New insights into the postcranial morphology of Lithornis vulturinus from the Eocene London Clay

Diese Studie nutzt hochauflösende Mikro-CT-Scans, um die Postkranialmorphologie von zwei *Lithornis vulturinus*-Exemplaren aus dem London Clay detailliert zu beschreiben, wodurch neue anatomische Einblicke gewonnen, eine revidierte Differentialdiagnose erstellt und Hinweise auf intraspezifische Variation sowie die frühe Evolution der Palaeognathae geliefert werden.

Das Wesentliche

🦅 Ein Blick in die Vergangenheit: Die Entdeckung eines fliegenden „Straußen-Urgroßvaters"

Stellen Sie sich vor, Sie finden einen alten, verschollenen Familienalbum-Eintrag, der zeigt, wie Ihre Vorfahren vor Millionen von Jahren aussahen. Genau das haben Forscher mit einem neuen Fossil aus dem London Clay (einer berühmten Schicht aus dem frühen Eozän, also vor etwa 50 Millionen Jahren) getan.

Die Geschichte dreht sich um Lithornis vulturinus, einen ausgestorbenen Vogel, der eng mit den heutigen Straußen, Emus und Kiwis verwandt ist. Aber hier ist der große Unterschied: Während die heutigen Verwandten (die sogenannten „Ratiten") flugunfähig sind und am Boden laufen, war der Lithornis ein Meisterflieger. Er war sozusagen der „fliegende Cousin" der heutigen Strauße.

🕵️‍♂️ Die Detektivarbeit: Röntgenbilder aus Stein

Das Problem war, dass das wichtigste Original-Exemplar (das „Neotypus"-Fossil) in einem dicken, harten Klumpen aus Lehm und Gestein steckte. Man konnte die Knochen von außen kaum sehen. Es war, als würde man versuchen, das Innere einer verschlossenen Nuss zu beschreiben, ohne sie aufzubrechen.

Die Forscher nutzten daher eine High-Tech-Methode: Sie machten extrem detaillierte 3D-Röntgenaufnahmen (Mikro-CT-Scans). Das ist wie ein digitaler „Keks-Aufbrecher". Ohne den Stein zu zerstören, konnten sie die Knochen virtuell aus dem Gestein herauslösen, drehen und von allen Seiten betrachten.

🆕 Ein neuer Verwandter taucht auf

Neben der Neuauswertung des alten Fossils entdeckten die Forscher ein zweites, fast komplettes Skelett in der Nähe (in Seasalter). Dieses neue Exemplar war wie ein „Zwillingsbruder", der jedoch etwas größer und schwerer war als das Original.

• Die Größe: Das neue Skelett war etwa ein Drittel schwerer als das alte.
• Die Frage: War das ein anderer Vogel? Oder war es einfach ein größeres Exemplar derselben Art?
• Die Antwort: Die Forscher glauben an Geschlechtsdimorphismus. Das bedeutet, dass die Weibchen deutlich größer waren als die Männchen – genau wie bei vielen heutigen Vögeln (z. B. bei einigen Enten oder Straußen), wo die Weibchen oft die größeren sind. Das neue, große Skelett könnte also ein Weibchen und das alte ein Männchen gewesen sein.

🦴 Was haben wir gelernt?

Durch diese digitale Entschlüsselung konnten die Wissenschaftler viele neue Details über den Körperbau des Lithornis herausfinden:

1. Der Brustkorb: Der Brustbein-Knochen (Sternum) hatte eine spezielle Form, die perfekt für kräftige Flugmuskeln geeignet war. Das erklärt, warum er fliegen konnte, während seine heutigen Verwandten flugunfähig sind.
2. Die Schultern: Die Schulterblätter hatten einen hakenförmigen Fortsatz, der wie ein sicherer Haken für die Flugmuskeln diente. Ein Merkmal, das man bei den heutigen flugunfähigen Straußen vermisst.
3. Die Beine: Die Beine waren kräftig, aber nicht so massiv wie bei reinen Laufvögeln. Sie waren für das Laufen und den Flug gebaut.
4. Eine seltsame Asymmetrie: Ein besonders kurioses Detail: Die Knochen, die die Brustmuskeln verbinden, kreuzen sich in der Mitte des Brustbeins (wie ein gekreuztes Band). Das ist bei Vögeln sehr selten und erinnert an eine alte, ursprüngliche Eigenschaft, die viele andere Vögel später wieder verloren haben.

🌍 Warum ist das wichtig?

Diese Entdeckungen sind wie ein fehlendes Puzzleteil in der Geschichte der Vögel.

• Die Reise: Sie helfen uns zu verstehen, wie die Vorfahren der heutigen Straußen und Kiwis über den Atlantik gereist sind, bevor die Kontinente sich so weit voneinander entfernt hatten, wie heute.
• Der Verlust des Fluges: Sie zeigen, wie sich Vögel von fliegenden Meistern zu bodenlebenden Riesen entwickelt haben. Der Lithornis war der letzte, der beides konnte, bevor die Linie in die flugunfähigen Straußen und die fliegenden Tinamus (kleine südamerikanische Vögel) aufgespalten wurde.

Fazit:
Die Forscher haben mit modernster Technik einen verschlossenen Stein geöffnet und uns gezeigt, dass unsere Vorfahren – die Straußen-Urgroßeltern – einst die Lüfte durchquert haben. Es ist eine Geschichte von Größe, Geschlecht und dem großen Wandel vom Fliegen zum Laufen, die nun durch ein neues, größeres Skelett und digitale Röntgenbilder viel klarer wird.

Technische Zusammenfassung

Titel

Neue Erkenntnisse zur postkranialen Morphologie von Lithornis vulturinus aus dem Eozän der London Clay.

1. Problemstellung und Hintergrund

Die tiefste phylogenetische Spaltung innerhalb der rezenten Vögel (Neornithes) liegt zwischen den Palaeognathae (Strauße, Nandus, Kiwis, Emus und die flugfähigen Tinamus) und den Neognathae. Die frühen Evolutionsstadien der Palaeognathae sind aufgrund einer spärlichen Fossilrecord weitgehend unklar. Eine Gruppe ausgestorbener, flugfähiger Palaeognathen aus dem Paläogen Europas und Nordamerikas, die Lithornithiden, gilt als Schlüssel zur Klärung des Ursprungs dieser Gruppe.

Das Hauptproblem besteht darin, dass das Holotyp-Exemplar von Lithornis vulturinus (dem Typus der Gattung Lithornis und damit der Familie Lithornithidae) im Zweiten Weltkrieg zerstört wurde. Das derzeitige Neotyp-Exemplar (NHMUK A5204) aus der London Clay (Insel Sheppey, England) ist teilweise von Matrix umhüllt und unvollständig, was eine detaillierte morphologische Analyse und eine präzise Differenzialdiagnose erschwert. Zudem fehlen vergleichbare, gut erhaltene Skelettelemente, um die Variabilität innerhalb der Art und die phylogenetischen Beziehungen innerhalb der Lithornithidae vollständig zu verstehen.

2. Methodik

Die Studie kombiniert hochauflösende Bildgebung mit phylogenetischen Analysen:

• Proben: Zwei Exemplare wurden untersucht:
  1. Das Neotyp-Exemplar L. vulturinus (NHMUK A5204) von der Isle of Sheppey.
  2. Ein neu entdecktes, unbeschädigtes Fossil in einem Tonknollen aus Seasalter (ebenfalls London Clay, nahe Sheppey), das als L. vulturinus referenziert wurde.
• Bildgebung: Beide Proben wurden mittels hochauflösender Mikro-CT-Scans (Micro-CT) untersucht.
  • NHMUK A5204 wurde am Natural History Museum London gescannt.
  • Das Seasalter-Exemplar wurde am Cambridge Biotomography Centre gescannt.
  • Die Scans ermöglichten die digitale Segmentierung und Rekonstruktion von Knochen, die im Neotyp teilweise oder vollständig von Gesteinsmatrix bedeckt waren.
• Morphologische Analyse: Eine detaillierte anatomische Beschreibung der postkranialen Elemente (Wirbelsäule, Schultergürtel, Vorder- und Hintergliedmaßen, Brustbein, Becken) wurde durchgeführt und mit anderen Lithornithiden (z. B. MGUH 26770, Calciavis grandei) sowie rezenten Tinamus (Eudromia elegans) verglichen.
• Phylogenetik: Die beiden neuen Datensätze wurden in die morphologische Datenmatrix von Nesbitt und Clarke (2016) integriert. Es wurden Analysen unter Verwendung von Parsimonie (TNT) und Bayesscher Inferenz (MrBayes) durchgeführt. Dabei wurden sowohl unkonstruierte Analysen als auch Analysen mit molekularen Rückgrat-Constraints (basierend auf aktuellen DNA-Studien) durchgeführt.
• Körpermassenschätzung: Die Körpermasse wurde basierend auf verschiedenen skelettalen Korrelaten (z. B. Durchmesser des Humerus-Artikulationsfachs am Coracoid) nach den Gleichungen von Field et al. (2013) geschätzt.

3. Hauptbeiträge und neue Erkenntnisse

A. Anatomische Redefinition von Lithornis vulturinus:

• Durch die CT-Scans des Neotyps konnten erstmals Knochen beschrieben werden, die zuvor unsichtbar waren.
• Das Seasalter-Exemplar liefert das erste vollständige, dreidimensional erhaltene Brustbein (Sternum) und zwei intakte Scapulae mit dem für Lithornithiden diagnostischen gehakten Acromion-Prozess, der im Neotyp fehlt.
• Es wurden neue diagnostische Merkmale identifiziert, wie z. B. eine proximale Richtung des lateralen Prozesses des Coracoids und eine spezifische Form des lateralen Kamms des Tibiotarsus.
• Die Studie bestätigt, dass Lithornithiden ein asulzates Hypotarsus (ohne Hypotarsalkanäle) besitzen, was auf eine bodenbewohnende Lebensweise hindeutet, aber gleichzeitig morphologische Anpassungen für einen effizienten Langstreckenflug aufweisen (z. B. sigmoide Humeri, fehlende Notarien).

B. Taxonomie und Variabilität:

• Das Seasalter-Exemplar wurde aufgrund apomorpher Merkmale und der geografischen Nähe zur Typlokalität sicher L. vulturinus zugeordnet.
• Körpermassenschätzung: Das Seasalter-Exemplar ist mit einer geschätzten Masse von ca. 1487 g etwa ein Drittel schwerer als das Neotyp-Exemplar (ca. 956 g) und deutlich schwerer als das bekannte Exemplar MGUH 26770 (ca. 628 g).
• Diese Größenunterschiede deuten auf eine starke intraspezifische Variation hin, möglicherweise bedingt durch sexuellen Dimorphismus (umgekehrter sexueller Dimorphismus, bei dem Weibchen größer sind, wie bei vielen Tinamus üblich). Dies wirft Fragen zur Artgrenze von MGUH 26770 auf, das möglicherweise einer anderen Art angehört.

C. Phylogenetische Ergebnisse:

• In allen Analysen wurde die Lithornithidae als monophyletische Gruppe recovered.
• Innerhalb der Lithornithidae bleibt die Auflösung jedoch begrenzt; L. vulturinus (Neotyp und Seasalter) sowie MGUH 26770 bilden eine Polytomie mit anderen Arten wie L. promiscuus und Paracathartes howardae.
• Unter molekularen Constraints (die Tinamus als Schwesterngruppe der flugunfähigen Ratiten setzen) erscheinen Lithornithiden oft als Schwesterngruppe der Tinamus, was auf eine enge Beziehung und möglicherweise einen gemeinsamen flugfähigen Vorfahren hindeutet.
• Die Position der Lithornithidae als Stammgruppe der Palaeognathae bleibt unsicher und hängt von den angewandten Constraints ab.

D. Evolutionäre Implikationen:

• Die Studie identifiziert das "kreuzte Coracoid-Sulcus" (die Sulci am Brustbein kreuzen sich in der Mitte) als ein ursprüngliches Merkmal der Neornithes, das bei Lithornithiden erhalten blieb, aber bei vielen modernen Vögeln sekundär verloren ging. Dies ist ein seltenes Beispiel für bilaterale Skelettasymmetrie bei Vögeln.
• Die detaillierten anatomischen Beschreibungen sollen helfen, potenzielle Palaeognathen-Fossilien aus dem späten Kreidezeitalter zu identifizieren, die bisher übersehen wurden.

4. Signifikanz

Diese Studie ist von großer Bedeutung für das Verständnis der frühen Evolution der Vögel:

1. Rettung des Typusmaterials: Sie liefert die erste umfassende Neubewertung des Neotyps von L. vulturinus seit dessen Benennung, indem sie verborgene Merkmale durch CT-Technologie freilegt.
2. Klärung der Variabilität: Sie zeigt, dass die Größenunterschiede innerhalb der Lithornithidae signifikant sein können und möglicherweise auf sexuellen Dimorphismus zurückzuführen sind, was die taxonomische Abgrenzung von Arten erschwert.
3. Flugfähigkeit: Sie untermauert die Hypothese, dass Lithornithiden flugfähige Vorfahren der heutigen, oft flugunfähigen Palaeognathen waren und dass der Flugverlust bei den Ratiten unabhängig voneinander mehrmals stattfand.
4. Brücke zur Kreidezeit: Durch die Bereitstellung präziser anatomischer Daten (insbesondere postkranialer Merkmale, da der Palaeognathen-Schnabel später evolvierte sein könnte) bietet die Studie Werkzeuge, um die ersten Palaeognathen des Mesozoikums zu identifizieren und so die Lücke zwischen molekularen Datierungen (die eine Kretazische Divergenz nahelegen) und dem Fossilrecord zu schließen.

Zusammenfassend erweitert diese Arbeit das Verständnis der Morphologie, Systematik und Biogeographie der Lithornithiden und liefert kritische Daten für die Rekonstruktion der frühen Evolution der Palaeognathae.