由耳朵講述的體溫調節(jié)進化奧秘

編譯 無機客

和我們的一些“親屬”（譬如爬行動物和兩棲動物）波動起伏的體溫不同，大多數哺乳動物維持相對穩(wěn)定的體溫。這種被叫作內溫性的調節(jié)能力的出現(xiàn)被認為是進化中的重要一步。葡萄牙科學家里卡多?阿勞若（Ricardo Araújo）等人在《自然》雜志上發(fā)表的論文介紹了一種利用化石數據分析來估算內溫性何時演化出現(xiàn)的新穎方法。

為了解釋內溫性的出現(xiàn)，有一篇經典論文提出，動物的有氧代謝能力提高，使得動物獲得維持較高身體活動水平的能力，隨之出現(xiàn)內溫性能力。簡單來說，相較于那些不進行體溫調節(jié)的動物，內溫動物獲得攝入和利用更多氧氣來生成能量的本領，從而使得適合快速移動的高效肌肉活動成為可能。

然而，快速移動需要有效地維持姿勢，保持注視的穩(wěn)定，內耳正是在這兒粉墨登場。內耳中擁有追蹤頭部動作的運動感測器，提供方向信息，類似于智能手機的傳感器元件。然而，耳朵里的感測器的工作機制與電子傳感器大不相同。

耳朵里針對旋轉運動的感測器是半規(guī)管，它利用了體液的慣性。頭部的旋轉引起內耳管道中液體（被稱為內淋巴液）相對的反向旋轉。這一旋轉被機械式感應毛細胞探測到，生成神經元信號，再傳送給特定的大腦區(qū)域。半規(guī)管的功能極限不僅取決于其三維結構，也取決于內淋巴液的黏度。液體的黏度隨著溫度上升而急速下降。因此，為了演化出更高的體溫，卻仍然維持內耳感測功能的工作范圍，這就需要在半規(guī)管尺寸上做出補償性的改變（見圖1）。于是，為了補償隨著溫度升高變得流動性更強的內淋巴液，半規(guī)管的管道只得變得更加纖細來維持內淋巴液的動力學性質。

圖1 內耳與體溫的關聯(lián)

這些思考啟發(fā)了阿勞若和同事，他們著手進行一項讓人印象深刻的研究，結合古生物學、綜合生物力學和統(tǒng)計計算，通過考察動物內耳的化石遺存，推斷各種滅絕物種的體溫。這項工作有助于解開內溫性的部分謎團——也就是內溫性出現(xiàn)的時間。為了確立半規(guī)管三維結構、它的功能極限、體溫之間的關系，作者構想出一種熱運動指數（TMI）。TMI是一個以生物力學為基礎的值，得自于半規(guī)管系統(tǒng)骨結構與功能相關、有助于預估體溫的參數。目前的研究基于運動感測器性質和體溫之間的量化關系，為內溫性的演化起始提供新的證據，而這些都源自對于現(xiàn)存物種的分析。

為了驗證他們的預估系統(tǒng)是否有效，作者確定了200多個現(xiàn)存物種的TMI。他們對半規(guī)管三維結構和體重等數據進行綜合分析，生成一個數學模型，將TMI與這些動物的已知體溫相關聯(lián)。化石僅僅揭示半規(guī)管的骨結構。然而，半規(guī)管的膜結構對于確定TMI至關重要，研究者采用回歸模型來估算TMI。盡管在物種層面上預估體溫的準確性相對較低（因為物種分組為演化支），但估算結果相當不錯，解釋了數據中超過80%的變異性。

接著，利用觀察到的關系，使用60多個滅絕物種的化石記錄，依據TMI來預估體溫分布。根據這項分析，達到內溫性的門檻——由TMI的“突然”上漲標記出來——發(fā)生在大約2.3億年前。那是在晚三疊世期間，處在所謂的卡尼期洪積事件之時。該段時期出現(xiàn)大規(guī)模的氣候變化，包括全球變暖和濕度增加。第一種擁有體溫調節(jié)能力的脊椎動物大概是哺乳形態(tài)類演化支的早期成員，該演化支的動物的外形與大型嚙齒動物相似，而且這些假定的所有現(xiàn)存哺乳動物的共同祖先大約與第一批恐龍在同個時期出現(xiàn)。

阿勞若等人的工作也提供了其他見解。在現(xiàn)存物種中，和只依據體溫驅動下黏度變化而預計的趨勢相比，TMI隨著體溫上升而增加得更多，從而有效地提高感測器的功能極限。作者將這個結果解讀為內溫性演化的有氧代謝能力模型的進一步證據——更高的體溫使得提高身體活動成為可能，這反過來需要能夠處理更快運動的運動感測器。換句話說，你只能跑得像你的運動感測器探測到的運動一樣快。

鑒于采用不同方法的其他研究做出的預測，指出哺乳動物內溫性在晚三疊世開始的證據并不讓人吃驚，但內溫性出現(xiàn)的準確時間并非毫無爭議。譬如說，一項研究匯集不同來源的證據——如毛發(fā)的生長、夜行性活動的跡象和骨結構的特征——提出哺乳動物內溫性出現(xiàn)的時間要提前大約2 000萬年，也就是二疊紀和三疊紀的過渡期。

盡管阿勞若和同事論證了半規(guī)管性質與體溫上升有關的系統(tǒng)性改變，但要根據運動感測器的骨外殼來推斷內溫性的演化還是有些局限。化石遺存無法捕捉到內耳膜性迷路結構與功能相關的三維尺寸， 也無法獲知內淋巴液的黏度或分子組成。阿勞若等人假定內淋巴液的成分在哺乳動物演化中保持不變。對比起來，另一類內溫動物鳥類的內淋巴液黏度要高出不少，導致阿勞若等人假定鳥類（它們的恐龍祖先大概一樣）通過改變內淋巴液的生物化學成分，部分地補償體溫的上升。

確定內溫性出現(xiàn)的時間窗方面，最值得注意的警示細節(jié)是，這項研究中僅僅包括三種被歸入新頜獸小目的非哺乳動物物種的樣本，而根據阿勞若和同事的研究，它們是與人類最接近的非內溫動物親戚。盡管作者十分小心地進行大量數學和統(tǒng)計計算，表明觀察到的TMI變動大概不是抽樣假象，但估算出的起始時間仍然有可能有幾千萬年的誤差。考慮到現(xiàn)存物種中TMI和體溫之間的巨大差異，一些滅絕物種樣本也可能屬于異常值。雖然如此，這項研究考慮了早期哺乳動物伴隨運動敏捷性出現(xiàn)的感測要求，提供令人耳目一新的不同觀點，定然會推動關于哺乳動物內溫性何時出現(xiàn)的討論。

資料來源 Nature