Quando gli uccelli perdono la capacità di volare, i loro corpi cambiano più velocemente delle loro piume

Tutti gli uccelli senza volo vivi oggi si sono evoluti dagli antenati che potevano volare e in seguito hanno perso quell’abilità. “Passare da qualcosa che non può volare al volo è piuttosto la sfida ingegneristica, ma passare da qualcosa che può volare a non volare è piuttosto facile”, afferma Evan Saitta, un ricercatore associato al Field Museum di Chicago e autore principale del giornale.

In generale, ci sono due motivi comuni per cui gli uccelli evolvono la mancanza di fuga. Quando gli uccelli atterrano su un’isola dove non ci sono predatori (compresi i mammiferi) che li cacciano o ruberebbero le loro uova, a volte si sistemano lì e si adattano gradualmente a vivere a terra. Dal momento che non sperimentano una pressione evolutiva per rimanere in forma volante, perdono gradualmente alcune delle caratteristiche dei loro scheletri e delle piume che li aiutano a volare. Nel frattempo, alcuni corpi degli uccelli cambiano quando evolvono stili di vita semi-aquatici. I pinguini, ad esempio, non possono volare, ma nuotano in un modo simile a “volare sott’acqua”. Le loro piume e scheletri sono cambiati di conseguenza.

Saitta è un paleontologo che spesso studia dinosauri non aviari (i rami dell’albero genealogico di dinosauri che non includono uccelli moderni). Tuttavia, quando arrivò al Museo del Field per una compagnia post -dottorato, fu colpito dalle collezioni del campo di oltre mezzo milione di uccelli.

“All’improvviso ho avuto accesso a tutti questi uccelli moderni e mi ha fatto meravigliare, ‘Cosa succede quando un uccello perde la capacità di volare?'” Dice Saitta. “E poiché non sono un ornitologo, sono entrato e ho misurato quante più caratteristiche possibile.

Saitta ha esaminato le pelli conservate di trenta specie di uccelli senza volo e i loro parenti voli più vicini e ha misurato una varietà di piume degli uccelli, comprese le microscopiche strutture di ramificazione che compongono il piumaggio di piume. Ha anche esaminato esemplari di altre specie più correlate per rappresentare più alberi genealogici per uccelli.

Ricerche precedenti hanno rivelato quanto tempo fa diverse specie di uccelli senza volo si sono ramificati dai loro parenti volanti. Gli antenati degli struzzi, ad esempio, hanno perso la capacità di volare molto più tempo fa degli antenati di un’anatra sudamericana senza volo chiamata piroscafo fuegiano. Saitta ha scoperto che le piume di queste specie sono molto diverse. “Gli struzzi sono stati senza voli per così tanto tempo che le loro piume non sono più ottimizzate per essere aerodinamiche”, afferma Saitta. Di conseguenza, le loro piume sono diventate così lunghe e arruffate che a volte sono usate in duster di piume e boa. Ma anche se gli streamer fuegiani non possono più volare, hanno perso questa abilità relativamente di recente e le loro piume rimangono simili a quelle dei loro cugini volanti.

Saitta afferma di essere stato sorpreso da quanto tempo sembrava prendere gli uccelli senza volo per perdere le caratteristiche della piuma che li avrebbero aiutati a volare. Non sembrava avere senso il motivo per cui una specie senza volo avrebbe “sprecato” l’energia che coltivava un mucchio di piume ottimizzate per un’attività che non ha più fatto, o perché le piume non erano più necessarie per il volo non sarebbero state liberate per evolversi in un’ampia varietà di forme. Tuttavia, afferma Saitta, il suo consulente post -dottorato, il Field Museum Research Associate ed ex curatore di campo Peter Makovicky (ora all’Università del Minnesota del Minnesota), aveva un’altra prospettiva.

“Pete ha sottolineato che quando cerca di capire perché un uccello moderno sembra così, non puoi semplicemente pensare alla selezione naturale o al rilassamento. Devi anche considerare i vincoli di sviluppo”, afferma Saitta. “Le piume sono strutture complesse che hanno una sequenza di sviluppo davvero ben definita che è difficile da cambiare. E quando gli uccelli perdono il volo, quelle caratteristiche di piuma scompaiono nell’ordine opposto che si sono evoluti per la prima volta.”

Quando gli embrioni di uccelli sviluppano piume, quelle piume aumentano di complessità nello stesso ordine generale in cui quelle piume sono evolute per la prima volta nei dinosauri. Dopo aver perso la capacità di volare, gli uccelli perdono quelle caratteristiche di piuma nell’ordine opposto che si sono evoluti per la prima volta. È come rimodellare una casa: è più veloce e più facile cambiare elementi che sono andati per ultimi, come lo sfondo, che è quello di abbattere un muro con carico e ricostruirlo in qualcosa di nuovo.

Alcuni adattamenti di piume più recentemente evoluti, come l’asimmetria nelle piume di volo che consentono agli uccelli di volare, sono più facili da cambiare e quindi scompaiono relativamente rapidamente una volta che gli uccelli non hanno più bisogno di volare. Ma nel complesso, la struttura di piuma di base è come quelle pareti portanti. Ci vuole molto tempo evolutivo per lo sviluppo di una piuma standard di trasformarsi in qualcosa come una piuma di struzzo di pennacchio.

Saitta e i suoi colleghi hanno anche scoperto che alcune caratteristiche più grandi sono cambiate relativamente rapidamente una volta che un lignaggio ha perso la capacità di volare. “Le prime cose a cambiare quando gli uccelli perdono il volo, forse anche prima che le piume di volo diventi simmetriche, sono la proporzione delle loro ali e delle loro code. Pertanto vediamo cambiamenti scheletrici e anche un cambiamento nella massa corporea complessiva”, afferma.

Il motivo alla base di questo, afferma Saitta, potrebbe essere i “costi” comparativi per far crescere queste caratteristiche. Quando gli animali si sviluppano, ci vuole molta più energia per coltivare ossa di quanto non faccia per coltivare piume – quindi l’evoluzione “dà la priorità” a cambiare lo scheletro prima della maggior parte delle piume.

“Diciamo che una specie di uccelli atterra su un’isola dove sono in grado di vivere in sicurezza per terra e non hanno più bisogno di volare. Le prime cose ad andare saranno queste ossa e muscoli grandi e costosi, ma le piume sono economiche, quindi c’è una selezione meno attiva per cambiarle”, afferma Saitta. È come se se avessi pagato automaticamente il tuo affitto mensile da $ 1.500 in un vecchio appartamento in cui non vivi più, che avrebbe un effetto maggiore sul tuo conto bancario che dimenticare di annullare un abbonamento da $ 5 al mese. Per gli uccelli senza volo, mantenere uno scheletro per il volo è un costo inutile più grande rispetto a alcune delle loro vecchie piume inalterate.

Le intuizioni di questa ricerca potrebbero aiutare gli scienziati che cercano di determinare se un uccello fossile o un dinosauro piumato che non fa parte della famiglia degli uccelli, è stato in grado di volare. “Il volo non si è evoluto durante la notte e il volo, o almeno lo scivola, è stato probabilmente perso molte volte in specie estinte, proprio come nei lignaggi degli uccelli sopravvissuti. Il nostro documento aiuta a mostrare l’ordine in cui i corpi degli uccelli riflettono quei cambiamenti”, afferma Saitta. “A meno che tu non abbia un fossile i cui antenati, anche fossili più anziani, sono stati senza voli per molto tempo, potresti non vedere troppi cambiamenti nelle loro piume. Potresti prima voler cercare cambiamenti nella massa corporea, la lunghezza relativa delle ali. Questi cambiano prima e quindi puoi vedere i cambiamenti nella simmetria delle piume.”

La ricerca di Saitta conferma studi precedenti che hanno dimostrato che le piume di volo di un uccello diventano più simmetriche dopo la perdita di volo. “La buona notizia è che, poiché sono arrivato a questa domanda da una prospettiva diversa, abbiamo ottenuto risultati che sono molto coerenti con molte delle ricerche precedenti, ma penso che forse un po ‘più ampio che se avessi affrontato la domanda con un focus più specifico”, afferma Saitta.