Ein Wunder der Evolution: Wie die Natur die Feder erfand

Die meisten von uns werden die größten Wunder der Natur nie direkt selber zu sehen bekommen – weder das basketballgroße und doch so menschliche Auge eines Riesenkraken noch den einhornähnlichen Stoßzahn des Narwals. Ein Phänomen der Evolution aber können wir alle täglich anschauen: die Nachkommen der Dinosaurier, die ihre Federn nutzen, um damit zu fliegen.

Galerie: Regenbogenpracht: Die Federkleider der Vögel

Vögel leben überall auf der Erde, und deshalb macht sich kaum jemand Gedanken über ihre Abstammung von den Dinosauriern. Auch nicht über die außergewöhnliche Konstruktion des Gefieders, mit dem sie sich in der Luft halten. Die Schwungfedern der Flügel zum Beispiel sind asymmetrisch geformt: die Vorderkante schmal und steif, damit sie der anströmenden Luft standhalten, die Hinterkante breit und biegsam. Um Auftrieb zu erzeugen, verdreht ein Vogel nur die Flügel etwas, um den Luftstrom ober- und unterseits zu verändern.

Flugzeugtragflächen werden längst nach ähnlichen aerodynamischen Prinzipien gebaut. Aber ein Vogelflügel ist ungleich genialer als jede Konstruktion aus Blech und Nieten. Von dem Schaft in der Mitte der Feder zweigt eine Reihe schlanker Federäste ab (die Rami). Aus denen wiederum entspringen wie die Zweige aus einem Ast die noch kleineren Federstrahlen (die Radii), die mit winzigen Haken besetzt sind. Die Haken benachbarter Strahlen greifen ineinander und schaffen so ein Geflecht, das leicht und gleichzeitig erstaunlich stabil ist. Wenn ein Vogel ­seine Federn putzt, trennen sich die Federstrahlen beinahe ohne Widerstand, um sich anschließend wieder fest zu verbinden.

Wie dieser Mechanismus entstehen konnte, darüber zerbrechen sich Evolutionsforscher seit langem die Köpfe. Genauer gesagt: seit 1861. Zwei Jahre nachdem Charles Darwin seine Gedanken zur Entstehung der Arten veröffentlicht hatte, fanden Arbeiter in einem Kalksteinbruch bei Solnhofen in Bayern die versteinerten Überreste eines etwa rabengroßen Vogels, der vor 150 Millionen Jahren gelebt hatte. Er wurde unter dem Namen Archaeopteryx weltberühmt.

Dieser Urvogel hatte Federn, zeigte aber auch Merkmale seiner Reptilienverwandtschaft: Zähne im Schnabel, Klauen an den Flügeln und einen knochigen Schwanz. Der Archaeopteryx schien aus einer Ära zu stammen, in der das Leben gerade eine dramatische entwicklungsgeschichtliche Wandlung durchmachte. «Ein absoluter Glücksfall für mich», jubelte Darwin.

Galerie: Neuer vogelartiger Dinosaurier hatte moderne Federn

Das Glück wäre vollkommen gewesen, wenn Paläontologen zusätzlich ein noch älteres Lebewesen mit primitiveren ­Federn gefunden hätten. Danach sollten sie während der folgenden 150 Jahre vergebens suchen. Inzwischen nahmen andere Biologen die Schuppen heutiger Reptilien unter die Lupe. Weil die Echsen die nächsten Verwandten der Vögel sind, versuchten die Forscher, Federn von den Schuppen abzuleiten. Sie folgten dem naheliegenden Gedanken, dass ja Schuppen wie auch ­Federn flach sind. Könnte es nicht sein, dass die Schuppen der Vogelvorfahren von Generation zu Generation länger geworden waren? Später wären die Kanten vielleicht „ausgefranst“, bis sie sich schließlich gespalten und in die ersten echten Federn verwandelt hätten.

So eine Wandlung erschien auch als Anpassung ans Fliegen plausibel. Die Vorfahren der Vögel waren demnach kleine, geschuppte, vierbeinige Reptilien, die in den Baumkronen lebten und von Wipfel zu Wipfel hüpften. Mit der Zeit bremsten länger werdende Schuppen die Fallgeschwindigkeit, so dass die Vogelahnen immer weiter durch die Luft gleiten konnten. Erst später entwickelten sich die Vorderbeine zu Flügeln, die Gleitflieger zu aktiven Flugtieren. Von Schuppen zu Federn zum Fliegen, das war, kurz gesagt, die lange anerkannte These.

Doch vor nun etwa 40 Jahren fielen dem Paläontologen John Ostrom von der Yale-Universität einige verblüffende Ähnlichkeiten zwischen dem Skelett der Vögel und der Theropoden auf. Das waren landlebende Dinosaurier, zu denen allgemein bekannte Monster wie Tyrannosaurus rex und Velociraptor gehörten. Ostrom stellte fest: Die Vögel sind zweifelsfrei die modernen Nachkommen der Theropoden. Allerdings hatten viele der damals bekannten Theropoden dicke Beine, kurze Arme und einen kräftigen, langen Schwanz – das passte eigentlich gar nicht zu Wesen, die von Bäumen ­herabhüpfen.

Im Jahr 1996 lieferten dann chinesische Paläontologen einen neuen Beleg für Ostroms Hypothese: Sie fanden das Fossil eines kleinen, 125 Millionen Jahre alten Theropoden mit kurzen Armen. ­Sinosauropteryx, wie sie ihn nannten, bedeutete das Ende einer langen Suche: Rücken und Schwanz des Fossils waren von einer Schicht aus dünnen Filamenten bedeckt. Da waren sie endlich, die Spuren echter Urfedern, entdeckt allerdings auf einem am Boden laufenden Theropoden. Mit der Entstehung der Flugfähigkeit schienen sie nichts zu tun zu haben.

In den folgenden Jahren fand man Hunderte von gefiederten Theropoden verschiedener Arten. Mit so vielen Fossilien ließ sich die Ent­stehungsgeschichte der Feder endlich genauer nachzeichnen. Am Anfang standen einfache Filamente. Später entwickelten sich in den verschiedenen Abstammungs­linien der Theropoden unterschiedliche Federtypen. Manche ähnelten dem Flaum heutiger Vögel, manche hatten symmetrisch angeord­nete Federstrahlen. Andere Theropoden waren mit langen, steifen Federstreifen oder breiten Filamenten ausgestattet, die keine Ähnlichkeit mit dem Gefieder hatten, wie wir es heute sehen.

Wenn aber die langen, hohlen Filamente der Dinosaurier frühe Federn waren, wie hatten sie sich denn aus flachen Schuppen entwickeln können? Eine Antwort darauf finden die Forscher bei heute noch lebenden Theropoden mit haarförmigen Federn: bei Jungvögeln. Bei allen Küken sind die Federn anfangs Borsten, die aus der Haut herauswachsen. Erst später spalten sie sich und nehmen eine kompliziertere Form an. Im Vogelembryo gehen die Borsten aus den sogenannten Placoden hervor, Gruppen von spe­zialisierten Hautzellen. Auf der Oberseite einer Placode bildet ein Ring schnell wachsender Zellen eine zylinderförmige Wand, aus der dann die hohle Borste wird.

Auch bei Reptilien gibt es Placoden. In deren Embryonen werden jedoch besondere Gene eingeschaltet, die dafür sorgen, dass die Hautzellen nicht als Röhre, sondern nur am hinteren Ende wachsen: Es entstehen flache Schuppen. Die Evolutionsbiologen Richard Prum von der Yale-Universität und Alan Brush von der Universität von Connecticut kamen dann darauf, dass der Übergang von Schuppen zu Federn durch die Umschaltung eines einzigen genetischen Signals in den Placoden eingeleitet wurde. Sie bewirkte, dass die Zellen nicht mehr flach aus der Haut, sondern senkrecht wuchsen. Auf der Grundlage der ersten Filamente waren dann nur noch ­kleine Abwandlungen erforderlich, um immer kompliziertere Federn entstehen zu lassen.

Alle Fragen geklärt? Schön wär’s. Aber vor zwei Jahren gaben chinesische Wissenschaftler die Entdeckung von Tianyulong bekannt. Dieser Saurier hatte Borsten auf dem Rücken, gehört aber zur Abstammungslinie der Ornithischia, einer eigenen Gruppe von Dinosauriern, die mit den Theropoden nichts gemein hat – außer einem noch viel älteren gemeinsamen Vorfahren. Hatte also vielleicht schon der Urahn aller Dinosaurier haarförmige Federn? Einen Beleg dafür hielte man in Händen, wenn sich herausstellte, dass es sich bei eigenartigen „Fusseln“ auf manchen fossilen Pterosauriern ebenfalls um Federn handeln würde. Ptero­saurier waren riesige flugfähige Reptilien, die schon sehr früh vom Stammbaum der Dino­saurier abzweigten. Zum Fliegen hätten sie jedenfalls keine Federn gebraucht, denn sie segelten auf ausgespannten Flughäuten.

Aber wenn nicht der Flug der Grund für die Entwicklung der Federn war, welchen Vorteil verschafften sie dann ihren Trägern? Manche Paläontologen vermuten, sie könnten anfangs zum Wärmen gedient haben. Neuerdings scheint sich eine andere Überlegung durchzusetzen: ­Federn haben sich gebildet, um damit Eindruck zu machen.

Die Federn heutiger Vögel zeigen eine große Vielfalt an Formen und Farben, mit schimmerndem Glanz, bunten Streifen oder Augenflecken. Ein Pfauenhahn entfaltet seinen prächtigen ­Federfächer, um den Hennen zu imponieren und Konkurrenten auszustechen. Eine Ent­deckung aus dem Jahr 2009 stützt nun die Vorstellung, schon bei den Theropoden könnten sich Federn als Schauorgane entwickelt haben.

Innerhalb der Federn waren nämlich sogenannte Melanosomen gefunden worden. Das sind mikroskopisch kleine Hohlräume, gefüllt mit Pigmenten. Sie entsprechen genau den Strukturen in den Federn heutiger Vögel. Die fossilen Melanosomen sind so gut erhalten, dass man sogar die Farbe der Dinosaurierfedern ­rekonstruieren kann. Der Schwanz von Sino­sauropteryx zum Beispiel war wohl rötlich mit weißen Streifen – ein auffälliges Signal, wenn die Männchen um die Weibchen warben. Vielleicht nutzten aber auch beide Geschlechter ihre Streifen ähnlich wie heute die Zebras: als individuelles Erkennungsmerkmal oder um Feinde zwischen Laub und Gras zu verwirren.

Welchen Zweck die Federn ursprünglich auch hatten, es gab sie vermutlich schon Jahrmillionen bevor eine Abstammungslinie der Dino­saurier sie erstmals zum Fliegen benutzte. Wie es dazu gekommen ist, das untersuchen die ­Paläontologen derzeit vor allem an Anchiornis, einem erst kürzlich entdeckten, 150 Millionen Jahre alten Wunderwesen. Es war so groß wie ein Huhn, seine Armfedern waren schwarz und weiß gestreift, auf dem Kopf trug es einen roten Kamm. Die Daunen von Anchiornis waren fast so gebaut wie Schwungfedern, nur nicht asymmetrisch, sondern symmetrisch. Auch hatten sie nicht die steife Vorderkante der Flugfedern.

Was den Daunen aber an Festigkeit fehlte, das machten sie durch ihre Zahl wieder wett. An­chiornis hatte ein üppiges Gefieder. Die Federn wuchsen auf den Armen, den Beinen und sogar den Zehen. Das machte gewiss Eindruck. Aber wie der lange, schwere Schwanz für Pfauen­hähne eine Belastung ist, so dürften die auffälligen Federn auch Anchiornis behindert haben.

Wie der hühnerartige Saurier damit fertig wurde, dafür fand Corwin Sullivan eine Erklärung. Der Biologe forscht am Institut für Wirbeltierpaläontologie der Universität Peking. Bei den Theropoden war ein bestimmter Handwurzelknochen so geformt, dass sie die Hand – die Flügelspitze – anwinkeln und seitlich an den Körper legen konnten. So hob wohl auch An­chiornis die Flügelfedern beim Gehen vom Boden hoch. Einen ähnlichen Knochen nutzen die Vögel heute, wenn sie die Flügel beim Aufwärtsschlag an den Körper ziehen. Evolutionsbio­logen nennen so ein Merkmal Exaptation: Ein alter Körperteil erhält eine neue Aufgabe.

Doch wie sich der aktive Flug über Jahrmillionen im Detail entwickelte, ist eine Frage, über die bis heute diskutiert wird. Vom Erdboden aufwärts, indem die gefiederten Saurier mit den Vorderarmen flatterten und allmählich abhoben? Oder als Fortentwicklung des Gleitflugs von Bäumen herab? Warum nicht beides?, fragt Ken Dial, der in Missoula an der Universität von Montana den Vogelflug erforscht.

Sein Hauptargument lautet: In einer zwei­dimensionalen Welt hätte sich das Fliegen nie entwickelt. Es war nötig, um sich in der dritten Dimension Überlebensvorteile zu verschaffen. Dial wies darauf hin, dass heute noch Jungvögel vieler Arten mit ihren Flügelstummeln schlagen, um Vortrieb zu erzeugen, wenn sie auf der Flucht vor Feinden schräge Baumstämme oder steile Klippen hinauflaufen. Das Flattern hilft ihnen auch bei der sicheren Rückkehr zum Boden. Erst wenn der Vogel älter wird, wird aus dem kon­trollierten Fall ein aktives Fliegen. Vielleicht, so überlegt Dial, können wir heute noch an der Entwicklung eines Jungvogels alle Sta­dien der Evolution des Fliegens verfolgen.

(NG, Heft 02 / 2011, Seite(n) 92)