Il volo di Archaeopteryx: le ultime rivelazioni

Era il lontano 1861, quando dai calcari del Giurassico Superiore di Solnhofen, nella Germania  meridionale, fu rinvenuto il primo scheletro con evidenti impronte di penne: questo fossile di importanza straordinaria fu battezzato Archaeopteryx litographica (Fig. 1). Le sue eccezionali caratteristiche anatomiche, a metà strada tra rettile e uccello (termini qui usati in senso parafiletico e che comprendono le specie oggi incluse nel clade Sauropsida), si inserivano perfettamente nel furioso dibattito in corso nell’Inghilterra vittoriana tra evoluzionisti e creazionisti, capeggiati rispettivamente da Thomas H. Huxley, che in seguito diverrà noto come il “mastino di Darwin”, e Richard Owen, che diventerà il fondatore e il primo direttore del Museo di Storia Naturale di Londra.

Pochi anni dopo, nel 1877, dai medesimi calcari fu estratto quello che è ad oggi l’esemplare più famoso,”l’esemplare di Berlino” (Fig. 2). Esso consiste in uno scheletro praticamente completo, con cranio e arti articolati tanto di impronte di penne ben evidenti. Questo fossile mostra la maggior parte delle caratteristiche considerate come la prova dello stretto legame filogenetico che intercorre tra dinosauri e uccelli. Archaeopteryx aveva all’incirca le dimensioni di una comune gazza (Pica pica): lungo dai 30 ai 50 cm e alto circa 25. Grazie alle moderne analisi sui pigmenti effettuate da Carney et al., 2013, è stato possibile attribuirne un piumaggio nero al 95%, non escludendo una sua possibile iridescenza.

L’anatomia

In generale, presentava:

• Un collo curvato a S, tipico dei dinosauri teropodi;
• Una lunga coda dotata di 22-23 vertebre caudali;
• Una mano dotata di tre lunghe dita artigliate;
• Un osso pubico verticale o diretto posteriormente;
• Delle mascelle dotate di numerosi denti acuminati infissi in alveoli: essi tuttavia non presentano margini dentellati ed erano presenti piastre ossee interdentali, con probabile funzione di rinforzo.

Il cinto scapolare era leggero, con scapole lunghe e sottili e coracoidi corti e di forma sub-rettangolare. Con il ritrovamento del settimo esemplare, sempre dai medesimi calcari, è stato anche riconosciuto uno sterno ossificato che unisce i coracoidi lungo la linea mediana del corpo.

Il volo

Nel meccanismo di volo degli uccelli moderni, lo sterno, dalla tipica forma carenata, è l’elemento fondamentale. Esso è stabilizzato da coracoidi dalla forma allungata e robusta e presenta inoltre delle ampie superfici di attacco per i muscoli pettorali e sopracoracoidei. Infatti, nella zona dell’epifisi prossimale dell’omero si inseriscono il grande pettorale (l’abbassatore dell’ala) e il sopracoracoideo (l’elevatore dell’ala). Quest’ultimo agisce come una puleggia, scorrendo attraverso il forame triosseo presente sul coracoide.

E in Archaeopteryx? Come già sostenne Ostrom (1976), esso mancava di due elementi essenziali per il volo che sono però presenti negli uccelli moderni, ovvero lo sterno carenato e il forame triosseo. A questo punto sembrerebbe legittimo mettere in dubbio il fatto che Archaeopteryx fosse stato davvero capace di volare.

In realtà, vi erano almeno tre prove che portavano a pensare che potesse essere un buon volatore:

1. Un grande pettorale che prende origine sia dal piccolo sterno che dalla robusta furcula;
2. Penne con vessillo asimmetrico e profilo ricurvo;
3. Ruben (1991) stimò che pur con un grande pettorale con una massa pari solo al 7% (rispetto all’11-44% dei moderni uccelli volatori), Archaeopteryx avrebbe avuto la potenza necessaria a decollare da terra e ad effettuare un volo battuto.

Dunque dopo oltre 150 anni dalla sua scoperta, questo iconico taxon fossile con ali piumate del tardo Giurassico, presentava ancora punti oscuri, nonostante l’importanza cruciale che esso ricopre nella nostra comprensione di quella che è stata l’evoluzione del volo aviario. La rarità e le condizioni dei reperti di Archaeopteryx rendevano assai difficile interventi di analisi particolarmente invasivi e/o distruttivi, pertanto non è stato possibile analizzare ciò che avrebbe fornito indubbiamente delle risposte convincenti, ossia i dettagli geometrici interni delle ossa delle ali.

…fino al 2018, quanto Voeten et al. riuscirono a farlo avvalendosi della microtomografia a raggi X effettuata con il sincrotrone a propagazione a contrasto di fase (PPC-SRμCT) che si trova a Grenoble in Francia.

Un mistero svelato

Grazie ad esso, è stato possibile analizzate le sezioni trasversali a metà diafisi degli omeri e delle ulne di tre esemplari di Archaeopteryx, senza esser costretti a segare in due le suddette ossa. La scelta delle ossa si basa sul fatto che tratta degli elementi che mostrano i più importanti adattamenti biomeccanici al volo. Tali sezioni sono poi state confrontate con le analoghe di ben 69 arcosauridi, volatori e non, e che comprendono un’ampia varietà di tipologie di locomozione.

In particolare, sono stati inclusi uno pterosauro basale «a coda lunga», Rhamphorhynchus, e uno derivato «a coda corta», Brasileodactylus. Sebbene l’apparato per il volo da pterosauro e aviario si differenzino tra loro per alcuni aspetti morfologici fondamentali, un confronto tra questi può rivelare degli eventuali adattamenti nascosti analoghi nella geometria delle ossa delle ali.

Della sezione ossea a metà diafisi ricavata col sincrotrone  sono stati considerati determinati parametri, i principali sono:

• CA: area corticale;
• MA: area midollare;
• TA: area totale contenuta all’interno del margine periostrale (CA+MA);
• Can: canali vascolari presenti per ogni mm quadro di area corticale;
• J: momento polare dell’area. Quantifica la resistenza alla torsione attorno all’asse longitudinale dell’osso. Tale valore viene normalizzato dividendolo per la body mass M.

In questo studio sono stati considerati: l’indice di spessore corticale relativo CA/TA, il rapporto J/M e l’indice di densità vascolare corticale Can/CA.

Come regole generali si può assumere che:

• Alti valori di CA/TA sono associati agli arcosauri non volatori;
• Alti valori di J/M indicano una buona resistenza alle torsioni da parte delle ossa delle ali;
• Alti valori di Can/CA implicano un tessuto osseo ben vascolarizzato, tipico degli arcosauri volatori.

Per comprendere quale sia stata la modalità di locomozione di Archaeopteryx si è utilizzata l’analisi discriminante lineare (LDA) per gli indici CA/TA e J/M. Per quanto riguarda le tipologie di locomozione per il volo, sono state adottate quelle descritte in Viscor et al. (1987) e in Close et al. (2012). Sono dunque stati ottenuti due diversi grafici costruiti prendendo in considerazione questi due metodi. Nel grafico basato sulla classificazione di  Viscor et al. , Archaeopteryx mostra, in tutti e tre i casi, una forte affinità con i «brevi volatori» (short flight).

Le pareti ossee omerali e ulnari risultano a confronto assai più sottili rispetto a quelle appartenenti al campione degli arcosauri non volanti. Nel grafico basato sulla classificazione di Close et al., Archaeopteryx mostra in un caso una affinità con i «volatori esplosivi» (burst flight), in un altro con questi ultimi e con i «volatori intermittenti» (intermittent bounding flight). Un esemplare sembra discostarsi maggiormente dai precedenti: per gli autori dello studio, ciò è dovuto alla sua giovane età.

Per quanto riguarda l’indice di densità vascolare corticale, contrariamente a quanto riportato in Erickson et al. (2009), l’area corticale di Archaeopteryx risulta essere ben vascolarizzata. Viceversa, essa suggerisce la capacità di notevoli prestazioni metaboliche, in quanto essa risulta paragonabile alla vascolarizzazione presente nei moderni uccelli volatori.

Ali per volare

I risultati ottenuti in questo studio mostrano che Archaeopteryx presenta indubbie similitudini con gli uccelli che ricorrono al volo occasionalmente. Tuttavia la diversa morfologia dell’apparato di volo è incompatibile con la tipologia di battito alare tipica degli uccelli moderni. Omeri e ulne erano di struttura leggera e ben vascolarizzate, dunque Archaeopteryx aveva la capacità di poter effettuare un volo attivo, seppur per brevi distanze, e con un battito alare diverso rispetto a quello utilizzato moderni uccelli. Per trovare un paragone che possa rendere l’idea, si può pensare all’odierno fagiano (Phasianidae).

Si è appurato inoltre che nel passaggio dagli pterosauri primitivi a coda lunga (dal volo battuto), ai più moderni a coda corta (dal volo a vela prolungato), si susseguirono delle modifiche alla geometria ossea delle ali analoghe a quelle verificatesi tra antichi e moderni volatori aviari.

Conclusioni

Dunque Archaeopteryx è un eccellente rappresentante di quell’ondata di strategie per il volo messe a punto da alcuni dinosauri. La pressione selettiva, tuttavia, ha portato all’estinzione di alcune di queste (nonché lo sviluppo di altre), favorendo le tipologie di volo che possiamo osservare oggi negli uccelli attuali.

Concludo con una frase che mi ha colpito fin dalla prima volta in cui l’ho letta e che mi sembra essere perfetta per l’occasione:

«La strada che conduce dai rettili agli uccelli, passa attraverso i dinosauri»

Può sembrare un’ovvietà letta con gli occhi di oggi, con le conoscenze di cui disponiamo, ma quello che mi ha lasciato più esterrefatto è stato quando ho saputo che non si tratta affatto di una frase detta da qualche scienziato contemporaneo: essa infatti è stata scritta da Thomas H. Huxley in una lettera indirizzata ad un amico nel gennaio del 1868.

Referenze

• Carney R.M., Vinther J., Shawkey M.D., D’Alba L., Ackermann J. (2013). New evidence on the colour and nature of the isolated Archaeopteryx feather. “Nature Comm.”, 3:637.
• Close, R. A. & Rayfield, E. J. (2012). Functional morphometric analysis of the furcula in Mesozoic birds. PloS ONE 7, e36664.
• Erickson, G. M. et al. (2009) Was dinosaurian physiology inherited by birds? Reconciling slow growth in Archaeopteryx. PLoS ONE 4, e7390.
• Ostrom J.H. (1976). Archaeopteryx and the origin of birds. Biological journal of the Linnean Society, 8: 91 – 182.
• Ruben J., (1991). Reptilian physiology and the flight capacity of Archaeopteryx. Evolution, 45: 1 – 17.
• Viscor, G. & Fuster, J. F. (1987). Relationships between morphological parameters in birds with different flying habits. Comp. Biochem. Physiol. 87A, 231–249.
• Voeten, D.F.A.E., Cubo, J., de Margerie, E. et al. (2018). Wing bone geometry reveals active flight in Archaeopteryx. Nat Commun 9, 923.