«Очень быстро, менее, чем за миллион лет». Ученые узнали, когда и как звери стали теплокровными
Ученым впервые удалось выяснить, когда предки современных млекопитающих обрели теплокровность. Разрешить давнюю загадку биологии помог анализ внутреннего уха множества ныне живущих и ископаемых животных, говорится в статье в журнале Nature. Как это удалось сделать, и в чем важность открытия, RTVI разбирался с помощью эксперта-палеонтолога.
Гомойотермия (теплокровность) — это способность организмов в течение долгого времени поддерживать свою температуру тела (31—45 °C) независимо от колебаний температуры окружающей среды. В отличие от них пойкилотермные (холоднокровные) животные такой способности не имеют, их температура следует за температурными изменениями среды. По сравнению с холоднокровными, к которым относятся беспозвоночные, рыбы, амфибии и рептилии, теплокровность дала млекопитающим и птицам ряд эволюционных преимуществ — способность к длительным аэробным нагрузкам, способность передвигаться дальше и развивать высокие скорости, осваивать холодные ареалы обитания.
Однако возникновение теплокровности до сих пор остается одной из главных нерешенных загадок в палеонтологии. До недавнего времени ученые могли лишь по косвенным признакам предполагать, в какой период предки современных млекопитающих обрели теплокровность — по оценке выносливости, характеру метаболизма, наличию шерсти, способам заботы о потомстве и другим. Проблема в том, что каждый из этих признаков довольно трудно изучить по сохранившимся останкам, и они не имеют четкой привязки к температуре организма.
Однако международной команде ученых под руководством палеонтологов из Музея естественной истории Лондона удалось найти способ, позволивший датировать обретение древними млекопитающими теплокровности. Дать ответ помогло исследование их внутреннего уха.
Внутреннее ухо — часть органа слуха и равновесия, из-за своей сложной формы оно называется лабиринтом. Важной частью внутреннего уха являются так называемые полукружные каналы, которые перпендикулярны друг другу, и заполнены полупрозрачной студенистой жидкостью, называемой эндолимфой.
При движении головы жидкость за счет своей инерции начинает переливаться, это движение фиксируют волоски вестибулярного нерва, что позволяет нам ориентироваться в пространстве и сохранять равновесие.
Ученые обратили внимание, что вязкость этой жидкости тем выше, чем ниже температура организма. Поэтому у разных организмов толщина каналов соответствует определенной вязкости жидкости, а значит — температуре тела. Так, у холоднокровных организмов эндолимфа более вязкая, и для нормального ее перетекания требуются более широкие каналы. Жидкость у теплокровных организмов менее вязкая, поэтому каналы внутреннего уха человека совсем не крупные.
«До последнего времени полукружные каналы использовались для описания движений ископаемых организмов. Однако тщательно изучив их биомеханику, мы выяснили, что можем определить по ним температуру тела, — пояснил Ромейн Дэвид, соавтор исследования. — Это удалось сделать благодаря тому, что подобно меду, жидкость внутри полукружных каналов становится менее вязкой при росте температуры, меняя свойства. Поэтому при переходе к теплокровности для нормального функционирования внутреннего уха были необходимы морфологические адаптации, и мы смогли отследить их среди предков млекопитающих».
Чтобы отследить эти изменения, ученые сравнили размеры каналов внутреннего уха у 341 животного, включая 243 вида ныне живущих и 64 — вымерших. Они обнаружили, что строение внутреннего уха древних животных не соответствовало высокой температуре тела до определенного момента (233 млн лет назад — поздний триасовый период). И произошло это на 20 млн лет позже, чем ранее считали ученые по косвенным признакам — в период повышенной нестабильности климата на Земле. До этого считалось, что теплокровность у животных возникла примерно 252 млн лет назад с появлением цинодонтов (лат. Cynodontia — собакозубые) — зверозубых ящеров, переходной группы между динозаврами и млекопитающими.
Более того, выяснилось, что этот переход произошел гораздо быстрее, чем предполагали ученые, — примерно тогда, когда у этих животных стали появляться усы, шерсть и особое строение позвоночника.
Примерно одновременное появление шерсти и теплокровности особо обращает на себя внимание, поскольку шерстяной покров помогал животным сохранять тепло, вырабатываемое за счет повышенного уровня метаболизма.
Исследование доказало ошибочность прежних представлений и утверждает, что цинодонты, предки современных зверей, в действительности еще были холоднокровными и значительно отличались от млекопитающих.
«Вопреки существующим научным представлениям, наше исследование неожиданно показало, что обретение теплокровности, похоже, произошло по геологическим меркам очень быстро, менее, чем за миллион лет, — считает Рикардо Араухо, соавтор работы из Университета Лиссабона. — Это не был постепенный, медленный процесс, занимавший десятки миллионов лет, как считалось ранее, а скорее произошел быстро, будучи вызван новым, характерным для млекопитающих видом метаболизма и возникновением шерсти».
По мнению автора работы Кена Ангельчика, команде ученых удалось придумать весьма изящный способ для ответа на давно интересовавший исследователей вопрос.
«Происхождение теплокровности млекопитающих — одна из величайших загадок палеонтологии. Чтобы понять, когда она впервые появилась, применялось множество подходов, однако они приводили к неточным либо противоречивым результатам. Мы считаем, что наш метод имеет хорошие перспективы, поскольку он оказался проверен на большом числе ныне существующих видов и предполагает, что теплокровность возникла в то время, когда у млекопитающих возникли многие другие особенности строения тела».
Ученые считают, что именно в этот период у предков млекопитающих средняя температура тела повысилась на 5—9°C, что привело к росту двигательной способности их организмов.
«Это выдающаяся статья и исследование, заслуга этих ученых в том, что они вычислили некий индекс на основании строения полукружных каналов, который позволяет оценить теплокровность. Наш академик Леонид Татаринов тоже считал, что теплокровность возникла очень давно. Теперь же ученые показали, что — нет, — пояснил RTVI палеонтолог Александр Аверьянов, профессор РАН, главный научный сотрудник Зоологического института РАН. — То, что тритилодонтиды (семейство цинодонтов), которых находят и у нас в Западной Сибири, были теплокровными, похоже на правду, потому что они были очень успешной группой и дожили до мелового периода».
Ранее американские ученые, сделавшие необычные находки в Китае, пришли к выводу, что динозавры, обитавшие на Земле 200 млн лет назад, не просто добирались до полярных широт, но и прекрасно чувствовали себя во льдах при отрицательных температурах.