdánlivě vykazují nízkou rychlost znakové evoluce. Prostříhané stromy mají tento efekt eliminovat.
    Konečně pátý test měl za úkol odhalit potenciální rozdíly v rychlostech evoluce mezi koncovými a vnitřními větvemi a případně eliminovat jejich vliv na analýzu. Celkový počet znakových změn by totiž mohl být podhodnocen tím, že úspornostní fylogenetické analýzy obvykle nesamplují znaky, které jsou unikátní pro jednu špičku z celého stromu (= autapomorfie). Autoři proto modifikovali oba věrohodnostní testy popsané výše: každou vnitřní větev porovnali jen se všemi ostatními vnitřními větvemi, každou koncovou větev se všemi ostatními koncovými větvemi, vnitřní větve uvnitř určitého kladu s vnitřními větvemi mimo tento klad, a koncové větve daného kladu s ostatními koncovými větvemi. Použito opět bylo 10 topologií, každá po 25 replikátech.

Konsenzus nejúspornějších stromů (většina maniraptořích kladů je pro přehlednost zkolabována) s vyznačenými rychlostmi morfologické evoluce. Výsečové grafy na jednotlivých větvích ukazují, v kolika ze 100 replikátů beroucích v úvahu nejistou dataci se dané větve vyvíjejí signifikantně odlišnou rychlostí oproti zbytku stromu. Červeně jsou vyznačeny signifikantně rychlé větve, modře signifikantně pomalé větve a bíle non-signifikantní větve. Velké výsečové grafy stejným způsobem ilustrují, zda se ve srovnání se zbytkem stromu vyvíjejí odlišně některé z devíti hlavních celurosauřích podskupin. Siluety ilustrující jednotlivé klady pocházejí z webové stránky PhyloPic, projektu Mike'a Keeseyho poskytujícího Public Domain a Creative Commons ilustrace žijících i vymřelých organizmů. (Modifikováno z Brusatte et al. 2014: Figures 1 a 2)

4. Rychlosti evoluce

    Analýza odhaluje signifikantně zvýšené rychlosti evoluce u ptáků (avial) a do menší míry i u tyrannosauroidů. V obou případech je tento výsledek robustní vůči použité topologii a metodě časové kalibrace. Trochu problematické je, že je robustní i vůči třetímu testu (s větvemi jednotkové délky), což naopak naznačuje, že by mohlo jít o artefakt nerovnoměrného znakového samplingu. (Rychlejší evoluci vidíme, protože se mění víc znaků, víc znaků se mění, protože jsme jich víc zahrnuli do analýzy.) Brusatte et al. (2014) konstatují, že právě tato příčina zřejmě stojí za zdánlivou zrychlenou evolucí tyrannosauroidů – TWG matice totiž povyrostla na 853 znaků z velké části díky tomu, že ji autoři zkombinovali s relativně velkou (více než 200 znaků) datovou maticí zaměřenou speciálně na tyrannosauroidy. V případě avial jsou Brusatte a spol. klidnější: sampling TWG matice je sice jednoznačně zkreslený ve prospěch paravianů, nedá se ale říct, že by některému ze tří hlavních paravianních kladů (Dromaeosauridae, Troodontidae, Avialae) ve srovnání s ostatními nadržoval. Je sice pravda, že stejným způsobem, jakým byla nyní do TWG vhozena tyrannosauroidní matice, do ní už dříve Turner et al. (2012) začlenili ptačí matici od Clarke et al. (2006), tehdy však šlo spíše o nápravu předchozího undersamplingu.
    O tom, že zrychlená evoluce avial je skutečný signál a zrychlená evoluce tyrannosauroidů pouhý artefakt, svědčí i některé z výše popsaných testů. Některé replikáty primární analýzy (s odlišnými délkami větví) zvýšené tempo evoluce u tyrannosauroidů neodhalily, a někdy dokonce zaznamenaly opačný výsledek (signifikantní zpomalení). Zatímco ptákům vysoké rychlosti evoluce při taxonomickém subsamplingu (redukce všech skupin na 6 špiček) sice poklesly, ale zůstaly; tyrannosauroidi přecházejí do druhého extrému a stávají se nejvýznamněji "pomalým" kladem, který dokonce neobsahuje vůbec žádné "rychlé" větve. Oddělená analýza vnitřních a koncových větví přináší rozporuplné výsledky: tyrannosauroidi vykazují signifikantně zvýšenou rychlost evoluce, dokud se díváme na vnitřní větve, ale při analýze koncových větví přestává být jejich odlišnost signifikantní. Zdá se tedy, že ptáci zaujímají v celurosauří evoluci výjimečné postavení. To potvrzuje i skutečnost, že zvýšenou rychlost evoluce vykazuje i celá linie, která spojuje ptáky s bází maniraptoriformů, zatímco žádný z "vedlejších" kladů, které se z ní odštěpují, signifikantně zrychlený není. Částečnou výjimkou je jen skupina Microraptoria, která ale chybí na striktním konsenzu nejúspornějších stromů, a pochybný klad (Anchiornis + Aurornis + Eosinopteryx + Xiaotingia).

Modely znakové evoluce: horizontální osa reprezentuje čas, vertikální osa morfologickou variabilitu. Odshora dolů: "early burst" model (zpomalující evoluce), Ornstein-Uhlenbeckův proces, "late burst" model (akcelerující evoluce). (Zdroj: anoleannals.org, kredit: Travis Ingram)

    Brusatte a spol. konstatují, že jejich studie podporuje "early burst" model, podle kterého evoluce znaků v určitém kladu probíhá nejrychleji krátce po jeho vzniku a postupně se zpomaluje s tím, jak se zaplňují ekologické niky (viz např. Slater & Pennell 2013). Uvádějí také, že zatímco jiné nedávné velkoškálové studie odkryly buď pozvolné trendy začínající dlouho před vznikem ptáků, nebo významné inovace uvnitř ptáků samotných, v jejich studii je významné zvýšení tempa evoluce lokalizováno přesně u ptačího původu (dochází k němu na větvi pod uzlem Avialae). Tímto výrokem se vracejí ke kontroverzi, která se vynořila ve velkoškálových studiích dinosauří evoluce posledních několika let: byli to skutečně ptáci (ve smyslu avial), kteří se v něčem signifikantně odlišovali od ostatních dinosaurů, nebo ke vzniku klíčových evolučních novinek došlo už dříve (či naopak později)? Shodou okolností se přitom právě letos objevila celá lavina studií, které tuto otázku adresovaly, a většina z nich je se závěry Brusatteho a spol. v rozporu.
    Puttick et al. (2014) např. explicitně zdůraznili, že "Paraves, rather than Aves alone, shifted to a different evolutionary model relative to other coelurosaurian theropods" (Puttick et al. 2014: 1503). Zatímco na větvi přímo pod Paraves došlo ke zrychlení evoluce tělesných rozměrů a relativní délky předních končetin, autoři našli "little evidence for elevated rates leading to or within Aves" (Puttick et al. 2014: 1505).* Benson et al. (2014) o několik měsíců později identifikovali na dinosauřím stromě celkem 23 míst, kde došlo mimořádným změnám tělesných rozměrů. Jejich distribuce naznačuje "early burst" během triasových počátků dinosauří radiace, po kterém rychlosti evoluce začaly klesat, a to s jedinou výjimkou, kterou opět představovala ptačí kmenová linie (a především maniraptoři). Jedině větev táhnoucí se k moderním ptákům si dokázala udržet vysoké tempo evoluce a soustavně produkovat další a další ekologické inovace po celých 170 milionů let od vzniku dinosaurů po katastrofu na přelomu K/Pg – a, jak ukázali např. Jetz et al. (2012), vlastně i po ní. Ani Benson et al. (2014) ale nezaznamenali, že by vznik ptáků samotných představoval nějakou mimořádnou událost – ke skokovým změnám tělesných rozměrů došlo buď už předtím (např. u báze kladů Maniraptora a Pennaraptora), nebo až potom (Ornithuromorpha). Konečně Lee et al. (2014) zaznamenali zvýšené rychlosti evoluce na celém dlouhém úseku ptačí kmenové linie (od vzniku Neotetanurae po vznik Paraves) a konstatovali, že "[t]he branch leading to “birds” (Avialae, Aves sensu lato) does not undergo exceptional amounts of evolution" (Lee et al. 2014: Supplementary Materials: 13).

*S velmi podobným, ale paradoxně opačným závěrem přišli o rok dříve i Benson & Choiniere (2013), podle kterých kdesi v blízkém okolí vzniku ptáků prudce vzrostla disparita zadních končetin, což vedlo k "increased diversification rates, unparalleled in magnitude at any other time in the first 155 Myr of theropod evolution". Jejich pokus lokalizovat tuto událost nějak přesněji ale odhalil, že "the most likely node for this rate shift is Pygostylia" – k zásadnímu posunu nemělo dojít těsně před vznikem ptáků, nýbrž až těsně po něm. Puttick et al. (2014) považovali tento rozdíl oproti vlastním výsledkům za důsledek odlišné metodologie, která na rozdíl od jejich programu MEDUSA (viz krátce zde) nedokázala identifikovat změny v rychlosti evoluce specifické pro konkrétní větev.

5. Morfologická odlišnost

    Brusatte a spol. naopak neodhalili žádnou morfologickou propast, která by ptáky odlišovala od ostatních teropodů. K otestování relativní odlišnosti ptáků od ostatních celurosaurů autoři zkonstruovali morfoprostor z datové matice své fylogenetické analýzy, kterou pro tyto účely považují za ideální. Dělením znaků do několika málo diskrétních stavů se sice ztrácí informace, z praktického hlediska je však takový přístup při zacházení s fragmentárními fosiliemi často užitečnější než morfometrie poskytující spojitá data. Problémem by neměla být ani nepřítomnost autapomorfií, typická pro všechny datasety šité na míru metodě maximální parsimonie. (I zde je výjimkou Megamatrice – viz komentáře Andrey Cau'a na toto téma na TetZoo.) Podle autorů by problematické bylo naopak jejich zahrnutí, které by mohlo uměle zvyšovat relativní odlišnost nedávno popsaných a/nebo lépe studovaných taxonů. Datová matice byla transformována na matici párových euklidovských vzdáleností, kterou autoři podrobili vícerozměrnému škálování metodou hlavních koordinát. To snížilo dimenzionalitu dat na 145 os, z nichž bylo pro další analýzu použito 125 těch, které dohromady zachycují 90% celkové variability.

Celurosauří morfoprostor. Analýza metodou hlavních koordinát rozprostřela celkovou variabilitu na 145 os, z nichž každá vysvětluje výše celkové variability než ta následující. Pro hlavní analýzy autoři využili 125 os, v grafech výše jsou zobrazené první 3 osy, které vysvětlují nejvíc variability (dohromady 4,25%). V prvním grafu je zanesena osa 2 (1,48% variability) vůči ose 1 (1,57%); v druhém grafu je zanesena osa 3 (1,19%) proti ose 2. Barevné značení je názorně vysvětleno výše (viz také předchozí obrázek). Ptáci (tmavě fialová) se zřetelně odlišují od ostatních celurosaurů podél osy 1, ale podél žádné jiné osy už nikoli, a celkově jsou tak v rámci celurosaurů morfologicky poměrně nevýrazní. (Modifikováno z Brusatte et al. 2014: Figure 3)

    Permutační testy neprokázaly, že by avialy v morfoprostoru zaujímaly signifikantně odlišnou pozici než ostatní celurosauři. Tento závěr byl přitom nezávislý na tom, zda bylo s ostatními podskupinami celurosaurů kontrastováno jen 22 druhohorních ptáků, nebo se k nim přidalo i 6 post-mezozoických taxonů; s výsledkem nepohnulo ani zahrnutí čtveřice (Anchiornis, Aurornis, Eosinopteryx, Xiaotingia) do avial místo troodontidů. Obecně se zdá, že jednotlivé podskupiny celurosaurů jsou od sebe v morfoprostoru statisticky nerozeznatelné. Analýza ale odhalila signifikantní rozdíly mezi oviraptorosaury a deinonychosaury, mezi oviraptorosaury a terizinosaury, a mezi tyrannosauroidy a ornitomimosaury, což znamená, že tyto dvojice taxonů jsou si navzájem nepodobnější více, než ptáci a jejich nejbližší příbuzní. Podle autorů tento fakt vysvětluje, proč mají ve fylogenetických analýzách taxony jako Anchiornis nebo Archaeopteryx (a jejich příklady bychom mohli rozšířit o xiaotingii, balaura, rahonavise, mikroraptoriany a unenlagiiny) sklon přeskakovat mezi deinonychosaury a avialami.
    Autoři dále porovnali euklidovské vzdálenosti mezi 22 ptáky a 21 dromeosauridy (celkem 462 párových vzdáleností) a stejnými 22 ptáky a 16 troodontidy (352 vzdáleností) s kontrolní skupinou, sestávající z 2534 párů celurosaurů, kde oba členové páru patřili do jiné z osmi hlavních neptačích celurosauřích podskupin (viz výše). V další analýze byly euklidovské vzdálenosti mezi 22 ptáky a 37 deinonychosaury (814 vzdáleností) porovnány s kontrolní skupinou sestávající z 2198 párů ostatních celurosaurů. Cílem bylo ukázat, zda se ptáci od svých nejbližších příbuzných v průměru odlišují víc, než se od svých nejbližších příbuzných odlišují jiné celurosauří skupiny. Rozdíly zde sice existovaly a díky značné velikosti vzorku byly statisticky významné, v praxi ale byly zanedbatelné (rozdíly středních hodnot kolísaly mezi 0,8% a 1,3%.). Navíc se ukázalo, že druhohorní ptáci nezabírají více morfoprostoru než ostatní skupiny celurosaurů, a to hned podle čtyř různých měřítek. U některých vzdálenějších kladů sice jedno nebo dvě měřítka odhalila statisticky signifikantní rozdíl oproti ptákům, nikdy ale nebyl zaznamenán významný rozdíl mezi morfoprostorem zabíraným ptáky a morfoprostorem zabíraným jejich nejbližšími příbuznými, jako jsou dromeosauridi, troodontidi a oviraptorosauři.

6. Implikace pro ptačí evoluci

    Na základě těchto zjištění Brusatte a spol. konstatují, že navzdory prudkému zvýšení rychlosti evoluce u báze avial neexistuje mezi ptáky a ostatními celurosaury prakticky žádná morfologická mezera, a druhohorního přírodovědce by zřejmě nenapadlo rozlišovat mezi zvířaty typu velociraptora a zvířaty typu archeopteryga. Obrovský evoluční úspěch ptáků zřejmě nebyl důsledkem jediné klíčové adaptace, ale pozvolné akumulace řady odlišných znaků, které dnes tak zřetelně odlišují ptáky od ostatních obratlovců. Teprve tehdy, když se nashromáždily všechny a jako díly skládačky zapadly na své místo v rámci toho, čemu dnes říkáme ptačí tělní plán, se ptákům otevřela cesta k rapidní diverzifikaci a expanzi mimo svůj doposud nevýrazně vymezený morfoprostor.
    Brusatte a spol. uzavírají svou práci konstatováním, že ačkoli se jednotlivé studie neshodnou na tom, kde přesně na fylogenetickém stromě došlo k prudkému zvýšení tempa evoluce, existuje velmi silná evidence, že k takové události v těsné blízkosti vzniku ptáků skutečně došlo. Přechod mezi dinosaury a ptáky představoval zcela unikátní fázi dinosauří evoluce, během které došlo v rychlém sledu k zásadním změnám v evoluci tělesných rozměrů, délky předních končetin a celé řady diskrétních morfologických znaků. Jde tedy o podporu jak "early burst" modelu znakové evoluce, tak i staré teorie adaptivních radiací G. G. Simpsona. Podle autorů jsou zvýšené rychlosti morfologické evoluce charakteristickým doprovodem pro vznik nového tělního plánu, a nezáleží přitom na to, zda byl tento plán získán náhle nebo – jako u ptáků – postupným skládáním celé řady klíčových inovací.

7. Ksepka (2014)

    Current Biology vedle studie Brusatteho a spol. otiskla i doprovodnou práci Daniela Ksepky, známého především svým výzkumem fosilních tučňáků (na blogu viz např. zde). Ksepka (2014) nejprve ukazuje, jak se nejnovější studie nedokážou shodnout na fylogenetických pozicích taxonů Anchiornis, Archaeopteryx, Aurornis nebo Xiaotingia, se zvláštní zmínkou balaura a rahonavise, kteří – navzdory své dosavadní zdánlivé neproblematičnosti – začali mezi ptáky a jejich nejbližšími příbuznými přeskakovat také. Autor také shrnuje výsledky Putticka a spol. (2014), Bensona a spol. (2014) a Leeho a spol. (2014), přičemž jeho interpretace je podobná té, kterou v primární studii nabízejí Brusatte s kolektivem. I když se tyto práce liší ve svém určení přesného místa, kde se evoluce tělesných rozměrů výrazně urychlila, všechny se shodují na tom, že ptáci stojí na konci dlouhodobé miniaturizace, která vyvrcholila proražením dosavadní spodní velikostní hranice 1 kilogramu, umožňujícím vznik aktivního letu. Co je nejdůležitější, tato výjimečná linie teropodů dokázala navázat na svůj druhohorní úspěch i po katastrofickém vymírání na přelomu K/Pg, a dala tak vzniknout skupině zvířat s ohromující rozmanitostí, bez které si dnešní ekosystémy nedovedeme představit: žijícím ptákům.

Zdroje:

Identita kostí v ptačím zápěstí – syntéza paleontologických a embryologických dat

    Botelho et al. (2014) publikovali před několika týdny v žurnálu PLOS Biology fascinující práci, ve kterém se vracejí k jednomu z nejproblematičtějších témat v rámci přechodu od dinosaurů k ptákům: k anatomii ruky a zápěstí. Problém s identitou ptačích prstů je dobře známý (na blogu jsem mu vyhradil celou samostatnou kategorii článků), nepředstavuje ale jedinou komplikaci, se kterou se paleontologové střetávají při snaze homologizovat ptačí křídlo s předními končetinami ptačích předků.
    Zatímco u "raných dinosaurů", jako jsou ptakopánví nebo bazální teropodi, mohlo zápěstí obsahovat až 9 různých osifikací (až 3 samostatné distální karpály, ulnare, radiale, pisiform, někdy i intermedium a další elementy), u žijících ptáků najdeme jen 4. Proximální dvě osifikace zůstávají samostatné, distální dvě srůstají jak navzájem, tak i s metakarpály, a podílejí se tak na charakteristickém ptačím záprstí (karpometakarpu). Identita těchto čtyř elementů je přitom extrémně nejistá.
    Podle paleontologů (které zastupuje např. Hinchliffe 1985) by se v případě předního (= mediálního) proximálního elementu mělo jednat o radiale. Embryologové už ale velmi dlouho – minimálně od dob Parkera (1888) – argumentují, že tato osifikace vzniká srůstem radiale a intermedia, a v souladu s tím ji nazývají "scapholunare" (scaphoideum je v terminologii používané pro savce ekvivalentem radiale, lunare zase odpovídá intermediu). Čí interpretace je správná? Odpověď komplikuje prokletí modelových druhů, poměrně častý biologický problém, kdy se výzkum v určité oblasti soustředí téměř výhradně na druh, který pro dané účely jako naschvál patří k těm nejnevhodnějším. Zatímco u kuřete (Gallus gallus f. domestica), modelového druhu pro ptačí embryologii, histologie neposkytuje sebemenší náznak, že by "scapholunare" vznikalo ze dvou samostatných chrupavek, pozorování embryí pštrosů (Kundrát 2009), tinam, holubů, kachen, a zebřičky pestré (Botelho et al. 2014) jasně ukazuje, že embryologové měli pravdu a "scapholunare" opravdu vzniká srůstem radiale a intermedia. Jedinou stopu po pravém původu tohoto elementu, kterou u kuřete najdeme, je uspořádání tkáně v histologických preparátech a exprese kolagenu typu IX (Coll IX), která je ostře rozdělená do dvou oddělených oblastí.

Hypotézy o identitě osifikací v dinosauřím zápěstí. (A) Zápěstní kostra raných dinosaurů. Obarvené jsou potenciální homology kostí v zápěstí moderních ptáků. (B) Čtyři karpální osifikace přítomné v zápěstí kuřete 21 dní po vylíhnutí. Přední distální element (da) a zadní distální element (dp) vznikající z "elementu X" srůstají navzájem a s metakarpály, zatímco přední proximální (pa) a zadní proximální (pp) element zůstávají samotné. (C) Homologie v ptačím křídle podle tradiční paleontologické interpretace a (D) podle tradiční embryologické interpretace. (E) Hypotéza Botelha a spol., založená na syntéze paleontologických a embryologických dat. Autoři podporují tradiční paleontologický termín "půlměsíčitý karpál" (sl) pro osifikaci vznikající z chrupavky odpovídající srostlým distálním karpálům 1 a 2 a tradiční embryologický termín "scapholunare" pro osifikaci vznikající z chrupavky odpovídající srostlému radiale a intermediu. (Zdroj: Botelho et al. 2014: Figure 1)

    S opačným problémem se setkáváme u přední (= mediální) distální osifikace. Paleontologové ho homologizují s tzv. půlměsíčitým karpálem (semilunate carpal), který byl poprvé identifikován Ostromem (1969) u deinonycha a považován za jeden z nejdůležitějších znaků sjednocujících ptáky a jejich blízké příbuzné z řad neptačích dinosaurů. Ostrom jej původně identifikoval coby radiale, nejčastěji byl ale považován za srůst distálních karpálů 1 a 2 (Padian 1997), což bezesporu dává intuitivní smysl: u maniraptorů totiž tento element překrývá báze metakarpálů I a II. Vyskytly se ale i odlišné interpretace: podle Gauthiera (1986) je půlměsíčitý karpál prostě modifikací distálního karpálu 1. Padian & Chiappe (1998) zvolili opatrnou formulaci, podle které tento element "represents a fusion or loss from the condition of two separate distal carpals" (zvýraznění je moje), a Xu et al. (2008) zdůraznili, že půlměsíčitý karpál by mohl být čistě zvětšeným distálním karpálem 1 nebo 2, nikoli fúzí obou. Xu et al. (2014) pak nejnověji navrhli bizarní "laterální posun" půlměsíčitého karpálu, podle kterých původ této osifikace začíná srůstem distálních karpálů 1 a 2 u celofyzoidů a končí fúzí distálních karpálů 3 a 4 (!) u ptáků z kladu Ornithothoraces. Pokud jde o embryologii, tradiční barvení alciánovou modří neodhaluje žádný náznak, že by se měla přední distální osifikace skládat z více než jednoho elementu, a histologie poskytuje rozporuplná data. Exprese kolagenů typu II a IX je ale opět jasně rozdělená do dvou samostatných zón, a přestože obě oblasti exprese Coll II časem splynou, u kolagenu typu IX zůstávají samostatné.
    Jednou z největších záhad ptačí ruky je pak opakovaně potvrzená ztráta ulnare a vznik nového, zřejmě neomorfického "elementu X". Chrupavka elementu X pak dává vzniknout zadní (= laterální) distální osifikaci. Hinchiffe (1985) popsal tento proces jako "nahrazení" ulnare elementem X, Botelho a spol. ale nesouhlasí. U kuřete, kachny, tinamy, holuba, čejky jižní, andulky i zebřičky pestré tento záhadný element po jistou dobu koexistuje s ulnare a je od něj umístěný distálně (jak je zvláště patrné u čejky), přičemž jeho distální strana přiléhá k proximálnímu konci metakarpálu III. Co se nachází mezi ulnare a metakarpálem III? Distální karpál 3. Botelho et al. (2014) proto konstatují, že nevidí důvod, proč element X považovat za neomorfickou strukturu, a v následujícím textu na něj odkazují jako na distální karpál 3. Stejná interpretace se už dříve objevila v paleontologické literatuře: zběžně ji navrhl Elżanowski (2002) a Paul (2002) argumentoval, že výhodou hypotézy o posunu primární osy v ptačí ruce je právě fakt, že nám dovoluje identifikovat jinak záhadný element X jako distální karpál 3.

Důkaz pro identifikaci předního proximálního elementu v ptačím zápěstí coby srůstu intermedia s radiale. (A) Tradiční barvení alciánovou modří u kuřete (Gallus gallus) nijak nenaznačuje, že by se měl tento element skládat z více než jedné části, ale (B) histologie ve fázi HH30 (stáří 6,5 až 7 dní) zachycuje dvě oddělená centra chrupavkovatění. Alciánová modř je dostatečná k zachycení odděleného radiale a intermedia u holuba skalního (Columba livia; C) a tinamy koroptví (Nothoprocta perdicaria; F). Histologie kuřete ve fázi HH35 (stáří 8,5 až 9 dní) už zachycuje jediný element bez jakéhokoli náznaku dvou různých částí (E), ale exprese kolagenu typu IX je stále zřetelně rozdělena do dvou oddělených zón (D). Zkratky: (dc3) distální karpál 3, (I, II, III, IV) první až čtvrtý metakarpál, (int) intermedium, (p) pisiform, (r) kost vřetenní, (ra) radiale, (slc) přední distální osifikace/půlměsíčitý karpál, (u) kost loketní, (ue) ulnare. Pruhy měřítka odpovídají 300 µm v (A) a (B), 500 µm v (C), (E) a (F) a 200 µm v (D). (Modifikováno z Botelho et al. 2014: Figure 3)

    Ze čtyř osifikací v ptačím zápěstí tak zbývá už jen zadní (= laterální) proximální element, který paleontologové tradičně považovali za ulnare a embryologové za pisiform. Pisiform neboli "hrášková kost" (český název se mi nelíbí, takže dávám přednost anglicizované latině) patří mezi tzv. sezamoidní kůstky, které vznikají osifikací šlach. U ostatních amniot (včetně lidí) se pisiform formuje z embryonické chrupavky, která vzniká nazad a vespod od kontaktu mezi ulnare a loketní kostí. Zadní proximální element ptačí ruky vzniká z chrupavky ve stejném místě, a je proto nejúspornější předpokládat, že jde rovněž o pisiform. Imunofluorescence navíc potvrzuje sezamoidní původ této osifikace, čímž pisiformní hypotéze dává další podporu.
    Autoři hledají podporu pro svůj model ptačí ruky také v paleontologických datech. Upozorňují, že intermedium bylo občas u teropodů zaměněno za ulnare, k čemuž došlo např. u allosaura a akrokantosaura. U obou těchto raných tetanur – stejně jako u celofyzise (celofyzoida) a tyrannosauroidů typu guanlonga a gorgosaura – intermedium těsně přiléhá k radiale nebo s ním dokonce částečně srůstá, což je v plném souladu s embryologickými zjištěními. Autoři dále podporují konzervativní interpretaci půlměsíčitého karpálu, která v tomto elementu vidí srůst distálních karpálů 1 a 2. Argumentují tím, že u "středně pokročilých" celurosaurů, jako je Harpymimus nebo Falcarius a Alxasaurus (terizinosauři), je na této kosti patrný jasný centrální šev, indikující přítomnost dvou zhruba stejně velkých vzájemně srostlých elementů.
    Paleontologové se naopak mýlí, když v ptačím zápěstím nacházejí ulnare. Botelho et al. (2014) sice poukazují na to, že jejich skepticizmus vůči embryologickým studiím (které nikdy přesně neidentifikovaly mechanizmus, kterým mělo být ulnare ztraceno a "nahrazeno" elementem X) byl pochopitelný, s jejich daty však již nelze důkazy pro kompletní ztrátu ulnare ignorovat. Je ale absence ulnare skutečně v rozporu s paleontologickými daty? Botelho a spol. argumentují, že u neptačích dinosaurů nejblíže příbuzných ptákům – u oviraptorosaurů, dromeosauridů a troodontidů – ulnare nikdy nevidíme, a podle všeho mají pravdu. Osmólska et al. (2004: 175) ulnare ve svém popisu apendikulární kostry oviraptorosaurů nezmiňují s výjimkou konstatování, že jedna ze zápěstních kůstek tak byla v minulosti identifikována u kaudipteryga. Makovicky & Norell (2004: 191) čerpají při své diskuzi troodontidího zápěstí výhradně z dat od sinornitoida, který měl karpály všeho všudy dva: půlměsíčitou kost a "radiale" (čili scapholunare). Norell & Makovicky (2004: 204) explicitně kontrastují dvě kosti v zápěstí dromeosauridů s přítomností třetí kosti – údajného ulnare – v zápěstí archeopteryga. Botelho a spol. dále poukazují na mnohá chybná určení, kdy byl za ulnare zaměněn distální karpál 2, distální karpál 3 nebo intermedium. Ve výsledku se zdá, že ulnare zcela chybělo u teropodů pokročilejších než Coelophysis, s možnou – velmi zajímavou – výjimkou ornitomimosaurů (Makovicky et al. 2004; Kobayashi & Barsbold 2005).

Důkaz, že přední proximální část karpometakarpu – a potažmo půlměsíčitý karpál primitivnějších maniraptorů – skutečně odpovídá distálním karpálům 1 a 2 bazálních dinosaurů. Exprese kolagenu typu II (A) a kolagenu typu IX (B) u kuřecího embrya ve fázi HH31 (stáří 7 až 7,5 dní) ukazují, že přední distální osifikace v ptačí ruce vzniká ze dvou různých částí, které tradiční barvení alciánovou modří (C) nedokáže odhalit. Už o půl dne (HH34) až jeden a půl dne (HH35) později obě oblasti exprese kolagenu typu II splývají (D), ale exprese kolagenu typu IX zůstává rozdělená na dvě zóny (E, v detailu F). Zkratky jako v předchozím obrázku. Pruhy měřítka odpovídají 400 µm v (A) a (D), 200 µm v (B), 300 µm v (C), 500 µm v (E) a 100 µm v (F). (Modifikováno z Botelho et al. 2014: Figure 4)

    Jediným významnějším nesouladem mezi moderními ptáky a jejich dinosauřími příbuznými tedy zůstává přítomnost nápadného pisiformu u první ze jmenovaných skupin. Pisiform totiž paradoxně vykazuje velmi podobný výskyt jako ulnare: vidíme jej u bazálních teropodů typu celofyzoidů a pak už jen – opět – u ornitomimosaurů (Makovicky et al. 2004: 143; Kobayashi & Barsbold 2005), na jejichž zápěstí je evidentně cosi divného.* Pisiform tedy v evoluci teropodů po určitou dobu buď úplně zmizel, nebo byl neosifikovaný či natolik malý, že konzistentně unikal fosilizaci. Ptáci museli svůj velký, osifikovaný pisiform vyvinout nanovo, a to zřejmě poměrně brzy: Shenzhouraptor sinensis, dlouhoocasý zástupce parafyletického gradu "jeholornitidů", jej už měl. Kost, jejíž pozice by odpovídala pisiformu, byla nahlášena od pátého, eichstättského exempláře archeopteryga, u ostatních exemplářů ale tento element chybí. Botelho et al. (2014) spekulují, že reevoluce pisiformu mohla souviset s evolucí letu, během které přední končetiny opět začaly získávat pohybovou funkci. Zvažují dokonce, zda by nebylo lepší označovat tuto kost za neomorfickou strukturu, ale nakonec tento návrh zamítají, neboť zastírá skutečnost, že její propojení se svaly a embryologický původ odpovídají pisiformu ostatních amniot.
    Snad nejzajímavější části nové studie jsou doplňkové materiály, které velmi neobvykle sestávají z videí zachycujících oddělené oblasti exprese kolagenu typu IX v kuřecím "scapholunare", koexistence mizejícího ulnare s nově zformovaným distálním karpálem 3, a "ohyb" distálního karpálu 3 do tvaru písmene "v", který je zřejmě charakteristický pro klad Galloanserae.

*Podle Gauthiera (1986) může za zvláštní zápěstní morfologií ornitomimosaurů stát pedomorfóza – dospělci těchto taxonů si mohli uchovat stav, který u jiných teropodů charakterizoval rané fáze ontogeneze.

Vymizení ulnare a jeho dočasná koexistence s "elementem X" (= distálním karpálem 3) u kuřete. Barvení alciánovou modří (A) i histologie (B) ukazují, že ulnare vzniká v klasické pozici distálně od loketní kosti. Distálně od ulnare se objevuje distální karpál 3 a oba elementy spolu přechodně koexistují, aby ulnare nakonec zcela zmizelo. Stejný moment koexistence je patrný i u andulky (C), holuba (D) a kachny (E). Význam zkratek viz výše. Pruhy měřítka odpovídají 300 µm v (A), (B) a (C) a 500 µm v (D) a (E). (Modifikováno z Botelho et al. 2014: Figures 6 a 7)

    Bude zajímavé sledovat, zda další výzkum závěry Botelha a spol. potvrdí – některé jiné studie využívající pokročilých zobrazovacích metod totiž dospěly k jiným závěrům. Kundrát (2009) se např. ve svém výzkumu pštrosích embryií shodl s Botelhem a spol. na identifikaci "scapholunare" (jako srůstu radiale a intermedia) a půlměsíčitého karpálu (jako srůstu distálních karpálů 1 a 2*), nabídl ale odlišnou interpretaci "elementu X". Ten se podle něj skládá ze dvou samostatných chondrifikačních center, z nichž jedno odpovídá distálnímu karpálu 3 (tak jak tvrdí Botelho a spol.), to druhé, proximální, ale může reprezentovat buď ulnare, neomorfické "pseudoulnare", nebo dokonce nějakou kombinaci obou možností. U pštrosa je navíc podle Kundráta všechno jinak: obě části "elementu X" se nikdy nespojí a distální karpál 3 srůstá s půlměsíčitým karpálem do komplexu 1+2+3, zatímco druhá část – "pseudoulnare" – zůstává samostatná. V pštrosí ruce navíc pisiform brzy po svém zchrupavkovatění mizí. Není divu, že tyto závěry dovedly Kundráta k poněkud odlišnému scénáři evoluce ptačí ruky, než jaký nyní nabízejí Botelho a spol. Tam, kde druzí jmenovaní vidí u raných paravianů distální karpál 3, nachází Kundrát neomorfické "pseudoulnare", zatímco pravý distální karpál 3 se podle něj buď nedochoval, nebo byl pouze chrupavčitý. K rozřešení neshod mezi Kundrátem a Botelhem a spol. bude zřejmě potřeba prozkoumat ještě širší vzorek druhů – může se ukázat, že pštros je prostě jen mimořádně divný, čemuž by napovídal i fakt, že metakarpály a distální karpály u něj nesrůstají do záprstí – a použít ještě širší spektrum zobrazovacích technik k objasnění otázky, zda se "element X" skládá z jednoho či dvou chondrifikačních center.

*Kundrát (2009) v souladu s embryologickou tradicí a vlastní hypotézou pyramidové redukce (Kundrát et al. 2002) čísloval ptačí metakarpály a distální karpály jako 2, 3, 4; nová embryologická evidence ale přesvědčivě ukazuje, že správné je paleontologické číslování 1, 2, 3.

Evoluce zápěstních kostí na ptačí vývojové větvi. Pruhované vybarvení indikuje nejisté určení. Intermedium bývá jako samostatná osifikace u dinosaurů k vidění jen vzácně, ale tam, kde je přítomné, většinou těsně přiléhá k radiale nebo s ním počíná srůstat. V blízkosti maniraptorů začínají oba elementy formovat jediný celek, odpovídající "scapholunare" moderních ptáků. Distální karpály 1 a 2 jsou oddělené u non-teropodních dinosaurů a většiny raných teropodů, zatímco u odvozenějších teropodů obě kosti pravděpodobně srostly do půlměsíčitého karpálu – napovídá tomu fakt, že tento element překrývá proximální konce metakarpálů I a II. U guanlonga může být žlutě proužkovaná kost buď samostatným distálním karpálem 1, nebo půlměsíčitým karpálem. Poslední významnou evolucí byla reevoluce velkého a osifikovaného pisiformu u bazálních ptáků – až do tohoto bodu tento element buď zcela chyběl, byl neosifikovaný, nebo velmi malý (a tedy přehlížený). Zadní distální zápěstní osifikace, která je v pozdní ontogenezi začleněna do karpometakarpu, byla často považována za neomorfickou náhradu ulnare ("element X"), její pozice a vývoj ale dobře odpovídají distálnímu karpálu 3. U falkaria může být modře pruhovaný element buď distálním karpálem 3, nebo intermediem. (Zdroj: Botelho et al. 2014: Figure 9)

Zdroje: