«Мозг и органы чувств, такие как глаз, очень чувствительны к температуре», – сказал Ругер Портер, доцент кафедры анатомии и ведущий автор исследования. «Современные животные часто используют тщательно продуманные стратегии терморегуляции для защиты этих тканей, перемещая горячую и прохладную кровь по различным сетям кровеносных сосудов. Мы хотели узнать, делают 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 сбежать в тень, чтобы остыть, – сказал соавтор исследования профессор Лоуренс Уитмер, – но для этих гигантских динозавров вероятность перегрева была буквально неизбежной. У них, должно быть, были специальные механизмы для контроля температуры мозга, но что это были за?"
Ответ оказался основан на физике, но по-прежнему является частью нашего повседневного опыта. «Один из лучших способов охладиться – это испарение», – сказал Портер. «Кондиционеры в зданиях и автомобилях используют испарение, и именно испарительное охлаждение пота обеспечивает нам комфорт летом. Чтобы охладить мозг, мы посмотрели на анатомические места, где есть влага, чтобы обеспечить охлаждение за счет испарения, такие как глаза и особенно носовая полость и рот."
Чтобы проверить эту идею, команда обратилась к современным родственникам динозавров – птицам и рептилиям – исследования действительно показали, что испарение влаги из носа, рта и глаз охлаждает кровь на пути к мозгу.
Портер и Уитмер получили трупы птиц и рептилий, умерших естественной смертью, в зоопарках и реабилитационных центрах. Используя метод, разработанный в лаборатории Витмера, который позволяет артериям и венам обнаруживаться на компьютерной томографии, они смогли отследить кровоток от мест испарительного охлаждения к мозгу. Они также точно измерили костные каналы и бороздки, по которым проходят кровеносные сосуды.
«В кровеносных сосудах удобно то, что они в основном записывают 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 костлявые доказательства, чтобы восстановить структуру кровотока у вымерших динозавров и, надеюсь, получить представление об их тепловой физиологии и о том, как они справлялись с теплом."
"Открытие того, что разные динозавры охлаждали свой мозг различными способами, не только открывает окно в повседневную жизнь динозавров, но также служит примером того, как физические ограничения, налагаемые конкретными условиями окружающей среды, сформировали эволюцию этого разнообразного и разнообразного вида. уникальная группа ", – сказала Шэрон Шварц, директор программы Национального научного фонда, финансировавшего исследование. "Используя сочетание технологических инноваций и биологических знаний, эти исследователи смогли напрямую прочитать летопись окаменелостей, которая дает новые подсказки о том, как развивались форма и функции скелета динозавров."
Эта команда нынешних и бывших членов 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 докторант лаборатории Кейси Холлидей вместе с Портером и Уитмером руководил проектом по исследованию кровеносных сосудов на крыше черепа T. rex и другие динозавры, которые также могли выполнять терморегулирующую функцию.
Новое исследование Портера и Уитмера представляет собой более обширное количественное исследование, которое показывает, что «один размер не подходит всем» в отношении того, как крупнотелые динозавры сохраняли спокойствие своего мозга. 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 текло через них.
Ключевым фактором оказался размер тела. Меньшие динозавры, такие как пахицефалозавр Stegoceras размером с козу, обладали очень сбалансированным сосудистым паттерном, при котором не выделялась ни одна охлаждающая область. «Это имеет физиологический смысл, потому что у небольших динозавров меньше проблем с перегревом», – сказал Портер. "Но гиганты, такие как зауроподы и анкилозавры, увеличили приток крови к определенным охлаждающим областям головы, намного превышающий то, что было необходимо просто для питания тканей."Этот несбалансированный сосудистый паттерн позволил тепловым стратегиям крупных динозавров быть более сфокусированными с акцентом на одну или несколько областей охлаждения.
Но хотя зауроподы, такие как диплодок и камаразавр, и анкилозавры, такие как Euoplocephalus, имели несбалансированные сосудистые структуры, подчеркивающие определенные области охлаждения, они все же различались.
Зауроподы подчеркивали как полость носа, так и рот как охлаждающие области, тогда как анкилозавры подчеркивали только нос. «Возможно, зауроподы были настолько большими – часто весом в несколько десятков тонн – что им нужно было использовать рот в качестве охлаждающей области во время теплового стресса», – сказал Портер. "Задыхающиеся зауроподы, возможно, были обычным явлением!"
Одна из проблем, с которыми столкнулись исследователи, заключалась в том, что многие динозавры-теропод, такие как 10-тонный T. rex – тоже были гигантскими, но количественный анализ показал, что у них был сбалансированный сосудистый рисунок, как у мелкотелых динозавров.
"Это открытие заставило нас почесать головы, пока мы не заметили очевидную разницу – теропод, такие как Majungasaurus и T. rex имел огромную воздушную пазуху в мордах ", – сказал Уитмер.
Присмотревшись, исследователи обнаружили костяные доказательства того, что этот анторбитальный воздушный синус богат кровеносными сосудами. Ранее Витмер показал, что воздух циркулирует через анторбитальный воздушный синус, как сильфонный насос, каждый раз, когда животное открывает и закрывает рот. "Бум!
Активно вентилируемый синус с высоким содержанием сосудов означал, что у нас была еще одна потенциальная зона охлаждения. Динозавры-тероподы решили ту же проблему…но иначе ", – заключил Витмер.
В настоящее время исследователи расширяют проект, включив в него другие группы динозавров, такие как гадрозавры с утиным клювом и рогатые цератопсы, такие как трицератопс, чтобы изучить, как стратегии терморегуляции различались у других динозавров и как эти стратегии могли повлиять на их поведение и даже на их предпочтительные среды обитания.
Исследование финансировалось грантами Национального научного фонда (NSF) компании Witmer (часть проекта Visible Interactive Dinosaur Project), а также Колледжем остеопатической медицины Университета Огайо.