Die Feder – ein Wunder der Natur

Veröffentlicht am 14. November 2014

Nur wenige unter uns haben Gelegenheit, die grossen Wunder der Natur mit eigenen Augen erleben zu können. Niemals werden wir zum Beispiel einen Blick ins Auge eines jener gigantischen Tintenfische tun können, so gross wie ein Basketball. Und die einzige Möglichkeit, den Kopf eines Narwals kennenzulernen, auf dem die Legende vom Einhorn beruht, ist mittels einer Fotografie. Jedoch gibt es ein Naturwunder, das jedermann zugänglich ist, und um es zu entdecken, muss man nur zum Himmel aufschauen.

Parrot feathers, red, yellow and blue exotic texture

An die Vögel sind wir so gewöhnt, selbst in den städtischen Bereichen unseres Planeten, dass wir sie kaum noch beachten. Jedoch haben sie viele Eigenschaften der Dinosaurier in sich bewahrt und besitzen ein geniales Federkleid, welches sie befähigt, sich in die Luft zu erheben und zu fliegen. Um die Luftströmungen aushalten zu können, besitzen ihre Flugfedern (Konturfedern) eine asymmetrische Form: einen langen, stabilen Federkiel mit einer so genannten Federfahne, die aus zwei Seiten besteht – der zur Luftströmung gerichteten, schmalen und steifen Aussenfahne, und jener, der Strömung abgewandten Seite, der breiten, flexiblen Innenfahne. Um die Kraft für den Auftrieb zu entfalten, muss der Vogel nur seine Flügel bewegen und sie dem Luftstrom unter und über ihnen anpassen.

Zur Konstruktion von Flugzeugflügeln hat der Mensch den Vögeln einige aerodynamische Besonderheiten abgeguckt. Jedoch ist die Schwinge eines Vogels wesentlich komplexer als jedwede menschliche Erfindung aus Metallplatten und Nieten. Den Kiel der Vogelfeder unterteilt man in Federschaft und Federspule. Am ersteren entspringen die schmalen so genannten Federäste mit den Bogen- und Hakenstrahlen. Letztere sind mit feinsten Häkchen ausgerüstet, die sich mit den Bogenstrahlen des nächstliegenden Federästchens verhaken und so der Federfahne die notwendige, luftstromresistente Festigkeit verleihen. Wenn ein Vogel mit seinem Schnabel die Federn säubert, trennen sich die elastischen Bogen- und Hakenstrahlen ganz leicht voneinander, um sich gleich danach wieder ineinander zu verhaken.

Die Konstruktion dieses Mechanismus ist bewundernswert, und sie ist eines der beständigsten Rätsel der Evolution. Im Jahr 1861, zwei Jahre nach Darwins Publikation “The Origin of Species“, stiessen die Arbeiter in einem deutschen Steinbruch auf spektakuläre Fossilien eines Vogels von der Grösse eines Raben, den die Wissenschaftler “Archaeopteryx“ tauften – und man fand heraus, dass er vor zirka 150 Millionen Jahren gelebt hatte. Er besass Federn und andere Charakteristika der lebenden Vögel, jedoch auch deutliche Merkmale seiner reptilischen Vergangenheit, wie zum Beispiel Zähne im Schnabel, Krallen an den Flügeln und einen langen, knöchernen Schwanz. Wie die Fossilien von Walen mit Beinen, schien der Archaeopteryx die Momentaufnahme einer evolutiven Methamorphose zu sein. “Für mich ist er bemerkenswert“, vertraute Darwin einem Freund an.

Dieser Fall hätte noch ausserordentlichere Formen angenommen, wenn die Paläontologen eine noch primitivere Kreatur mit Federn gefunden hätten – und genau das suchten sie vergeblich während der beiden folgenden Jahrhunderte. Andere Wissenschaftler bemühten sich währenddessen, die Herkunft der Federn zu beleuchten, indem sie die Schuppen moderner Reptilien, der nächsten lebenden Verwandten der Vögel, unter die Lupe nahmen. Sowohl Schuppen wie Federn sind flach. Deshalb haben sich vielleicht die Schuppen von Vorfahren der Vögel im Lauf der Generationen gestreckt. Später dann könnten sich ihre Ränder gespalten und geteilt haben, um sich so in die ersten richtigen Federn zu verwandeln.

Auch machte es Sinn, dass eine solche Veränderung geschehen wäre, um das Reptil flugfähig zu machen. Wir wollen uns die Ahnen der Vögel mal als kleine, schuppige Reptilien mit vier Beinen vorstellen, die in Baumkronen lebten und von einer Krone zur anderen sprangen. Und im gleichen Verhältnis, wie sie immer grösser wurden, hätten auch ihre Schuppen an Grösse und Tragkraft zulegen müssen, um diesen Proto-Vögeln das Springen und Gleiten über zunehmend grössere Distanzen zu ermöglichen. In der Zusammenfassung: Die Evolution der Federn hätte so die Evolution des Fluges unterstützt.

flamingo feathersDiese Hypothese, dass die Federn zum Flug geführt haben, begann in den 1970er Jahren zu zirkulieren, nachdem der Paläontologe John Ostrom, von der Yale Universität, die erstaunlichen Ähnlichkeiten zwischen Vogelskeletten und denen von terrestrischen Dinosauriern der Ordnung “Theropoden“ (Die Theropoden sind eine systematische Gruppe der Echsenbeckendinosaurier) festgestellt hatte, einer Gruppe, zu der so berühmte Monster wie der Tyrannosaurus Rex und der Velociraptor zählen. Es ist offensichtlich, argumentierte Ostrom, dass die Vögel die lebenden Nachfahren jener Giganten sind! Obgleich zahlreiche dieser bekannten Theropoden grosse Beine, kleine Arme und einen langen, robusten Schwanz besassen – anatomische Charakteristika, die nicht besonders gut zu Kreaturen zu passen scheinen, die es gewohnt waren, von einem Baum zum andern zu springen.

1996 bestätigten chinesische Paläontologen ganz unerwartet die Hypothese von Ostrom. Sie hatten ein Fossil eines kleinen Theropoden gefunden, mit kurzen Armen und einem Alter von 125 Millionen Jahren – der Sinosauropteryx, mit einer aussergewöhnlichen Charakteristik: Ein Überzug von feinen, hohlen Borsten bedeckte den hinteren Körperteil und den Schwanz. Das waren die Indizien für primitive Federn – gefunden an einem Theropoden, der sich auf dem Boden bewegte. Mit anderen Worten: Die Herkunft der Federn könnte überhaupt gar nichts mit dem Fliegen zutun haben.

Bald darauf entdeckten die Paläontologen Hunderte von befiederten Theropoden, und mit ihnen begannen sie eine detailliertere Geschichte der Federn zu konstruieren: Zuerst erschienen die simplen Borstenüberzüge. Später entwickelten verschiedene Theropoden-Gruppen unterschiedliche Arten von Federn, einige ähnelten bereits dem Federkleid heutiger Vögel. Andere Theropoden hatten lange, steife Federbüschel oder breite Borstendecken, ganz anders als irgend ein moderner Vogel.

Die langen, hohlen Borstendecken der Theropoden gaben zu denken. Ob sie wohl primitive Federn darstellten, die aus den flachen Schuppen der Reptilien evoluiert waren? Glücklicherweise können wir heute noch Kreaturen beobachten, die wie die Theropoden ebenfalls borstige Federn präsentieren: nämlich die Vogeljungen! Bei einem Jungvogel in der Wachstumsphase erscheinen alle Federn zuerst einmal als Borsten, die aus der Haut hervorkommen – erst später spalten sie sich auf und nehmen komplexere Formen an. Beim Vogel-Embryo entstehen diese Borsten aus winzigen Arealen ektodermischer Zellen, die man Placoiden (Kornschupper) nennt.

Auch die Reptilien besitzen solche Placoiden. Beim Embryo eines Reptils jedoch, aktiviert jede von ihnen Gene, die bewirken, dass lediglich die dermischen Zellen am unteren Rand des Placoiden wachsen, um die Schuppen zu formen. Ende der 1990er Jahre gingen zwei Forscher der Idee nach, dass die Verwandlung der Schuppen in Federn in Funktion einer kleinen Veränderung der genetischen Instruktionen erfolgt sein könnte, welche die Zellen veranlasste, in der Vertikalen durch die Haut zu wachsen, anstatt in der Horizontalen. Nach Erscheinen der ersten Borsten, wären dazu nur geringe Veränderungen nötig gewesen, um schliesslich Federn von wachsender Komplexität heranzubilden.

Bis vor kurzer Zeit glaubte man, das Federn zum ersten Mal bei einer primitiven Spezies aus der Linie der Theropoden aufgetaucht seien und bei den Vögeln ihre evolutive Endphase erreicht hätten. Doch im Jahr 2009 gaben chinesische Wissenschaftler bekannt, dass sie eine Kreatur mit zottigem Rücken entdeckt hätten, den “Tianyulong“, aus dem ornithologischen Zweig der Dinosaurier-Familie – den entferntesten Verwandten der Theropoden. Dies eröffnete die geradezu haarsträubende Möglichkeit, dass der Vorfahr aller Dinosaurier bereits borstenähnliche Federn besass, und dass einige Spezies sie im Verlauf der Evolution wieder verloren hatten. Ergo kann die Entstehung der Federn noch weitere Millionen Jahre zurück datiert werden, wenn sich bestätigen sollte, dass die “Befiederung“, welche man bei einigen Pterosauriern gefunden hat, sich tatsächlich als einzelne Federn entpuppen, denn diese fliegenden Reptilien teilen sich mit den Dinos einen noch älteren Urahn.

Und es gibt eine überraschende Möglichkeit. Die nächsten lebenden Verwandten der Vögel und der Dinosaurier sind die Krokodilartigen. Obwohl diese schuppigen Tiere keine Federn besitzen, zeichnet sich durch die Genforschung heute ab, dass sie mit den Vögeln genetisch verwandt sind und sich aus einer Linie entwickelt haben, die sich vor zirka 250 Millionen Jahren aufspaltete. Daraus folgt, so einige Wissenschaftler, dass man sich nicht die Frage stellen sollte, wie die Vögel ihre Federn bekommen haben, sondern wie die Alligatoren sie wieder verloren!

peacock feather closeupWas uns zu einer weiteren Frage führt: Wenn die Federn nicht erst in Funktion des Fliegens evoluiert sind, welche anderen Vorteile könnten sie jenen befiederten Kreaturen verschafft haben? Für einige Paläontologen könnten sie als thermische Isolation gedient haben. Ausser dieser Hypothese, hat eine andere in den letzten Jahren an Zustimmung gewonnen: Die Federn könnten entstanden sein, um gesehen zu werden. Heute präsentieren die Federn der Vögel eine grosse Vielfalt an Farben, mit iriszierenden Reflexen und schillernden Flecken. Ein Pfau, zum Beispiel, spreizt seinen schimmernden Schwanz, um ein Weibchen anzulocken. Die Idee, dass die Theropoden Federn zu einer Art der Präsentation entwickelt haben könnten, bekam 2009 breite Zustimmung, als die Wissenschaftler begannen, sich aufmerksamer mit der Struktur derselben zu befassen.

Im Innern der Federn entdeckten sie mikroskopisch kleine Säckchen, die man Melanosome (Melanosom steht für Bestandteil eines Migmatits (Umwandlungsgestein); Pigmentkörperchen) nennt, deren Form genau jenen Strukturen entspricht, die man spezifischen Farben der Federn von heutigen Vögeln zuordnet. Diese Melanosomen haben sich in einem so perfekten Zustand erhalten, dass die Wissenschaftler die Farben der Dino-Federn rekonstruieren können. Der Schwanz des “Sinosaropteryx“, zum Beispiel, hat einstmals rötliche und weisse Streifen besessen, nützlich zum Verstecken vor Beutegreifern oder um das andere Geschlecht anzulocken.

Was auch immer die tatsächliche Funktion der Federn gewesen sein mag, Tatsache ist inzwischen, dass sie bereits seit Millionen Jahren existierten, bevor irgendeine Dinosaurier- Gruppe begann, sie zum Fliegen zu nutzen. Die Paläontologen studieren nun die den Vögeln am nächsten stehenden Theropoden auf der Suche nach Pisten für jenen Übergang. Eine der vielversprechendsten ist eine wunderbare Neuentdeckung, die man “Anchiornis“ getauft hat – er hat vor mehr als 150 Jahren gelebt. Von der Grösse eines Huhns, besass er Federn auf den vorderen Gliedmassen, teilweisse in Schwarz und Weiss, die auf dieselbe Art und Weise glänzten, wie man es von Rassehähnen kennt. Auf dem Kopf trug er einen auffälligen, roten Kamm. Die Federn des Anchiornis waren fast identisch mit Schwungfedern zum Fliegen, nur mit einem Unterschied: Sie waren symmetrisch, das heisst, sie waren zu schwach, um sich damit in die Luft zu erheben.

Anchiornis_martyniuk

Was diesen Federn an Resistenz zum Fliegen fehlte, wurde durch ihre Quantität kompensiert – der Anchiornis präsentierte einen Überfluss an Federn. Sie bedeckten die vorderen und hinteren Gliedmassen und sogar die Zehen. Es ist möglich, dass die geschlechtliche Auswahl sich hinter dieser Evolution eines extravaganten Federkleides verbirgt, so wie die heutige Evolution des Pfauenschwanzes.

Sullivan und seine Kollegen vom Paläontologischen Institut in Peking entdeckten, dass jene Theropoden, die als nächste Verwandten unserer modernen Vögel angesehen werden, einen bestimmten Handwurzelknochen die Form eines Keils besassen, der das Abknicken der Hand möglich machte. Beim Anchiornis war der Keil des Handwurzelknochens so ausgebildet, dass er die Arme zur Seite knicken konnte, um die Befiederung der vorderen Gliedmassen über dem Boden hochzuhalten, wenn er sich in Bewegung setzte.

Die modernen Vögel benutzen einen ähnlichen Knochen, um sich für den Flug vom Boden zu lösen. Wenn Sullivan recht hat, hat sich diese für einen Flug so bedeutsame Charakteristik entwickelt, lange bevor die Vögel anfingen zu fliegen. Sie ist ein Beispiel, welches die evolutiven Biologen “Exaptation“ nennen: Die Nutzung eines antiken anatomischen Elements für eine neue Funktion.

Dieser hypothetische Übergang inspiriert weiterhin heftige Debatten. Für einige Wissenschaftler haben die befiederten Dinosaurier die Kapazität zu fliegen vom Boden aus entwickelt, indem sie die befiederten Glieder Körperteile bewegten, während sie rannten. Andere sprechen sich gegen diese Idee aus und heben hervor, dass die “vorderen Flügel“ beim Anchiornis, und anderen näheren Verwandten, beim Rennen eher hinderlich gewesen wären. Diese Forscher wenden sich jener antiken Idee wieder zu, dass die Proto-Vögel ihre Federn zuerst zum Steuern beim Sprung von einer Baumkrone eingesetzt hätten, später zum Gleiten und noch später dann zum Fliegen.

Zum Rennen auf dem Boden, zum Springen von Bäumen, oder beides? Nun, das Fliegen ergab sich nicht aus der Evolution in einer bidimensionalen Welt, argumentiert ein Flugexperte. Er demonstrierte, dass bei vielen Spezies die Jungvögel mit ihren rudimentären Flügelchen schlagen, um so einen stärkeren Antrieb zu bekommen, wenn sie vor Beutejägern auf angewinkelten Flächen davonrennen, wie zum Beispiel auf einem Baumstamm. Und das Schlagen der Flügelchen hilft dem Jungvogel, sich zu stabilisieren, wenn er zu einem tiefer liegenden Terrain zurückkehrt. Im Verlauf ihres Wachstums verwandelt sich dann dieser flatternde Abstieg in einen selbständigen Flug. Vielleicht, so meint der Flugexperte, entspricht ja der Entwicklungsprozess eines Jungvogels bis zu seinem ersten Flug, dem Weg, den seine Vorfahren zu ihrer Evolution eingeschlagen haben – Schritt um Schritt, über Jahrhunderte immer wieder versuchen, bis zum Flug.