Многие млекопитающие и птицы являются замечательными спортсменами; мыши усердно роют норы для защиты, а воробьи борются с гравитацией каждым взмахом крыльев. Чтобы иметь энергию для поддержания энергичных упражнений, тканям тела необходимо постоянное снабжение кислородом, а красные кровяные тельца (эритроциты) являются центром системы доставки кислорода. Размер тоже имеет значение; спортивные млекопитающие и птицы имеют гораздо меньшие эритроциты, чем другие позвоночные с меньшей способностью к физической нагрузке. Биологи долгое время были озадачены эволюционным происхождением размеров эритроцитов. Были ли предки млекопитающих и птиц, включая динозавров, спортсменами и имели ли они крошечные эритроциты? Как вы измеряете кровь вымерших животных?
Теперь биологи из Университета Юты и Музея естественной истории штата Юта установили «ископаемый» индикатор атлетизма в костях вымерших позвоночных.
Исследование, которое было опубликовано онлайн в журнале Current Biology 22 декабря, впервые установило связь между размером эритроцитов и микроскопическими следами кровеносных сосудов и костных клеток внутри кости. Исследователи измерили костные каналы, которые доставляют кислород в костную ткань, чтобы точно определить, когда у наших предков-млекопитающих, предков птиц и динозавров развились маленькие эритроциты. Они обнаружили, что вымершие родственники млекопитающих, или цинодонты, и вымершие родственники птиц имели меньшие эритроциты и, вероятно, были лучшими спортсменами, чем более ранние наземные позвоночные. Время уменьшения размера эритроцитов совпало с величайшим массовым вымиранием на Земле 252 миллиона лет назад, событием, которое проложило путь эпохе динозавров.
"Некоторые люди смотрят на окаменелости и видят камни, но это были живые и дышащие организмы. Чтобы иметь возможность найти прокси, которые говорят нам что-то подобное, это заставляет нас думать о живых организмах в их среде обитания, ", - говорит ведущий автор Адам Хаттенлокер из Медицинской школы Кека Университета Южной Калифорнии, который завершил исследование в качестве научного сотрудника Университета и Музея. «Это позволяет нам задуматься об общих последствиях массового вымирания. Какие физиологические инновации позволили им добиться успеха? Это действительно захватывающе».
Красные кровяные тельца: система доставки кислорода
Может показаться нелогичным, что крошечные эритроциты доставляют кислород более эффективно, чем более крупные клетки, говорит Хаттенлокер, но меньший размер соответствует плотно упакованным сосудистым сетям, которые намного эффективнее, чем большие клетки крови, которые редко распределены.
«Подумайте об этом так: гораздо проще быстро выгрузить людей из двух небольших седанов, чем с той же скоростью разгрузить 15-местный фургон», - говорит Хаттенлокер.«Это в основном то, чем являются эритроциты - транспортными средствами для кислорода. Когда у вас много очень маленьких клеток, вы можете очень быстро получать и отдавать кислород».
Huttenlocker знал из предыдущих исследований, что диаметр капилляров, доставляющих кислород к мышцам, как правило, имеет ту же ширину, что и эритроциты организма. Это облегчает молекулам кислорода покидание клеток крови, прохождение через стенку капилляра и попадание в различные ткани. Эритроциты спортивных млекопитающих и птиц намного меньше клеток крови менее активных животных.
Для палеонтолога, надеющегося найти ключи в крови вымерших животных, это представляет проблему; капилляры не окаменевают. Поэтому Хаттенлокер измерил диаметр микроскопических каналов, встроенных в окаменелые кости, которые позволяют капиллярам доставлять кислород в костную ткань. Он также измерил крошечные полости, содержащие костные клетки, называемые лакунами.
«Палеонтологи упускают из виду этот аспект - диаметр каналов», - говорит Коллин Фармер, старший автор статьи и биолог Университета и музея. Размер каналов является косвенным показателем размера эритроцитов, который показывает, способен ли организм выдерживать интенсивные физические нагрузки, продолжает она. «Аэробные способности эволюционировали вместе со многими ключевыми чертами жизненного цикла - способ передвижения, способность животного мигрировать, испытывало ли животное интенсивную внутривидовую конкуренцию - это не тривиально, аэробные способности - центральный и ключевой аспект жизненного цикла».
Взгляд в долгую историю
Хаттенлокер и Фармер рассмотрели три основные линии наземных животных; млекопитающие и их вымершие родственники, нептичьи рептилии и птицы и их вымершие родственники, амфибии. Исследователи выбрали эти три группы, называемые четвероногими, из-за их эволюционной истории; все они имели одного и того же древнего четвероногого предка, прежде чем 320 миллионов лет назад разветвились на свои собственные эволюционные пути..
Амфибии, в том числе водолюбивые лягушки и саламандры, впервые отделились от общего предка четвероногих в раннем каменноугольном периоде, более 320 миллионов лет назад. Следующими ответвились линии млекопитающих и рептилий. Вымершие звероподобные цинодонты впервые появились в конце пермского периода, около 260 миллионов лет назад. Они больше походили на толстых, возможно, покрытых шерстью ящериц, чем на млекопитающих, которых мы видим сегодня. Примерно в то же время рептилии разделились на две группы - от предков динозавров и птиц, называемых архозаврами, и других нептичьих рептилий.
В начале триасового периода 252 миллиона лет назад вымерло 90 процентов живых существ. Так называемое пермско-триасовое массовое вымирание было крупнейшим вымиранием в истории Земли и оставило место для выживших, чтобы диверсифицироваться и заполнить вновь освободившиеся ниши.
Мы имеем дело с большой временной шкалой. Прямо перед вымиранием в начале пермского и каменноугольного периодов существовали эти обобщенно выглядящие четвероногие животные. К тому времени, когда вы доберетесь до триаса, они больше походят на то, видеть сегодня, но все еще в некотором роде чуждо», - говорит Хаттенлокер.
Во-первых, Хаттенлокер проанализировал кости 14 видов живых четвероногих: шести млекопитающих, двух птиц, четырех нептичьих рептилий и двух земноводных. Он сделал тонкие, как бумага, срезы костей передних конечностей каждого животного и визуализировал изображение в цифровом виде, чтобы увидеть микроскопические каналы и лакуны костных клеток под микроскопом. Затем он измерил диаметры мельчайших каналов и лакун и вывел уравнения, по которым можно было предсказать размер эритроцитов. Он проверил свои прогнозы на мазках крови, чтобы измерить фактический размер клеток крови. Он обнаружил, что может предсказать размер на основе микроструктуры кости.
Исследователи обнаружили, что у млекопитающих и птиц размеры каналов и лакун меньше, чем у нептичьих рептилий и амфибий. Кроме того, более мелкие клетки крови соответствовали более высокой плотности каналов, что позволяет кислороду быстрее диффундировать в ткани. Хаттенлокер и Фармер были уверены, что микроструктура кости будет показателем размера эритроцитов у вымерших животных. Они обнаружили, что все триасовые предки млекопитающих (цинодонты) и некоторые более ранние предшественники млекопитающих имели такие же размеры эритроцитов, как и современные млекопитающие. У архозавроморфов был широкий диапазон размеров клеток, однако самые маленькие эритроциты были примерно того же размера, что и их современные триасовые цинодонты.
Под избирательным давлением
Ископаемый показатель размера эритроцитов дает ключ к пониманию среды обитания вымерших животных. Цинодонты существовали за 70 миллионов лет до появления настоящих млекопитающих, но вели похожий образ жизни. Маленькие цинодонты гнездятся в подземных норах, в которых уровень кислорода часто ниже, чем на поверхности. У цинодонтов, возможно, развились эритроциты меньшего размера, чтобы рыть туннели, перемещать грязь и поддерживать активный образ жизни в среде с низким содержанием кислорода.
Более спорная гипотеза связана с длительным падением содержания кислорода в атмосфере в начале триаса. Некоторые люди предположили, что адаптация к более эффективному распределению кислорода могла быть вызвана низким уровнем кислорода. Какой бы ни была причина, Хаттенлокер говорит, что в триасовый период должны были присутствовать некоторые селективные факторы, которые способствовали появлению этих признаков.
«Сходное давление окружающей среды может привести к схожим решениям проблем у этих очень разных групп животных», - говорит Хаттенлокер. «В этой статье мы сосредоточимся только на одном маленьком кусочке этого. Но предшественники млекопитающих и птиц могли тренироваться и быть спортсменами в пермско-триасовом мире».
Фармер говорит, что им нужно проанализировать гораздо больше живых животных, чтобы подтвердить, что микроструктуры костей могут быть показателем атлетизма. Инструмент позволит палеонтологам оценить спортивные способности многих видов вымерших животных. «Многие окаменелости были проанализированы без этого понимания, и данные просто лежат там, и их можно легко рассматривать через эту призму», - говорит Фармер. «Это преобразует, предоставляя новый способ заглянуть в прошлое, чтобы увидеть, какими были эти животные."