Dilong était l'un des plus anciens ancêtres connus du Tyrannosaurus rex, les fossiles d'au moins quatre individus ont été découverts sur le site, dont aucun n'était complètement développé. L'holotype consiste en un squelette semi-articulé presque complet avec un crâne. La particularité du fossile de Dilong est le fait que c'était la première fois que des preuves ont été fournies que certains tyrannosaures avaient des plumes. La queue, assez courte, avait une sorte de rang de plumes au bout, comme celles de Caudipteryx sont connus. Ce fait a donné à l'animal une apparence d'oiseau. Les plumes peuvent être vues dans les empreintes de peau fossilisées dans la zone de la mâchoire et de la queue. Cependant, elles ne sont pas identiques aux plumes d'oiseaux modernes, ces "plumes proto" n'étaient pas utilisées par les animaux pour voler, mais vraisemblablement comme protection contre le froid. Les plus gros animaux peuvent perdre leur plumage après avoir atteint leur pleine croissance et, en raison de leur taille, l'isolation n'est plus nécessaire pour garder le corps au chaud.
Le fossile de Dilong montre les particularités des premiers tyrannosauroïdes. Il avait de longs bras avec trois doigts, aucun rétrécissement des os métatarsiens et était plutôt petit avec une longueur d'un mètre et demi, toutes des différences nettes avec les tyrannosaures plus récents. En revanche, il avait les grosses dents de la mâchoire supérieure avant typiques du groupe.
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