Dinosaurier und Urvögel – die ersten Federtiere

Schon Dinosaurier hatten Federn

Der nächste Durchbruch in der Forschung zur Federevolution gelang chinesischen Paläontologen Mitte der 1990er Jahre. Sie entdeckten in der Provinz Liaoning den ersten befiederten Dinosaurier, Sinosauropteryx („Chinesische Echsenschwinge“). Unter dem Mikroskop entpuppten sich die dunklen Schattierungen um Arme und Schwanz als zarte, sehr einfach gebaute Urfedern. Sie waren von hellen, feinkörnigen Vulkanascheschichten für 125 Millionen Jahre konserviert worden. Solche rudimentären Filamente dienten dem auf dem Boden laufenden, reptilienhaften „Mini-T-Rex“ jedoch noch nicht zum Fliegen.

Der Fund des Sinosauropteryx bestätigte jedoch die Vermutung des US-Paläontologen John Ostrom. Ihm war die verblüffende Ähnlichkeit in der Anatomie von Vögeln und der sogenannter Theropoden, zu denen auch der T-Rex oder Velociraptoren gehören, aufgefallen, und so stellte er die These auf, die modernen Vögel könnten die Nachfahren der Urzeitechsen sein. Ostrom hatte in den 1970er Jahren kleine zweibeinige Fleischfresser wie den Deinonychus als agile Jäger mit Sozialleben rekonstruiert und damit die Dino-Forschung revolutioniert. Der langarmige Deinonychus wirkte in vielerlei Hinsicht so vogelartig, dass Ostrom auch schon der Gedanke an eine mögliche Befiederung gekommen war. Heute ist bekannt, dass der kleine Saurier tatsächlich ein naher Verwandter des Archaeopteryx war.

In den folgenden Jahren fand man in Liaoning viele weitere gefiederte Dinosaurier, die sich insgesamt 20 verschiedenen Arten zuordnen lassen – und mit ihnen Tausende versteinerte Federn. Die Körper dieser theropoden Dinosaurier waren von kurzen Konturfedern bedeckt, manche der Dinos trugen sogar einen extravaganten Kopfschmuck, an den langen Armen saßen Schwungfedern und das Hinterteil schmückte oft ein Schwanzfächer. Ein paar der vogelartigen Reptilien konnten damit schon flattern oder sogar in eine Art Gleitflug gehen. So wie der nur krähengroße Microraptor, welcher neben Schwungfedern an den langen Armen zusätzlich kürzere Flügel an den Hinterbeinen besaß. Den Beweis, dass an diesen einst ebenfalls Federn gesessen hatten, lieferte erneut Helmut Tischlingers UV-Licht-Fotografie: Der kleine Raptor hatte tatsächlich vier gefiederte Schwingen am Körper und glitt und flatterte damit vor 130 Millionen Jahren vermutlich zwischen den Bäumen umher. Ein weiterer aufschlussreicher Fund aus Liaoning ist der 80 Zentimeter kleine Caudipteryx. Dessen Konturfedern ebenfalls bereits so ausgeprägt waren, dass

manche Forscher den Theropoden fälschlicherweise für einen frühen, flugunfähigen Vertreter der Vögel hielten.

Wärmedämmung mit Flaumfedern

2010 erwartete die Paläontologen eine Überraschung in der feinen vulkanischen Asche nahe des Baikalsees in Sibirien: Neben den Knochen der neu entdeckten Dinosauriergattung Kulindadromeus fanden sie gut erhaltene Weichteilreste der Haut mit Schuppen und drei verschiedene Typen fadenförmiger Borsten. Neun Jahre später konnte ein Forscherteam diese feinen Filamente dann als Protofedern identifizieren – hohle, unverzweigte Keratinröhrchen, Vorstufen heutiger Vogelfedern.

Die damit ausgestatteten Dinos waren mit 168 Millionen Jahren nicht nur wesentlich älter, sondern stammten – neben den fleischfressenden Theropoden – aus der zweiten großen Entwicklungslinie der Dinosaurier. Verwandt mit anderen Pflanzenfressern wie Stegosaurus oder Triceratops gehörte die neu entdeckte Art zur Gruppe der Ornithischia. Das bedeutet, dass die ersten Federn lange vor den Vögeln existierten und sie unter den Dinosauriern schon verbreiteter waren, als ursprünglich angenommen.

Dass die Evolution der Federn jedoch nicht geradlinig verlief, beweisen mumifizierte Saurierhaut und Abdrücke. Das Federkleid hatte sich bei großen Raubsauriern wie dem T. rex – im Gegensatz zu den immer komplexer werdenden Federformen ihrer kleineren Vorfahren – zugunsten von Schuppen wieder zurückgebildet. Für den Federverlust reichte dabei die Unterdrückung einzelner Gene aus. Den Grund für die Rückbildung vermuten Forscher darin, dass gerade größere Arten keine Körperisolierung mehr brauchten. Denn ihre – in Relation zum Gewicht – kleinere Körperoberfläche hielt sie ausreichend warm.

Auch die mit den Dinosauriern nahe verwandten Flugsaurier (Pterosaurier) flogen gefiedert. Die Existenz ihrer wärmenden Körperbedeckung ist zwar schon länger bekannt, wurde aber lange nur als „Ptero-Fuzz” (Flugsaurier-Filz) aus einfachen Fasern beschrieben. 2018 gaben einige hervorragend erhaltene Flugsaurier aus China und Brasilien das flauschige Geheimnis schließlich preis:

: An Kopf, Körper und auf den Beinen saßen kurze hohle, haarartige Fäden. Hals, Beine und Schwanz trugen ähnliche Fädchen, die sich allerdings am Ende mehrfach verzweigten. Die flauschigen Büschel auf den Flügelmembranen erinnern an moderne Daunenfedern. Lange Borsten um das Maul herum ähneln denen der heutigen Ziegenmelker-Vögel, die sie für die nächtliche Insektenjagd nutzen. Anhand dieser Resultate lassen sich die gefiederten Reptilien um zwei weitere Gruppen erweitern und die Entstehung der Feder noch weiter zurückdatieren.

So führt die Suche nach dem Ursprung der Federfasern schließlich weiter zu den gemeinsamen Urahnen der Dino- und Pterosaurier: den Archosauriern. Sie waren gemeinsam mit den Synapsiden, den Vorfahren der Säugetiere, die Krisengewinner des größten Massensterbens der Erdgeschichte, der Perm-Trias-Katastrophe vor 252 Millionen Jahren.

Die uralten Gebeine beider Wirbeltiergattungen erzählen von einem Evolutionswettrennen um die Vorherrschaft: Beide Gruppen wurden durch eine zunehmende Aufrichtung der Körperhaltung schneller und wendiger, damit stieg ihr Energieverbrauch. Für den gleichbleibend höheren Energiebedarf entwickelten sie wahrscheinlich bereits eine einfache Form der Warmblütigkeit. Um die Körperwärme zu halten, entstand statt der Schuppen eine isolierende Körperbedeckung – ein fiedrig-fädiger Flaum. So rekonstruiert ein Team um den englischen Wirbeltierpaläontologen Michael Benton die frühe Entwicklung eines federnen Körperanhangs bei Archosauriern zumindest in der Theorie, denn Fossilfunde davon gibt es noch nicht.

Federn, Schuppen, Haare

Ergebnisse auf molekularer Ebene können die Hypothese hingegen stützen und helfen bei der Rekonstruktion der Entstehungsgeschichte. Haare, Schuppen und Federn gehen gleichermaßen aus spezialisierten Hautzellen, den Plakoden, hervor und haben in frühen Entwicklungsstadien einige Merkmale gemeinsam. Gesteuert von speziellen Genen wachsen sie dann allerdings auf unterschiedliche Weise weiter: Die wesentlich komplexer gebauten Federn beginnen als Ausstülpung der Haut. Von unten her bildet sich eine einfache Röhre spiralförmig zu kleinen Büscheln aus, später zu einer mehr oder weniger verzweigten, flächigen Feder, bis hin zu kompliziert aufgebauten Kontur- und Flugfedern.

Bei den meisten heutigen Reptilien hingegen sorgen besondere Gene dafür, dass diese Hautanhänge nicht röhrenförmig wachsen, sondern nur am hinteren Ende, und sich so zu flachen Schuppen ausbilden. Durch die Umschaltung eines einzigen genetischen Signals in den Plakoden könnten einem Lebewesen statt Schuppen also auch Federn wachsen. So hatte ein Forscherteam um Cheng-Ming Choung (University of Southern California) 2017 in einem Experiment nachgewiesen, dass mit einer kleinen Genmanipulation aus der Haut eines Alligator-Embryos Hühnerfedern sprießen können. Dies zeigt, kleine genetische Änderungen hatten auch damals bei den Dinos bewirkt, dass manche von ihnen mit Federn statt mit Schuppen ausgestattet waren.

Die Feder ist der komplexeste Hautanhang im Tierreich, komplexer als Haare, Horn oder Drüsen. Sie erfüllt viele Funktionen gleichzeitig: Kleine, flauschige Daunen mit kurzem Schaft und langen Strahlen halten den Körper warm. Werden sie nass, geht dieser Effekt verloren. Daher werden sie von den größeren, ineinander verzahnten und oft schmucken Konturfedern trocken gehalten. Einige spezialisierte Formen davon, wie die asymmetrischen Schwung- und Schwanzfedern, ermöglichten später als Zusatzfunktion den Flug.

Während den etwas größeren Raubdinos noch einfache Hohlröhren sprossen, erklärt Christian Foth, entwickelten sich vermutlich innerhalb der kleinen, flinken Coelurosaurier der Jurazeit durch die Kombination von Verzweigungen und Längenwachstum immer komplexere Federn. Die kleinen Fleischfresser wurden so immer vogelähnlicher und besaßen schließlich prachtvolle Körperbedeckungen aus sieben verschiedenen, hoch spezialisierten Federtypen – wahrscheinlich überwiegend zur Wärmedämmung und als Signalfunktion. Gerade die auffallenden Borsten-, Pinsel und Bandfedern dürften als Schmuck gedient haben, vermuten Paläontologen.

Die fusselige Körperbedeckung wärmte also nicht nur, sondern diente auch als buntes Schau-Organ. Schon in 160 Millionen Jahre alten Protofedern steckten Melanosomen, mikroskopisch kleine Strukturen mit rötlich-braunen, schwarzen oder bläulich-grünen Farbpigmenten – genau wie in heutigen Vogelfedern. Da diese dunklen Pigmente beim Versteinern sehr gut erhalten bleiben, lassen sich aus jüngeren Fossilien der Archaeopetryx-Zeit bereits kompliziertere Farbmuster rekonstruieren – sie dienten entweder zum Tarnen oder zum Auffallen.

Vögel und ihre Federn

Vögel, wie wir sie kennen, sind in ein flauschiges weißes Daunenkleid gehüllt, darüber liegen die weißen oder farbigen Konturfedern, bestehend aus Schaft, Spule und Fahne. In dieser Form tauchten Vögel vor über 90 Millionen Jahren zum ersten Mal auf. Die meisten von ihnen waren klein und leicht und nach wenigen Wochen oder Monaten bereits ausgewachsen – deutlich schneller als beispielsweise der Archaeopteryx mit über einem Jahr. Dank der vorteilhaften Kombination aus geringer Größe, einem Federkleid und ihrer bereits ausgeprägten Flugfähigkeit, überlebten die Vögel das Massensterben vor 65 Millionen Jahren und entwickelten sich dann innerhalb von 15 Jahrmillionen zu Tausenden verschiedenen Arten weiter. Nur wenige davon gaben das Fliegen wieder auf, wie der große, schwere Strauß, neuseeländische Kiwis oder die perfekt ans Wasser angepassten Pinguine. Heute besiedeln die Vögel alle Temperaturzonen der Erde – von den Tropen bis zur Antarktis – und haben für alle Witterungsverhältnisse das richtige Gefieder.

Einen Nachteil haben Federn allerdings: Sie brauchen tägliche Pflege. Gerade das Fliegen ist eine starke Belastung für die filigranen Keratingebilde und lässt sie schneller verschleißen. Darum wird das Federkleid mit der Mauser meist zweimal im Jahr schrittweise ersetzt.

Über die Mauser zu Urzeiten ist noch wenig bekannt, denn es gibt nur wenige fossile Nachweise dafür, und so ist eine Dino-Mauser erst einmal beschrieben worden. Eine weitere Ursache für die spärlichen Funde könnte die geringere Ausprägung der Mauser bei den Dinosauriern sein, da sie ihr Federkleid weniger beanspruchten, vermutet Christian Foth. Aber wie Vögel mussten die Saurier ihre Federn auch ohne Verschleißprobleme noch aus einem anderen Grund abwerfen und ersetzen: zur Entgiftung. Genau wie Haare sind auch Federn Ausscheidungsorgane, welche die durch überschüssige Eiweiße entstandenen schädlichen Schwefelverbindungen aus dem Körper aufnehmen und beim Ausfallen quasi entsorgen. Das elfte gefundene Archaeopteryx-Exemplar mit dem am schönsten erhaltenen Gefieder, schwärmt Christian Foth, zeige dafür tatsächlich schon deutliche Mauserspuren am Schwanz. Wie den modernen Vögeln gingen dem Urvogel die Schwanzfedern dabei offenbar auch nicht auf einen Schlag aus, sondern gestaffelt. Damit blieben Schutzfunktion und Flugfähigkeit jederzeit erhalten.

Trotz großer Lücken im Fossilbefund ist es den Wissenschaftlern anhand neuer Funde, moderner Analysemethoden sowie molekularer Ansätze in den letzten Jahren gelungen, die Federevolution weitgehend zu rekonstruieren. Auch die fünf Wachstumsstufen einer einzelnen modernen Feder – Röhrchen, Büschel, Daunen, größere verzahnte Federn und starke Konturfedern – geben Hinweise auf die verschiedenen Stadien in der Evolution und helfen, den Jahrmillionen dauernden Prozess besser zu veranschaulichen.

So lässt sich heute sagen, dass die Vögel eine Untergruppe der gefiederten Dinosaurier sind und die Vogelfedern deren Millionen Jahre altes Erbe, das schließlich seinen Weg in die Lüfte gefunden hat. Nur die Füße der Vögel blieben bis heute reptilienhaft nackt oder geschuppt und erinnern noch an die prähistorischen Vorfahren. Vielleicht tauchen irgendwann im sonnengelben Bernstein oder im flirrenden UV-Licht noch weitere fossile Hinweise auf, die die letzten Details über Federn oder den Federwechsel im Erdmittelalter verraten. Oder ein Stückchen Archosaurierhaut mit Fusseln. Forscher wie Helmut Tischlinger, Christian Foth und andere Experten warten schon darauf. //