A testhőmérséklet szabályozásának evolúciója

Az állandó testhőmérséklet kialakulása a gerincesek evolúciójának egy kiemelten fontos lépése. Az állandó testhőmérséklet lehetővé teszi, hogy a szervezetben zajló biokémiai folyamatok szinte bármilyen külső körülmények között nagyjából hasonló sebességgel menjenek végbe és ez a kiszámíthatóság kedvező a túlélés szempontjából. A paleontológia egyik nagy kérdése, hogy mikor jelent meg az evolúció során az állandó testhőmérséklet, vagy homeotermia. Az állandó testhőmérséklet és a gyorsabb mozgás feltehetőleg azt is szükségessé tette, hogy az adott állat pontosabban érzékelje a saját mozdulatait. Erre a gondolatra alapozva egy nemzetközi kutatócsoport a belső fül felépítése alapján adott egy új becslést a homeotermia megjelenésének idejére.

A test hőmérséklete meghatározza, hogy a benne zajló biokémiai folyamatok milyen hatékonysággal mennek végbe. A magasabb hőmérséklet gyorsabb részecskemozgást jelent, így gyakoribbak lehetnek a reakciót eredményező ütközések a molekulák között. Ez fontos tényező az izommunka szempontjából. Az izmok működésének kedvez a magasabb hőmérséklet, mert gyorsabban tudnak összehúzódni az izomrostok. A magasabb testhőmérséklet tehát gyorsabb izommozgást tesz lehetővé, ami viszont szükségessé teszi, hogy a testhelyzet érzékelését végző idegi rendszerek érzékenyebbé váljanak. Például a gyorsabb mozgás miatt finomabban kell korrigálni a tekintet irányultságát.

A tekintet irányultságát megváltoztathatják a fejmozgások, ezért a szemeket folyamatosan el kell mozdítani, hogy a fókusz ugyanazon a ponton maradjon és stabil legyen a vizuális érzékelés. Ebben a folyamatban központi szerepe van a belső fülben lévő félkörös ívjáratoknak. A halántékcsontban található belső fül, ami a csigából, a vesztibulumból és a félkörös ívjáratokból tevődik össze. A félkörös ívjáratokból három van és derékszögben állnak egymástól, így a tér minden dimenzióját lefedik. A félkörös ívjáratokat folyadék tölti ki (endolimfa) és van egy kis megvastagodás rajtuk, amit a félkörös ívjáratok ampulláris részének (crista ampullaris) neveznek. Ezen a részen található egy zselés állagú struktúra (cupula), amelybe a receptorsejtek küldenek nyúlványokat. Amikor a fej elfordul, az endolimfa, az ívjáratokban lévő folyadék, csak késve indul meg a fej elfordításának hatására és így a zselés kupola megdől. A dőlés hatására a benne lévő nyúlványokon a mechanoszenzitív ioncsatornák kinyílnak és a receptorok jelet képeznek. A félkörös ívjáratok a tér mindhárom dimenzióját lefedik, így érzékelhető bármilyen irányba fordul a fej.

Gyorsabb mozgás, érzékenyebb receptorok

A félkörös ívjáratokban lévő folyadék tehát a fej forgatásakor elmozdul és így képez jelet a benne lévő receptorsejtekben. A folyadék viszkozitása fontos faktor, hiszen kellőképp sűrűn folyó kell legyen ahhoz, hogy a megfelelő mértékben tudja elmozdítani a kupolát. A folyadékok viszkozitása azonban függ a hőmérséklettől, így az állandó testhőmérsékletű állatok félkörös ívjárataiban kevésbé viszkózus az endolimfa. Ahhoz, hogy elég érzékenyek lehessenek egy állandó testhőmérsékletű állat félkörös ívjáratai, vagy az endolimfa viszkozitását kell fokozni, vagy az ívjáratoknak kell hosszabbá és keskenyebbé válniuk, hogy nagyobb nyomást fejthessenek ki a kupolára. Egy nemzetközi kutatócsoport ebből az összefüggésből kiindulva igyekezett meghatározni ősi emlősök testhőmérsékletét, hogy felfedjék az állandó testhőmérséklet megjelenésének idejét.

A kutatók először meghatározták a félkörös ívjáratok paramétereit több mint 200 ma élő emlősnél. A félkörös ívjáratok biomechanikai jellemzőit egyetlen változóba tömörítették, melyet termo-motilitási indexnek neveztek el (az endolimfa hőmérséklete és mozgása közötti összefüggésre utalva). Az index és a testhőmérséklet közötti összefüggést regressziós modell segítségével határozták meg.

A félkörös ívjáratok szerkezete különböző emlősöknél és ősemlősöknél. A napjainkban is élő emlősöknél az ívjáratok membránjainak elhelyezkedése is ismert (fent), a kihalt állatoknál csak a csontos rész határozható meg (lent). A felső sorban alpaka (Vicugna pacos), Szicíliai fali gyík (Podarcis waglerianus), Szunda-krokodil (Tomistoma schlegelii) és a házi pulyka (Meleagris gallopavo gallopavo). A házi pulyka félkörös ívjáratain látszanak a vizsgálat során felhasznált mérőszámok (Az ívjáratok hosszabb [DM] és rövidebb átmérője [Dm], és a vékony szakasz keresztmetszeti vastagsága [dS] és hossza [LS]). Az alsó sorban Tritylodon, Trirachodon, Microgomphodon és Lemurosaurus félkörös ívjáratai látszódnak (Forrás: Araújo et al., 2022 – Nature).

Lineáris regresszió

A lineáris regresszió egy statisztikai módszer, mely segítségével meghatározható, hogy milyen összefüggés van két változó között. Az alapfeltevés, hogy a két változó lineáris kapcsolatban van egymással (kék), ettől a pontos megfigyelések (piros) különféle zavaró hatások miatt valamelyest eltérhetnek (zöld). Amennyiben van olyan egyenes, melyre szépen illeszkednek a megfigyelt értékek, jó oka van feltételezni a kutatóknak, hogy valóban összefüggés van a két változó között.

A kutatók a modell ellenőrzése céljából újabb 200 ma élő emlős félkörös ívjárata alapján határozták meg a várható testhőmérsékletet. A modell viszonylag jól teljesített, azonban ebben az is szerepet játszott, hogy a ma élő állatoknál a félkörös ívjáratokban található membránok helyzete is ismert. Ez az adat nem áll rendelkezésre a fosszíliák alapján ismert állatoknál, így a modell valamivel pontatlanabb ezekben az esetekben. A kutatók 56 fosszíliát vizsgáltak, melyek az Emlősszerűek (Synapsida) csoportjához tartoznak rendszertanilag. Ez a csoport magában foglal minden olyan állatot, mely a hüllők és az emlősök közötti tranzíció kezdetét követően már az emlősökhöz áll közelebb. A kutatók meghatározták a termo-motilitási indexet a kihalt fajok esetén is. Arra jutottak, hogy az index és vele együtt a testhőmérséklet 230 millió évvel ezelőtt ugrott meg, a késői triászban. Ebben az időszakban volt a karni korszak, 237 millió évvel ezelőttől 227 millió évvel ezelőttig tartott. A karni korszakban a Föld klímája felmelegedett és a páratartalom is jelentősen megnőtt. Ez egy sor új faj megjelenését eredményezte, köztük feltehetőleg azon rágcsálószerű emlősősökét is, melyek az első állandó testhőmérsékletű élőlényeknek tekinthetők.

A félkörös ívjáratok működésének vázlata: a referenciapont jelzi az endolimfa kezdeti mozdulatlanságát, ami miatt a kupola elhajlik. Jobb oldalt a kutatásban meghatározott termo-motilitási index és a testhőmérséklet összefüggése. Minél magasabb a testhő, annál vékonyabb félkörös ívjáratokra van szüksége az állatnak (Forrás: Glasauer és Straka, 2022 – Nature).

Mikor jelent meg az állandó testhőmérséklet?

Ez a becslés egyébként nem meglepő, már más módszerekkel is hasonló időre datálták az állandó testhőmérséklet megjelenését, bár teljes egyetértés továbbra sincs. Egy tanulmány például a szőrzet kifejlődése, a csontváz felépítése és az éjszakai életmód megjelenése alapján úgy becsülte, hogy 20 millió évvel korábban, a perm és a triász korszak határán jelenhettek meg az első állandó testhőmérsékletű állatok. A tanulmány limitációi közé tartozik, hogy a kihalt állatoknál csak a félkörös ívjáratok csontos részeinek felépítését lehet pontosan meghatározni, így például magának az endolimfának a kémiai összetételét és viszkozitását sem. Ezek ismeretének hiányában a kutatók gyakorlatilag abból a feltételezésből indultak ki, hogy az endolimfa összetétele nem változott az emlősök evolúciója során. A madaraknál például jóval viszkózusabb az endolimfa, ez a csoport így küzdötte le a fokozott testhőmérsékletből adódó problémát. Kérdéses tehát, hogy az alapfeltevés mennyire helytálló. Mindenesetre a tanulmány egy újabb szemponttal gazdagította az emlősök evolúciós múltjáról alkotott képet.

Ez a cikkem az Élet és Tudomány 2022/33. számában jelent meg, az Agyi aktualitások rovatban.

Források

Evolution of thermoregulation as told by ear (nature.com)

Inner ear biomechanics reveals a Late Triassic origin for mammalian endothermy | Nature