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.
Большинство динозавров в конце концов были теплокровными
Исследование предполагает, что эндотермия была широко распространена как среди птиц, так и среди нептичьих динозавров, поэтому метаболическая стратегия вряд ли объясняет выживание птиц во время массового вымирания, которое уничтожило их двоюродных братьев-динозавров.
.
Согласно исследованию, опубликованному вчера (25 мая) в журнале Nature , многие динозавры, вероятно, были теплокровными с высокой скоростью метаболизма, которая напоминала скорость метаболизма современных птиц. Сравнив образцы более чем 50 видов позвоночных, как современных, так и вымерших, исследователи обнаружили доказательства того, что эндотермия, или теплокровность, была широко распространена еще до массового вымирания в конце мелового периода, что поставило под сомнение широко распространенное мнение о том, что различия в Метаболизм объясняет, почему у птиц дела обстояли намного лучше, чем у нептичьих динозавров.
«Это очень интересно для нас, палеонтологов», — говорит соавтор исследования и постдоктор Калифорнийского технологического института Ясмина Виманн в заявлении для прессы. «Вопрос о том, были ли динозавры теплокровными или хладнокровными, — один из старейших вопросов в палеонтологии, и теперь мы думаем, что пришли к единому мнению, что большинство динозавров были теплокровными».
Эндотермия, способность поддерживать постоянную температуру тела за счет увеличения скорости метаболизма, считается ключевой инновацией в эволюции позвоночных, поскольку она позволяет животным обитать в самых разных областях с различными климатическими условиями, поддерживать высокий уровень активности и быстро адаптироваться к новым условиям. Напротив, экзотермические или хладнокровные животные имеют гораздо более низкую скорость метаболизма и обычно полагаются на внешние источники тепла, такие как солнце, для повышения температуры тела.
Динозавры обычно считаются хладнокровными животными, похожими на многих современных рептилий, хотя некоторые исследователи предполагают, что некоторые виды могут поддерживать постоянную температуру тела без изменения скорости метаболизма. Один из способов, известный как гигантотермия, заключается в том, чтобы быть большим и громоздким, таким образом, иметь более высокое отношение объема к поверхности, что уменьшает изменения температуры тела.
Однако новое исследование, в котором сравнивались ископаемые продукты метаболизма, включая сигналы так называемых конечных продуктов липоксидации, в костях динозавров с аналогичными химическими веществами современных животных, показывает, что большинство динозавров на самом деле были настоящими эндотермами. Несколько таксонов, которые были хладнокровными, такие как группы, содержащие Tricerotops и Stegosaurus эволюционировали во вторую очередь. Другими словами, изначально они были эндотермическими, но со временем утратили эту способность.
Микроскопическое изображение извлеченных мягких тканей из костей одного из образцов динозавра биолог-эволюционист из Папского католического университета Чили, не участвовавший в работе, рассказывает Научно-популярный . Он добавляет, что исследование также предполагает наличие спектра от холодного к теплокровному, а не четко определенной бинарной системы. «По сути, это показывает, что у нас есть весь этот градиент уровней метаболизма».
Полученные данные также означают, что эндотермия не может полностью объяснить, почему теплокровные животные, такие как птицы, избежали участи остальных динозавров 65 миллионов лет назад, хотя в статье не предлагается альтернативного объяснения. «Мы показали, что метаболизм не является причиной того, что птицы были единственной группой динозавров, пережившей массовое вымирание в конце мелового периода», — говорит Виманн в отдельном заявлении для прессы. «Многие динозавры с таким же эффективным метаболизмом, как у современных птиц, вымерли».
Keywords:
dinosaurs
ectotherm
endotherms
evolution
fossil
metabolism
nutshell
physiology
Raman spectroscopy
Were dinosaurs warm- or cold-blooded?
Десятилетние споры среди палеонтологов: были ли динозавры холоднокровными или теплокровными? — было решено, с новым исследованием, опубликованным в Nature , обеспечивающим новый метод анализа метаболизма вымерших животных.
«Метаболизм — это то, насколько эффективно мы преобразуем кислород, которым мы дышим, в химическую энергию, которая питает 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. При образовании этих органических соединений происходит попутное производство молекулярных «отходов», которые сохраняются в процессе окаменения.
Таким образом, исследователи смогли измерить, сколько кислорода дышали разные виды динозавров.
Получайте свежие новости о науке 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 наличие метаболических сигналов (метаболических поперечных связей) 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
Анализируя 55 видов, в том числе 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.
Две большие группы динозавров — это ящеротазовые (ящеротазовые) и орнитишианские (птицетазовые), а также ящеротазовые динозавры, такие как 9Было обнаружено, что 0005 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 внешних температур», — говорит Виманн. «Ящерицы и черепахи сидят на солнце и греются, и нам, возможно, придется рассмотреть подобную «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».
Еврим Язгин
Еврим Язгин имеет степень бакалавра наук по специальности математическая физика и степень магистра физики Мельбурнского университета.