Химические подсказки раскрывают метаболизм динозавров

505

На протяжении десятилетий палеонтологи спорили, были ли динозавры теплокровными животными, как современные млекопитающие и птицы, или хладнокровными, как современные рептилии. Знание того, были ли динозавры теплокровными или хладнокровными, может дать подсказки о том, насколько они были активны и какова была их повседневная жизнь, но методы определения их теплокровности или хладнокровности — насколько быстро их метаболизм мог превращать кислород в энергию — были безрезультатными.

В новой статье в журнале Nature ученые раскрывают новый метод изучения скорости метаболизма динозавров, используя подсказки в их костях, которые показывают, сколько дышали отдельные животные в последний час своей жизни.

«Нас, как палеонтологов, это очень волнует: 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», — говорит Ясмина Виманн, ведущий автор статьи и научный сотрудник Калифорнийского технологического института.

Новый метод, разработанный Ясминой Виманн, позволяет нам напрямую делать выводы о метаболизме вымерших организмов, о чем мы только мечтали всего несколько лет назад», — говорит Маттео Фаббри, один из авторов исследования.

Люди иногда говорят об обмене веществ с точки зрения того, как легко кому-то оставаться в форме, но по своей сути «обмен веществ — это то, насколько эффективно мы преобразуем кислород, которым мы дышим, в химическую энергию, которая подпитывает наше тело.

Животные с высокой скоростью метаболизма эндотермичны или теплокровны; теплокровные животные, такие как птицы и млекопитающие, потребляют много кислорода и должны сжигать много калорий, чтобы поддерживать температуру тела и оставаться активными.

Холоднокровные или экзотермические животные, такие как рептилии, меньше дышат и меньше едят. Их образ жизни менее энергетически затратен, чем у теплокровных животных, но за это приходится платить: хладнокровные животные зависят от внешнего мира, чтобы поддерживать температуру своего тела, необходимую для функционирования (как ящерица, греющаяся на солнце) и они, как правило, менее активны, чем теплокровные существа.

Поскольку птицы были теплокровными, а рептилии — хладнокровными, динозавры оказались в центре спора. Птицы — единственные динозавры, которые пережили массовое вымирание в конце мелового периода, но динозавры (и, соответственно, птицы) технически являются рептилиями — помимо птиц, их ближайшими живыми родственниками являются крокодилы и аллигаторы. Так что делает динозавров теплокровными или хладнокровными?

Ученые пытались определить скорость метаболизма динозавров на основе химического и остеогистологического анализа их костей. «В прошлом люди изучали кости динозавров с помощью изотопной геохимии, которая в основном работает как палеотермометр, — говорит Ясмина Виманн.

Исследователи изучают минералы в окаменелостях и определяют, при каких температурах эти минералы будут формироваться. — Это действительно классный подход и он был действительно революционным, когда появился, и он продолжает давать очень интересные сведения о физиологии вымерших животных. Но мы поняли, что мы еще не совсем понимаем, как процессы окаменения изменяют изотопные сигналы, которые мы улавливаем, поэтому трудно однозначно сравнить данные окаменелостей с современными животными».

Еще один метод изучения метаболизма — скорость роста. «Если вы посмотрите на поперечное сечение костной ткани динозавра, вы увидите ряд линий, похожих на годичные кольца деревьев, которые соответствуют годам роста», — говорит Маттео Фаббри. «Вы можете посчитать линии роста и расстояние между ними, чтобы увидеть, как быстро рос динозавр.

Ограничение зависит от того, как вы преобразуете оценки скорости роста в метаболизм: рост быстрее или медленнее может иметь больше общего со стадией жизни животного, чем с его метаболизмом, например, как мы растем быстрее, когда мы молоды, и медленнее, когда мы старше».

Новый метод, предложенный Виманн, Фаббри и их коллегами, не учитывает минералы, присутствующие в костях, или скорость роста динозавра. Вместо этого они рассматривают один из самых основных признаков метаболизма: использование кислорода.

Когда животные дышат, образуются побочные продукты, которые реагируют с белками, сахарами и липидами, оставляя после себя молекулярные «отходы». Эти отходы чрезвычайно стабильны и нерастворимы в воде, поэтому они сохраняются в процессе окаменения. Они оставляют после себя записи о том, сколько кислорода вдыхал динозавр и, следовательно, скорость его метаболизма.

Исследователи искали эти частицы молекулярных отходов в темных ископаемых бедренных костях, потому что темные цвета указывают на сохранение большого количества органического вещества. Они исследовали окаменелости с помощью рамановской инфракрасной спектроскопии и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье — «эти методы работают как лазерные микроскопы, мы можем определить количество этих молекулярных маркеров, которые говорят нам о скорости метаболизма», — говорит Ясмина Виманн. «Это особенно привлекательный метод для палеонтологов, потому что он неразрушающий».

Схематический рисунок подгруппы животных, которые были изучены в рамках исследования. Скорость метаболизма и результирующие термофизиологические стратегии обозначены цветом: оранжевые оттенки характеризуют высокую скорость метаболизма, совпадающую с теплокровностью, а синие оттенки характеризуют низкую скорость метаболизма, совпадающую с хладнокровностью. Слева направо: плезиозавр, стегозавр, диплодок, аллозавр, калипта (современный колибри). © J. Wiemann

Команда ученых проанализировала бедренные кости 55 различных групп животных, включая динозавров, их летающих родственников птерозавров, их более дальних морских родственников плезиозавров и современных птиц, млекопитающих и ящериц. Они сравнили количество молекулярных побочных продуктов, связанных с дыханием, с известной скоростью метаболизма живых животных и использовали эти данные, чтобы сделать вывод о скорости метаболизма вымерших животных.

Исследователи обнаружили, что скорость метаболизма динозавров в целом была высокой.

Есть две большие группы динозавров, ящеротазовые и птицетазовые — с бедрами «ящерицы» и бедрами «птиц». Ящеротазовые динозавры, такие как трицератопс и стегозавр, имели низкую скорость метаболизма, сравнимую с таковой у хладнокровных современных животных.

Динозавры с птичьими бедрами, в том числе тероподы и зауроподы — двуногие, более похожие на птиц хищные динозавры, такие как велоцираптор и тираннозавр, и гигантские травоядные с длинной шеей, такие как брахиозавр, — были теплокровными или даже горячими. Исследователи были удивлены, обнаружив, что некоторые из этих динозавров были не просто теплокровными — их скорость метаболизма была сравнима с современными птицами, и намного выше, чем у млекопитающих. Эти результаты дополняют предыдущие независимые наблюдения, которые намекали на такие тенденции, но не могли предоставить прямых доказательств.

Эти результаты, говорят исследователи, могут дать нам принципиально новое представление о том, на что была похожа жизнь динозавров.

«Динозавры с более низким уровнем метаболизма в какой-то степени зависели от внешней температуры», — говорит Ясмина Виманн. «Ящерицы и черепахи сидят на солнце и греются, и нам, возможно, придется рассмотреть подобную «поведенческую» терморегуляцию у птицетазовых с исключительно низким уровнем метаболизма».

С другой стороны, говорит она, 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. У них была очень эффективная пищеварительная система, и, поскольку они были такими большими, для них, вероятно, было больше проблем с охлаждением, чем с нагревом. Между тем, динозавры-тероподы — группа, в которую входят птицы, — развили высокий метаболизм еще до того, как некоторые из их представителей научились летать.

Новое исследование не только дает представление о том, какими были динозавры, но и помогает лучше понять мир вокруг нас сегодня. Динозавры, за исключением птиц, исчезли в результате массового вымирания 65 миллионов лет назад, когда на Землю упал астероид.

«Наличие высокой скорости метаболизма обычно считается одним из ключевых преимуществ, когда речь заходит о выживании при массовых вымираниях и успешном последующем выживании», — говорит Ясмина Виманн. Некоторые ученые предположили, что птицы выжили из-за повышенной метаболической способности птиц, в то время как нептичьи динозавры погибли. Но новое исследование, по словам ученых, помогает показать, что это неправда: многие динозавры с птицеподобными, исключительными метаболическими способностями вымерли.

«Мы живем в эпоху шестого массового вымирания, — говорит Ясмина Виманн, — поэтому для нас важно понять, как современные и вымершие животные физиологически реагировали на предыдущие изменения климата и экологические потрясения, чтобы прошлое могло способствовать сохранению биоразнообразия в настоящем и будущем».

Исследование было опубликовано в журнале Nature.

Смотрите также:
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии