Разные группы динозавров независимо развили гигантские размеры тела, но все они столкнулись с одними и теми же проблемами перегрева и повреждения мозга. Исследователи из Колледжа остеопатической медицины Heritage Университета Огайо показывают в новой статье в Anatomical Record, что разные гигантские динозавры решали эту проблему по-разному, разрабатывая разные системы охлаждения в разных частях головы.
«Мозг и органы чувств, такие как глаза, очень чувствительны к температуре», - сказал Ругер Портер, доцент кафедры анатомии и ведущий автор исследования. «Сегодня животные часто имеют сложные стратегии терморегуляции для защиты этих тканей, перемещая горячую и холодную кровь по различным сетям кровеносных сосудов. Мы хотели посмотреть, делали ли динозавры то же самое».
Многие из известных гигантских динозавров, такие как зауроподы с длинной шеей или бронированные анкилозавры, на самом деле развили эти большие тела независимо от предков с меньшим телом. «Маленькие динозавры могли просто убежать в тень, чтобы охладиться, - говорит соавтор исследования профессор Лоуренс Уитмер, - но для этих гигантских динозавров потенциал перегрева был буквально неизбежен. У них должны были быть специальные механизмы для контроля температуры мозга, но какие они были?"
Ответ оказался основанным на физике, но все же частью нашего повседневного опыта.«Один из лучших способов охладиться - это испарение», - сказал Портер. «Устройства кондиционирования воздуха в зданиях и автомобилях используют испарение, и именно испарительное охлаждение пота обеспечивает нам комфорт летом. Чтобы охладить мозг, мы обратились к анатомическим местам, где есть влага, чтобы обеспечить испарительное охлаждение, например к глазам. и особенно полость носа и рот."
Чтобы проверить эту идею, команда обратилась к современным родственникам динозавров - птицам и рептилиям - где исследования действительно показали, что испарение влаги в носу, рту и глазах охлаждает кровь на пути к мозг.
Портер и Уитмер получили туши птиц и рептилий, умерших естественной смертью, из зоопарков и реабилитационных центров. Используя технику, разработанную в лаборатории Уитмера, позволяющую визуализировать артерии и вены на компьютерной томографии, они смогли проследить кровоток от мест испарительного охлаждения к мозгу. Они также точно измерили костные каналы и борозды, по которым проходят кровеносные сосуды.
«Удобство в кровеносных сосудах заключается в том, что они в основном описывают свое присутствие в костях», - сказал Портер. «Костные каналы и бороздки, которые мы видим у современных птиц и рептилий, являются нашей связью с окаменелостями динозавров. Мы можем использовать эти костные доказательства, чтобы восстановить закономерности кровотока у вымерших динозавров и, надеюсь, получить представление об их тепловой физиологии и как они справляются с жарой."
"Открытие того, что разные динозавры по-разному охлаждали свой мозг, не только открывает окно в повседневную жизнь динозавров, но также служит примером того, как физические ограничения, налагаемые конкретными условиями окружающей среды, формировали эволюция этой разнообразной и уникальной группы», - сказала Шэрон Шварц, программный директор Национального научного фонда, который финансировал исследование. «Используя сочетание технологических инноваций и биологических знаний, эти исследователи смогли напрямую прочитать летопись окаменелостей, которая дает новые подсказки о том, как эволюционировали форма и функции скелета динозавров."
Эта группа нынешних и бывших сотрудников WitmerLab в Университете Огайо ранее изучала другие случаи физиологии динозавров. В 2014 и 2018 годах бывший докторант Джейсон Бурк руководил проектами с участием Портера и Уитмера по дыханию и теплообмену у пахицефалозавров и анкилозавров соответственно. Совсем недавно бывший аспирант лаборатории Кейси Холлидей вместе с Портером и Уитмером руководил проектом, в ходе которого исследовались кровеносные сосуды на крыше черепа тираннозавра рекса и других динозавров, у которых также могла быть терморегуляторная функция.
Новое исследование, проведенное Портером и Уитмером, представляет собой более обширное количественное исследование, которое показывает, что «один размер не подходит всем» в отношении того, как крупные динозавры сохраняли свой мозг прохладным. То есть у них были разные стратегии терморегуляции. Исследователи изучили размеры костных каналов у динозавров, чтобы оценить относительную важность различных участков испарительного охлаждения в зависимости от того, сколько крови течет через них.
Ключевым фактором оказался размер тела. Более мелкие динозавры, такие как пахицефалозавр Stegoceras размером с козла, имели очень сбалансированный сосудистый рисунок, при этом ни одна область охлаждения не выделялась особо. «Это имеет физиологический смысл, потому что у мелких динозавров меньше проблем с перегревом», - сказал Портер. «Но гиганты, такие как зауроподы и анкилозавры, увеличили приток крови к определенным охлаждающим областям головы намного больше, чем это было необходимо для простого питания тканей». Этот несбалансированный сосудистый рисунок позволил более сфокусировать тепловые стратегии крупных динозавров, подчеркнув одну или несколько областей охлаждения.
Но хотя зауроподы, такие как Diplodocus и Camarasaurus, и анкилозавры, такие как Euoplocephalus, имели несбалансированные сосудистые узоры, подчеркивающие определенные области охлаждения, они все же различались. Зауроподы подчеркивали как носовую полость, так и рот как области охлаждения, тогда как анкилозавры подчеркивали только нос.«Возможно, зауроподы были настолько большими - часто весом в десятки тонн - что им приходилось использовать рот в качестве области охлаждения во время теплового стресса», - сказал Портер. «Возможно, тяжело дышащие зауроподы были обычным явлением!»
Одна из проблем, с которой столкнулись исследователи, заключалась в том, что многие динозавры-тероподы, такие как 10-тонный тираннозавр, также были гигантскими, но количественный анализ показал, что у них был сбалансированный сосудистый рисунок, как у маленьких- динозавры с телом.
«Эта находка заставила нас почесать затылки, пока мы не заметили очевидную разницу - у теропод, таких как майюнгазавр и тираннозавр, в морде был огромный воздушный синус», - сказал Уитмер. Присмотревшись, исследователи обнаружили костяные доказательства того, что этот анторбитальный воздушный синус был богато снабжен кровеносными сосудами. Уитмер ранее показал, что воздух циркулирует через анторбитальный воздушный синус подобно сильфонному насосу каждый раз, когда животное открывает и закрывает рот.«Бум! Активно вентилируемый, хорошо снабжаемый сосудами синус означал, что у нас была еще одна потенциальная область охлаждения. Динозавры-тероподы решали ту же проблему… но по-другому», - заключил Уитмер.
В настоящее время исследователи расширяют проект, чтобы включить в него другие группы динозавров, такие как утконосые гадрозавры и рогатые цератопсы, такие как трицератопсы, чтобы изучить, как стратегии терморегуляции различались у других динозавров и как эти стратегии могли повлиять на их поведение и даже их предпочтения. места обитания.
Исследование финансировалось грантами Национального научного фонда (NSF) для Уитмера (часть проекта Visible Interactive Dinosaur), а также Колледжем остеопатической медицины Университета Огайо.