編譯 無機(jī)客

和我們的一些“親屬”（譬如爬行動(dòng)物和兩棲動(dòng)物）波動(dòng)起伏的體溫不同，大多數(shù)哺乳動(dòng)物維持相對穩(wěn)定的體溫。這種被叫作內(nèi)溫性的調(diào)節(jié)能力的出現(xiàn)被認(rèn)為是進(jìn)化中的重要一步。葡萄牙科學(xué)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(shù)據(jù)分析來估算內(nèi)溫性何時(shí)演化出現(xiàn)的新穎方法。

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

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

耳朵里針對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的感測器是半規(guī)管，它利用了體液的慣性。頭部的旋轉(zhuǎn)引起內(nèi)耳管道中液體（被稱為內(nèi)淋巴液）相對的反向旋轉(zhuǎn)。這一旋轉(zhuǎn)被機(jī)械式感應(yīng)毛細(xì)胞探測到，生成神經(jīng)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(jié)構(gòu)，也取決于內(nèi)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(nèi)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(bǔ)償性的改變（見圖1）。于是，為了補(bǔ)償隨著溫度升高變得流動(dòng)性更強(qiáng)的內(nèi)淋巴液，半規(guī)管的管道只得變得更加纖細(xì)來維持內(nèi)淋巴液的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。

圖1 內(nèi)耳與體溫的關(guān)聯(lián)

這些思考啟發(fā)了阿勞若和同事，他們著手進(jìn)行一項(xiàng)讓人印象深刻的研究，結(jié)合古生物學(xué)、綜合生物力學(xué)和統(tǒng)計(jì)計(jì)算，通過考察動(dòng)物內(nèi)耳的化石遺存，推斷各種滅絕物種的體溫。這項(xiàng)工作有助于解開內(nèi)溫性的部分謎團(tuán)——也就是內(nèi)溫性出現(xiàn)的時(shí)間。為了確立半規(guī)管三維結(jié)構(gòu)、它的功能極限、體溫之間的關(guān)系，作者構(gòu)想出一種熱運(yùn)動(dòng)指數(shù)（TMI）。TMI是一個(gè)以生物力學(xué)為基礎(chǔ)的值，得自于半規(guī)管系統(tǒng)骨結(jié)構(gòu)與功能相關(guān)、有助于預(yù)估體溫的參數(shù)。目前的研究基于運(yùn)動(dòng)感測器性質(zhì)和體溫之間的量化關(guān)系，為內(nèi)溫性的演化起始提供新的證據(jù)，而這些都源自對于現(xiàn)存物種的分析。

為了驗(yàn)證他們的預(yù)估系統(tǒng)是否有效，作者確定了200多個(gè)現(xiàn)存物種的TMI。他們對半規(guī)管三維結(jié)構(gòu)和體重等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，生成一個(gè)數(shù)學(xué)模型，將TMI與這些動(dòng)物的已知體溫相關(guān)聯(lián)?；瘍H僅揭示半規(guī)管的骨結(jié)構(gòu)。然而，半規(guī)管的膜結(jié)構(gòu)對于確定TMI至關(guān)重要，研究者采用回歸模型來估算TMI。盡管在物種層面上預(yù)估體溫的準(zhǔn)確性相對較低（因?yàn)槲锓N分組為演化支），但估算結(jié)果相當(dāng)不錯(cuò)，解釋了數(shù)據(jù)中超過80%的變異性。

接著，利用觀察到的關(guān)系，使用60多個(gè)滅絕物種的化石記錄，依據(jù)TMI來預(yù)估體溫分布。根據(jù)這項(xiàng)分析，達(dá)到內(nèi)溫性的門檻——由TMI的“突然”上漲標(biāo)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(shí)。該段時(shí)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(diào)節(jié)能力的脊椎動(dòng)物大概是哺乳形態(tài)類演化支的早期成員，該演化支的動(dòng)物的外形與大型嚙齒動(dòng)物相似，而且這些假定的所有現(xiàn)存哺乳動(dòng)物的共同祖先大約與第一批恐龍?jiān)谕瑐€(gè)時(shí)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(jù)體溫驅(qū)動(dòng)下黏度變化而預(yù)計(jì)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(gè)結(jié)果解讀為內(nèi)溫性演化的有氧代謝能力模型的進(jìn)一步證據(jù)——更高的體溫使得提高身體活動(dòng)成為可能，這反過來需要能夠處理更快運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)感測器。換句話說，你只能跑得像你的運(yùn)動(dòng)感測器探測到的運(yùn)動(dòng)一樣快。

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

盡管阿勞若和同事論證了半規(guī)管性質(zhì)與體溫上升有關(guān)的系統(tǒng)性改變，但要根據(jù)運(yùn)動(dòng)感測器的骨外殼來推斷內(nèi)溫性的演化還是有些局限?；z存無法捕捉到內(nèi)耳膜性迷路結(jié)構(gòu)與功能相關(guān)的三維尺寸， 也無法獲知內(nèi)淋巴液的黏度或分子組成。阿勞若等人假定內(nèi)淋巴液的成分在哺乳動(dòng)物演化中保持不變。對比起來，另一類內(nèi)溫動(dòng)物鳥類的內(nèi)淋巴液黏度要高出不少，導(dǎo)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(nèi)淋巴液的生物化學(xué)成分，部分地補(bǔ)償體溫的上升。

確定內(nèi)溫性出現(xiàn)的時(shí)間窗方面，最值得注意的警示細(xì)節(jié)是，這項(xiàng)研究中僅僅包括三種被歸入新頜獸小目的非哺乳動(dòng)物物種的樣本，而根據(jù)阿勞若和同事的研究，它們是與人類最接近的非內(nèi)溫動(dòng)物親戚。盡管作者十分小心地進(jìn)行大量數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)計(jì)算，表明觀察到的TMI變動(dòng)大概不是抽樣假象，但估算出的起始時(shí)間仍然有可能有幾千萬年的誤差?？紤]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(xiàng)研究考慮了早期哺乳動(dòng)物伴隨運(yùn)動(dòng)敏捷性出現(xiàn)的感測要求，提供令人耳目一新的不同觀點(diǎn)，定然會(huì)推動(dòng)關(guān)于哺乳動(dòng)物內(nèi)溫性何時(shí)出現(xiàn)的討論。

資料來源 Nature