Evolutionær gåde løst: Skæl, hår og fjer stammer fra én fælles forfader
En mutant-øgle uden skæl har vist sig at rumme en hidtil overset struktur i reptiler. Opdagelsen gør forskerne i stand til at løse en årtier gammel evolutionær gåde: Fjer, hår og skæl er variationer af samme grundlæggende opfindelse.
Reptiler pattedyr fugle fjer hår skæl samme fælles forfader DNA EDA

En 'nøgen' skægagame (Pogona vitticeps), som ledte forskerne frem til løsningen af en årtier gammel gåde om oprindelsen af hår, fjer og skæl. Forskerne har fundet, at et gen kaldet EDA er muteret, og derfor mangler skægagamen alle sine skæl. EDA-genet spiller den samme rolle for opbygningen af skæl, hår og fjer, og studiet viser, at hudstrukturen hos alle nulevende fugle, pattedyr og reptiler stammer fra en fælles forfader. (Foto: Michel C. Milinkovitch)

Skægagamer er populære kæle-øgler, fordi de er nemme at passe, rolige og kan tages op.

Der findes dog også en sjælden nøgen variant - uden skæl - som er mere krævende at passe og derfor ikke særligt populær.

Men da forskeren Michel Milinkovitch en dag fik øje på den hos en privat samler, blev han nysgerrig og fik lov at købe et par stykker. Han er professor ved Geneve Universitet i Schweiz og har specialiseret sig i at finde gener i andre dyr end de gængse laboratoriedyr, specielt i reptiler.

»Jeg tænkte, at det kunne være sjovt at undersøge, hvilket gen der gjorde, at de mistede deres skæl,« siger Michel Milinkovitch.

Det, han fandt, fik ham til at spærre øjnene op, for det var et gen, som knyttede et evolutionært bindeled mellem øglers skæl, fugles fjer og pattedyrs hår, og hvis eksistens har været diskuteret i årtier.

Nye analyser afgør årtiers debat

Sammen med kollegaen, Nicolas Di-Poï, ved Geneve Universitet og Helsinki Universitet i Finland præsenterer Milinkovitch nu en serie analyser, der viser, at pattedyr, fugle, krybdyr, krokodiller og slanger bruger præcis de samme anatomiske nøglestrukturer og præcis de samme gener under opbygningen af hhv. hår, fjer og skæl.

»Det betyder, at vi nu kan afgøre årtiers debat og sige, at fjer, skæl og hår er homologe strukturer, dvs., at den grundlæggende struktur er opstået én gang i en fælles en reptil-forfader til alle nulevende fugle, krybdyr og pattedyr,« siger Michel Milinkovitch.

LÆS OGSÅ: Derfor fik dinosaurerne fjer

Dermed viser han og kollegaerne, at to af de mest kendetegnende træk, vi kan se hos fugle og pattedyr - fjer og hår – ikke, som mange har ment, er to selvstændige opfindelser, men i virkeligheden er modifikationer over den samme oprindelige form - formentlig et primitivt skæl.

Studiet er netop offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Science Advances.

Reptiler pattedyr fugle fjer hår skæl samme fælles forfader DNA EDA

Tre skægagamer brugt i studiet - fra venstre til højre ses en normal skægagame, en heterozygot mutant, dvs. den har en normal og en muteret kopi af EDA-genet, og en homozygot mutant med to muterede kopier af EDA-genet. Med studiet kan forskerne afgøre årtiers debat og erklære, at fjer, skæl og hår er opstået én gang i en fælles en reptil-forfader til alle nulevende fugle, krybdyr og pattedyr(Foto: Michel C. Milinkovitch)

Er fjer og hår skælsættende opfindelser?

Innovation i naturen er et af de helt store emner i evolutionsbiologien, hvor man ved, at alt levende er videreudviklet fra en oprindelig ’bauplan’ (byggeplan, red.).

Så hvordan kan man karakterisere, hvad der er de store, skelsættende opfindelser, som har adskilt linjerne?

»En ægte innovation er noget, som aldrig før er set,« siger Michel Milinkovitch.

Fuglenes fjer har længe været anset for at være en af naturens mest fantastiske opfindelser, der som bekendt har tilladt en lille gruppe dinosaurer at lette fra jorden og indtage luftrummet.

LÆS OGSÅ: Dansk forsker: Nyt fund viser, at dinoerne glemte, hvordan man fløj

Hår har været anset for at være en anden vigtig opfindelse, som giver pattedyr isolering, signalering og kamuflage.

Men spørgsmålet om hår og fjers oprindelse har længe drillet videnskaben, og forskerne har været delt i to lejre:

  1. En gruppe, der mente, at de to strukturer har en fælles oprindelse
  2. En gruppe, der mente, at hår og fjer er to unikke opfindelser

Udviklingen af hår har været dårligt belyst

Man har de senere år fundet dinosaurer med flotte fjer, andre med primitive dun og atter andre med helt enkle, hårlignende tjavser, og i dag er de fleste enige om, at fjeren er udviklet fra et skæl.

Men udviklingen af håret er kun dårligt kendt, fordi hud meget sjældent bevares i fossiler.

Mange har derfor fremført håret som værende en anden historie. I stedet for at være udviklet fra et skæl kunne hår f.eks. være udviklet fra et følehår imellem skællene, og i takt med, at pattedyrene mistede skællene, har følehårene overtaget pladsen og gradvist udviklet en ny funktion som en isolerende pels.

Reptiler pattedyr fugle fjer hår skæl samme fælles forfader DNA EDA

Endnu et billedet af de tre skægagamer fra studiet. Den homozygote mutant t.h. mangler fuldstændig skæl, mens skællene er reducerede i den heterozygote mutant i midten. (Foto: Michel C. Milinkovitch)

Gammel gåde om celler har længe været uløst

Men helt centralt for den side af debatten, som ser hår og fjer som homologe (samme slags), er en lille anatomisk struktur kaldet en plakode. Det er en samling hudceller i embryonet (fosteret), hvorpå fugles fjer opbygges.

Og sandelig om ikke den samme struktur (plakoden) og de samme gener bruges af pattedyr til at opbygge hår.

Det gådefulde med plakoden er så, at alle nulevende krybdyr - firben, slanger, skildpadder og krokodiller - der så at sige ligger indimellem fugle og pattedyr i det store stamtræ, ikke har, den mens pattedyr og fugle har.

LÆS OGSÅ: Vi deler søvnmønster med reptiler og dinosaurer

Amnioter

Alle nulevende pattedyr, krybdyr og fugle tilhører gruppen kaldet amnioter, som er opkaldt én af de største opfindelser - den vandtætte æghinde ’amnion’. 

Amnion tillod vores forfædre at lægge æg på land for over 300 millioner år siden, uden at de udtørrede.

Det var en helt afgørende innovation på vej mod at indtage landjorden.

»Det er meget mærkeligt og der kun to mulige forklaringer - enten har pattedyr og fugle udviklet plakoden hver for sig, eller også har alle de forskellige nulevende linjer af reptiler mistet deres plakode parallelt,« siger Michel Milinkovitch.

Der har debatten så kørt frem og tilbage i årtier, indtil Milinkovitch' besøg hos den lokale samler viste en tredje mulighed.

Øgle, som ville være tudse, gav det afgørende spor

De nøgne skægagamer har overhovedet ingen skæl på kroppen og minder lidt om en tudse - nærmest som om de har skruet den evolutionære tid tilbage.

I først omgang tænkte Milinkovitch ikke på gåden om hårets oprindelse.

Det kom først, da han fik kortlagt genet bag de manglende skæl.

»Det viste sig at være et gen, som er supervigtigt for udviklingen af hår. Mus, der er muteret i det gen, mangler hår, svedkirtler, negle mm.« forklarer Milinkovitch.

Samme udviklingsgener i krybdyr som i fugle og pattedyr

Genet hedder EDA (ectodysplasin-A), og forskerne finder, at de nøgne skægaagamer mangler en vigtig bid af EDA-genet i både kopien fra deres mor og deres far.

Fra pattedyr og fugle ved man, at EDA spiller en rolle i selve dannelsen af plakoden, og nu var forskernes nysgerrighed vakt.

Med nye histologiske metoder til at farve væv og molekyler, som er karakteristiske for plakoden, undersøgte de embryoner fra krokodiller, slanger og øgler nærmere.

Overraskende fandt de ikke bare den anatomiske struktur - plakoden - i både slanger, krokodiller og øgler. De fandt også, at den udtrykker præcis de samme udviklingsgener (WNT, β-catenin, EDAR, BMP og SHH), som man kender det fra fugle og pattedyr.

Faktisk er plakoden så ens, at hvis man kun kigger på den i et bestemt trin, er det umuligt at se, om det er en plakode fra et pattedyr, en fugl eller et reptil.

LÆS OGSÅ: Førende forskere: Vrøvl, selvfølgelig kender vi farven på dinoer

Svær at finde – opstår kortvarigt

Forskerne gætter på, at plakoden er blevet overset, fordi den kun opstår kortvarigt og ikke som f.eks. i mus over hele embryonets krop samtidig, men derimod træder frem forskellige steder på kroppen og på forskellige tidspunkter.

Hvis man ikke kigger på det rigtige sted og på det rigtige tidspunkt, ser man derfor enten ingenting eller et allerede formet skæl.

Reptiler pattedyr fugle fjer hår skæl samme fælles forfader DNA EDA

Embryoner med farvede mørkeblå strukturer kaldet plakoder. Det er små ringe af hudceller, hvorfra hår og fjer udvikles. Nu viser forskerne for første gang, at også slanger, øgler og krokodiller har plakoder, og at de opbygger skæl fra præcis samme cellegrundlag og gener som hår og fjer. Fra venstre mod højre ses museansigt, slangekrop, fugleryg og krokodille. (Foto: UNIGE 2016 (Tzika, Di-Poï, Milinkovitch))

Dansk forsker er imponeret

De nye indsigter møder rosende ord fra professor i dyrefysiologi, Tobias Wang, ved Aarhus Universitet.

»Det er spændende og flot udført, at de både har den genetiske og histologiske side med,« siger Tobias Wang, som ikke har deltaget i studiet.

»Det er ikke mindst imponerende, at de finder en struktur, der hidtil er blevet overset, det sker virkeligt sjældent,« tilføjer han.

Fjer og hår er ikke de store opfindelser

»Med det her fund bliver det umuligt at afvise den simpleste forklaring om at nulevende pattedyr, fugle og reptiler alle har arvet den samme hudstruktur fra deres fælles forfader,« siger Michel Milinkovitch.

»Så hvad er innovationen? Det er plakoden, og ingen andre dyr har den. Fjer og hår er ikke de store opfindelser, som folk har troet, men nu ved vi, at de er senere modifikationer af den oprindelige form.«

LÆS OGSÅ: Sådan fik vi vores tænder og knogler

Kan have styrket huden og gjort den vandtæt

Det gode spørgsmål bliver så, hvornår plakoden faktisk opstod, og hvilket formål den oprindeligt tjente.

Her er forskerne nødt til at gætte, fordi der simpelthen ikke er fossiler af bevaret hud, som evt. kan give svaret.

»Vi ved ikke, om den fælles forfader dannede primitive skæl fra plakoden, men det gætter vi på, og jeg tror, at det har styrket huden og hjulpet med at gøre den vandtæt,« siger Milinkovitch og peger på, at amnioterne skulle have en stærkere hud for at modstå hårdere slid på landjorden og samtidig undgå at tørre ud.

»Navnet 'amniot' overser faktisk, at det var mindst ligeså vigtigt med opfindelsen af en stærk, vandtæt hud, der beskytter kroppen imod at tørre ud, (som det var med opfindelsen af den vandtætte æghinde, red.)« siger Tobias Wang.

Uden plakoden må man blive i vandet

Problemet med en manglende plakode ses i nutidens padder som frøer og tudser, der har hudåndedræt - dvs., de kan trække vejret gennem huden - og ikke har den vandtætte æghinde, hvorfor de er tvunget til at holde sig til vandet.

Reptiler pattedyr fugle fjer hår skæl samme fælles forfader DNA EDA

Her ses et fossil af Anchiornis huxlei med store fjer på fødder og tæer. Fossilet kan sammen med det nye studie pege på, at flyvning udvikledes fra svævende firevingede små dinosaurer. (Foto: Jakob Vinther)

Men med reptilernes tætte hud pansret med små skæl har amnioternes forfader formentligt opbygget et stærkt ydre, der sammen med æghinden tillod dem at forlade vandet.

»Det giver god mening med ideen om skæl, fordi det har været en smart måde at få en beskyttelse og samtidig bevare en fleksibel bøjelig hud,« siger palæontologen Jakob Vinther ved Bristol University.

I det nye studie finder forskerne desuden, at skællene på fugles fødder ikke som tidligere anset er et levn fra deres dinosaurforfædre, men derimod en ny tilpasning, der kun findes i fugle.

»Det er interessant med de skællede fuglefødder. Deres resultater støtter bl.a. fossil evidens om, at dinosaurer var mere fjerklædte end deres nutidige efterkommere‚« siger Jakob Vinther.

LÆS OGSÅ: Sex gav fugle luft under vingerne

Resultatet åbner muligheden for nye studier

Forskerne tror ikke, at de tidlige amnioter har haft hår eller fjer af hensyn til isolation, da dette først bliver aktuelt senere med aktive, varmblodede dyr, men det kan ikke udelukkes, at amnioternes forfædre har haft små, spredte tjavser.

Præcis hvordan cellerne i plakoden opbygger de forskellige former af skæl, hår og fjer bliver det næste forskerne vil se på.

Med en klar afgørelse af debatten kan forskerne nu opklare de finere cellulære og molekylære mekanismer ved at sammenligne på tværs af pattedyr, reptiler og fugle.

»Nu kan vi fokusere på hvordan fjer, hår og skæl dannes fra den fælles struktur, og ingen vil sige, at det er en meningsløs sammenligning,« siger Michel Milinkovitch.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.