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《自然》雜志：內(nèi)耳生物力學揭示了哺乳動物內(nèi)溫的晚三疊世起源
（神秘的地球uux.cn報道）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內(nèi)耳內(nèi)溫顯著區(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。直到現(xiàn)在，生物人們還不知道內(nèi)溫性是力學何時起源于哺乳動物的祖先。一個國際科學家小組在南非和全球各地的揭示化石的內(nèi)耳中發(fā)現(xiàn)了這一關鍵進化事件的“確鑿證據(jù)”。
新的哺乳研究表明，內(nèi)溫性出現(xiàn)在大約2.33億年前的動物的晚疊世哺乳動物祖先身上，遠遠早于大約2億年前的起源哺乳動物的起源。這項題為"內(nèi)耳生物力學揭示了哺乳動物內(nèi)溫的自然雜志晚三疊世起源"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)斯堡金山大學的內(nèi)耳內(nèi)溫研究人員是進行這項研究的國際科學家團隊的成員。
金山大學進化研究所古生物學高級研究員Julien Benoit博士說：“我們第一次能夠通過進化來追蹤內(nèi)溫性的生物起源對我們哺乳動物前祖先骨骼解剖的直接影響。這對我們的力學研究領域來說是一個令人興奮的時刻?！?br>除了作為聽覺器官外，揭示內(nèi)耳還容納了平衡器官：半規(guī)管。哺乳內(nèi)耳的動物的晚疊世三個半規(guī)管以三維空間為導向，當頭部移動時，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并幫助平衡，這種液體（稱為內(nèi)淋巴液）的粘性或運行性至關重要。
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）和Romain David博士（巴黎自然歷史博物館）的關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)時間。準確指出發(fā)生這種幾何形狀變化的物種，將對內(nèi)溫性的進化時間起到準確的指導作用：確定哺乳動物祖先何時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)管一般被用來預測化石生物的運動能力。然而，通過仔細觀察它們的生物力學，我們想，我們也可以用它們來推斷體溫。這是因為，像蜂蜜一樣，當溫度升高時，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，需要進行形態(tài)上的適應，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
研究人員發(fā)現(xiàn)，內(nèi)耳道在大約2.33億年前適應了內(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時候變得更暖和。
來自南非 Karoo的化石在這一發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮了關鍵作用，部分原因是Karoo時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）到哺乳動物的轉變過程。此外，由于當時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。
利用最先進的CT掃描技術和三維建模，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，并設法準確指出哪些物種的內(nèi)耳解剖結構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，人們普遍認為內(nèi)溫性是在非常接近2.52億年前的古三疊紀邊界時出現(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"相關的特征，如胡須和皮毛，也比以前預期的更早演化。更重要的是，這些結果支持向溫血動物性的進化過渡是出乎意料的快。
里斯本大學高等理工學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：“與目前的科學思維相反，我們的論文令人驚訝地表明，從地質(zhì)學角度來看，內(nèi)溫性的獲得似乎發(fā)生得非?？?，不到一百萬年。這不是以前所認為的數(shù)千萬年的一個漸進的、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)時迅速達到的。”
美國菲爾德自然歷史博物館古哺乳學館長、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中未解之謎之一?！?br>“許多不同的方法被用來試圖預測它的首次進化時間，但它們經(jīng)常給出模糊或矛盾的結果。我們認為我們的方法顯示了真正的前景，因為它已經(jīng)用非常多的現(xiàn)代物種進行了驗證，而且它表明內(nèi)溫性是在哺乳動物身體計劃的許多其他特征也逐漸到位的時候進化的?！?br>相關報道：哺乳動物何時成為溫血動物？國際最新研究稱或起源于2.33億年前
（神秘的地球uux.cn報道）據(jù)中新網(wǎng)北京7月21日電（記者 孫自法）：國際著名學術期刊《自然》最新發(fā)表一篇古生物學論文指出，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)耳化石的研究結果，增進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關鍵特征，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，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)的時間一直難以確定，因為大部分化石證據(jù)都不夠完備。
論文共同通訊作者、葡萄牙里斯本大學里卡多·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)和合作者認為，研究哺乳動物祖先的內(nèi)耳半規(guī)管結構或有助于了解哺乳動物向內(nèi)溫性的過渡是何時開始的。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)管結構變化，進而發(fā)現(xiàn)與內(nèi)溫性相關的改變，如半規(guī)管變窄。他們發(fā)現(xiàn)，半規(guī)管結構在晚三疊世一段氣候不穩(wěn)定時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、無氧能力的增強相關。
相關報道：內(nèi)耳道化石揭示恒溫動物進化時間
（神秘的地球uux.cn報道）據(jù)中國科學報（辛雨）：類爬行動物的祖先進化為恒溫動物的時間一直備受爭議。近日，科學家通過內(nèi)耳道化石表明，這種適應變化大約發(fā)生在2.3億至2億年前。但其他研究人員認為，這一證據(jù)不太可能結束這場爭論。
恒溫動物（溫血動物）可以保持恒定的高體溫，因為它們新陳代謝快，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，如身高和骨骼結構來推斷代謝率。
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》的一項研究中，葡萄牙里斯本大學古生物學家Ricardo Araújo團隊提出，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)管道的運動有助于身體監(jiān)測頭部位置和運動，這對視覺和平衡至關重要。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，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化成具有更少粘性的液體，以保持平衡和運動。
為了追蹤這種適應，研究小組比較了50種現(xiàn)存脊椎動物的內(nèi)耳結構和生理機能，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)耳形狀的熱運動指數(shù)，根據(jù)體型調(diào)整后，能夠預測動物的體溫。
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。研究人員認為，這是下孔類動物變成恒溫動物的時間。這一轉變意味著它們的體溫升高5℃~9°C，新陳代謝加快。
因三疊紀氣候比之前的二疊紀氣候更冷，研究人員認為，這種適應使早期恒溫動物在應對三疊紀氣候方面更具有優(yōu)勢。
巴西圣保羅大學比較生理學家José Eduardo Bicudo認為，該團隊的方法非常新穎，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生物學家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時期發(fā)生了進化。
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時其他爬行動物共存，包括用兩條腿行走、行動迅速的祖龍（現(xiàn)代鳥類的祖先）。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04963-z
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溫血性（或稱內(nèi)溫性）是哺乳動物和鳥類的一個關鍵特征，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，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)的時間一直難以確定，因為大部分化石證據(jù)都不夠完備。
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