Hoe de eerste zoogdieren naast de dinosauriërs leefden

De nacht valt in het vroege Jura, 185 miljoen jaar geleden, en de Kayentatherium zorgt voor haar pas uitgekomen broedsel. Hevige regenbuien beuken over de oever boven haar hol terwijl ze over haar tientallen kleine jongen waakt. Ze is ongeveer zo groot als een grote kat en kan gemakkelijk doorgaan voor een zoogdier, maar haar grote kaakbeen, karakteristieke tanden en het ontbreken van externe oren verraden haar: ze is een cynodont, een lid van de groep waaruit de zoogdieren zijn geëvolueerd. Op een gegeven moment stort de dichtgeslibde oever zonder waarschuwing in, waardoor de jongen en hun moeder in de modder verstrikt raken.

Daar bleven ze tot de zomer van 2000, toen een groep fossielenjagers onder leiding van Timothy Rowe van de Universiteit van Texas in Austin bij toeval op hun verspreid liggende botten stuitte tussen de rotsen van de Kayenta Formatie in Noord-Arizona.

Die eerste ontmoeting met de fossielen maakte weinig indruk op de paleontologen. Ze groeven het blok op en verscheepten het terug naar het laboratorium om het veilig te bewaren. Pas negen jaar later merkte een specialist die het fossiel voor onderzoek aan het prepareren was, iets opzienbarends op: in het blok zaten kleine tandjes en kaakbeenderen van slechts 1 centimeter lang. “Onmiddellijk stopten ze met de voorbereiding en dachten na over manieren om de baby’s niet-destructief te onderzoeken,” zegt Eva Hoffman, destijds samen met Rowe in Texas en nu paleontologe in het American Museum of Natural History in New York City. In plaats van in te breken in de rots, haalden Hoffman en Rowe de botten er digitaal uit met een microcomputed tomography (microCT) scanner, die röntgenstralen gebruikt om fijnkorrelige 3D-beelden te maken.

Wat ze vonden in de rots waren de eerste bekende baby’s van zoogdieren of hun verwanten uit het Jura – en niet slechts één, maar 38 van hen, waarmee dit een van de meest significante ontdekkingen is die de afgelopen tien jaar zijn gedaan met betrekking tot de oorsprong van zoogdieren.1

De baby’s die ze vonden in de rots waren de eerste baby’s van zoogdieren of hun verwanten uit het Jura. Kayentatherium staat op de drempel van het zoogdier-zijn – en onderzoekers zeggen dat het cruciale inzichten verschaft in welke eigenschappen zoogdieren definiëren en welke aanwezig waren in hun vroegere verwanten.

Het skelet van Kayentatherium lijkt in veel opzichten op dat van een zoogdier, maar het fossiel suggereerde dat het zich nog steeds voortplantte als een reptiel, door het baren van grote nesten met klein-gebrainde nakomelingen. Zoogdiermoeders daarentegen investeren veel in een kleiner aantal baby’s, die elk een grotere kans hebben om te overleven”, aldus Hoffman. Zoogdierbaby’s blijven langer onder de hoede van hun ouders en ontwikkelen relatief grote hersenen, terwijl deze fossiele jongen goed ontwikkelde botten en tanden hadden, wat erop wijst dat ze voor zichzelf konden zorgen en niet werden gevoed door melk, zoals alle zoogdieren tegenwoordig.

De vondst is een van de vele ontdekkingen in de afgelopen 10-20 jaar die mijlpalen in de evolutie van zoogdieren ophelderen. Hoewel over de hele wereld belangrijke vondsten worden gedaan, komt het grootste aantal uit China; samen hebben zij het nu gedateerde geloof onderuitgehaald dat zoogdieren uit het dinosaurustijdperk kleine, onopvallende insecteneters waren, die een bestaan leidden in de schaduw van de reusachtige reptielen.

De fossielen hebben onthuld dat vroege zoogdieren ecologisch divers waren en experimenteerden met glijden, zwemmen, graven en klimmen. De ontdekkingen beginnen ook de evolutionaire oorsprong van veel van de belangrijkste eigenschappen van zoogdieren te onthullen – zoals borstvoeding, grote hersenen en buitengewoon scherpe zintuigen.

“De explosie van ontdekkingen van vroege zoogdieren, met name uit China, in de afgelopen twee decennia is oogopenend, geestdodend en absoluut duizelingwekkend,” zegt David Krause, een paleontoloog van gewervelde dieren van het Denver Museum of Nature and Science in Colorado.

De stortvloed aan ontdekkingen roept ook discussie op: sommige onderzoekers zijn het niet eens over welke fossiele groepen echte zoogdieren zijn en over de vorm van de stamboom van zoogdieren. “We willen onze vroege geschiedenis begrijpen in de taal van de evolutionaire biologie, en dat is wat me bezighoudt,” zegt Zhe-Xi Luo, paleontoloog aan de Universiteit van Chicago in Illinois. “Daarom is dit hele vakgebied zo interessant, omdat het fossielenbestand steeds beter wordt en we sommige van deze vragen echt beginnen aan te pakken.”

Uit de schaduw

In 1824 presenteerde naturalist William Buckland op de Geological Society of London botten van een van de eerste bekende dinosaurussen, Megalosaurus. Tijdens dezelfde lezing onthulde hij kleine kaakjes van zoogdieren die in dezelfde fossiele vindplaats waren gevonden. Hun aanwezigheid suggereerde dat zoogdieren een zeer lange geschiedenis hadden, maar zoals herhaaldelijk zou gebeuren, overschaduwden de dinosaurusvondsten de zoogdiervondsten volledig.

De langzame stroom zoogdiervondsten uit de hele wereld ging 150 jaar lang door. Toen beschreven onderzoekers in 1997 het eerste oude zoogdier uit de fossielrijke gesteenten van Liaoning in het noordoosten van China2, en de sluizen gingen open. Sindsdien zijn daar 50 of meer bijna-complete en “prachtige exemplaren” gevonden, volgens Jin Meng, paleontoloog bij het American Museum of Natural History. Net als de dinosaurusfossielen zijn ze opgegraven door lokale boeren en doorverkocht aan musea.

Maar de dinosaurussen bleven de overgrote meerderheid van de aandacht krijgen, zegt paleontoloog Steve Brusatte van de Universiteit van Edinburgh in het Verenigd Koninkrijk. “Pas sinds kort, dankzij het werk van Luo, Meng en anderen, krijgen de zoogdieren de aandacht die ze verdienen.”

De meeste zoogdierfossielen in China zijn ontstaan toen vulkanen de dieren in as begroeven – en ze zijn prachtig gedetailleerd. Typische zoogdierfossielen uit het Mesozoïcum (252 miljoen tot 66 miljoen jaar geleden) zijn niet veel meer dan tanden en kaakfragmenten, maar Chinese exemplaren hebben vaak complete skeletten, met vacht, huid en inwendige organen. “We hebben veel details om wetenschappelijke vragen te beantwoorden,” zegt Meng, Hij is bijvoorbeeld geïnteresseerd in het begrijpen van de evolutie van het oor van zoogdieren.

De vondsten haalden eerdere dogma’s onderuit. “Vroeger zeiden we dat zoogdieren in de tijd van de dinosauriërs totaal niet spectaculair waren. Dat het gewoon muisjes waren die in de schaduw rondscharrelden,” zegt Brusatte. Maar deze dieren “ondergingen hun eigen evolutionaire explosie”, zegt hij.

Zoogdieren verschenen minstens 178 miljoen jaar geleden voor het eerst, en scharrelden tussen de dinosauriërs totdat de meerderheid van deze beesten, met uitzondering van de vogels, 66 miljoen jaar geleden werd uitgeroeid. Maar zoogdieren hoefden niet op dat uitsterven te wachten om zich te diversifiëren in vele vormen en soorten. “Deze nieuwe ontdekkingen documenteren een enorme, tot nu toe ongekende ecologische diversiteit,” zegt Richard Cifelli, paleontoloog aan de Universiteit van Oklahoma in Norman.

Een van de eerste innovaties die onderzoekers in fossiele vorm begonnen terug te vinden, had te maken met de voortbeweging. In 2006 meldde Meng’s team het eerste zweefzoogdier3, de 164 miljoen jaar oude Volaticotherium, die vleugelmembranen van harige huid had, zoals de vliegende eekhoorns van nu. In 2017 voegde Luo’s team daar Vilevolodon en Maiopatagaium4,5 aan toe, die rond dezelfde tijd leefden en behoorden tot een groep die de haramiyids wordt genoemd. Deze dieren zweefden tussen de bomen aan de zijde van enkele van de eerste vliegende dinosaurussen, en profiteerden van voorheen onontgonnen voedselbronnen.

Onderzoekers vonden andere specialisaties waarvan zij aannamen dat die pas later waren ontstaan: Agilodocodon kon in bomen klimmen en knaagde in de schors om zich tegoed te doen aan sap6; de rivierbewoner Castorocauda ter grootte van een vogelbekdier had voeten met zwemvliezen en een beverachtige staart om te zwemmen7; en Docofossor had poten en klauwen om te graven, en zag eruit als een moderne mol8.

Deze zoogdieren hadden zich ook aangepast aan een veelheid van diëten, veel diverser dan eerder werd aangenomen. In 2014 beschreef Krause de grondhoenachtige Vintana uit Madagaskar9, een herbivoor die zich misschien voedde met wortels en zaden. En de vleeseter Repenomamus, ter grootte van een veelvraat, waarover het team van Meng in 2005 berichtte, had botjes van babydinosauriërs in zijn maag10. Meng: “Veel van deze nieuw ontdekte fossiele zoogdieren behoren tot subgroepen die al lang uitgestorven zijn. In tegenstelling tot het Mesozoïcum zijn er tegenwoordig nog maar drie soorten zoogdieren: de placenta’s, die de meerderheid van de soorten uitmaken en waartoe ook de mens behoort; de buideldieren, zoals kangoeroes en koala’s, die slechts kort in de baarmoeder leven en zich verder ontwikkelen in een buidel; en de eierleggende monotremen, die alleen door het vogelbekdier en verschillende mierenegels worden vertegenwoordigd. “Maar in de geologische geschiedenis waren er veel andere groepen, zoals multituberculaten, triconodonten en haramiyiden,” zegt Meng. “Zoogdieren waren eigenlijk heel divers in het Jura.”

Sommige, zoals de spitsmuisachtige Juramaia – beschreven door Luo’s team in 2011 en gedateerd op 160 miljoen jaar geleden – behoren tot de vroegste placentale zoogdieren en hebben daarom het potentieel om onze voorouders te zijn11.

En een paar zoogdieren uit het dinosaurustijdperk waren ook veel groter dan vermoed. Repenomamus woog 12-14 kilo en de Vintana, zo groot als een wasbeer, woog 9 kilo. “Het is opwindend dat we de oude mythe hebben ontkracht dat de vroege zoogdieren afstamden van een zeer bescheiden, algemene voorouder,” zegt Luo.

De vondsten komen niet alleen uit China. Belangrijke fossielen komen ook uit de Verenigde Staten, Spanje, Brazilië, Argentinië, Madagaskar en Mongolië. Enkele van de meest intrigerende en oudste fossielen – en ook de grootste leemten in onze kennis – hebben betrekking op de zuidelijke continenten, waar slechts vijf genera van Mesozoïsche zoogdieren en hun verwanten bekend zijn, vergeleken met meer dan 70 genera uit de noordelijke breedtegraden. In de afgelopen twee decennia heeft Brazilië verschillende Trias-fossielen opgeleverd die meer dan 200 miljoen jaar oud zijn. Guillermo Rougier, paleontoloog aan de Universiteit van Louisville in Kentucky, beschrijft ze als “ongelooflijke ontdekkingen” die precies op het raakvlak liggen tussen zoogdieren en hun kynodontische voorouders. “Deze vormen laten echt een overgang zien van dingen die typisch niet zoogdieren zijn, naar dingen die vrijwel alle kenmerken hebben van vroege zoogdieren.”

Mammal must-haves

De nieuwste vondsten bieden ook aanwijzingen voor de evolutie van belangrijke kenmerken van zoogdieren. Zo is het scherpe gehoor van zoogdieren deels te danken aan kleine botjes in het middenoor – de malleus, de incus en de ectotympanic. Maar bij de reptielachtige voorouders van de zoogdieren maakten deze botjes deel uit van de kaak, en werden zij gebruikt om te kauwen in plaats van te horen. Voorlopers van zoogdieren, zoals de spitsmuisachtige Morganucodon van 205 miljoen jaar geleden, hadden een prototype van de zoogdierindeling die beide functies mogelijk maakte.12

In 2011 meldde Meng een tussenvorm13: een 120 miljoen jaar oud exemplaar uit China dat behoorde tot een groep zoogdieren die eutriconodonts worden genoemd en de naam Liaoconodon hui hebben gekregen (zie ‘Zoogdierkenmerken’). Het fossiel ter grootte van een rat vertoonde drie middenoorbeentjes, maar die zaten nog met kraakbeen aan de kaak vast. “De gehoorfunctie en de kauwfunctie waren nog niet volledig gescheiden,” legt hij uit. Dit was hard bewijs voor de evolutionaire overgang van kaak naar oor.

Een andere unieke eigenschap van zoogdieren is de geraffineerde manier waarop ze voedsel kauwen en in kleine pakketjes inslikken, in plaats van het in zijn geheel door te slikken zoals slangen en alligators doen. Om dat mogelijk te maken, hebben zoogdieren een grote verscheidenheid aan complexe tanden ontwikkeld om voedsel te bijten en te vermalen.

Maar als baby worden zoogdieren op een andere manier gevoed – door te zuigen uit de borstklieren van hun moeder. “Onze hele groep is genoemd naar deze ongelooflijke biologische innovatie,” zegt Luo. Het drinken van melk wordt mogelijk gemaakt door het vermogen om te zuigen en te slikken, daarbij geholpen door de tongbeenderen in de keel en de spieren die deze ondersteunen. Dit apparaat vormt ook de stemdoos.

In juli publiceerde Luo een artikel over een 165 miljoen jaar oude docodont ter grootte van een woelmuis – een nauwe verwant van echte zoogdieren – waarvan de tongbeenderen van zijn keel bewaard zijn gebleven14. Microdocodon gracilis is het vroegste dier waarvan bekend is dat het kon zogen als een modern zoogdier.

Dit niveau van detail is zeldzaam, en – vergelijkbaar met de studie van de Kayentatherium broedsels – het werk aan zowel het oor als de keel botten is alleen mogelijk gemaakt door de vooruitgang in de microCT scanning technieken, zegt Krause. De techniek heeft ook details aan het licht gebracht over het reukvermogen en de hersenen van vroege zoogdieren. Deze onthullingen “blazen leven in deze vroege zoogdieren op manieren die voorheen onmogelijk en bijna ondenkbaar waren”, zegt hij.

Veel van de kenmerken die wij als kenmerkend voor zoogdieren beschouwen – complexe tanden, uitstekende zintuigen, zogen, kleine worpen – zouden eigenlijk wel eens vóór de echte zoogdieren kunnen zijn geëvolueerd, en vrij snel. “Het lijkt er steeds meer op dat het allemaal in een zeer korte periode van evolutionaire experimenten tot stand is gekomen,” zegt Luo. Tegen de tijd dat er in het Mesozoïcum zoogdierachtige wezens rondliepen, zegt hij, “had de lijn al zijn moderne uiterlijk en moderne biologische aanpassingen gekregen”.

Familiedrama

oewel de deskundigen het op veel punten eens zijn, is er nog veel discussie over hoe vroege zoogdiergroepen verwant zijn, en welke groepen echte zoogdieren zijn. Dat leidt tot onzekerheid over hoe belangrijke eigenschappen zijn geëvolueerd, aldus Hoffman.

Een knelpunt tussen Meng en Luo, die elk hun eigen evolutiestamboom hebben ontwikkeld, zijn de haramiyïden. Meng denkt dat deze vroege groep bij de echte zoogdieren hoort, terwijl Luo ervan overtuigd is dat het een zijtak is. De oudst bekende haramiyiden zijn van 208 miljoen jaar geleden in het Trias. Als het echte zoogdieren zijn, dan gaat de oorsprong van de zoogdieren minstens zo ver terug – zo niet, dan is het oudst bekende zoogdier 178 miljoen jaar oud, ver in het Jura.

Meer fossielen zullen helpen om dergelijke vragen op te lossen, en voor meer verrassingen zorgen. Krause en Meng zeggen dat ze allebei spannende fossielen bestuderen, maar dat ze hun bevindingen daarover nog moeten publiceren, en tientallen onbestudeerde exemplaren liggen opgestapeld in de kantoren van hun Chinese collega’s.

Paleontologen hebben veel dingen op hun verlanglijstje staan. Eén eigenschap die Luo wil begrijpen is de groeisnelheid. Reptielen groeien langzaam gedurende hun hele leven, terwijl zoogdieren in hun jeugd in uitbarstingen groeien en daarna een plateau bereiken. Hij zou graag een reeks fossielen van baby’s tot volwassenen vinden om dit te zien gebeuren. “

Hoffman en Meng zijn het er allebei over eens dat embryo’s en meer baby’s belangrijke vondsten zouden zijn – en net als de vondst van de Kayentatherium met zijn tientallen broedsels, zouden ze ons helpen de datum vast te stellen waarop zoogdierachtige kleine worpen zijn ontstaan. Mengs droom is een zwanger zoogdier te vinden. “Ik heb altijd in gedachten dat ik een zoogdier zal vinden waarvan je binnenin het skelet een heel delicaat skelet kunt zien, dat ofwel een ei is dat nog niet is uitgekomen, ofwel een interessantere foetus,” zegt hij.

Als de vlaag van ontdekkingen onderzoekers iets heeft geleerd, dan is het wel dat elke fossiele vondst het potentieel heeft om een hoofdstuk aan de evolutionaire geschiedenis toe te voegen of zelfs het heersende verhaal op zijn kop te zetten. “We zitten echt in deze opwindende, bijna manische fase van veel nieuw bewijsmateriaal dat binnenkomt, en het zal tijd kosten om dat samen te vatten,” zegt Brusatte.