Эндотермия, или теплокровность, — это способность млекопитающих и птиц производить собственное тепло тела и контролировать температуру своего тела.
Это главное отличие от хладнокровных рептилий лежит в основе экологического доминирования млекопитающих почти во всех экосистемах мира. До сих пор точно не было известно, когда эндотермия возникла у предков млекопитающих. Группа международных ученых, в том числе исследователи из Университета Витватерсранда (Университет Витса) в Йоханнесбурге, Южная Африка, нашла неопровержимые доказательства этого ключевого эволюционного события во внутренних ушах окаменелостей из Южной Африки и всего мира.
Новое исследование предполагает, что эндотермия появилась у предков млекопитающих около 233 миллионов лет назад, задолго до возникновения млекопитающих, которое произошло около 200 миллионов лет назад. Это исследование под названием «Биомеханика внутреннего уха раскрывает позднетриасовое происхождение эндотермии млекопитающих» опубликовано в журнале Nature .
«Впервые мы можем проследить в ходе эволюции прямое следствие возникновения эндотермии в анатомии скелета наших предков-млекопитающих», — говорит д-р Жюльен Бенуа, старший научный сотрудник в области палеонтологии Института эволюционных исследований в Витсе. Университет. «Это захватывающее время для нашей области исследования».
Внутреннее ухо — это не только орган слуха; в нем находится также орган равновесия — полукружные каналы. Три полукружных канала внутреннего уха ориентированы в трех измерениях пространства и заполнены жидкостью, которая течет в каналах при движении головы и активирует рецепторы, чтобы сообщить мозгу точное трехмерное положение головы и тела. Вязкость или текучесть этой жидкости (называемой эндолимфой) имеет первостепенное значение для органа равновесия, чтобы эффективно обнаруживать вращение головы и поддерживать равновесие.
Как и у любой другой жидкости, вязкость эндолимфы меняется в зависимости от температуры тела, подобно тому, как кусок масла превращается из твердого в жидкое на теплой сковороде. Из-за этого физического свойства вязкость эндолимфы будет изменяться при повышении температуры тела. Однако это изменение вязкости нельзя оставлять без внимания, потому что орган равновесия перестанет работать должным образом. Полукружные каналы внутреннего уха должны приспособиться к новой вязкости, обусловленной более высокой температурой тела, т. е. изменить свою геометрию.
Ключевая интуиция двух ведущих авторов открытия, доктора Рикардо Араужо (Лиссабонский университет) и доктора Ромена Давида (Парижский музей естественной истории), заключалась в том, чтобы понять, что это изменение формы полукружных каналов будет легко проследить. через геологическое время, используя окаменелости. Точное определение вида, у которого произошло это изменение геометрии, послужило бы точным указанием того, когда развилась эндотермия — неопровержимое доказательство того, когда предки млекопитающих перешли от хладнокровных к теплокровным.
«До сих пор полукружные каналы обычно использовались для предсказания передвижения ископаемых организмов. Однако, внимательно изучив их биомеханику, мы поняли, что можем также использовать их для определения температуры тела. Это потому, что, как и мед, жидкость, содержащаяся внутри полукружных Каналы становятся менее вязкими при повышении температуры, что влияет на функцию. Следовательно, во время перехода к эндотермии для поддержания оптимальных характеристик требовались морфологические адаптации, и мы могли отследить их у предков млекопитающих», — говорит доктор Ромен Давид, постдокторский исследователь в Музей естественной истории и ведущий автор на бумаге.
Команда обнаружила, что геометрия каналов внутреннего уха адаптировалась к относительно резкому изменению вязкости эндолимфы около 233 миллионов лет назад, что указывает на то, что общая температура тела предков млекопитающих в это время стала выше.
Окаменелости из южноафриканского Кару сыграли ключевую роль в этом открытии, отчасти из-за множества окаменелостей предков млекопитающих, которые были обнаружены в породах возрастом Кару за более чем сто лет изучения.
Южноафриканские окаменелости предлагают непрерывный отчет об эволюции жизни в течение почти 100 миллионов лет, документируя превращение рептилоидоподобных животных (терапсидов) в млекопитающих в мельчайших деталях. Кроме того, поскольку Кару в то время располагался ближе к Южному полюсу в результате дрейфа континентов, более высокая температура тела, предполагаемая геометрией внутреннего уха, не может быть связана с общим более теплым климатом.
«Поскольку южноафриканский климат в среднем был холоднее, изменение вязкости жидкости внутреннего уха могло быть вызвано только более высокой температурой тела у предков млекопитающих», — говорит Бенуа.
Используя передовые методы КТ-сканирования и 3D-моделирование, исследователи смогли реконструировать внутреннее ухо десятков предков млекопитающих из южноафриканского Кару и других стран мира, а также точно указать, у каких видов анатомия внутреннего уха соответствовала с более высокой температурой тела, а какие нет.
До сих пор считалось, что эндотермия возникла очень близко к границе пермо-триаса, около 252 миллионов лет назад, или, возможно, ближе к происхождению млекопитающих 200 миллионов лет назад. Новые результаты предполагают, что эндотермия появилась у предков млекопитающих около 233 миллионов лет назад. Эта новая дата согласуется с недавними выводами о том, что многие черты, обычно связанные с «млекопитающих», такие как усы и мех, также развились раньше, чем предполагалось ранее. Что еще более важно, результаты подтверждают, что эволюционный переход к теплокровности был неожиданно быстрым.
«Вопреки нынешнему научному мышлению наша статья неожиданно демонстрирует, что приобретение эндотермии, по-видимому, произошло очень быстро с геологической точки зрения, менее чем за миллион лет», — говорит д-р Рикардо Араужо, младший научный сотрудник Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear. Instituto Superior Técnico, Университет Лиссабона и ведущий автор статьи. «Это не был постепенный, медленный процесс в течение десятков миллионов лет, как считалось ранее, но, возможно, он был достигнут быстро, когда был вызван новыми метаболическими путями, подобными млекопитающим, и происхождением меха».
«Происхождение эндотермии у млекопитающих — одна из величайших неразгаданных загадок палеонтологии», — говорит доктор Кеннет Д. Ангельчик, куратор отдела палеомаммологии Макартура в Музее естественной истории Филда в США и старший автор статьи.
«Много разных подходов использовалось, чтобы попытаться предсказать, когда он впервые развился, но они часто давали расплывчатые или противоречивые результаты. что эндотермия развилась в то время, когда многие другие особенности строения тела млекопитающих также встали на свои места».