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《自然》杂志:内耳生物力学揭示了哺乳动物内温的晚三叠世起源

远古生物 2022-07-22 10:19:00林娜

《自然》杂志:内耳生物力学揭示了哺乳动物内温的晚三叠世起源


《自然》杂志:内耳生物力学揭示了哺乳动物内温的晚三叠世起源


《自然》杂志:内耳生物力学揭示了哺乳动物内温的晚三叠世起源


《自然》杂志:内耳生物力学揭示了哺乳动物内温的晚三叠世起源


(猎奇资讯网monkeybusinesscards.com报道)据cnBeta:哺乳动物和鸟类在环境温度变化的情况下保持体温的相对稳定的能力被称为温血性(或内温性)。这种与冷血爬行动物的显著区别是哺乳动物在全球几乎所有生态系统中占据生态优势的基础。直到现在,人们还不知道内温性是何时起源于哺乳动物的祖先。一个国际科学家小组在南非和全球各地的化石的内耳中发现了这一关键进化事件的“确凿证据”。


新的研究表明,内温性出现在大约2.33亿年前的哺乳动物祖先身上,远远早于大约2亿年前的哺乳动物的起源。这项题为"内耳生物力学揭示了哺乳动物内温的晚三叠世起源"的研究于7月20日发表在《自然》杂志上。来自南非约翰内斯堡金山大学的研究人员是进行这项研究的国际科学家团队的成员。


金山大学进化研究所古生物学高级研究员Julien Benoit博士说:“我们第一次能够通过进化来追踪内温性的起源对我们哺乳动物前祖先骨骼解剖的直接影响。这对我们的研究领域来说是一个令人兴奋的时刻。”


除了作为听觉器官外,内耳还容纳了平衡器官:半规管。内耳的三个半规管以三维空间为导向,当头部移动时,半规管内充满了液体,并激活感受器,以告知大脑头部和身体的确切三维位置。为了使平衡器官有效地检测到头部的旋转并帮助平衡,这种液体(称为内淋巴液)的粘性或运行性至关重要。


与其他液体类似,内淋巴液的粘度随着体温的变化而变化,就像一大块黄油在热锅中从固体变成液体一样。由于这一物理特性,更高的体温的演变将导致内淋巴液的粘度发生改变。然而,这种粘度的变化不能不加控制,否则,平衡器官将不再正常工作。内耳的半规管必须适应更高的体温所带来的新粘度:它们必须改变其几何形状。


这一发现的两位主要作者 Ricardo Araújo 博士(里斯本大学)和Romain David博士(巴黎自然历史博物馆)的关键直觉是意识到半规管形状的这种变化将很容易通过化石来追踪地质时间。准确指出发生这种几何形状变化的物种,将对内温性的进化时间起到准确的指导作用:确定哺乳动物祖先何时从冷血动物过渡到温血动物的重要证据。


“直到现在,半规管一般被用来预测化石生物的运动能力。然而,通过仔细观察它们的生物力学,我们想,我们也可以用它们来推断体温。这是因为,像蜂蜜一样,当温度升高时,半规管内所含的液体的粘性会降低,从而影响到功能。因此,在过渡到内温的过程中,需要进行形态上的适应,以保持最佳的性能,我们可以在哺乳动物的祖先中追踪它们。”巴黎自然历史博物馆博士后研究员、论文第一作者 Romain David博士说。


Karoo化石的贡献


研究人员发现,内耳道在大约2.33亿年前适应了内淋巴粘度相对突然的变化,表明哺乳动物祖先的整体体温在这个时候变得更暖和。


来自南非 Karoo的化石在这一发现中发挥了关键作用,部分原因是Karoo时代的岩石在一百多年的研究中产生了大量的哺乳动物祖先的化石。


南非的化石为近一亿年的生命进化提供了不间断的记录,精致地记录了从兽孔目爬行动物(therapsids)到哺乳动物的转变过程。此外,由于当时Karoo地区由于大陆漂移而更接近南极,内耳的几何形状所暗示的较暖的体温不可能是由于整体气候较暖所致。


“由于南非的气候平均比较寒冷,内耳液体粘度的变化只能是由哺乳动物祖先普遍较暖的体温引起的,”Benoit说。


利用最先进的CT扫描技术和三维建模,研究人员能够重建来自南非Karoo和世界其他地方的几十种哺乳动物祖先的内耳,并设法准确指出哪些物种的内耳解剖结构与较温暖的体温相一致,而哪些则不一致。


范式改变


到目前为止,人们普遍认为内温性是在非常接近2.52亿年前的古三叠纪边界时出现的,或者可能更接近2亿年前哺乳动物的起源。新的结果表明,内温性在大约2.33亿年前出现在哺乳动物的祖先中。这个新的日期与最近的发现相一致,即许多通常与"哺乳动物性"相关的特征,如胡须和皮毛,也比以前预期的更早演化。更重要的是,这些结果支持向温血动物性的进化过渡是出乎意料的快。


里斯本大学高等理工学院等离子体与核燃料研究所初级研究员、论文第一作者里卡多-阿劳霍博士说:“与目前的科学思维相反,我们的论文令人惊讶地表明,从地质学角度来看,内温性的获得似乎发生得非常快,不到一百万年。这不是以前所认为的数千万年的一个渐进的、缓慢的过程,而可能是在类似于哺乳动物的新的代谢途径和毛皮的起源触发时迅速达到的。”


美国菲尔德自然历史博物馆古哺乳学馆长、论文的资深作者Kenneth D. Angielczyk博士说:“哺乳动物内温性的起源是古生物学中未解之谜之一。”


“许多不同的方法被用来试图预测它的首次进化时间,但它们经常给出模糊或矛盾的结果。我们认为我们的方法显示了真正的前景,因为它已经用非常多的现代物种进行了验证,而且它表明内温性是在哺乳动物身体计划的许多其他特征也逐渐到位的时候进化的。”


相关报道:哺乳动物何时成为温血动物?国际最新研究称或起源于2.33亿年前


(猎奇资讯网monkeybusinesscards.com报道)据中新网北京7月21日电(记者 孙自法):国际著名学术期刊《自然》最新发表一篇古生物学论文指出,哺乳动物的温血性可能起源于约2.33亿年前的晚三叠世。这些基于哺乳动物祖先内耳化石的研究结果,增进了人们对哺乳动物演化史的理解。


该论文介绍,温血性(或称内温性)是哺乳动物和鸟类的一个关键特征,能让它们保持几乎恒定的核心体温,从而生活在各种不同的环境中。内温动物在行为上比冷血外温动物更活跃,能迁徙的距离更远,行动速度也更快;而冷血外温动物普遍速度更慢,较不活跃,有氧能力偏弱。不过,内温性在哺乳动物演化史上最早出现的时间一直难以确定,因为大部分化石证据都不够完备。


论文共同通讯作者、葡萄牙里斯本大学里卡多·阿劳霍(Ricardo Araújo)、英国伦敦自然历史博物馆罗曼·戴维(Romain David)、美国菲尔德自然史博物馆肯尼斯·安吉尔泽克(Kenneth Angielczyk)和合作者认为,研究哺乳动物祖先的内耳半规管结构或有助于了解哺乳动物向内温性的过渡是何时开始的。这些内耳半规管含有名为内淋巴液的液体,而内淋巴液的黏度会随动物体温而变化。


论文作者研究了作为哺乳动物祖先的56种已灭绝物种的半规管结构变化,进而发现与内温性相关的改变,如半规管变窄。他们发现,半规管结构在晚三叠世一段气候不稳定时期在哺乳动物祖先中突然发生了演化,说明内温性大致是在这段时期演化而来。这些发现与体温上升5–9°C以及有氧能力、无氧能力的增强相关。


相关报道:内耳道化石揭示恒温动物进化时间


(猎奇资讯网monkeybusinesscards.com报道)据中国科学报(辛雨):类爬行动物的祖先进化为恒温动物的时间一直备受争议。近日,科学家通过内耳道化石表明,这种适应变化大约发生在2.3亿至2亿年前。但其他研究人员认为,这一证据不太可能结束这场争论。


恒温动物(温血动物)可以保持恒定的高体温,因为它们新陈代谢快,能通过内部产热的方式维持体温,而冷血变温动物代谢率低,靠环境来保暖。但在化石中很难测量这些特征,所以研究人员使用骨骼特征,如身高和骨骼结构来推断代谢率。


过去的一些研究表明,恒温动物是在1.45亿至6600万年前才出现的,其他的研究认为它早在3亿到2.5亿年前就出现了。


在发表于7月20日《自然》的一项研究中,葡萄牙里斯本大学古生物学家Ricardo Araújo团队提出,内耳骨管的形状和大小可以作为体温特征的代表。液体通过耳内管道的运动有助于身体监测头部位置和运动,这对视觉和平衡至关重要。由于液体的黏度会随着体温的变化而变化,因此,研究小组假设,随着体温的升高和动物变得更加活跃,耳道的形状可能会进化成具有更少粘性的液体,以保持平衡和运动。


为了追踪这种适应,研究小组比较了50种现存脊椎动物的内耳结构和生理机能,包括爬行动物、鱼类、鸟类和哺乳动物。他们开发了一种基于内耳形状的热运动指数,根据体型调整后,能够预测动物的体温。


研究人员分析了56种灭绝的下孔类动物(类爬行动物,哺乳动物的祖先)的内耳道,通过索引发现,在三叠纪晚期,从2.37亿年前到2.01亿年前,内耳道形状发生了突然的变化。研究人员认为,这是下孔类动物变成恒温动物的时间。这一转变意味着它们的体温升高5℃~9°C,新陈代谢加快。


因三叠纪气候比之前的二叠纪气候更冷,研究人员认为,这种适应使早期恒温动物在应对三叠纪气候方面更具有优势。


巴西圣保罗大学比较生理学家José Eduardo Bicudo认为,该团队的方法非常新颖,为研究恒温动物的出现提供了一种新方法。


恒温动物的起源在过去60年里一直争论不休,有多种理论存在且都有证据支持。澳大利亚阿德莱德大学生物学家Roger Seymour和Bicudo的研究表明,恒温动物在3亿到2.5亿年前的二叠纪时期发生了进化。


但Seymour质疑恒温动物出现于晚三叠世是否可行。他指出,早期吸热下孔类动物的体温(大约34°C)仍然相对较低,与现存的单孔类哺乳动物如鸭嘴兽和针鼹的体温相似。


鸭嘴兽、针鼹与其他哺乳动物相比行动迟缓。Seymour猜测,具有相似体温的动物可能很难与当时其他爬行动物共存,包括用两条腿行走、行动迅速的祖龙(现代鸟类的祖先)。


相关论文信息:http://doi.org/10.1038/s41586-022-04963-z

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