The evolution of the feather: Sinosauropteryx, a colourful tail

“If the difficulties [of science] are intentionally concealed, or merely removed by palliatives, then sooner or later they burst out into incurable mischiefs” (Kant 1788).

Abstract

A recent development in the identification of feathers in fossils by means of melanosomes was used to suggest that structures observed in an SEM of a filament in the basal theropod dinosaur, Sinosauropteryx, were phaeomelanosomes and that they represented conclusive evidence that the filaments were early feathers. At the most basic level, the claims of phaeomelanosomes are shown here to be founded on an optical illusion created when the SEM is reproduced at low image size—viewed at larger image size (~2× original) the structures are nondescript in both size and shape and impossible to equate with phaeomelanosomes. At a higher level of investigation, the study is seriously questioned for ignoring standard scientific protocol: despite size and shape being critical to the identification of the phaeomelanosomes, no statistically viable measurements of the structures (particles) were made—the measurements, which are simply conjectured, are shown here to be incorrect in the speculated sizes, and in shapes; inferences made on vital characters from birds and advanced non-avian dinosaurs, e.g. with respect to colour banding, are without confirmation in the test animal but conjectured on circular argumentation; alternative arguments, e.g. that the particles might be bacteria or colour from the overlying skin, are peremptorily dismissed or not considered; suggestions that the particles are embedded within the filament are without support since there is no evidence of cross-sections or tangential sections either made or occurring serendipitously—only a single section is reported, apparently of the filament’s surface. False dichotomies such as, if the structures are not bacteria they must be melanosomes, are questioned given that one of the most important factors in the taphonomy of ancient (structures in question, ~130 MYR) fossilised filaments i.e., decomposition—that the structures might reasonably represent the degraded remains of the filaments—is not even considered. Here, from experiments on the decomposition of native collagen in fish and reptilian dermis, SEMs of their ultrastructure show that distinctive spherical, elliptical or oblate particles, even more so than those figured in Sinosauropteryx, typically form during degradation. This is confirmed in SEMs of degraded collagen fibres in a 225-MYR ichthyosaur fossil, virtually point by point. In addition numerous small bead-like structures in the filament of Sinosauropteryx bear a striking resemblance to the unique 67-nm D-bands of collagen, in both shape and size. This paper does not question the value of scientifically meritorious identifications of melanosomes, as indeed of collagen and keratin, in interpreting the integumental structures of fossil animals. However, allegations of phaeomelanosomes in Sinosauropteryx are shown to be without scientific merit.

Zusammenfassung

Eine kürzlich entwickelte Methode zur Bestimmung von Federn in Fossilien mit Hilfe von Melanosomen wurde zur Behauptung herangezogen, dass Strukturen, die in einer REM-Aufnahme eines Filaments von einem basal stehenden, theropoden Dinosauriers, Sinosauropteryx, Phaeomelanosomen seien und sie den endgültigen Beweis erbrächten, dass diese Filamente frühe Federn darstellten. Auf einfachstem Niveau zeigen wir hier, dass der angebliche Nachweis von Phaeomelanosomen auf einer optischen Täuschung beruht, die entsteht, wenn eine REM-Aufnahme bei geringer Auflösung kopiert wird – betrachtet man die Strukturen vergrößert (~2x Originalgröße) sind die Strukturen sowohl in Größe, als auch in Form undefinierbar und unmöglich mit Phaeomelanosomen in Deckung zu bringen. Auch auf höherer Ebene betrachtet, stellen wir die Studie ernsthaft in Frage, weil sie wissenschaftliches Standardprotokoll ignoriert: Obwohl für die Bestimmung der Phaeomelanosomen Größe und Form unbedingt notwendig sind, wurden von den Strukturen (Partikeln) keine statistisch verwendbaren Messungen durchgeführt, und wir zeigen hier, dass die Messungen, die schlichtweg gemutmaßt sind, weder in der Größe noch in der Form korrekt sind; Rückschlüsse, die aus Lebendmerkmalen rezenter Vögel und höher entwickelter, nicht-aviärer Dinosaurier z.B. bezüglich von Farbbänderungen gezogen werden, sind am Testorganismus nicht bestätigt, sondern spekulativ auf einem Zirkelschluss beruhend; Alternativbehauptungen, dass die Partikel beispielsweise Bakterien oder Farbe der darüber liegenden Haut sein könnten, sind mutwillig weggelassen oder nicht in Erwägung gezogen; der Vorschlag, dass die Partikel in das Filament eingebettet sind, bleibt ohne Untermauerung, da es keinerlei Hinweise auf durchgeführte oder zufällige Quer- oder Tangentialschnitte gibt – lediglich eine einzige Sektion wird vorgestellt, offensichtlich von der Oberfläche des Filaments. Wir stellen die fälschlicherweise dichotom geführte Argumentationen, wie etwa, wenn die Strukturen keine Bakterien sind, müssen es Melanosomen sein, deshalb in Frage, weil einer der wichtigsten Faktoren in der Taphonomie urzeitlicher (besagte Strukturen, ~130 Millionen Jahre), fossilisierter Filamente, d.h. die Degradation – dass die Strukturen begründbar die degradierten Überreste von Filamenten darstellen könnten – nicht einmal in Erwägung gezogen wird. Aus Degradierungs-Experimenten von natürlichem Kollagen in Fisch- und Reptilienhaut zeigen hier REM-Aufnahmen von deren Ultrastruktur, dass charakteristische sphärische, elliptische oder abgeflachte Partikel, sogar noch deutlicher als die bei Sinosauropteryx festgestellten, typischerweise während der Degradation entstehen. Dies wird noch quasi Punkt für Punkt durch REM-Aufnahmen von degradierten Kollagen-Fasern eines 225 Millionen Jahre alten Ichthyosaurier Fossils bestätigt. Zusätzlich zeigen zahlreiche perlenartige Strukturen im Filament von Sinosauropteryx in Form wie in Größe eine hochgradige Ähnlichkeit zu 67 nm D-Einzelbändern von Kollagen. Diese Publikation stellt nicht den Wert wissenschaftlich fundierter Nachweise von Melanosomen, oder die von Kollagen und Keratin für die Interpretation von Integumentstrukturen fossiler Tiere in Frage. Behauptungen zu Existenz von Phaeomelanosomen bei Sinosauropteryx erscheinen allerdings wissenschaftlich wertlos.