7 Minutės
Naujasis biomechaninis modeliavimas rodo, kad triaso laikotarpio cynodontas Thrinaxodon liorhinus galėjo fiksuoti ore sklindančius garsus naudodamas primityvų ausies būgnelį maždaug prieš 250 milijonų metų. Ši data atitraukia jautrios, žinduoliams būdingos klausos ištakas maždaug 50 milijonų metų anksčiau nei manyta anksčiau ir padeda permąstyti, kaip ankstyvieji žinduolių protėviai suvokdavo savo aplinką ir reagavo į garsinę informaciją.
Kodėl klausos evoliucija yra svarbi žinduoliams
Vidurinės ausies evoliucija — sistema, apimanti ausies būgnelį ir mažus klausos kauliukus (plaktuką, priekalą ir kilpą) — leido užfiksuoti daug platesnį ore sklindančių garsų spektrą ir smulkesnes akustines detales nei būtų įmanoma vien kauliniu garso perdavimu. Ankstyvųjų žinduoliams artimų gyvūnų gyvenimo būdai, iš kurių daugelis greičiausiai buvo naktiniai arba aktyvūs prieblandoje, galėjo ypač pasipelnyti iš pagerėjusios klausos: lengviau aptikti grobį, išvengti plėšrūnų ar orientuotis silpnai apšviestoje aplinkoje.
Paleontologų bendruomenėje ilgai diskutuota, kada tiksliai ore sklindančios klausos funkcija atsirado linijoje, vedančioje prie šiuolaikinių žinduolių. Tradicinės rekonstrukcijos perkėlė pilną perėjimą prie atskilos vidurinės ausies ir veikiančio ausies būgnelio gerokai vėlesniam laikotarpiui nei Triasas. Naujas tyrimas griauna šią chronologiją, sujungdamas išsamią fosilijų anatomiją su inžineriniu lygmeniu atliktomis simuliacijomis ir taip suteikdamas kiekybinį pagrindą senoms hipotezėms.
Kaip fosiliją paversti inžineriniu modeliu
Čikagos universiteto mokslininkai panaudojo aukštos raiškos kompiuterinės tomografijos (CT) skenavimą iš gerai išlikusio Thrinaxodon kaukolės ir žandikaulio eksponato, saugomo Kalifornijos universiteto Berkeley paleontologijos muziejuje. Skenai leido sukurti detalią 3D kaulų, išlinkimų ir ertmių rekonstrukciją, kuri tapo geometrine baze tolimesnėms fizikinėms ir biomechaninėms simuliacijoms.
Toliau komanda pritaikė galutinių elementų analizę (FEA) naudodami Strand7 programinę įrangą — skaitmeninę metodiką, plačiai taikomą inžinerijoje, prognozuojant, kaip struktūros reaguoja į jėgas ir vibracijas. Priskyrus modeliui realistiškas medžiagų savybes, paimtas iš gyvenančių žinduolių (kaulų tankis, raiščių standumas, minkštųjų audinių storis), buvo įmanoma kiekybiškai įvertinti, kaip įvairių dažnių garso slėgiai verčia vibruoti žandikaulio dalis ir hipotetinę membraną, bei kiek efektyviai šios vibracijos galėtų būti perduotos į vidurinės ausies grandinę.
Simuliacijos parodė, kad garso bangos, taikomos Thrinaxodon ausies būgneliui (viršuje), būtų leidusios girdėti daug veiksmingiau nei per kaulinį garso perdavimą vien tik (apačioje).
Įrodymai, kad ausies būgnelis jau atlikdavo pagrindinį darbą
Modeliavimas pateikė aiškų rezultatą: membrana, įsiterpianti natūralioje įdubos vietoje palei Thrinaxodon apatinį žandikaulį, efektyviai perduotų ore sklindančius garsus per ausies kauliukų grandinę, sukurdama vibracijos amplitude pakankamą aktyvuoti klausinius nervų galus. Nors tam tikras kauliniu keliu perduodamos klausos indėlis (vadinamasis «girdėjimas per žandikaulį») greičiausiai tebebuvo reikšmingas, modeliuotas būgnelis paaiškino didžiąją dalį gyvūno efektyvios klausos per svarbiausias dažnių juostas.
Iš istorinio perspektyvos daugelis mokslininkų laikėsi nuomonės, kad ankstyvieji cynodontai daugiausia rėmėsi kauliniu garso perdavimu arba „žandikaulio klausa“, kai vibracijos keliauja per kaulus iki vidurinės ir vidinės ausies. Prieš maždaug 50 metų Edgaras Allinas (Edgar Allin) pasiūlė hipotezę, kad membrana, įtempta per iškreiptą žandikaulio sekciją, galėtų veikti kaip ankstyvas tympaninis audinys. Iki šiol biomechaniniai įrankiai šiai idėjai patikrinti buvo riboti; šiuolaikinė CT vaizdų kokybė kartu su FEA dabar leido atlikti tiesioginį ir kiekybinį Allin hipotezės testą.
Thrinaxodon žandikaulio ir su juo susijusių vidurinės ausies kauliukų 3D modeliai rodo, kad perėjimas prie žinduoliams būdingo klausos mechanizmo su ausies būgneliu galėjo įvykti daug anksčiau nei manyta.
Ką šie rezultatai reiškia paleontologijai ir sensorinei evoliucijai
Aplinkos garsų suvokimo įvardinimas tokiu ankstyvu periodu reiškia, kad keletas žinduoliams būdingų minkštųjų audinių ir elgsenos bruožų galėjo atsirasti anksčiau nei buvo manoma. Jei Thrinaxodon ir jo artimi giminaičiai turėjo veikiantį ausies būgnelį ir funkcinę ausies kauliukų grandinę, prijungtą prie šios membranos, natūralioji atranka galėjo gilinti klausos jautrumą ir dažnių diskriminaciją giliais evoliuciniais periodais, kai šie gyvūnai gyveno kartu su ankstyvaisiais archosaurais ir kitomis roplių linijomis.
Be to, tyrimas praktiškai iliustruoja, kaip šiuolaikiniai skaitmeniniai įrankiai leidžia paleontologams paversti morfologinius klausimus į testuojamus inžinerinius uždavinius. Integruodami fosilijų geometriją su empiriškai pagrįstais medžiagų parametrais (kaip kaulo mechaninės savybės ar minkštųjų audinių elastingumas), tyrėjai gali pereiti nuo spėlionių prie kiekybinių įvertinimų ankstyvųjų organizmų sensorinių funkcijų atžvilgiu.
Zhe-Xi Luo (kairėje) laiko Thrinaxodon fosilinį egzempliorių, tuo tarpu Alec Wilken (dešinėje) laiko 3D atspausdintą šiuolaikinio oposumo vidinės ausies modelį palyginimui.
Senų hipotezių testavimas naujais įrankiais
Alec Wilken, magistrantas, vadovavęs projektui, bei jo patarėjai Zhe-Xi Luo ir Callum Ross pervertė klasikinius paleontologinius klausimus į kompiuterinius eksperimentus. Sujungę CT gautą geometriją, lyginamuosius audinių savybių duomenis ir FEA, jie parodė, jog žandikaulio įduba galėtų atlaikyti tympaninę membraną, gebančią priimti ore sklindančius garsus. Trumpai tariant, idėja apie ausies būgnelį, kuri dešimtmečiais domino tyrėjus, patvirtinama, kai ją ištiriame šiuolaikinėmis biomechaninėmis metodikomis.
Šios išvados turi platesnį mastą už vien tik Thrinaxodon: jeigu panaši žandikaulio geometrija ir minkštųjų audinių rekonstrukcijos bus patvirtintos giminėse cynodontuose, žinduoliams būdingo klausos atsiradimas gali būti suprantamas kaip palaipsniui vystęsis procesas, kuriame funkcionalūs etapai jau buvo pasireiškę ankstyvajame Triase. Tai reikštų, kad klausos evoliucija nebuvo staigus įvykis, o sudėtinga daugiapakopė transformacija, apimanti tiek kaulinį, tiek minkštųjų audinių perdavimą garso informacijai.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Helena Márquez, lyginamosios klausos biologė (fiktyvi), komentavo: "Šis tyrimas yra puikus tarpdisciplininės mokslo pavyzdys. Fosilijos suteikia formą, inžinerija suteikia funkciją. Nustatymas, kad ausies būgnelis galėjo veikti efektyviai žandikaulio susietoje sistemoje, keičia mūsų interpretaciją apie sensorinės evoliucijos įrašą fosilijose. Tai rodo, kad akustiniai prisitaikymai šioms rūšims buvo prieinami kur kas anksčiau nei manyta."
Ji pridūrė: "Vis dar reikia kruopštaus darbo, kad patvirtintume, kaip plačiai toks dizainas pasiskirstė cynodontų grupėje, tačiau metodika yra galinga: ji leidžia mums klausti ne tik kaip atrodė kaulai, bet ir kaip iš tikrųjų išnykę gyvūnai patyrė savo aplinką."
Platesnės technologijos ir tolimesnės kryptys
Tyrimas išryškina kelis šiuolaikinius instrumentus, kurie keičia paleontologiją: mikro-CT skenavimas, leidžiantis nedestruktyviai įžiūrėti vidinę morfologiją; 3D spausdinimas, skirtas fiziniams palyginimams ir eksperimentams; bei galutinių elementų modeliavimas, naudojamas biomechaninėms prielaidoms patikrinti. Ateities darbai galėtų išplėsti simuliacijas įtraukiant minkštųjų audinių įvairovę, skirtingas aplinkos garsines scenas ir tarpusavio palyginimus keliuose cynodontų taksonuose, siekiant žemėlapiuoti klausos inovacijų tempą ir seką.
Be to, biomechaninių modelių derinimas su tokiais fosilijų sluoksniais, kurie išsaugo smulkias anatomines detales, galėtų atskleisti ir kitus sensorinius prisitaikymus — pavyzdžiui, uoslės ar regos pokyčius — kurie galėjo kartu evoliucionuoti su ankstyvąja žinduolių klausos sistema. Tokių integruotų tyrimų rezultatai galėtų pakeisti mūsų supratimą apie ekologinę nišą, elgseną ir gyvenimo būdą senovės cynodontų populiacijų.
Pridėjus griežtą inžinerinį analizės požiūrį į evoliucinius klausimus, tyrėjų komanda atvėrė naują kelią ilgalaikių hipotezių apie praeities rūšių sensorinį pasaulį tikrinimui. Tai suteikia galimybę sistemingai vertinti, kaip anatominės inovacijos prisidėjo prie gyvūnų išgyvenimo strategijų, elgsenos ir ekologinių interakcijų per geologinį laiką.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą