Bhart-Anjan Bhullar
De schedel van een kippenembryo dat klaar is om uit te komen, heeft gewoonlijk een snavel (links), maar wanneer bepaalde eiwitten worden geblokkeerd (midden) ontwikkelt zich uit twee botten een reptielachtige ‘snuit’, een beetje zoals een hedendaagse alligator (rechts).
Biologen hebben kippenembryo’s gecreëerd met dinosaurusachtige gezichten door te sleutelen aan de moleculen die de snavels van de vogels bouwen.
Het onderzoek, waarvan de details vandaag zijn gepubliceerd in Evolution1, is niet bedoeld om kuddes hybride ‘dino-kippen’ te ontwikkelen of om dinosaurussen te laten herrijzen, zegt Bhart-Anjan Bhullar, een paleontoloog die nu aan de Universiteit van Chicago in Illinois werkt en die het werk mede heeft geleid. “We gaan nooit terug naar de echte dino-kip of wat het ook is.” In plaats daarvan, zegt hij, wil het team bepalen hoe snuiten in snavels kunnen zijn veranderd toen dinosaurussen meer dan 150 miljoen jaar geleden evolueerden tot vogels.
De overgang van dinosaurus naar vogel was rommelig – geen specifieke anatomische kenmerken onderscheidden de eerste vogels van hun vleesetende dinosaurusvoorouders. Maar in de vroege stadia van de vogelevolutie werden de twee botjes die de snuit vormden bij dinosauriërs en reptielen – de premaxilla genoemd – langer en voegden zich samen om te produceren wat nu de snavel is. “In plaats van twee kleine botjes aan de zijkanten van de snuit, zoals bij alle andere gewervelde dieren, werd het samengesmolten tot een enkele structuur,” zegt Bhullar.
Gezichtsreconstructie
Om beter te begrijpen hoe deze botten kunnen zijn vergroeid, analyseerde een team onder leiding van Bhullar en Arhat Abzhanov, een evolutiebioloog aan de Harvard University in Cambridge, Massachusetts, de embryonale ontwikkeling van snavels bij kippen en emoes, en van snuiten bij alligators, hagedissen en schildpadden. Zij redeneerden dat reptielen- en dinosaurussnuiten zich op vergelijkbare wijze ontwikkelen vanuit de premaxilla, en dat de ontwikkelingspaden die de snuit vormen in de loop van de vogelevolutie werden gewijzigd.
Het team ontdekte dat twee eiwitten waarvan bekend is dat zij de ontwikkeling van het gezicht orkestreren, FGF en Wnt, verschillend tot expressie kwamen in vogel- en reptielembryo’s. Bij reptielen waren de proteïnen actief in twee kleine gebieden in het deel van het embryo dat in het gezicht verandert. Bij vogels daarentegen kwamen beide eiwitten tot expressie in een grote band over dezelfde regio in het embryo. Bhullar ziet het resultaat als een voorlopig bewijs dat veranderde FGF en Wnt activiteit heeft bijgedragen aan de evolutie van de snavel.
Om dit idee te testen, voegde het team biochemicaliën toe om de activiteit van beide eiwitten te blokkeren in tientallen ontwikkelende kippeneieren. De onderzoekers hebben de eieren niet daadwerkelijk uitgebroed, zegt Bhullar, omdat ze die stap niet in hun goedgekeurde onderzoeksprotocol hadden opgenomen. In plaats daarvan zagen ze verschillen in de gezichten van kuikens die klaar waren om uit het ei te komen, die er subtiel anders uitzagen dan kuikens waarvan de eiwitten niet waren geblokkeerd. De veranderde kuikens hadden nog steeds een huidflap over hun snavels, dus het verschil is niet duidelijk, zegt Bhullar. “Als je deze dieren van buiten bekijkt, zou je nog steeds denken dat het een snavel is. Maar als je het skelet zou zien, zou je gewoon erg in de war raken,” zegt hij. “Ik zou niet zeggen dat we vogels een snuit hebben gegeven.”
In sommige embryo’s waren de premaxillae gedeeltelijk versmolten, terwijl in andere de twee botten afzonderlijk waren en veel korter; sommige van de veranderde embryo’s zagen er niet zo anders uit dan die van gewone kippen. Het team maakte digitale modellen van hun schedels met een computertomografie-scanner en ontdekte dat sommige van deze meer leken op de botten van vroege vogels zoals Archaeopteryx en dinosauriërs zoals Velociraptor, dan op die van niet-gemodificeerde kippen.
“Erg cool,” zegt Clifford Tabin, een ontwikkelingsbioloog aan de Harvard Medical School in Boston, Massachusetts. Hij denkt dat Bhullar’s team een sterke aanwijzing heeft dat een veranderde expressie van FGF en Wnt de snavel van de vogel heeft gevormd. Het identificeren van de genetische veranderingen die verantwoordelijk zijn, zal echter veel moeilijker blijken. Zij zouden kunnen liggen in de genen die coderen voor FGF en Wnt, of in genen in verwante biochemische routes, of in ‘regulerend’ DNA dat de genexpressie beïnvloedt. Als deze veranderingen kunnen worden geïdentificeerd, zou het misschien mogelijk zijn het genoom van kippen te modificeren om ze erin op te nemen (en omgekeerd reptielen meer op vogels te laten lijken door het genoom te bewerken).
Jack Horner, paleontoloog aan de Montana State University in Bozeman, hoopt een genetische benadering te kunnen volgen om kippen te voorzien van dinosaurusachtige staarten. In een vorig jaar gepubliceerd artikel2 heeft zijn team mutaties geïdentificeerd die mogelijk betrokken zijn bij het verdwijnen van de staart bij moderne vogels. Maar het toepassen van deze inzichten op het ontwikkelen van ‘dino-kippen’ is moeilijk gebleken, zegt hij. “We hebben wat meer problemen met de staart. Er zijn zoveel onderdelen.” Andere anatomische kenmerken zouden veranderd kunnen worden door te sleutelen aan ontwikkelingseiwitten, voegt Horner toe. “Het geeft ons veel mogelijkheden om na te denken over het maken van nieuwe soorten dieren.”
Bhullar zegt dat hij de visie van Horner bewondert, maar dat hij meer geïnteresseerd is in het naspelen van de evolutie om te onthullen hoe deze nieuwe vormen creëert. Zijn lab is van plan om de uitbreiding van de zoogdierschedel en de ongewone onderste ledematen van krokodillen te bestuderen door oude anatomie te laten herleven. “Ik denk dat het een zo groot mogelijk venster zal openen op het diepe verleden zonder een tijdmachine te hebben,” zegt hij.