Limusaurus and bird digit identity

How to cite this article:

Vargas AO,  Wagner GP and Gauthier, JA. 2009. Limusaurus and bird digit identity. Available from Nature Precedings <http://hdl.handle.net/10101/npre.2009.3828.1>. PDF

Limusaurus is a remarkable herbivorous ceratosaur unique among theropods in having digits II, III and IV, with only a small metacarpal vestige of digit I¹. This raises interesting questions regarding the controversial identity of avian wing digits. The early tetanuran ancestors of birds had tridactyl hands with digital morphologies corresponding to digits I, II & III of other dinosaurs². In bird embryos, however, the pattern of cartilage formation indicates that their digits develop from positions that become digits II, III, & IV in other amniotes³. Limusaurus has been argued to provide evidence that the digits of tetanurans, currently considered to be I, II and III, may actually be digits II, III, & IV, thus explaining the embryological position of bird wing digits¹. However, morphology and gene expression of the anterior bird wing digit specifically resemble digit I, not II, of other amniotes^4,5. We argue that digit I loss in Limusaurus is derived and thus irrelevant to understanding the development of the bird wing. 

If the extremely reduced hand morphology of Limusaurus was once present in the ancestors of birds (Figure 1A), several traits of digits I, II & III must have been lost (Figure 1A, step 1) and then re-evolved on digits II, III & IV (Figure 1A, step 2)¹. The alternative is for the extremely reduced morphology of Limusaurus to have evolved in Ceratosauria, while bird ancestors retained digits I, II & III (Figure 1B). Quantitative analysis only favors the II,III,IV identification of tetanuran digits when bird digits are coded as II,III,IV, a category assumption based on embryological position alone¹. This is not a truly integrative comparison, since it excludes phalangeal and metacarpal similarities that bird digits share with digits I, II and III of other theropods. When this assumption is removed, the I,II,III identification of tetanuran digits is most parsimonious¹.

Rather than assume the priority of either morphological or embryological data, we propose that a homeotic frameshift occurred in the bird line, such that digits I, II, & III develop from embryological condensations 2, 3 & 4⁶. That hypothesis has been supported by the observed absence of expression of most HoxD genes (HoxD-10, HoxD-11 and HoxD-12) only in the anterior digit of the embryonic wing, a feature diagnostic of digit I of mouse⁴; HoxD-11 expression in alligator is also absent only in digit I⁵. Experiments applying Cyclopamine (a down-regulator of Shh signaling) to the early wing bud show a frameshift of both digit morphology and HoxD-12 expression with regard to the pattern of cartilage formation, viz., anterior and middle digits now develop from positions 3 and 4, and the posterior digit normally developing from position 4 is lost⁷. In our scenario (Figure 1B), a similar frameshift occurred in the raptorial forelimbs of bird ancestors (Figure 1B, step 2), probably upon loss of digit IV in early Tetanurae^6,7. The frameshift would be unrelated to digit I loss in the extremely reduced forelimbs of Limusaurus (Figure 1B, step 1). A few metacarpal traits of tetanurans resemble those of digits II,III & IV of other theropods¹.  The frameshift could have affected all but these few de-coupled traits, which may provide a morphological signature of the occurrence of the frameshift towards the origin of Tetanurae.

It is debatable whether digit morphologies can disappear and re-appear in a different position, and whether such a step-wise process could be considered a homeotic frameshift (as suggested by Xu et al.). While Limusaurus expands our knowledge of digit reduction in theropods, it does not support a strong inference that any loss and re-gain of digital morphologies has actually occurred in the lineage leading to birds.

Alexander O. Vargas¹, Günter P. Wagner² and Jacques A. Gauthier³.

¹Departamento de Biología, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile, Santiago, Chile. e-mail: thearchosaur@gmail.com

²Department of Ecology and Evolutionary Biology, Yale University, New Haven, Connecticut, United States of America

³ Department of Geology and Geophysics, Yale Peabody Museum of Natural History, New Haven, Connecticut, United States of America

 

 

Figure 1. Alternative interpretations (A and B) of Limusaurus and the evolution of bird digit morphology. A) Limusaurus represents the morphology of bird ancestors; this implies extreme digit reduction occurred (Step 1: loss of digit I, loss and shortening of phalanges), but thereafter normal I, II, III morphologies re-appeared on digits II, III and IV (Step 2). B) Limusaurus does not represent the morphology of bird ancestors. Extreme digit reduction occurred only in Ceratosauria (Step 1); we propose that a homeotic frameshift accompanied the loss of digit IV (orange) in Tetanurae (Step 2), such that morphology and gene expression of digits I, II and III occur at embryological positions 2, 3 and 4⁶. Colours indicate digit identity according to number of phalanges, morphology and gene expression. The number of phalanges developing at each inferred embryological position is indicated under each hand (x means complete loss of the adult digit). Image modified from Xu et al.¹

1. Xu, X., et al. A Jurassic ceratosaur from China helps clarify avian digit homologies. Nature 459: 940-944 (2009)
2. Gauthier, J. A. Saurischian monophyly and the origin of birds. Mem. Calif. Acad. Sci. 8: 1–55 (1986)
3. Müller, G.B., and Alberch, P. Ontogeny of the limb skeleton in Alligator mississippiensis: Developmental invariance and change in the evolution of archosaur limbs. J. Morphol. 203: 151–164 (1990)
4. Vargas AO, Fallon JF. Birds have dinosaur wings: The molecular evidence. J Exp Zool  (Mol Dev Evol) 304B: 86–90. (2005).
5. Vargas, A.O., Kohlsdorf, T., Fallon, J. F., Brooks, J. V. & Wagner, G. P. The evolution of HoxD-11 expression in the bird wing: insights from Alligator mississippiensis. PLoS ONE 3, e3325 (2008).
6. Wagner, G. P. & Gauthier, J. A. 1,2,3 = 2,3,4: a solution to the problem of the homology of the digits in the avian hand. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96, 5111–5116 (1999).
7. Vargas, A.O. & Wagner GP. Frame-shifts of digit identity in bird evolution and Cyclopamine-treated wings. Evolution & Development 11: 163-169 (2009)

El concepto sistémico de Homología es la noción de linaje (con ejemplos de simbiosis)

Maturana y  Mpodozis se plantean la evolución en términos de la conservación y cambio de los fenotipos ontogénicos. La repetición de un fenotipo ontogénico caracteriza a un linaje y es posible gracias a la conservación de aspectos del genotipo total (la estructura resultate de la reproducción) así como la conservación de aspectos del nicho ontogénico, el cual comprende el modo de encuentro del ser vivo con el medio (conducta). La repetición transgeneracional de un fenotipo transcurre de manera sistémica,  y no puede ser reducida, ni al genotipo total, ni al medio. Cuando un nuevo fenotipo ontogénico empieza a conservarse, tenemos que se ha establecido un nuevo linaje.

En  biología evolutiva, la noción de linaje suele relacionarse con ideas poblacionales y de interfecundidad (especies). Sin embargo, estas nociones rara vez rescatan el fenómeno de la conservación de un fenotipo  característico. La noción sistémica de linaje, a nivel organísmico, permite ver que la conservación sistémica de un fenotipo característico es algo que en realidad es mucho más amplio que el fenómeno de la especie. Maturana y Mpodozis son bastante explícitos:

“Thus, for example, and said explicitly, the ongoing existence of any particular organism entails the simultaneous conservation of: its autopoietic organization (either of first or second order, or both, according to the case), the organization proper to the organism under consideration, the different organizations of its different types of cells, and the different organizations of its different organs.

[…]

“The reproduction of an organism involves or implies as a consequence the simultaneous reproduction of all the subsystems that through their structural intersection with it participate in its realization. It is because of this that the evolutionary history of living systems is a history of conservation and change not only of lineages of organisms (see 3.11 below and also appendix, “lineage” and “phylogeny”), but also of lineages of other kinds of systems that intersect with them in their structural realization”

[…]

“the same occurs with entities or systems of other kinds, such as organs or systems of organs that as particular subsystems also intersect in their realization with the realization of the living system that carries them. Such systems as organs are also conserved through the reproduction of the system that carries them. We do not usually consider organs as independently existing entities because we do not easily see the domain in which they exist as such. Yet, if we attend to the evolutionary history of organs, we can see that they form lineages defined by the conservation of some particular epigenic morphogenetic pattern through the successive generations of the carrier living system in the conservation of the realization of its niche.”

De esta forma, la repetición sistémica de un fenotipo característico también puede observarse en los distintos sistemas que componen un organismo; es decir, el concepto de linaje abarca el fenómeno de la homología (cuando claramente podemos reconocer la misma estructura, por ejemplo, un riñón, en diferentes especies). 

De manera similar, quisiera agregar aquí a la lista de fenotipos característicos, los propios a las diferencias sexuales. En realidad, hablar del fenotipo característico de una especie sexuada es hablar de dos fenotipos, el del macho y el de la hembra, que se diferencian por el genotipo total y/o el nicho ontogénico (ambos documentados). Desde un punto de vista sistémico, tenemos dos linajes: dos fenotipos característicos que se repiten, y que son tan distinguibles como una especie lo es de otra. Pero en este caso, no hay ningún aislamiento reproductivo y genético entre estos linajes; lo cual pone de relieve que la diferenciación de estos fenotipos ocurre de manera puramente estructural y sistémica. De manera similar, las diferentes castas de los organismos eusociales tienen fenotipos característicos, por lo que  cada uno de ellos constituye un linaje, pese a que toda la comunidad proviene de la reproducción de una sola “reina” (de manera quizás muy similar a cómo los distintos órganos se diferencian pese a haberse originado de un mismo cigoto).

Homología y Simbiosis

Habiendo ya indicado que tanto las homologías como las especies son instancias particulares del concepto sistémico de linaje, no nos debería extrañar demasiado que exista una “zona gris” en la que homología y especie puedan confundirse. En la evolución nos encontramos con esta situación en el establecimiento de relaciones simbióticas. Entre células eucariontes, sabemos que la mitocondria es un endosimbionte; sin esta información, sin embargo, la reconoceríamos como un órgano homólogo y esencial, reconocible a través de las diferentes especies de eucariontes. Un caso recientemente documentado es acaso más enfático: los cnidocystos son un tipo celular de los cnidarios que son muy semejantes a algunos organismos unicelulares (ambos tienen un mecanismo de “arpón”). Esto coincide con la aparición aparentemente “de novo” de muchos genes relacionados al cnidocysto en cnidarios, por lo que se ha planteado que ha ocurrido la asimilación de un simbionte unicelular[1]. Nótese que el fenotipo del cnidocysto (especialmente, el arpón) se ha mantenido, pese a que ahora pasó a desarrollarse a partir del genotipo total del cnidario, del mismo ovocito fecundado que para cualquier otro tipo celular del cuerpo.

El posible origen simbiótico de los cnidocystos nos abre la pregunta: qué tan diferente es realmente  su caso, del de cualquier otro tipo celular? Cada uno es un linaje que se diferencia de manera sistémica ( y sin participacion de diferencias de ADN, cuyo contenido es el mismo en las diferentes células del cuerpo). La única diferencia es que en el caso del cnidocysto, es posible reconstruir una continuidad histórica de la mantención de ese fenotipo celular, con un linaje que originalmente era independiente y perteneciente a su propia especie. De la endosimbiosis de dos linajes diferentes, pasamos al fenomeno de la homologia. Como en el caso de la mitocondria, el linaje pre-existe por  separado, previo a su incorporacion al linaje portador.

Aun es posible entregar mas ejemplos en que el límite entre distintos tipos de linajes se ha vuelto borroso gracias a la simbiosis; es el caso de una hormiga esclavista, en la que una de sus castas se ha originado por hibridización con otra especie previamente esclavizada; es decir, el fenotipo pre-existía como una especie diferente, antes de existir como una casta de la hormiga esclavista.

La repeticion de un tipo característico es un fenómeno que observamos a niveles tan dispares como el de la especie, el sexo, y las  homologias;  ocurre en todos ellos pese a las grandes diferencias en origen ontogénico, reproductivo y evolutivo. Esto pone de relieve una vez más que la conservación de un fenotipo característico es, ante todo, un fenómeno sistémico. 

-A. Vargas

 

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[1] Los cnidocystos también han podido re-desprenderse del cuerpo del cnidario y vuelto a vivir como unicelulares (myxospora)

Homeosis de dedos de dinosaurios: Cuando la evolución predice las posibilidades del desarrollo

En el desarrollo del ala de las aves, es patente que los dedos se desarrollan a partir de primordios cartilaginosos que se convierten en los dedos 2,3 y 4 (indice, medio, y anular) en otros amniotos. Incluso se puede observar transitoriamente una pequeña condensación cartilaginosa anterior que sería un vestigio del dedo 1 (pulgar) 

Sin embargo, el registro fósil documenta con detalle la transición de dinosaurios terópodos a aves, y en este caso nos cuenta una historia completamente distinta, ya que en esta transición los dedos 4 y 5 (anular y meñique) se hicieron más pequeños y desaparecieron, quedando sólo las morfologías de los dedos 1,2 y 3. 

Para explicar esta peculiar situación, Wagner y Gauthier (1999) hipotetizaron que había ocurrido un desplazamiento homeótico en serie en la evolución del linaje de las aves, tal que los dedos 1,2, y 3 pasaron a desarrollarse de los primordios 2, 3, y 4. Esto implicaba asumir que al correrse la identidad de los digitos, el primordio que normalmente se desarrolla en el dedo 1 quedó “sin identidad” y que en esta posición “vacante” se desarrolla una condensación “truncada”. Este evento podría coincididir con la pérdida del dedo 4, ocurrida hacia el origen de los dinosaurios tetanuros, “C” en la figura de abajo. A es Alligator, B es un dinosaurio temprano Coelophysis.

Tomado de Vargas y Wagner 2009

Hubo quienes rechazaron esta hipótesis ya que implicaba un cambio que no tenía ninguna “ventaja adaptativa”… 

Pese a desarrollarse a partir del primordio del dedo 2, el dedo anterior del ala tiene la morfología bifalangeal que es propia al dedo 1 de amniotos. Se ha demostrado además que en este dedo no hay transcriptos de los genes HoxD-11 y HoxD-12, tal como se observa sólo en el dedo 1 de la mano del ratón. También en crocodilia el dedo 1 carece de transcriptos de HoxD-11. Esto sugiere que el dedo anterior del ala  es un dedo 1.  Esta correspondencia de la transcripción de estos genes con el desarrollo de un dedo 1 bifalangeal se mantiene bajo una variedad de alteraciones moleculares-genéticas en ratón y pollo (amniotos máximamente distantes).

Ahora, un artículo en Evolution & Development ha demostrado que, por medio de la aplicación de cyclopamina en el ala del pollo, es posible producir de manera experimental un desplazamiento homeótico bastante similar al que se había inferido previamente para la evolución: dedos que normalmente se desarrollan de los primordios  2 y 3 ahora se desarrollan de los primordios 3 y 4. Esto es interesante porque antes sólo se habían obtenido de manera experimental transformaciones de dedos únicos, pero no así desplazamientos en serie de más de un dedo.  También es muy interesante que el primordio del dedo 2, al quedar vacante, se desarrolla como una condensacion vestigial, tal como se había inferido para la evolución de las aves. 

Fenotipo normal

Tratado con Cyclopamina, indicando condensación vestigial

Close-up de la condensación vestigial 

Referencia:

Vargas, AO y Wagner, GP. 2009. Frame-shifts of digit identity in bird evolution and Cyclopamine-treated wings. Evolution & Development 11(2): 163-9