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(dòng)物祖先身上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于大約2億年前的哺乳動(dòng)物的起源。這項(xiàng)題為"內(nèi)耳生物力學(xué)揭示了哺乳動(dòng)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(lái)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(guó)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(jí)研究員Julien Benoit博士說(shuō)：“我們第一次能夠通過(guò)進(jìn)化來(lái)追蹤內(nèi)溫性的起源對(duì)我們哺乳動(dòng)物前祖先骨骼解剖的直接影響。這對(duì)我們的研究領(lǐng)域來(lái)說(shuō)是一個(gè)令人興奮的時(shí)刻?！?/p>

【資料圖】

除了作為聽(tīng)覺(jué)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(dòng)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(cè)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(lái)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(jué)是意識(shí)到半規(guī)管形狀的這種變化將很容易通過(guò)化石來(lái)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(duì)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(dòng)物祖先何時(shí)從冷血?jiǎng)游镞^(guò)渡到溫血?jiǎng)游锏闹匾C據(jù)。

“直到現(xiàn)在，半規(guī)管一般被用來(lái)預(yù)測(cè)化石生物的運(yùn)動(dòng)能力。然而，通過(guò)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(lái)推斷體溫。這是因?yàn)椋穹涿垡粯?，?dāng)溫度升高時(shí)，半規(guī)管內(nèi)所含的液體的粘性會(huì)降低，從而影響到功能。因此，在過(guò)渡到內(nèi)溫的過(guò)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(dòng)物的祖先中追蹤它們?！卑屠枳匀粴v史博物館博士后研究員、論文第一作者 Romain David博士說(shuō)。

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(duì)突然的變化，表明哺乳動(dòng)物祖先的整體體溫在這個(gè)時(shí)候變得更暖和。

來(lái)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(dòng)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(dòng)物（therapsids）到哺乳動(dòng)物的轉(zhuǎn)變過(guò)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(dòng)物祖先普遍較暖的體溫引起的，”Benoit說(shuō)。

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(lái)自南非Karoo和世界其他地方的幾十種哺乳動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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?jiǎng)游镄缘倪M(jìn)化過(guò)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(jí)研究員、論文第一作者里卡多-阿勞霍博士說(shuō)：“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(lái)看，內(nèi)溫性的獲得似乎發(fā)生得非?？?，不到一百萬(wàn)年。這不是以前所認(rèn)為的數(shù)千萬(wàn)年的一個(gè)漸進(jìn)的、緩慢的過(guò)程，而可能是在類似于哺乳動(dòng)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(guó)菲爾德自然歷史博物館古哺乳學(xué)館長(zhǎng)、論文的資深作者Kenneth D. Angielczyk博士說(shuō)：“哺乳動(dòng)物內(nèi)溫性的起源是古生物學(xué)中未解之謎之一?！?/p>

“許多不同的方法被用來(lái)試圖預(yù)測(cè)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(dòng)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?！?/p>