Уши млекопитающих могут хранить секрет теплокровности

Свернутые каналы глубоко внутри ушей ископаемых и современных животных показывают, что млекопитающие стали теплокровными 233 миллиона лет назад.

Отредактировано 2023-25-06
иллюстрация раннего млекопитающего существа с шерстью и несколькими острыми зубами выдыхающего воздух указывающий на холодную погоду в углу летает жукМаммалиаморф, выдыхающий горячую шерсть в холодную ночь, намекая на эндотермию, или теплокровность.

Современные млекопитающие и птицы обладают многочисленными преимуществами, связанными с возможностью генерировать тепло собственного тела. Теплокровные животные имеют высокую скорость метаболизма, что позволяет им быть более активными, чем существа, тепло которых зависит от окружающей среды. Они могут быстрее передвигаться, совершать длительные миграции и обитать в прохладной местности.

Опубликованный сегодня в журнале Nature доклад проливает новый свет на давнюю загадку о том, когда у млекопитающих появилась эта жизненно важная черта. Чтобы разгадать загадку обмена веществ, группа палеонтологов обратилась к удивительному анатомическому элементу: внутреннему уху, форма которого зависит от температуры тела животного. Группа исследовала внутренние уши ископаемых и современных видов и предположила, что теплокровность, или эндотермия, появилась у этой группы примерно 233 миллиона лет назад, в позднем триасовом периоде, до появления первых настоящих млекопитающих.

"Когда млекопитающие и их предки стали эндотермичными, долгое время оставалось одной из величайших неразгаданных тайн палеонтологии; это такая характерная особенность млекопитающих, которая связана со многими аспектами нашей физиологии и биологии", - говорит Кеннет Д. Анджелчик, куратор ископаемых млекопитающих в Полевом музее естественной истории в Чикаго. "Мы смогли определить время развития эндотермии у млекопитающих гораздо точнее и достовернее, чем это было возможно ранее".

Предыдущие оценки времени появления эндотермии сильно варьировались и основывались на ископаемых свидетельствах о признаках, наблюдаемых у многих теплокровных животных, таких как быстрый рост или ночная активность. Однако эти признаки не обязательно являются "исключительными индикаторами" эндотермии, говорит Анджелчик. Например, способность поддерживать основную температуру тела может позволить животному оставаться активным ночью, когда греться на солнце нет возможности, но существует множество ночных рептилий и амфибий, обитающих в жарком климате.

"Мы считаем, что специфические адаптации внутреннего уха млекопитающих, а именно части уха, называемой системой полукружного канала, дают более убедительный ответ", - говорит Рикардо Араужу, палеонтолог из Института плазмы и ядерного синтеза Лиссабонского университета в Португалии и еще один соавтор результатов исследования.

Полукружные каналы представляют собой ряд свернутых трубок, заполненных жидкостью, которая помогает животному отслеживать движения и пространственное положение головы, что крайне важно для навигации, равновесия и двигательной координации. Жидкость в этих каналах становится более густой при более высокой температуре тела. Это означает, что для поддержания регулярного движения и равновесия полукружные каналы теплокровных животных должны иметь другую форму и размер для более тонкой, жидковатой жидкости, чем у животных с более низкой температурой тела и более густой жидкостью внутреннего уха.

"Настройка системы внутреннего уха должна быть действительно хорошо оптимизирована в соответствии с температурами, которым будет подвергаться система", - говорит Араужо. "Если вам нужно убежать [от хищника], а система внутреннего уха не знает, где находится ваша голова, то вы умрете, вас съедят".

Каналы, настроенные на теплую температуру, позволяют предположить, что их хозяин-животное может создавать собственное внутреннее тепло. По форме и относительному размеру внутреннего уха, говорят исследователи, можно предсказать, было ли животное теплокровным или холоднокровным.

схемы меньшей структуры внутреннего уха над млекопитающим и большей мочковатой структуры внутреннего уха над рептилиейРазличия в размерах внутренних ушей (серым цветом) теплокровных млекопитающих (слева) и холоднокровных ранних синапсид (справа). Внутренние уши сравниваются у животных с одинаковыми размерами тела. Ромен Давид и Рикардо Араужу

Вооружившись этой информацией, исследовательская группа попыталась изучить происхождение эндотермии у млекопитающих, исследуя компьютерные томограммы внутренних ушей в ископаемых и современных черепах. Анализ включал 341 вид, в том числе 234 современных млекопитающих, рептилий, птиц и амфибий, а также 64 доисторических вида, среди которых были близкие родственники ранних млекопитающих.

Команда заметила, что древнейшие предки млекопитающих имели длинные, толстые полукружные каналы, напоминающие каналы холоднокровных современных рептилий и амфибий. Напротив, у современных теплокровных млекопитающих каналы были намного тоньше и меньше по отношению к размеру тела.

Когда команда использовала эти измерения внутреннего уха для расчета температуры тела животных, они обнаружили, что их оценки для современных видов были очень похожи на опубликованные данные о температуре тела. Основываясь на оценках температуры тела вымерших животных, команда пришла к выводу, что переход к теплокровности происходил в течение 1 миллиона лет, до появления первых настоящих млекопитающих примерно 200 миллионов лет назад. "Темп эволюции эндотермии был удивительно быстрым, с геологической точки зрения", - говорит Араужу.

Теплокровность появилась во время карнийского плювиального эпизода - периода климатической нестабильности, характеризующегося жаркими температурами и проливными дождями. Способность поддерживать стабильную температуру тела могла помочь предкам млекопитающих справиться с потрясениями в окружающей среде, говорит Анджелчик.

Авторы исследования подозревают, что возникновение эндотермии у млекопитающих связано с генетическими изменениями, которые привели к физиологическому процессу, позволившему животному стать "фабрикой, непрерывно перекачивающей тепло", и эволюцией меха для сохранения этого драгоценного тепла от рассеивания в окружающем воздухе, объясняет Араужу.

Новый метод более точен для оценки групп животных, чем для прогнозирования температуры тела у отдельных видов. Определенная идентификация конкретных видов, которые были холоднокровными или теплокровными, позволила бы составить еще более точную хронологию, признает Анджелчик. В будущих исследованиях он и его команда планируют распространить свою методику на большее количество вымерших существ. "Будет интересно провести больше выборок, особенно в области происхождения млекопитающих", - говорит Анджелчик, - "и применить этот подход к другим животным в ископаемом состоянии".

Роджер Сеймур, эволюционный физиолог из Университета Аделаиды в Австралии, не принимавший участия в исследовании, говорит, что ученые спорили о том, как млекопитающие стали теплокровными, по крайней мере, 60 лет. Новые результаты могут помочь сдвинуть разговор с мертвой точки.

"Объем работы, связанной с получением данных и их анализом, огромен", - сказал Сеймур в электронном письме. "Набор данных очень ценен".

Сеймур и его команда ранее предположили, что высокая скорость метаболизма развилась даже у общего предка птиц и млекопитающих почти 300 миллионов лет назад. По его словам, потребуются дополнительные доказательства того, что анатомические изменения в полукружных каналах, о которых сообщается в новой работе, совпали с появлением полноценной эндотермии, а не произошли позже.

Связь структуры внутреннего уха с эндотермией была "открытием для глаз", - говорит Сеймур. "Эта статья - определенно новый подход к вопросу о происхождении эндотермии в роду млекопитающих".