Содержание
Тираннозавры и бронтозавры были тёплыми на ощупь
Среди динозавров были как по-настоящему холоднокровные, так и по-настоящему теплокровные.
С одной стороны, динозавры — это рептилии, а рептилии, как мы знаем, относятся к холоднокровным животным: собственный обмен веществ греет их слабо, температура тела зависит от окружающей среды. С другой стороны, современные птицы, теплокровнейшие из теплокровных, произошли напрямую от динозавров (собственно, самих птиц сейчас так и называют — выжившими динозаврами). Какими же были сами тираннозавры, трицератопсы, стегозавры и многие, многие другие — холодно- или теплокровными?
(Фото: Lucas George Wendt / Unsplash.com)
Открыть в полном размере
‹
›
У живого динозавра измерить температуру мы не можем, но зато можем оценить уровень обмена веществ. Существуют разные методы. Например, на быстрый или медленный метаболизм указывает быстрый или медленный рост костей, и мы как-то писали об одном исследовании, по которому выходило, что динозавры не были ни истинно теплокровными, ни истинно холоднокровными, и что их стоит называть полутеплокровными.
Но возникает трудность в том, как соотнести темпы роста, которые мы видим в костях, с уровнем метаболизма. Животные могут расти с разной скоростью в разные периоды жизни, и если у нас на руках есть только их останки, то мы рискуем сильно ошибиться на их счёт.
Другой вариант — проанализировать доли разных изотопов в тех же останках: в зависимости от обмена веществ пропорции изотопов будут меняться. Так поступили авторы другого исследования, о котором мы тоже писали; но и в этом случае динозавры оказались «как бы теплокровными». У изотопного метода измерения температуры также есть свои слабые места: например, есть вероятность, что количество изотопов в останках меняется при их окаменении.
Сотрудники Йельского университета предложили новый метод: чтобы определить уровень метаболизма, нужно оценить потребление кислорода. Чем интенсивнее обмен веществ, тем больше кислорода поглощает организм, но и тем больше появляется в нём молекулярного окисленного мусора.
Кислород и его соединения неизбежно реагирует с белками, липидами, углеводами, делая их непригодными для клеточной работы — часть их разрушается и исчезает из организма, но часть всё же остаётся. Что важно, этот мусор довольно стабилен и вполне сохраняется в окаменелых останках. Такие молекулярные маркеры могут дать более достоверную информацию об обмене веществ, нежели изотопы и минералы в костях.
В статье в Nature исследователи описывают, как они с помощью рамановской и инфракрасной Фурье-спектроскопии изучали накопившуюся в костях мусорную окисленную органику. Для анализа взяли образцы из нескольких десятков бедренных костей, принадлежавших как различным ископаемым ящерам, так и современным птицам, зверям и рептилиям. Динозавров делят на две большие группы, ящеротазовых и птицетазовых — в зависимости от особенностей строения лобковых костей. К птицетазовым относятся, к примеру, трицератопсы и стегозавры, и метаболизм у них был, судя по всему, как у современных холоднокровных.
А вот ящеротазовые были теплокровными, и даже очень теплокровными — у некоторых из них уровень метаболизма был схож с птичьим, а температура тела птиц, как известно, в среднем выше, чем у зверей. Может быть, это и неудивительно: к ящеротазовым относятся непосредственные предки птиц (да, птицы произошли не от птицетазовых, а от ящеротазовых). Кроме того, к теплокровным ящеротазовым относятся и хищные «тираннозавроподобные» ящеры, бегавшие на двух ногах, и огромные травоядные зауроподы — диплодоки, бронтозавры, брахиозавры и пр. Если бы нам пришлось потрогать тираннозавра или бронтозавра, мы бы обнаружили, что они тёплые на ощупь. Такими же тёплыми были и птерозавры, которые считаются отдельной группой рептилий, достаточно далеко отстоящей от динозавров. И, скорее всего, у водных плезиозавров обмен веществ тоже шёл достаточно активно, чтобы считать их отчасти теплокровными.
Получается, птицы были далеко не первыми среди динозавров, кто стал по-настоящему теплокровным.
Травоядные гиганты зауроподы не летали, не махали крыльями и вообще вряд ли вели слишком энергичный образ жизни, тем не менее, уровень метаболизма был у них довольно высок. Теплокровность появилась у них ввиду каких-то других эволюционных причин. Точно так же нельзя сказать, что птичья линия динозавров спаслась во время вымирания благодаря теплокровности — многие ящеры с птичьим уровнем метаболизма тогда благополучно вымерли.
Новые данные помогают также понять некоторые экологические особенности разных групп динозавров. Например, очевидно, что холоднокровные ящеры должны были искать места для жизни, где потеплее, и, скорее всего, они даже мигрировали на время сезонных холодов. А у бронтозавров и диплодоков должна была быть исключительно эффективная пищеварительная система, иначе бы они при своей теплокровности не вырастали бы до таких размеров.
Динозавры были полутеплокровными | Наука и жизнь
По интенсивности обмена веществ мезозойские ящеры занимали промежуточную позицию между холоднокровностью и теплокровностью, благодаря чему они смогли на некоторое время «захватить землю».
Со школы мы помним, что животные делятся на холоднокровных, или эктотермных, и теплокровных, или эндотермных. У холоднокровных температура тела зависит от температуры окружающей среды, к ним относятся рыбы, рептилии и амфибии. Интенсивность обмена веществ у холоднокровных невысока. Теплокровные, наоборот, могут поддерживать постоянную температуру тела независимо от того, тепло ли вокруг или холодно, благодаря более активному метаболизму; к теплокровными относятся птицы и звери.
Мезотермность динозавров может, по крайней мере, отчасти объяснить их эволюционный успех. (Фото Ron Watts / Corbis.)
Эктотермные, мезотермные и эндотермные животные с относительными размерами и скоростью роста. (Иллюстрация John M. Grady / University of New Mexico.)
‹
›
Открыть в полном размере
Динозавры относятся к рептилиям, поэтому было бы логично, если бы они тоже были холоднокровными. Долгое время холоднокровность динозавров ни у кого не вызывала сомнений.
Однако самыми близкими родственниками прежних динозавров на сегодняшний день являются птицы, интенсивность обмена веществ у которых чрезвычайно высока. И со временем исследователи всё чаще стали задаваться вопросом, как произошёл такой резкий скачок от холоднокровных динозавров к теплокровным птицам, и не были ли вымершие ящеры отчасти теплокровными.
Чтобы найти ответ, нужно оценить уровень метаболизма у динозавров, но как это сделать, имея на руках лишь древние кости? На самом деле, об интенсивности обмена веществ можно судить по темпам роста животного, а темпы роста можно оценить по строению костей. Похожий метод используют в ботанике, когда по годовым кольцам на спиле ствола определяют, хорошим или не очень был тот или иной год для дерева: если кольцо широкое, значит, условия были благоприятными, и дерево росло быстро. Примерно так же можно оценивать слои костной ткани, и тогда быстрый или медленный рост костей будет свидетельствовать о быстром или медленном метаболизме.
С помощью этого метода можно довольно достоверно предсказать скорость обмена веществ у современных животных: например, интенсивность метаболизма у зверей в 10 раз выше, чем у рептилий, и растут млекопитающие в 10 раз быстрее, чем ящерицы, змеи и т. д.
Такой анализ, только ещё и для динозавров, был выполнен Джоном Грейди (John M. Grady) и его коллегами из Университета Нью-Мексико, результаты работы исследователи опубликовали в Science. Они не просто оценивали рост костей, но и сравнивали его с общим размером тела животного от рождения до зрелого возраста. И вот, когда данные по динозаврам сравнили с данными относительно ныне живущих теплокровных и холоднокровных, оказалось, что вымершие ящеры занимают некую промежуточную позицию, не являясь ни истинно теплокровными, ни истинно холоднокровными.
Такие животные называются мезотермными, и из современных видов к ним относятся, например, большая белая акула, тунец, кожистая черепаха, ехидна.
Подобно млекопитающим и птицам, мезотермные животные могут генерировать собственное тепло, но при этом они не могут поддерживать постоянную температуру тела, что сближает их с современными рептилиями. У тунца, например, температура тела заметно снижается, когда он уходит на глубину, но всё она будет равно выше, чем у воды вокруг.
Размеры тела могут влиять на появление мезотермности: крупным животным проще сохранять тепло, и поэтому, например, большая кожистая черепаха может позволить себе быть мезотермной, тогда как более мелкая зелёная черепаха – обычная холоднокровная рептилия. Однако зависимость здесь не 100-процентная: акула мако – мезотермная рыба, а китовая акула, при своих огромных размерах, остаётся холоднокровной.
Чтобы поддержать температуру тела, у теплокровных животных есть набор физиологических механизмов, включающихся при понижении температуры среды, от дрожи до сжигания жировых запасов. У мезотермных таких уловок нет, так что они более зависимы от внешней температуры.
С другой стороны, среди холоднокровных животных есть так называемые гигантотермные, которые, благодаря своим размерам, могут накапливать тепло – как это делают крокодилы, греющиеся на солнце. Они и нагреваются, и остывают медленнее, но всё равно решающую роль тут играет среда. У мезотермных животных, в отличие от гигантотермных, всё же есть свои ресурсы, чтобы поддерживать температуру тела в определённых рамках.
Возвращаясь к динозаврам, можно сказать, что мезотермность позволяла им двигаться, расти и размножаться быстрее по сравнению с обычными холоднокровными рептилиями. Это, кстати, могло быть одной из причин невероятного эволюционного успеха динозавров во времена мезозойской эры. С другой стороны, их уровень метаболизма был всё-таки ниже, чем если бы они были теплокровными, что позволяло многим из них достигать гигантских размеров. То есть, например, если бы тираннозавр был теплокровным, он бы просто не смог обеспечивать себя нужным количеством энергии и оставаться хищником.
Одновременно авторы работы подчёркивают, что динозавры – группа очень разнообразная, и, скорее всего, далеко не все из них были мезотермными. Другая трудность связана с тем, что относительно некоторых вымерших видов трудно сказать, были ли они мезотермными или просто не очень активными теплокровными. Например, если взять археоптерикса, одного из самых известных кандидатов на роль предка птиц, то он достигал зрелости через два года, тогда как сходные с ним по размеру ястребы вырастают во взрослых птиц за шесть недель. Вероятно, археоптерикс был не таким уж теплокровным, как его потомки. Вообще же происхождение теплокровности у птиц и зверей до сих пор остаётся одной из самых больших эволюционных загадок, и авторы работы надеются, что их результаты смогут эту тайну хоть немного прояснить.
Во всех группах динозавров нашлись теплокровные виды
Зоология
Палеонтология
Сложность
3.6
Микрофотографии срезов скорлупы яиц различных динозавров, масштабный отрезок 500 микрометров
Richard R. Dawson et al. / Science Advances, 2020
Химический анализ скорлупы различных видов динозавров показал, что представители всех отрядов этой группы могли поддерживать постоянную температуру тела, сообщается в Science Advances. Это исследование отличается от предыдущих тем, что учитывает данные и по динозаврам, которые обитали в высоких широтах, в том числе по птицетазовым.
Реконструируя облик динозавров, палеонтологи выдвигают предположения в том числе и о физиологии этих рептилий. Один из важных вопросов здесь — способны ли были конкретные виды поддерживать постоянную температуру тела. Пока получается, что некоторые были эндотермными, то есть их температура мало зависела от температуры окружающей среды, а многие были мезотермными, то есть температура их тела частично зависела от погоды.
Определить эту особенность физиологии можно по содержанию изотопов кислорода 18O и углерода 13C в карбонатах в останках животных: оно зависит от температуры, при которой эти карбонаты формировались. Притом, учитывая внушительные размеры некоторых динозавров, лучше брать те структуры, которые образовывались близко к центру тела животного, поскольку туловище крупных динозавров могло быть существенно теплее, чем их пальцы или голова. Хорошо для этой цели подходит яичная скорлупа, и ее в таком качестве уже изучали.
Места находок скорлупы яиц динозавров, анализ которых провели в исследовании. Находки датируются кампанским и маастрихтским веками (83,6—66 миллионов лет до нашей эры), и расположение континентов показано соответственно этому времени
Richard R. Dawson et al. / Science Advances, 2020
Поделиться
Однако те животные, которые обитали в местности с теплым климатом, могли иметь характерную для эндотермных температуру тела (35 градусов Цельсия и выше), даже если не были способны поддерживать ее сами.
Поэтому авторы новой работы — сотрудники Йельского, Кембриджского и ряда других университетов — проанализировали состав яичной скорлупы не только тех, кого нашли близко к экватору (вблизи современного города Хацег в Румынии), но и тех, кто обитал недалеко от полюсов (на территории нынешней канадской провинции Альберта и в Патагонии).
Палеонтологи включили в анализ представителей всех групп динозавров, в том числе птицетазовых (вопреки названию, птицы от них не происходили), состав скорлупы которых в связи с температурой тела раньше не исследовали. Содержание изотопов 18O и 13C в скорлупе яиц динозавров сравнивали с аналогичным показателем для раковин моллюсков, яиц современных птиц с разных континентов и аллигаторов.
Отношение массы и температуры тела у различных животных. Закрашенными кружками обозначены те, чью скорлупу изучали в обсуждаемом исследовании
Richard R. Dawson et al.
/ Science Advances, 2020
Поделиться
По расчетам авторов, некоторые динозавры, в том числе жившие в умеренных широтах, имели такую же температуру тела, как и современные эндотермные птицы и млекопитающие. У птицетазового майазавра из Канады средняя температура тела составляла 44 ± 2 градусов Цельсия, а у одного из троодонов, найденных там же, — 38 ± 4 градусов.
Последнее особенно интересно, если учесть, что троодон — близкий родственник птиц и известно, что он был покрыт перьями. Вероятно, и эндотермность, и перья он унаследовал от общего с птицами предка. Авторы предполагают, что перья в таком случае могли возникнуть как средство удержания постоянной температуры еще до появления птиц и сначала служили именно теплоизолятором, а не украшением для привлечения половых партнеров. Кроме того, вероятно, именно перья позволили предкам птиц уменьшиться в размерах: чем мельче организм, тем больше у него отношение площади к объему и тем быстрее он остывает, поэтому измельчание требовало мощной теплоизоляции.
Изучение скорлупы яиц динозавров и раньше давало палеонтологам немало ценной информации о динозаврах и их современных родственниках (технически птицы относятся к тероподам). Например, по составу скорлупы удалось установить, что некоторые динозавры охраняли свои кладки и насиживали их, будучи весьма массивными, и показать, что яйца динозавров, как и яйца птиц, были окрашены в различные цвета.
Светлана Ястребова
Динозавры были теплокровными или хладнокровными?
Среди палеонтологов ведутся многолетние споры о том, были ли динозавры холоднокровными или теплокровными? — было решено с новым исследованием, опубликованным в журнале Nature , в котором представлена новая методика анализа метаболизма вымерших животных.
«[Метаболизм] — это то, насколько эффективно мы преобразуем кислород, которым мы дышим, в химическую энергию, питающую наш организм», — говорит ведущий автор статьи Ясмина Виманн, сотрудник Йельского университета и Музея естественной истории округа Лос-Анджелес.
Выводы группы, по ее словам, «действительно волнуют нас как палеонтологов — вопрос о том, были ли динозавры теплокровными или хладнокровными, — один из старейших вопросов в палеонтологии, и теперь мы думаем, что достигли консенсуса — что наиболее динозавры были теплокровными».
«Новый прокси, разработанный Ясминой Виманн, позволяет нам напрямую делать выводы о метаболизме вымерших организмов, о чем мы только мечтали всего несколько лет назад», — говорит соавтор Маттео Фаббри, научный сотрудник Полевого музея в Чикаго. . «Мы также обнаружили разные скорости метаболизма, характерные для разных групп, что ранее предполагалось на основе других методов, но никогда не проверялось напрямую».
Поскольку все, что осталось от динозавров, — это их окаменелые останки, определить, были ли они эндотермическими (теплокровными) или экзотермическими (хладнокровными), было непросто.
Палеонтологам пришлось использовать химический анализ окаменелостей и сравнение структуры окаменелых костей с современными животными, чтобы попытаться оценить метаболизм вымерших животных.
Подробнее о динозаврах: Окаменелость детеныша динозавра Самый маленький австралийский зауропод — 4,2 тонны!
«В прошлом люди изучали кости динозавров с помощью изотопной геохимии, которая в основном работает как палеотермометр», — говорит Виманн.
Минералы часто образуются при определенных температурах, а минералы в окаменелостях могут дать представление о тепле внутри костей вымершего животного. «Это действительно классный подход, и он был действительно революционным, когда он появился, и он продолжает давать очень интересные сведения о физиологии вымерших животных», — говорит Виманн. «Но мы поняли, что еще не совсем понимаем, как процессы окаменения изменяют изотопные сигналы, которые мы улавливаем, поэтому трудно однозначно сравнивать данные окаменелостей с данными современных животных».
В качестве альтернативы ученые пытались оценить метаболизм динозавров, анализируя скорость роста разных видов.
«Если вы посмотрите на поперечное сечение костной ткани динозавра, вы увидите ряд линий, похожих на годичные кольца деревьев, которые соответствуют годам роста», — говорит Фаббри.
«Вы можете посчитать линии роста и пространство между ними, чтобы увидеть, как быстро рос динозавр. Ограничение зависит от того, как вы преобразуете оценки скорости роста в обмен веществ: рост быстрее или медленнее может быть больше связан со стадией жизни животного, чем с его метаболизмом, например, как мы растем быстрее, когда мы молоды, и медленнее, когда мы старше. ».
Новый метод, предложенный командой Вимана, фокусируется не на минералах внутри окаменелостей или темпах роста динозавров, а на использовании кислорода. Дыхание производит белки, сахара и жиры у животных. Когда образуются эти органические соединения, происходит попутное производство молекулярных «отходов», которые сохраняются в процессе окаменения. Таким образом, исследователи смогли измерить, сколько кислорода дышали разные виды динозавров.
Получайте новости о научных новостях прямо на свой почтовый ящик.
Глядя на ископаемые бедренные кости, затемненные из-за присутствия большого количества органического вещества, команда использовала неразрушающую инфракрасную спектроскопию для измерения органических соединений «отходов» в окаменелостях.
Микроскопический вид извлеченных мягких тканей из костей одного из образцов динозавра (аллозавра), исследованных на метаболические сигналы (метаболические сшивки) в продуктах фоссилизации белкового костного матрикса. Фоссилизация вводит дополнительные поперечные связи, которые в сочетании с метаболическими поперечными связями создают характерный коричневый цвет ископаемого внеклеточного матрикса, который удерживает на месте костные клетки (темные, разветвленные структуры) и кровеносные сосуды (трубчатая структура в центре). Кредит: © Дж. Виманн
Проанализировав 55 видов, включая динозавров и их также вымерших летающих родственников, птерозавров и немного более далеких морских родственников, плезиозавров, исследователи сравнили содержимое с бедренными костями живых животных, таких как птицы, чтобы сделать вывод об уровне метаболизма вымерших видов.
Метаболизм динозавров, как правило, высок, как выяснила команда.
Две большие группы динозавров — ящеротазовые (ящеротазовые) и орнитисхийские (птицетазовые), а также ящеротазовые динозавры, такие как 9Было обнаружено, что 0003 Triceratops и Stegosaurus имеют низкую скорость метаболизма, как и современные хладнокровные животные.
Птицебедрые динозавры, в том числе зауроподы (массивные динозавры с длинной шеей, такие как Brachiosaurus ) и тероподы (как правило, плотоядные, двуногие динозавры, такие как Tyrannosaurs и Velociraptor ) были теплыми и даже горячими -кровный.
Выводы группы дополняют более раннюю работу, которая намекала на такие тенденции, но не могла их доказать. Результаты также дают новое представление о повседневной жизни и деятельности динозавров.
«Динозавры с более низким уровнем метаболизма в какой-то степени зависели от внешней температуры», — говорит Виманн. «Ящерицы и черепахи сидят на солнце и греются, и нам, возможно, придется рассмотреть аналогичную «поведенческую» терморегуляцию у птицетазовых с исключительно низким уровнем метаболизма. Хладнокровным динозаврам также, возможно, приходилось мигрировать в более теплый климат в холодное время года, и климат, возможно, был фактором, определяющим, где могли жить некоторые из этих динозавров».
Наоборот, теплокровные динозавры были бы более активны, и им нужно было бы много есть. «Горячие гигантские зауроподы были травоядными, и для питания этой метаболической системы требовалось много растительного вещества», — говорит Виманн. «У них была очень эффективная пищеварительная система, и, поскольку они были такими большими, для них, вероятно, было больше проблем с охлаждением, чем с разогревом».
«Реконструкция биологии и физиологии вымерших животных — одна из самых сложных задач в палеонтологии, — говорит Фаббри. «Это новое исследование добавляет фундаментальную часть головоломки к пониманию эволюции физиологии в глубокое время и дополняет предыдущие прокси, используемые для изучения этих вопросов».
Давая нам изображения животных в прошлом, Виманн также считает, что это может помочь нам понять животных сегодня.
«Высокая скорость метаболизма обычно считается одним из ключевых преимуществ, когда речь идет о выживании во время массовых вымираний и последующем успешном облучении», — говорит она.
Некоторые ученые предполагают, что только птичьи динозавры пережили вымирание 65 миллионов лет назад из-за более высокой скорости метаболизма птиц. Виманн, однако, считает, что новое исследование помогает опровергнуть эту теорию, поскольку многие динозавры с высоким метаболизмом также вымерли. «Мы живем в период шестого массового вымирания, — говорит она, — поэтому для нас важно понять, как современные и вымершие животные физиологически реагировали на предыдущие изменения климата и возмущения окружающей среды, чтобы прошлое могло способствовать сохранению биоразнообразия в настоящем и будущем». сообщать о наших будущих действиях».
Динозавры были теплокровными или хладнокровными?
Когда в середине 19 века были обнаружены первые окаменелости динозавров, ученые предположили, что эти существа были в основном гигантскими неуклюжими ящерицами. Они также предположили, что динозавры были похожи на современных хладнокровных ящериц, а это означало, что температура их тела зависела от окружающей среды.
Однако позже эта идея вызвала ожесточенные споры.
«Общая картина физиологии динозавров, которую мы имеем, сильно изменилась за последние [несколько] десятилетий», — говорит Ясмина Виманн, молекулярный палеобиолог из Калифорнийского технологического института. «Наше понимание того, как динозавры выглядели и как жили, напрямую связано с вопросом, были ли они хладнокровными, теплокровными или где-то посередине».
Новый анализ, опубликованный Виманн и ее сотрудниками 25 мая в журнале Nature , показывает, что предки динозавров были теплокровными или были способны поддерживать постоянную внутреннюю температуру. Исследователи использовали новую технику для оценки скорости метаболизма современных и вымерших животных на основе молекулярного состава их костей. Они пришли к выводу, что многие культовые динозавры, такие как Tyrannosaurus rex и гигантские зауроподы, были теплокровными, но позже хладнокровие появилось у некоторых динозавров, таких как 9.0003 Стегозавр .
Энрико Резенде, биолог-эволюционист из Папского католического университета Чили, изучавший эволюцию теплокровности или эндотермии, называет полученные результаты «весьма впечатляющими».
Результаты «не совсем удивительны, но определенно хорошо иметь некоторую оценку уровня метаболизма», — говорит он, объясняя, что это отходит от жесткой классификации динозавров как теплокровных или хладнокровных. «По сути, это показывает, что у нас есть весь этот градиент уровней метаболизма».
Современные ящерицы или крокодилы должны греться на солнце, чтобы повысить температуру своего тела, в то время как теплокровным животным, таким как птицы и млекопитающие, это не нужно. По словам Резенде, эндотермичность могла позволить динозаврам быть более активными и распространяться на большие территории. Они также будут менее уязвимы к низким температурам, а это значит, что они будут более активны ночью и будут лучше себя чувствовать на возвышенностях или в высоких широтах. С другой стороны, теплокровным динозаврам потребовалось бы много энергии для поддержания их высокого метаболизма, а это значит, что им нужно было бы тратить много времени на питание.
«Понимание уровней метаболизма может многое рассказать нам о том, как они могут взаимодействовать и как могут быть построены эти экосистемы», — говорит Резенде.
[См.: Кости спинозавра намекают на то, что колючие динозавры любили водные виды спорта]
Исследователи использовали различные процедуры, чтобы изучить, в какой степени динозавры были способны генерировать собственное тепло, говорит Лукас Лежандр, палеонтолог из Университета Техас в Остине. Одним из доказательств является оценка температуры тела на основе чувствительных к температуре минералов, сохранившихся в окаменелостях. Другие исследователи изучают кольца роста в бедренных костях динозавров, чтобы определить, насколько быстро животные росли. Лежандр и его коллеги также использовали размеры кровеносных сосудов и костных клеток, чтобы сделать вывод о том, что у плотоядных динозавров была высокая скорость метаболизма, близкая к скорости метаболизма современных птиц.
В статье Nature указывается, что с точки зрения физиологии динозавры обычно имели больше общего со своими ближайшими живыми родственниками — птицами — чем с ящерицами, говорит Лежандр.
«Это новое доказательство, подтверждающее то, о чем многие исследователи говорили в течение последнего десятилетия», — говорит он.
Для новой работы исследователи использовали более прямой подход, чем предыдущие исследования, говорит Маттео Фаббри, палеонтолог из Полевого музея естественной истории в Чикаго и соавтор исследования. Команда исследовала побочные продукты метаболизма — процесса, посредством которого животные превращают питательные вещества и кислород в энергию — сохранившиеся как в новообразованных, так и в окаменелых бедренных костях.
«Именно обмен веществ определяет, выделяется ли много избыточного тепла в процессе дыхания и является ли животное хладнокровным или теплокровным», — говорит Виманн.
Во время этого процесса образуются химические вещества, называемые активными формами кислорода, и генерируются молекулы, называемые конечными продуктами липооксидации. Эти остатки накапливаются и «оставляют отпечатки пальцев практически на каждой ткани», — говорит Резенде.
Животное с высокой скоростью метаболизма использует больше кислорода, чем животное с низкой скоростью метаболизма, поэтому в его организме должны быть более высокие уровни этих соединений.
Виманн и ее команда просканировали кости 30 окаменелых животных и 25 современных птиц, млекопитающих и рептилий, используя методы, называемые рамановской и инфракрасной спектроскопией с преобразованием Фурье. Это позволило им измерить накопленное количество конечных продуктов повышенного липоксидации.
«В основном мы используем эти данные, чтобы сделать вывод об эволюции метаболизма», — говорит Виманн. «Мы выяснили, что динозавры изначально были теплокровными».
[См.: Огненный конец динозавров положил начало золотому веку млекопитающих]
Полученные данные показывают, что эндотермия независимо развилась в группе, включающей динозавров и летающих рептилий, известных как птерозавры, у млекопитающих и морских рептилий, известных как плезиозавры. Исследователи рассчитали особенно высокую скорость метаболизма для диплодоцида с длинной шеей, Allosaurus , и птиц, в то время как у T-rex скорость метаболизма была несколько ниже, чем у других плотоядных динозавров-теропод.
Поразительно, но некоторые из их более дальних родственников имели скорость метаболизма на уровне современных ящериц, что указывает на то, что они были хладнокровными или экзотермическими. Среди них Стегозавр , Трицератопс и утконосый гадрозавр.
«Это довольно увлекательно, потому что это означает, что диапазон метаболизма, реализованный у динозавров, намного шире, чем предполагалось изначально», — говорит Виманн. «Это поднимает интересные вопросы о том, что вызывает эволюционное увеличение или уменьшение скорости метаболизма, и что это означает для образа жизни животных?»
Исследователи ранее предполагали, что теплокровность помогла доисторическим птицам и млекопитающим адаптироваться во время массового вымирания, которое уничтожило остальных динозавров около 66 миллионов лет назад. Однако данные о том, что у многих позднемеловых динозавров был высокий уровень метаболизма, намекают на то, что другие черты, такие как размер тела, вероятно, были ключом к успеху выживших, говорит Виманн.
Полученные данные должны быть подтверждены дальнейшими анализами, включающими больше вымерших животных, говорит Лежандр. Тем не менее, побочные продукты метаболизма, которые исследовала Виманн и ее команда, представляют собой источник данных, которые исследователи могут сравнить с другими признаками.
«Тот факт, что они использовали этот новый метод, добавляет еще одну часть головоломки», — говорит Лежандр. «Надеюсь, в ближайшие несколько лет мы сможем составить более точную картину того, как динозавры и их близкие родственники могли производить метаболическое тепло».
Обновлено (26 мая 2022 г.): Заголовок этой статьи был обновлен, чтобы лучше отразить вопрос исследования и дебаты об эндотермии динозавров.
Динозавры, возможно, произошли от теплокровных предков
Вопрос о том, были ли динозавры теплокровными или хладнокровными, обсуждался на протяжении десятилетий, при этом мнения и доказательства противоречивы.
Новое исследование предполагает, что предки динозавров могли быть теплокровными, но не все динозавры остались такими.
Некоторым динозаврам, таким как стегозавры, возможно, нужно было греться на солнце, чтобы поддерживать постоянную температуру тела, в то время как другие, такие как зауроподы, могли быть активными весь день.
Споры о том, были ли динозавры теплокровными или хладнокровными, продолжаются уже более 60 лет после того, как ученые поняли, что древние рептилии не были такими медлительными, как считалось ранее.
Новое исследование подлило масла в метаболический огонь путем поиска признаков «отходов» активности. Их результаты показывают, что предок всех птиц, динозавров и птерозавров был теплокровным, но некоторые из них, такие как Трицератопс и Стегозавр позже утратили эту способность.
Возможно, это повлияло на то, как вели себя эти динозавры, пытаясь поддерживать температуру своего тела.
Ведущий автор, доктор Ясмина Виманн, говорит: «Динозавры с более низким уровнем метаболизма в какой-то степени зависели от внешней температуры.
Ящерицы и черепахи сидят на солнце и греются, и нам, возможно, придется рассмотреть подобную «поведенческую» терморегуляцию у птицетазовых динозавров с исключительно низким уровнем метаболизма.
‘Хладнокровные динозавры, возможно, также были вынуждены мигрировать в более теплый климат в холодное время года, и климат, возможно, был фактором, определяющим место обитания некоторых из этих динозавров. Между тем, гигантские зауроподы с горячей кровью были травоядными, и у них, вероятно, было больше проблем с охлаждением, чем с нагревом».
Профессор Пол Барретт, эксперт по динозаврам в Музее, говорит, что исследование ставит перед исследователями новые интересные вопросы.
‘Это действительно интригующее исследование, которое поднимает множество вопросов о физиологии динозавров и ее последствиях для экологии и поведения динозавров, и создает хорошую основу для будущих исследований.
‘Например, идея о том, что гигантские динозавры с птичьими бедрами, такие как Трицератопс , утратили теплокровность, совершенно нова и интересна.
Становится все яснее, что биология птицетазовых динозавров, подобных этим, заметно отличалась от биологии представителей других основных групп динозавров, и это исследование подчеркивает, насколько необычными они были.
‘Ни у одного из динозавров, предположительно потерявших статус теплокровных, не было перьев или пуха, и это отсутствие, возможно, могло быть связано с отсутствием у них эндотермии. Было бы очень интересно продолжить изучение этого аспекта в отношении эволюции перьев».
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Размер Диплодока мог означать, что это был гигантотерм, улавливающий достаточно тепла, чтобы поддерживать свою температуру, не будучи теплокровным. Изображение © Попечители Музея естественной истории, Лондон, все права защищены.
Что значит быть теплокровным?
Быть теплокровным, технически известным как «эндотермия», означает, что животное поддерживает постоянную температуру тела, высвобождая энергию как побочный продукт метаболических процессов, происходящих в их клетках.
Хотя это позволяет животному быть более активным и быстрее расти, это очень дорого. Эндотермам нужно есть больше пищи, чем их хладнокровным родственникам, а их более быстрые метаболические процессы производят молекулы, которые могут повредить клеточные компоненты.
Хладнокровные животные, или «эктотермы», не регулируют температуру своего тела таким образом. Вместо этого они полагаются на энергию окружающей среды, такую как солнечный свет, для поддержания температуры своего тела, и поэтому им нужно меньше пищи, чтобы выжить.
Однако этот компромисс означает, что хладнокровные животные не могут быть активными весь день. Значительные периоды дня отданы таким занятиям, как купание, которое повышает температуру их тела, а это означает, что они не могут выполнять энергоемкие действия, такие как полет.
Когда в 1840-х годах впервые обсуждалась биология динозавров, их сравнивали с живыми ящерицами. Это привело к предположению, что все они были хладнокровными, а также медлительными животными, неуклюжими в мезозое.
Однако с 1960-х годов ученые начали пересматривать эту точку зрения. В настоящее время повсеместно считается, что динозавры были очень активными животными, что использовалось в качестве доказательства того, что они были теплокровными.
Однако огромные размеры динозавров означали, что они все еще могли быть хладнокровными и активными. Более крупные животные имеют относительно меньшую площадь поверхности, чем более мелкие животные, что дает меньшую площадь для выхода тепла. Концепция гигантотермии предполагает, что крупные динозавры могли поддерживать температуру своего тела, дольше улавливая больше тепла.
Пол объясняет, почему трудно разделить эти конкурирующие идеи.
— Не существует прямых способов оценить метаболизм вымершего животного, — говорит Пол. «Мы можем вывести определенные характеристики, такие как температура тела, изучая химические изотопы, но это может показать, что они теплокровные, потому что живут в теплой местности. Мы также можем исследовать скорость роста, причем высокие темпы часто обнаруживаются у теплокровных животных, но это не совсем то, что нужно.
‘Среди палеонтологов возник консенсус в отношении того, что метаболизм динозавров, вероятно, отличался от метаболизма любого живого животного, и что они росли быстрее, чем другие рептилии. Однако неизвестно, связано ли это с более высокой скоростью метаболизма динозавров или с другими факторами».
Ученые, разработавшие новую методику, предложенную в ходе исследования, надеются, что ее способ оценки метаболизма выдержит испытание временем.
Кости динозавров, таких как Allosaurus , были проанализированы на содержание побочных продуктов метаболизма. Изображение © Дж. Виманн
Были ли динозавры теплокровными?
Исследователи исследовали окаменелости на наличие соединений, известных как конечные продукты продвинутого окисления липидов, или ALE, которые являются признаками метаболического стресса у живых животных. Эти молекулы чрезвычайно стабильны и не растворяются в воде, что делает вероятным доказательство того, что ALE будут сохраняться в окаменелых животных.
Уровни ALE в бедренных костях теплокровных и хладнокровных животных, включая млекопитающих, рептилий и птиц, использовали для оценки порогов между эндотермией и экзотермией в разных группах. В отличие от некоторых методов оценки эндотермии, этот метод является неразрушающим и поэтому сохраняет окаменелости для будущего использования.
Затем уровень ALE в окаменелостях был проанализирован и использован для определения того, является ли конкретный вид теплокровным или нет. Исследователи обнаружили, что все ископаемые млекопитающие, птерозавры и плезиозавры находились в тех же пределах, что и живые эндотермы.
Динозавры были разделены, при этом тероподы, такие как Tyrannosaurus rex , Deinonychus и Allosaurus , вероятно, были теплокровными, а также другие животные, такие как зауроподы. Другие динозавры, включая трицератопсов, стегозавров и гадрозавров, находились в пределах досягаемости экзотермии.
Исследователи интерпретировали это как свидетельство того, что предки всех млекопитающих, плезиозавров и орнитодиранов (группа, в которую входят динозавры и птерозавры) развили эндотермию отдельно, и что некоторые из их потомков позже утратили эту способность и стали экзотермами.
«Некоторые результаты удивительны, — говорит Пол. «Считается, что зауроподы были настолько большими, что у них были бы высокие температуры, но они не были бы теплокровными. Также было обнаружено, что плезиозавры, возможно, теплокровны, что раньше серьезно не рассматривалось».
‘Поскольку в анализ был включен только один вид из каждой из этих больших групп, я хотел бы увидеть больше примеров из каждой проанализированной группы, чтобы подтвердить эти идеи. Кроме того, вымершие вараны в их анализе кажутся теплокровными, в то время как ни одна живая ящерица не является эндотермом, так что, возможно, их высокого уровня активности было достаточно, чтобы сделать их эндотермами при использовании этого метода».
Исследователи, стоящие за исследованием, заявили, что работают над расширением своего текущего набора данных, включив в него больше образцов, в том числе больше морских рептилий и представителей плейстоценовой мегафауны, таких как шерстистый мамонт, чтобы улучшить разрешение своих находок.