La capacità dei mammiferi e degli uccelli di generare il proprio calore corporeo e controllare la propria temperatura corporea è chiamata endotermia o sangue caldo.
Questa significativa distinzione dai rettili a sangue freddo è alla base del predominio ecologico dei mammiferi praticamente in ogni ecosistema a livello globale. Fino ad ora, non si sapeva esattamente quando l’endotermia ha avuto origine nella discendenza dei mammiferi. Un team di scienziati internazionali ha trovato la pistola fumante di questo importante evento evolutivo nelle orecchie interne dei fossili del Sud Africa e di tutto il mondo.
La nuova ricerca suggerisce che l’endotermia è apparsa negli antenati dei mammiferi circa 233 milioni di anni fa, ben prima dell’origine dei mammiferi, avvenuta circa 200 milioni di anni fa. Questo studio, intitolato “Inner ear biomechanics reveals Late Triassic origin of mammalian endothermy” è stato pubblicato il 20 luglio sulla rivista Nature. I ricercatori dell’Università del Witwatersrand (Wits University) di Johannesburg, in Sud Africa, facevano parte del team internazionale di scienziati che ha condotto lo studio.
“Per la prima volta, siamo in grado di tracciare attraverso l’evoluzione la diretta conseguenza dell’origine dell’endotermia sull’anatomia scheletrica dei nostri antenati pre-mammiferi“, afferma il dottor Julien Benoit, ricercatore senior in paleontologia presso l’Istituto di studi evolutivi di Wits Università. “Questo è un momento emozionante per il nostro campo di studio“.
L’intuizione
Oltre ad essere l’organo dell’udito, l’orecchio interno ospita anche l’organo dell’equilibrio: i canali semicircolari. I tre canali semicircolari dell’orecchio interno sono orientati nelle tre dimensioni dello spazio e sono pieni di un fluido che scorre mentre la testa si muove e attiva i recettori per informare il cervello dell’esatta posizione tridimensionale della testa e del corpo. Affinché l’organo dell’equilibrio rilevi efficacemente la rotazione della testa e aiuti l’equilibrio, la viscosità, o fluidità, di questo fluido (chiamato endolinfa) è di fondamentale importanza.
Simile ad altri fluidi, la viscosità dell’endolinfa cambia con la temperatura corporea, proprio come un pezzo di burro passa da solido a liquido in una padella calda. A causa di questa proprietà fisica, l’evoluzione di una temperatura corporea più elevata causerebbe l’alterazione della viscosità dell’endolinfa. Tuttavia, questo cambiamento di viscosità non può essere lasciato incontrollato, altrimenti l’organo dell’equilibrio non funzionerebbe più correttamente. I canali semicircolari dell’orecchio interno devono adattarsi alla nuova viscosità imposta dall’aumento della temperatura corporea: devono cambiare la loro geometria.
Differenze di taglia tra le orecchie interne (in grigio) degli antenati dei mammiferi a sangue caldo (a sinistra) e a sangue freddo (a destra). Le orecchie interne vengono confrontate per animali di corporatura simile. Crediti: Romain David e Ricardo Araújo
L’intuizione chiave dei due principali autori della scoperta, il dottor Ricardo Araújo (Università di Lisbona) e il dottor Romain David (Museo di storia naturale di Parigi), è stata quella di rendersi conto che questo cambiamento nella forma dei canali semicircolari sarebbe stato facile da rintracciare attraverso il tempo geologico utilizzando fossili. Individuare le specie in cui si è verificato questo cambiamento di geometria funziona come una guida accurata per quando si è evoluta l’endotermia: la pistola fumante che identifica quando gli antenati dei mammiferi sono passati da sangue freddo a sangue caldo.
“Fino ad ora, i canali semicircolari erano generalmente usati per prevedere la locomozione degli organismi fossili. Tuttavia, osservando attentamente la loro biomeccanica, abbiamo pensato che avremmo potuto usarli anche per dedurre la temperatura corporea. Questo perché, come il miele, il fluido contenuto all’interno dei canali semicircolari diventa meno viscoso all’aumentare della temperatura, impattando sulla funzione. Quindi, durante il passaggio all’endotermia, sono stati necessari adattamenti morfologici per mantenere prestazioni ottimali e potremmo rintracciarli negli antenati dei mammiferi“, afferma il dottor Romain David, ricercatore post-dottorato presso il Museo di storia naturale e autore principale dell’articolo.
Il contributo dei fossili di Karoo
I ricercatori hanno scoperto che la geometria dei canali uditivi interni si è adattata a un cambiamento relativamente brusco nella viscosità dell’endolinfa circa 233 milioni di anni fa, indicando che la temperatura corporea complessiva degli antenati dei mammiferi è diventata più calda in questo momento.
I fossili del Karoo sudafricano hanno svolto un ruolo chiave in questa scoperta, in parte a causa della ricchezza di fossili di antenati mammiferi che le rocce dell’età del Karoo hanno prodotto in più di cento anni di studio.
L’orecchio interno osseo di una scimmia scoiattolo (in blu) e i tessuti molli al suo interno (in rosso). Le relazioni tra le strutture ossee e dei tessuti molli sono state studiate nelle specie esistenti per dedurre la funzione dell’orecchio interno nei fossili e dedurre se fossero a sangue freddo o caldo. Credito: Romain David
I fossili sudafricani offrono una registrazione ininterrotta dell’evoluzione della vita durante un intervallo di quasi 100 milioni di anni, documentando la trasformazione da animali simili a rettili (i terapsidi) a mammiferi con dettagli squisiti. Inoltre, poiché il Karoo era situato più vicino al Polo Sud in quel momento a causa della deriva dei continenti, la temperatura corporea più calda suggerita dalla geometria dell’orecchio interno non può essere dovuta a un clima complessivamente più caldo.
“Poiché il clima sudafricano era in media più freddo, il cambiamento nella viscosità del fluido dell’orecchio interno può essere stato causato solo da una temperatura corporea generalmente più calda negli antenati dei mammiferi“, afferma Benoit.
Utilizzando tecniche all’avanguardia di scansione TC e modellazione 3D, i ricercatori sono stati in grado di ricostruire l’orecchio interno di dozzine di antenati mammiferi del Karoo sudafricano e di altre parti del mondo, e sono riusciti a indicare esattamente quale specie aveva un’anatomia dell’orecchio interno coerenti con una temperatura corporea più calda e quali no.
Un cambio di paradigma
Finora l’aspettativa generale era che l’endotermia sia sorta molto vicino al confine permo-triassico, circa 252 milioni di anni fa, o forse più vicino all’origine dei mammiferi 200 milioni di anni fa. I nuovi risultati suggeriscono che l’endotermia è apparsa negli antenati dei mammiferi circa 233 milioni di anni fa. Questa nuova data è coerente con le recenti scoperte secondo cui molti dei tratti solitamente associati alla “mammifericità”, come baffi e pelliccia, si sono evoluti anche prima del previsto. Ancora più importante, i risultati supportano che la transizione evolutiva al sangue caldo è stata inaspettatamente veloce.
“Contrariamente all’attuale pensiero scientifico, il nostro articolo dimostra sorprendentemente che l’acquisizione dell’endotermia sembra essere avvenuta molto rapidamente in termini geologici, in meno di un milione di anni“, afferma il dott. Ricardo Araújo, ricercatore junior presso l’Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear, Instituto Superior Técnico, Università di Lisbona e autore principale dell’articolo. “Non è stato un processo graduale e lento nel corso di decine di milioni di anni come si pensava in precedenza, ma forse è stato raggiunto rapidamente quando innescato da nuove vie metaboliche simili ai mammiferi e dall’origine della pelliccia“.
“L’origine dell’endotermia dei mammiferi è uno dei grandi misteri irrisolti della paleontologia“, afferma il dottor Kenneth D. Angielczyk, curatore di Paleomammalogy di MacArthur al Field Museum of Natural History, USA e autore senior dell’articolo.
“Sono stati utilizzati molti approcci diversi per cercare di capire quando si è evoluto per la prima volta, ma spesso hanno dato risultati vaghi o contrastanti. Pensiamo che il nostro metodo mostri una vera promessa perché è stato convalidato utilizzando un numero molto elevato di specie moderne e suggerisce che l’endotermia si è evoluta in un momento in cui anche molte altre caratteristiche del piano corporeo dei mammiferi stavano andando a posto”.
Riferimento: “Inner ear biomechanics reveals Late Triassic origin of mammalian endothermy” di Ricardo Araújo, Romain David, Julien Benoit, Jacqueline K. Lungmus, Alexander Stoessel, Paul M. Barrett, Jessica A. Maisano, Eric Ekdale, Maëva Orliac, Zhe -Xi Luo, Agustín G. Martinelli, Eva A. Hoffman, Christian A. Sidor, Rui MS Martins, Fred Spoor e Kenneth D. Angielczyk, 20 luglio 2022, Natura .
DOI: 10.1038/s41586-022-04963-z
