In una pineta nella Cina nord-orientale rurale, un aspro pendio di scisto è pieno di resti di creature estinte risalenti a 125 milioni di anni fa, quando questa parte della provincia di Liaoning era coperta da laghi d'acqua dolce. Eruzioni vulcaniche hanno regolarmente convulso la zona in quel momento, lasciando sepolte milioni di rettili, pesci, lumache e insetti nella cenere. Faccio un passo cauto tra la miriade di fossili, raccolgo una lastra di scisto non molto più grande della mia mano e colpisco il bordo con un martello da roccia. Una cucitura divide a metà un pesce color ruggine, producendo impressioni speculari di delicate pinne e ossa sottili come i peli umani.
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Uno dei principali paleontologi cinesi, Zhou Zhonghe, sorride. "Posto incredibile, vero?" lui dice.
Fu nel 1995 che Zhou e colleghi annunciarono la scoperta di un fossile proveniente da questa zona disastrosa preistorica che annunciava una nuova era della paleontologia. Il fossile era un uccello primitivo delle dimensioni di un corvo che potrebbe essere stato asfissiato dai fumi vulcanici mentre volava sopra i laghi per tutti quei milioni di anni fa. Hanno chiamato la nuova specie Confuciusornis, in onore del filosofo cinese.
Fino ad allora, solo una manciata di fossili di uccelli preistorici erano stati rinvenuti in qualsiasi parte del mondo. Questo in parte perché gli uccelli, allora come oggi, erano molto meno comuni dei pesci e degli invertebrati, e in parte perché gli uccelli eludevano più facilmente frane, pozzi di catrame, eruzioni vulcaniche e altri fenomeni geologici che hanno catturato animali e ne hanno conservato le tracce per secoli. Gli scienziati hanno localizzato solo dieci scheletri fossili intatti del primo uccello noto, l' Archaeopteryx, che visse alla fine del periodo giurassico, circa 145 milioni di anni fa.
Zhou, che lavora presso l'Istituto di paleontologia e paleoantropologia dei vertebrati (IVPP) dell'Accademia cinese delle scienze di Pechino, credeva che gli straordinari letti ossei di Liaoning potrebbero riempire alcuni dei molti spazi vuoti nella documentazione fossile dei primi uccelli. Non avrebbe potuto essere più profetico. Negli ultimi 15 anni, migliaia di uccelli fossili squisitamente preservati sono emersi dall'antico letto del lago, chiamato Formazione Yixian. La regione ha anche prodotto splendidi esemplari di dinosauri, come mai prima d'ora. Di conseguenza, la Cina è stata la chiave per risolvere una delle più grandi domande nella scienza dei dinosauri negli ultimi 150 anni: la vera relazione tra uccelli e dinosauri.
L'idea che gli uccelli - il gruppo più diversificato di vertebrati terrestri, con quasi 10.000 specie viventi - discendessero direttamente dai dinosauri non è nuova. Fu sollevato dal biologo inglese Thomas Henry Huxley nel suo trattato del 1870, Ulteriori prove dell'affinità tra i rettili dinosauri e gli uccelli . Huxley, un rinomato anatomista forse meglio ricordato per la sua ardente difesa della teoria dell'evoluzione di Charles Darwin, vide poca differenza tra la struttura ossea di Compsognathus, un dinosauro non più grande di un tacchino, e Archeopteryx, che fu scoperto in Germania e descritto nel 1861. Quando Huxley guardò gli struzzi e altri uccelli moderni, vide dei piccoli dinosauri. Se le ossa di una zampa di gallina fossero ingrandite e fossilizzate, ha osservato, "non ci sarebbe nulla nei loro personaggi che ci impedirebbe di rimandarle alla Dinosauria ".
Eppure, nel corso dei decenni i ricercatori che hanno dubitato del legame dinosauro-uccello hanno anche sostenuto buoni argomenti anatomici. Dissero che i dinosauri non avevano un certo numero di caratteristiche distintamente aviarie, inclusi i bracci trasversali o le clavicole fuse; ossa piene di sacche d'aria; articolazioni del polso flessibili; e piedi a tre dita. Inoltre, il legame ipotizzato sembrava contrario a ciò che tutti pensavano di sapere: che gli uccelli sono piccoli, intelligenti, veloci, folletti di sangue caldo, mentre i dinosauri - dal greco per "spaventosamente grande lucertola" - erano creature fredde, opache, arrancate, simili a rettili .
Alla fine degli anni '60, uno scheletro di dinosauro fossilizzato del Montana iniziò a minare questa ipotesi. Deinonychus, o "terribile artiglio" dopo il falce a forma di falce su ciascun piede posteriore, si trovava a circa 11 piedi dalla testa alla coda ed era un agile predatore. Inoltre, la sua struttura ossea era simile a quella dell'Archaeopteryx . Presto gli scienziati stavano raccogliendo altre interessanti prove fisiche, scoprendo che le clavicole fuse erano comuni nei dinosauri dopo tutto. Le ossa di Deinonychus e Velociraptor avevano sacche d'aria e articolazioni flessibili del polso. I tratti dei dinosauri sembravano sempre più simili agli uccelli. "Tutte queste cose sono state strappate dalla definizione di essere un uccello", afferma il paleontologo Matthew Carrano del Museo Nazionale di Storia Naturale Smithsonian.
Ma c'era una caratteristica importante che non era stata trovata nei dinosauri, e pochi esperti si sarebbero sentiti completamente a proprio agio nell'affermare che le chickade e il triceratopo erano parenti fino a quando non avevano prove di questo legame anatomico mancante: le piume.
Un povero contadino cinese, Li Yingfang, realizzò uno dei più grandi reperti fossili di tutti i tempi, nell'agosto del 1996 nel villaggio di Sihetun, a un'ora di auto dal sito in cui avevo cercato pesci fossili. "Stavo scavando buche per piantare alberi", ricorda Li, che ora ha un lavoro a tempo pieno in un museo dei dinosauri costruito proprio in quel sito. Da un buco scoprì una lastra di scisto lunga due piedi. Esperto cacciatore di fossili, Li spaccò la lastra e vide una creatura come non aveva mai visto. Lo scheletro aveva un teschio simile a un uccello, una lunga coda e impressioni su quelle che sembravano strutture simili a piume.
A causa delle piume, Ji Qiang, allora direttore del National Geological Museum, che acquistò una delle lastre di Li, suppose che fosse una nuova specie di uccello primitivo. Ma altri paleontologi cinesi erano convinti che fosse un dinosauro.
Durante una visita a Pechino quell'ottobre, Philip Currie, un paleontologo ora all'Università di Alberta, vide l'esemplare e realizzò che avrebbe trasformato la paleontologia in testa. Il mese successivo, Currie, una mano cinese di lunga data, ne ha mostrato una fotografia ai colleghi durante l'incontro annuale della Society of Vertebrate Paleontology. L'immagine ha rubato lo spettacolo. "Era un fossile così straordinario", ricorda il paleontologo Hans-Dieter Sues del Museo Nazionale di Storia Naturale. "Sensazionale." I paleontologi occidentali fecero presto un pellegrinaggio a Pechino per vedere il fossile. "Sono tornati stupiti", dice Sues.
Nonostante le piume, lo scheletro non lasciava dubbi sul fatto che la nuova specie, chiamata Sinosauropteryx, che significa "ala di lucertola cinese", fosse un dinosauro. Visse circa 125 milioni di anni fa, basato sulla datazione di elementi radioattivi nei sedimenti che racchiudevano il fossile. I suoi filamenti tegumentari - lunghe e sottili strutture che sporgono dalla sua pelle squamosa - convinsero la maggior parte dei paleontologi che l'animale era il primo dinosauro piumato mai scoperto. Una dozzina di dinosauri con filamenti o piume sono stati scoperti in quel sito.
Analizzando campioni provenienti dalla Cina, i paleontologi hanno colmato le lacune nella documentazione fossile e tracciato le relazioni evolutive tra i vari dinosauri. Alla fine i fossili hanno confermato, a parte pochi scettici, che gli uccelli discendono dai dinosauri e sono i rappresentanti viventi di un lignaggio di dinosauri chiamato Maniraptorans.
La maggior parte dei dinosauri non faceva parte del lignaggio che ha dato origine agli uccelli; occuparono altri rami dell'albero genealogico dei dinosauri. Sinosauropteryx, infatti, era ciò che i paleontologi chiamano un dinosauro non aviario, anche se aveva piume. Questa intuizione ha spinto i paleontologi a rivedere la loro visione di altri dinosauri non aviari, come il famigerato velociraptor mangiatore di carne e persino alcuni membri del gruppo tirannosauro. Anche loro erano probabilmente ornati di piume.
L'abbondanza di fossili piumati ha permesso ai paleontologi di esaminare una domanda fondamentale: perché le piume si sono evolute? Oggi è chiaro che le piume svolgono molte funzioni: aiutano gli uccelli a trattenere il calore corporeo, respingere l'acqua e attirare un compagno. E ovviamente aiutano il volo, ma non sempre, come dimostrano struzzi e pinguini, che hanno piume ma non volano. Molti dinosauri piumati non avevano le ali o erano troppo pesanti, rispetto alla lunghezza dei loro arti piumati, per volare.
Decifrare il modo in cui le piume si sono trasformate nel tempo da fibre sottili a delicati strumenti di volo farebbe luce sul passaggio dei dinosauri agli uccelli e in che modo la selezione naturale ha forgiato questo tratto complesso. Pochi scienziati conoscono le piume antiche più intimamente di Xu Xing di IVPP. Ha scoperto 40 specie di dinosauri - più di qualsiasi altro scienziato vivente - provenienti da tutta la Cina. Il suo ufficio all'IVPP, di fronte allo zoo di Pechino, è pieno di fossili e calchi.
Xu considera l'evoluzione della piuma come un processo incrementale. Le piume nella loro forma più primitiva erano filamenti singoli, simili a penne, sporgenti dalla pelle di rettile. Queste semplici strutture risalgono a molto tempo fa; persino gli pterodattili avevano una specie di filamento. Xu suggerisce che l'evoluzione delle piume potrebbe essere iniziata in un antenato comune di pterodattili e dinosauri - circa 240 milioni di anni fa, o circa 95 milioni di anni prima di Archeopteryx .
Dopo l'emergere di singoli filamenti arrivarono più filamenti uniti alla base. Accanto ad apparire nei reperti fossili c'erano spari abbinati che sparavano da un pozzo centrale. Alla fine, fitte file di sbavature intrecciate formavano una superficie piatta: il progetto di base delle cosiddette piume pennacee di uccelli moderni. Tutti questi tipi di piume sono stati trovati nelle impressioni fossili di teropodi, il sottordine dei dinosauri che include Tyrannosaurus rex, uccelli e altri maniraptorani.
I filamenti si trovano anche altrove nell'albero genealogico dei dinosauri, in specie molto lontane dai teropodi, come lo Psittacosaurus, un erbivoro dalla faccia di pappagallo nato circa 130 milioni di anni fa. Aveva singoli filamenti sparsi lungo la coda. Non è chiaro il motivo per cui i filamenti compaiono in alcuni lignaggi di dinosauri ma non in altri. "Una possibilità è che le strutture a forma di piuma si siano evolute molto presto nella storia dei dinosauri", dice Xu, e alcuni gruppi hanno mantenuto le strutture, mentre altri gruppi le hanno perse. "Ma finalmente in Maniraptorans, le piume si sono stabilizzate e si sono evolute in piume moderne", dice. Oppure i filamenti potrebbero essersi evoluti in modo indipendente in momenti diversi. Come sottolinea Sues, "Sembra che, geneticamente, non sia un grande trucco trasformare una scala in un filamento".
In origine, i singoli filamenti potevano benissimo essere esposti, l'equivalente di dinosauro del piumaggio iridescente di un pavone. Prove chiare per quella teoria sono apparse quando gli scienziati hanno svelato i veri colori delle piume di 125 milioni di anni. Piume di uccelli e squame di rettili contengono melanosomi, piccole sacche che contengono varietà di melanina pigmentata. Molti paleontologi sospettavano che le piume di dinosauro contenessero anche melanosomi. Nel laboratorio di Mike Benton presso l'Università di Bristol, Zhang Fucheng dell'IVPP ha trascorso più di un anno alla ricerca di melanosomi in fotografie di fossili di uccelli e dinosauri scattate con un microscopio elettronico. La diligenza di Zhang ha dato i suoi frutti nel 2009 quando ha individuato i melanosomi in Confuciusornis che contenevano eumelanina, che conferisce alle piume una sfumatura grigia o nera, e la feomelanina, che conferisce loro una castagna di colore bruno-rossastro. Le piume dell'animale avevano macchie di colorazione bianca, nera e marrone-arancio.
Sinosauropteryx è stato ancora più sorprendente. Zhang scoprì che i filamenti che correvano lungo la schiena e la coda dovevano aver fatto sembrare il dinosauro un palo da barbiere a strisce arancioni e bianche. Un modello così vibrante suggerisce che "le piume sono nate prima come agenti per la visualizzazione a colori", afferma Benton.
Le prime piume avrebbero potuto servire ad altri scopi. I filamenti cavi possono aver dissipato il calore, proprio come fanno oggi i fronzoli di alcune lucertole moderne. Altri paleontologi ipotizzano che le piume si siano inizialmente evolute per trattenere il calore. Un esempio lampante viene dai fossili di Oviraptor, un teropode rinvenuto in Mongolia che visse circa 75 milioni di anni fa, accovacciato su nidi pieni di uova. Gli oviraptor piegarono le gambe al centro dell'innesto e abbracciarono la periferia con le loro lunghe zampe anteriori: una postura che assomigliava in modo misterioso agli uccelli meditabondi che mantengono calde le loro uova. I dinosauri legati a Oviraptor erano ricoperti di piume pennacee, il che suggerisce che anche Oviraptor fosse. "Sedersi su un nido del genere aveva senso solo se avesse piume" per isolare delicatamente i suoi piccoli, dice Sues.
Ovviamente le piume alla fine sono diventate uno strumento di volo. Alcuni paleontologi immaginano uno scenario in cui i dinosauri hanno usato le piume per aiutarli a occupare gli alberi per la prima volta. "Poiché i dinosauri avevano le caviglie incernierate, non potevano ruotare i piedi e non potevano arrampicarsi bene. Forse le piume li hanno aiutati a arrampicarsi sui tronchi degli alberi", dice Carrano. Gli uccellini di specie principalmente terrestri come i tacchini usano le ali in questo modo. Le piume possono essere diventate sempre più aerodinamiche nel corso di milioni di anni, consentendo infine ai dinosauri di scivolare da un albero all'altro. Gli individui in grado di compiere tale impresa potrebbero essere stati in grado di raggiungere nuove fonti di cibo o sfuggire meglio ai predatori, e trasmettere il tratto alle generazioni successive.
Uno degli esemplari più accattivanti che emergono dai letti di scisto di Liaoning è il Microraptor, che Xu ha scoperto nel 2003. La bestia dei pesi gallo era lunga un piede o due e inclinava la bilancia a soli due chili. Microraptor, della famiglia Dromaeosaur, non era un antenato degli uccelli, ma era anche diverso da qualsiasi dinosauro piumato precedentemente scoperto. Xu lo chiama un dinosauro "a quattro ali" perché aveva lunghe piume pennacee su braccia e gambe. A causa dello sterno fuso e delle piume asimmetriche, dice Xu, Microraptor sicuramente potrebbe scivolare da un albero all'altro e potrebbe anche essere stato più bravo a volare sotto il proprio potere di quanto lo fosse l' Archaeopteryx .
L'anno scorso, Xu ha scoperto un'altra specie di dinosauro a quattro ali, anche a Liaoning. Oltre a dimostrare che il volo a quattro ali non era un colpo di fortuna, la nuova specie, Anchiornis huxleyi, chiamata in onore di Thomas Henry Huxley, è il primo dinosauro piumato conosciuto. Proviene da giacimenti lacustri giurassici di 155 milioni e 160 milioni di anni. La scoperta ha eliminato l'obiezione finale al legame evolutivo tra uccelli e dinosauri. Per anni, gli scettici avevano sollevato il cosiddetto paradosso temporale: non c'erano dinosauri piumati più vecchi di Archeopteryx, quindi gli uccelli non potevano derivare dai dinosauri. Ora quell'argomento è stato spazzato via: Anchiornis è milioni di anni più vecchio di Archeopteryx .
I dinosauri a quattro ali erano in definitiva un ramo morto sull'albero della vita; scompaiono dai reperti fossili circa 80 milioni di anni fa. La loro morte lasciò solo un lignaggio di dinosauro capace di volare: gli uccelli.
Proprio quando i dinosauri si sono evoluti in uccelli? Difficile da dire. "Nel profondo della storia dell'evoluzione, è estremamente difficile tracciare un confine tra uccelli e dinosauri", afferma Xu. A parte piccole differenze nella forma delle vertebre del collo e nella lunghezza relativa delle braccia, i primi uccelli e i loro parenti Maniraptoran, come il Velociraptor, sembrano molto simili.
"Se l' Archaeopteryx fosse scoperto oggi, non credo che lo chiameresti un uccello. Lo chiameresti un dinosauro piumato", dice Carrano. È ancora chiamato il primo uccello, ma più per ragioni storiche che perché è la più antica o migliore incarnazione di tratti da uccello.
D'altra parte, Confuciusornis, che possedeva il primo becco e il primo piggostile, o vertebre di coda fuse che sostenevano piume, sembra davvero un uccello. "Supera il test sniff", afferma Carrano.
Dall'ultimo dinosauro non aviario si è estinto 65 milioni di anni fa durante l'estinzione di massa che ha chiuso il sipario sul periodo Cretaceo, gli uccelli hanno sviluppato altre caratteristiche che li distinguono dai dinosauri. Gli uccelli moderni hanno un metabolismo più elevato di quanto persino il Velociraptor più agile abbia mai avuto. I denti sono scomparsi ad un certo punto nella storia evolutiva degli uccelli. Le code degli uccelli si sono accorciate, le loro abilità di volo sono migliorate e il loro cervello è diventato più grande di quello dei dinosauri. E gli uccelli moderni, a differenza dei loro antenati Maniraptoran, hanno un alluce che si protende dalle altre dita, il che consente agli uccelli di posarsi. "Passi gradualmente dalle lunghe braccia e dalle enormi mani dei maniraptoriani non aviari a qualcosa che assomiglia all'ala di pollo che ottieni in KFC", dice Sues. Data l'estensione di questi adattamenti aviari, non c'è da meravigliarsi che il legame evolutivo tra dinosauri e uccelli, come li conosciamo, sia rimasto nascosto fino a quando i paleontologi hanno iniziato ad analizzare la ricca documentazione fossile proveniente dalla Cina.
Chaoyang è una triste città cinese con strade polverose; nei suoi angoli più bui ricorda le grintose città americane del 19 ° secolo di estrazione del carbone. Ma per i collezionisti di fossili, Chaoyang è un paradiso, a solo un'ora di auto da alcuni dei letti più produttivi della Formazione Yixian.
Una strada è fiancheggiata da negozi che vendono yuhuashi o pesci fossili. Fossili incorniciati incorporati nello scisto, spesso in coppie di immagini speculari, si possono avere per un dollaro o due. Un oggetto popolare è un mosaico in cui alcune decine di piccole lastre formano una mappa della Cina; i pesci fossili sembrano nuotare verso la capitale, Pechino (e nessuna mappa è completa senza un pesce che rappresenta Taiwan). I commercianti vendono insetti fossili, crostacei e piante. Occasionalmente, nonostante le leggi che vietano il commercio di fossili di valore scientifico, è noto che commercianti meno scrupolosi vendono fossili di dinosauro. Gli esemplari più importanti, afferma Zhou, "non vengono scoperti dagli scienziati nei negozi di fossili della città, ma nelle case dei commercianti o degli agricoltori che li hanno scavati".
Oltre a Sinosauropteryx, diversi altri campioni rivelatori sono venuti alla luce attraverso i dilettanti piuttosto che durante gli scavi scientifici. La sfida per Zhou e i suoi colleghi è trovare esemplari caldi prima che scompaiano nelle collezioni private. Così Zhou e il suo collega Zhang Jiangyong, uno specialista di pesci antichi all'IVPP, sono venuti nella provincia di Liaoning per controllare tutti i fossili che i commercianti amichevoli alla loro causa si sono messi in ritardo.
La maggior parte degli stock nei negozi di fossili proviene da agricoltori che scappano dai letti fossili quando non si occupano dei loro campi. Un piccolo esemplare di pesce ben conservato può dare al suo cercatore l'equivalente di 25 centesimi, abbastanza per un pasto caldo. Un dinosauro piumato può guadagnare diverse migliaia di dollari, un reddito di un anno o più. Distruttiva com'è ai letti fossili, questa economia paleo ha contribuito a riscrivere la preistoria.
Zhou prende una lastra e la scruta attraverso i suoi occhiali cerchiati. "Presidente, vieni qui e guarda", dice Zhou a Zhang (che ha guadagnato il suo soprannome giocoso come presidente del sindacato dei dipendenti dell'IVPP). Zhang esamina l'esemplare e lo aggiunge a un mucchio che verrà riportato a Pechino per motivi di studio e, se sono fortunati, rivelano un altro ramo nascosto dell'albero della vita.
Richard Stone ha scritto di una sepoltura di Stonehenge, una rara antilope e misteriose torri tibetane per Smithsonian .
Una scoperta cinese chiave fu un uccello primitivo chiamato Confuciusornis, identificato da Zhou Zhonghe. (Stefen Chow) 
Scoperto di più specie di dinosauri di qualsiasi altro scienziato vivente, Xu Xing, con un cast di Psittacosaurus dalla faccia di pappagallo, afferma che alcuni dinosauri hanno tratti simili a uccelli, tra cui piume. (Stefen Chow) 
La Formazione Yixian ha anche prodotto Sinosauropteryx , la prima prova fisica di un dinosauro piumato. (IVPP, Pechino) 
Alcuni dei suoi fossili sono così ben conservati che gli scienziati possono vedere tracce di strutture cellulari che contenevano pigmenti. La scoperta ha portato a vedute colorate dell'animale delle dimensioni di un gatto, fino alla sua coda a strisce. (Chuang Zhao e Lida Xing) 
L'autore, Richard Stone, nel sito fossile. (Per gentile concessione di Richard Stone) 
I libri di testo dicono che l' Archaeopteryx, che visse circa 150 milioni di anni fa, fu il primo uccello. (Roger Peterson / National Geographic Stock) 
Alcuni paleontologi ora affermano che l' Archaeopteryx potrebbe essere stato un dinosauro non aviario piumato. (Kim Amos / Science Photo Library / Photo Researchers) 
Alcuni dinosauri si sono impegnati in comportamenti distintamente simili a quelli degli uccelli, come nidificazione e cova. Qui è mostrato un fossile Oviraptor parzialmente ricostruito della Mongolia con 20 uova. (Getty Images) 
Uno dei fossili cinesi più inaspettati in Microraptor . Aveva quattro arti piumati e quasi sicuramente poteva volare. Ma a differenza degli uccelli, non sfuggì all'estinzione. (Matt Cashore / Università di Notre Dame) 
Negli ultimi 15 anni, migliaia di uccelli fossili squisitamente preservati sono emersi dall'antico letto del lago, chiamato Formazione Yixian. (Guilbert Gates)
