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:

• Botelho JF, Ossa-Fuentes L, Soto-Acuña S, Smith-Paredes D, Nuñez-León D, Salinas-Saavedra M, Ruiz-Flores M, Vargas AO 2014 New developmental evidence clarifies the evolution of wrist bones in the dinosaur–bird transition. PLoS Biol 12(9): e1001957
• Elżanowski A 2002 Archaeopterygidae. 129–59 in Chiappe LM, Witmer LM, eds. Mesozoic Birds: Above the Heads of Dinosaurs. Berkeley: Univ of California Press
• Gauthier JA 1986 Saurischian monophyly and the origin of birds. Mem Calif Acad Sci 8: 1–55
• Hinchliffe J 1985 “One, two, three” or “two, three, four”: an embryologist’s view of the homologies of the digits and carpus of modern birds. 141–7 in Hecht MK, Ostrom JH, Viohl G, Wellnhofer P, eds. The Beginnings of Birds. Eichstätt: Freunde des Jura-Museums
• Kobayashi Y, Barsbold R 2005 Anatomy of Harpymimus okladnikovi Barsbold and Perle 1984 (Dinosauria; Theropoda) of Mongolia. 97–126 in Carpenter K, ed. The Carnivorous Dinosaurs. Indianapolis, IN: Indiana Univ Press
• Kundrát M 2009 Primary chondrification foci in the wing basipodium of Struthio camelus with comments on interpretation of autopodial elements in Crocodilia and Aves. J Exp Zool B Mol Dev Evol 312(1): 30–41
• Kundrát M, Seichert V, Russell AP, Smetana K Jr 2002 Pentadactyl pattern of the avian wing autopodium and pyramid reduction hypothesis. J Exp Zool 294(2): 152–9
• Makovicky PJ, Kobayashi Y, Currie PJ 2004 Ornithomimosauria. 137–50 in Weishampel DB, Dodson P, Osmólska H, eds. The Dinosauria 2nd edition. Berkeley, CA: Univ of California Press
• Makovicky PJ, Norell MA 2004 Troodontidae. 184–95 in Weishampel DB, Dodson P, Osmólska H, eds. The Dinosauria 2nd edition. Berkeley, CA: Univ of California Press
• Norell MA, Makovicky PJ 2004 Dromaeosauridae. 196–209 in Weishampel DB, Dodson P, Osmólska H, eds. The Dinosauria 2nd edition. Berkeley, CA: Univ of California Press
• Osmólska H, Currie PJ, Barsbold R 2004 Oviraptorosauria. 165–83 in Weishampel DB, Dodson P, Osmólska H, eds. The Dinosauria 2nd edition. Berkeley, CA: Univ of California Press
• Ostrom JH 1969 Osteology of Deinonychus antirrhopus, an unusual theropod fromthe Lower Cretaceous of Montana. Bull Peabody Mus Nat Hist 30: 1–165
• Padian K 1997 Maniraptora. 411–4 in Currie PJ, Padian K, eds. The Encyclopedia of Dinosaurs. San Diego: Acad Press
• Padian K, Chiappe LM 1998 The origin and early evolution of birds. Biol Rev 73: 1–42
• Parker WK 1888 On the structure and development of the wing in the common fowl. Phil Trans R Soc Lond B Biol Sci 179: 385–98
• Paul GS 2002 Dinosaurs of the Air: the Evolution and Loss of Flight in Dinosaurs and Birds. Baltimore: Johns Hopkins Univ Press. i–ix + 460 p
• Xu X, Han F-L, Zhao Q 2014 Homologies and homeotic transformation of the theropod ‘semilunate’ carpal. Sci Reports 4: 6042
• Xu X, Zhao Q, Norell MA, Sullivan C, Hone DWE, Erickson GM, Wang X-L, Han F-L, Guo Y 2008 A new feathered maniraptoran dinosaur fossil that fills a morphological gap in avian origin. Chin Sci Bull 54(3): 430–5