《自然》雜志：內(nèi)耳生物力學(xué)揭示了哺乳動物內(nèi)溫的晚三疊世起源 _生物

《自然》雜志：內(nèi)耳生物力學(xué)揭示了哺乳動物內(nèi)溫的晚三疊世起源
（）據(jù)cnBeta：哺乳動物和鳥類在環(huán)境溫度變化的情況下保持體溫的相對穩(wěn)定的能力被稱為溫血性（或內(nèi)溫性）。這種與冷血爬行動物的顯著區(qū)別是哺乳動物在全球幾乎所有生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)生態(tài)優(yōu)勢的基礎(chǔ) 。直到現(xiàn)在，人們還不知道內(nèi)溫性是何時(shí)起源于哺乳動物的祖先。一個(gè)國際科學(xué)家小組在南非和全球各地的化石的內(nèi)耳中發(fā)現(xiàn)了這一關(guān)鍵進(jìn)化事件的“確鑿證據(jù)” 。
新的研究表明，內(nèi)溫性出現(xiàn)在大約2.33億年前的哺乳動物祖先身上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于大約2億年前的哺乳動物的起源。這項(xiàng)題為"內(nèi)耳生物力學(xué)揭示了哺乳動物內(nèi)溫的晚三疊世起源"的研究于7月20日發(fā)表在《自然》雜志上。來自南非約翰內(nèi)斯堡金山大學(xué)的研究人員是進(jìn)行這項(xiàng)研究的國際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的成員。
金山大學(xué)進(jìn)化研究所古生物學(xué)高級研究員Julien Benoit博士說：“我們第一次能夠通過進(jìn)化來追蹤內(nèi)溫性的起源對我們哺乳動物前祖先骨骼解剖的直接影響。這對我們的研究領(lǐng)域來說是一個(gè)令人興奮的時(shí)刻。”
除了作為聽覺器官外，內(nèi)耳還容納了平衡器官：半規(guī)管。內(nèi)耳的三個(gè)半規(guī)管以三維空間為導(dǎo)向，當(dāng)頭部移動時(shí)，半規(guī)管內(nèi)充滿了液體，并激活感受器，以告知大腦頭部和身體的確切三維位置。為了使平衡器官有效地檢測到頭部的旋轉(zhuǎn)并幫助平衡，這種液體（稱為內(nèi)淋巴液）的粘性或運(yùn)行性至關(guān)重要。
與其他液體類似，內(nèi)淋巴液的粘度隨著體溫的變化而變化，就像一大塊黃油在熱鍋中從固體變成液體一樣。由于這一物理特性，更高的體溫的演變將導(dǎo)致內(nèi)淋巴液的粘度發(fā)生改變。然而，這種粘度的變化不能不加控制，否則，平衡器官將不再正常工作。內(nèi)耳的半規(guī)管必須適應(yīng)更高的體溫所帶來的新粘度：它們必須改變其幾何形狀。
這一發(fā)現(xiàn)的兩位主要作者 Ricardo Araújo 博士（里斯本大學(xué)）和Romain David博士（巴黎自然歷史博物館）的關(guān)鍵直覺是意識到半規(guī)管形狀的這種變化將很容易通過化石來追蹤地質(zhì)時(shí)間。準(zhǔn)確指出發(fā)生這種幾何形狀變化的物種，將對內(nèi)溫性的進(jìn)化時(shí)間起到準(zhǔn)確的指導(dǎo)作用：確定哺乳動物祖先何時(shí)從冷血動物過渡到溫血動物的重要證據(jù) 。
“直到現(xiàn)在，半規(guī)管一般被用來預(yù)測化石生物的運(yùn)動能力。然而，通過仔細(xì)觀察它們的生物力學(xué)，我們想，我們也可以用它們來推斷體溫。這是因?yàn)椋穹涿垡粯?nbsp;，當(dāng)溫度升高時(shí)，半規(guī)管內(nèi)所含的液體的粘性會降低，從而影響到功能。因此，在過渡到內(nèi)溫的過程中，需要進(jìn)行形態(tài)上的適應(yīng)，以保持最佳的性能，我們可以在哺乳動物的祖先中追蹤它們。”巴黎自然歷史博物館博士后研究員、論文第一作者 Romain David博士說。
Karoo化石的貢獻(xiàn)
研究人員發(fā)現(xiàn)，內(nèi)耳道在大約2.33億年前適應(yīng)了內(nèi)淋巴粘度相對突然的變化，表明哺乳動物祖先的整體體溫在這個(gè)時(shí)候變得更暖和。
來自南非 Karoo的化石在這一發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，部分原因是Karoo時(shí)代的巖石在一百多年的研究中產(chǎn)生了大量的哺乳動物祖先的化石。
南非的化石為近一億年的生命進(jìn)化提供了不間斷的記錄，精致地記錄了從獸孔目爬行動物（therapsids）到哺乳動物的轉(zhuǎn)變過程。此外，由于當(dāng)時(shí)Karoo地區(qū)由于大陸漂移而更接近南極，內(nèi)耳的幾何形狀所暗示的較暖的體溫不可能是由于整體氣候較暖所致。
“由于南非的氣候平均比較寒冷，內(nèi)耳液體粘度的變化只能是由哺乳動物祖先普遍較暖的體溫引起的，”Benoit說。
利用最先進(jìn)的CT掃描技術(shù)和三維建模，研究人員能夠重建來自南非Karoo和世界其他地方的幾十種哺乳動物祖先的內(nèi)耳，并設(shè)法準(zhǔn)確指出哪些物種的內(nèi)耳解剖結(jié)構(gòu)與較溫暖的體溫相一致，而哪些則不一致。
范式改變
到目前為止，人們普遍認(rèn)為內(nèi)溫性是在非常接近2.52億年前的古三疊紀(jì)邊界時(shí)出現(xiàn)的，或者可能更接近2億年前哺乳動物的起源。新的結(jié)果表明，內(nèi)溫性在大約2.33億年前出現(xiàn)在哺乳動物的祖先中。這個(gè)新的日期與最近的發(fā)現(xiàn)相一致，即許多通常與"哺乳動物性"相關(guān)的特征，如胡須和皮毛，也比以前預(yù)期的更早演化。更重要的是，這些結(jié)果支持向溫血動物性的進(jìn)化過渡是出乎意料的快。
里斯本大學(xué)高等理工學(xué)院等離子體與核燃料研究所初級研究員、論文第一作者里卡多-阿勞霍博士說：“與目前的科學(xué)思維相反，我們的論文令人驚訝地表明，從地質(zhì)學(xué)角度來看，內(nèi)溫性的獲得似乎發(fā)生得非常快，不到一百萬年。這不是以前所認(rèn)為的數(shù)千萬年的一個(gè)漸進(jìn)的、緩慢的過程，而可能是在類似于哺乳動物的新的代謝途徑和毛皮的起源觸發(fā)時(shí)迅速達(dá)到的。”
美國菲爾德自然歷史博物館古哺乳學(xué)館長、論文的資深作者Kenneth D. Angielczyk博士說：“哺乳動物內(nèi)溫性的起源是古生物學(xué)中未解之謎之一。”
“許多不同的方法被用來試圖預(yù)測它的首次進(jìn)化時(shí)間，但它們經(jīng)常給出模糊或矛盾的結(jié)果。我們認(rèn)為我們的方法顯示了真正的前景，因?yàn)樗呀?jīng)用非常多的現(xiàn)代物種進(jìn)行了驗(yàn)證，而且它表明內(nèi)溫性是在哺乳動物身體計(jì)劃的許多其他特征也逐漸到位的時(shí)候進(jìn)化的。”
相關(guān)報(bào)道：哺乳動物何時(shí)成為溫血動物？國際最新研究稱或起源于2.33億年前
（）據(jù)中新網(wǎng)北京7月21日電（采訪人員孫自法）：國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》最新發(fā)表一篇古生物學(xué)論文指出，哺乳動物的溫血性可能起源于約2.33億年前的晚三疊世。這些基于哺乳動物祖先內(nèi)耳化石的研究結(jié)果，增進(jìn)了人們對哺乳動物演化史的理解。
該論文介紹，溫血性(或稱內(nèi)溫性)是哺乳動物和鳥類的一個(gè)關(guān)鍵特征，能讓它們保持幾乎恒定的核心體溫，從而生活在各種不同的環(huán)境中。內(nèi)溫動物在行為上比冷血外溫動物更活躍，能遷徙的距離更遠(yuǎn)，行動速度也更快；而冷血外溫動物普遍速度更慢，較不活躍，有氧能力偏弱。不過，內(nèi)溫性在哺乳動物演化史上最早出現(xiàn)的時(shí)間一直難以確定，因?yàn)榇蟛糠只C據(jù)都不夠完備。
論文共同通訊作者、葡萄牙里斯本大學(xué)里卡多·阿勞霍(Ricardo Araújo)、英國倫敦自然歷史博物館羅曼·戴維(Romain David)、美國菲爾德自然史博物館肯尼斯·安吉爾澤克(Kenneth Angielczyk)和合作者認(rèn)為，研究哺乳動物祖先的內(nèi)耳半規(guī)管結(jié)構(gòu)或有助于了解哺乳動物向內(nèi)溫性的過渡是何時(shí)開始的。這些內(nèi)耳半規(guī)管含有名為內(nèi)淋巴液的液體，而內(nèi)淋巴液的黏度會隨動物體溫而變化。
論文作者研究了作為哺乳動物祖先的56種已滅絕物種的半規(guī)管結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)與內(nèi)溫性相關(guān)的改變，如半規(guī)管變窄。他們發(fā)現(xiàn)，半規(guī)管結(jié)構(gòu)在晚三疊世一段氣候不穩(wěn)定時(shí)期在哺乳動物祖先中突然發(fā)生了演化，說明內(nèi)溫性大致是在這段時(shí)期演化而來。這些發(fā)現(xiàn)與體溫上升5–9°C以及有氧能力、無氧能力的增強(qiáng)相關(guān) 。
相關(guān)報(bào)道：內(nèi)耳道化石揭示恒溫動物進(jìn)化時(shí)間
（）據(jù)中國科學(xué)報(bào)（辛雨）：類爬行動物的祖先進(jìn)化為恒溫動物的時(shí)間一直備受爭議。近日，科學(xué)家通過內(nèi)耳道化石表明，這種適應(yīng)變化大約發(fā)生在2.3億至2億年前。但其他研究人員認(rèn)為，這一證據(jù)不太可能結(jié)束這場爭論。
恒溫動物（溫血動物）可以保持恒定的高體溫，因?yàn)樗鼈冃玛惔x快，能通過內(nèi)部產(chǎn)熱的方式維持體溫，而冷血變溫動物代謝率低，靠環(huán)境來保暖。但在化石中很難測量這些特征，所以研究人員使用骨骼特征，如身高和骨骼結(jié)構(gòu)來推斷代謝率。
過去的一些研究表明，恒溫動物是在1.45億至6600萬年前才出現(xiàn)的，其他的研究認(rèn)為它早在3億到2.5億年前就出現(xiàn)了。
在發(fā)表于7月20日《自然》的一項(xiàng)研究中，葡萄牙里斯本大學(xué)古生物學(xué)家Ricardo Araújo團(tuán)隊(duì)提出，內(nèi)耳骨管的形狀和大小可以作為體溫特征的代表。液體通過耳內(nèi)管道的運(yùn)動有助于身體監(jiān)測頭部位置和運(yùn)動，這對視覺和平衡至關(guān)重要。由于液體的黏度會隨著體溫的變化而變化，因此，研究小組假設(shè)，隨著體溫的升高和動物變得更加活躍，耳道的形狀可能會進(jìn)化成具有更少粘性的液體，以保持平衡和運(yùn)動。
為了追蹤這種適應(yīng)，研究小組比較了50種現(xiàn)存脊椎動物的內(nèi)耳結(jié)構(gòu)和生理機(jī)能，包括爬行動物、魚類、鳥類和哺乳動物。他們開發(fā)了一種基于內(nèi)耳形狀的熱運(yùn)動指數(shù) ，根據(jù)體型調(diào)整后，能夠預(yù)測動物的體溫。
研究人員分析了56種滅絕的下孔類動物（類爬行動物，哺乳動物的祖先）的內(nèi)耳道，通過索引發(fā)現(xiàn)，在三疊紀(jì)晚期，從2.37億年前到2.01億年前，內(nèi)耳道形狀發(fā)生了突然的變化。研究人員認(rèn)為，這是下孔類動物變成恒溫動物的時(shí)間。這一轉(zhuǎn)變意味著它們的體溫升高5℃~9°C，新陳代謝加快。
因三疊紀(jì)氣候比之前的二疊紀(jì)氣候更冷，研究人員認(rèn)為，這種適應(yīng)使早期恒溫動物在應(yīng)對三疊紀(jì)氣候方面更具有優(yōu)勢。
巴西圣保羅大學(xué)比較生理學(xué)家José Eduardo Bicudo認(rèn)為，該團(tuán)隊(duì)的方法非常新穎，為研究恒溫動物的出現(xiàn)提供了一種新方法。
恒溫動物的起源在過去60年里一直爭論不休，有多種理論存在且都有證據(jù)支持。澳大利亞阿德萊德大學(xué)生物學(xué)家Roger Seymour和Bicudo的研究表明，恒溫動物在3億到2.5億年前的二疊紀(jì)時(shí)期發(fā)生了進(jìn)化。
但Seymour質(zhì)疑恒溫動物出現(xiàn)于晚三疊世是否可行。他指出，早期吸熱下孔類動物的體溫（大約34°C）仍然相對較低，與現(xiàn)存的單孔類哺乳動物如鴨嘴獸和針鼴的體溫相似。
鴨嘴獸、針鼴與其他哺乳動物相比行動遲緩。Seymour猜測，具有相似體溫的動物可能很難與當(dāng)時(shí)其他爬行動物共存，包括用兩條腿行走、行動迅速的祖龍（現(xiàn)代鳥類的祖先）。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04963-z
相關(guān)報(bào)道：哺乳動物“變”溫血動物之謎揭開
（）據(jù)科技日報(bào)（采訪人員張夢然）：英國《自然》雜志近日發(fā)表的一項(xiàng)研究指出，哺乳動物的溫血性可能起源于約2.33億年前的晚三疊世。這項(xiàng)基于哺乳動物祖先內(nèi)耳化石的研究結(jié)果增進(jìn)了人們對哺乳動物演化史的理解。
溫血性（或稱內(nèi)溫性）是哺乳動物和鳥類的一個(gè)關(guān)鍵特征，能讓它們保持幾乎恒定的核心體溫，從而生活在各種不同的環(huán)境中。內(nèi)溫動物在行為上比冷血外溫動物更活躍，能遷徙的距離更遠(yuǎn)，行動速度也更快；而冷血外溫動物普遍速度更慢，較不活躍，有氧能力偏弱。不過，內(nèi)溫性在哺乳動物演化史上最早出現(xiàn)的時(shí)間一直難以確定，因?yàn)榇蟛糠只C據(jù)都不夠完備。
一個(gè)由葡萄牙里斯本大學(xué)、英國自然歷史博物館、美國菲爾德自然史博物館的科學(xué)家組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)研究認(rèn)為，哺乳動物祖先的內(nèi)耳半規(guī)管結(jié)構(gòu)，或有助于了解哺乳動物向內(nèi)溫性的過渡是何時(shí)開始的。這些內(nèi)耳半規(guī)管含有名為內(nèi)淋巴液的液體，而內(nèi)淋巴液的黏度會隨動物體溫而變化。
團(tuán)隊(duì)研究了作為哺乳動物祖先的56種已滅絕物種的半規(guī)管結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了與內(nèi)溫性相關(guān)的改變，如半規(guī)管變窄。他們發(fā)現(xiàn)，在晚三疊世一段氣候不穩(wěn)定時(shí)期，半規(guī)管結(jié)構(gòu)在哺乳動物祖先中突然發(fā)生了演化，說明內(nèi)溫性大致是在這段時(shí)期演化而來的。這些發(fā)現(xiàn)與體溫上升5℃—9℃以及有氧能力、無氧能力的增強(qiáng)相關(guān) 。