Fossil Focus: I primi mammiferi

di Elsa Panciroli1

Introduzione:

Lo studio dei primi mammiferi è una parte emozionante della paleontologia, che ci racconta non solo di strani animali che un tempo vivevano sulla Terra, ma anche di come i nostri stessi antenati si sono evoluti insieme ai dinosauri. I fossili dei primi mammiferi sono molto rari e spesso troviamo solo pochi denti e ossa, ma da questi resti possiamo dire molto sull’ecologia e l’evoluzione degli animali. Le scoperte di scheletri più completi, in particolare in Cina, stanno rivelando che i primi mammiferi avevano più successo e diversità di quanto si sospettasse. Si sono specializzati per sfruttare nuovi habitat, diete e modi di vivere che li avrebbero portati al successo finale.

Voglio darvi una panoramica dei primi mammiferi: mammiferi dal tempo dei dinosauri. Vedremo cosa definisce un animale come mammifero; la loro anatomia; alcuni dei gruppi di mammiferi che vivevano al tempo dei dinosauri; e, infine, ciò che le ultime ricerche scientifiche stanno rivelando su questi nostri cugini estinti dell’era mesozoica.

I ‘rettili simili ai mammiferi’:

I mammiferi appartengono a un gruppo più ampio di animali chiamati cinodonti. I primi cinodonti sono talvolta chiamati “rettili simili ai mammiferi”, perché si sono evoluti dai rettili e avevano ancora molte caratteristiche da rettile nei loro scheletri, ma erano già notevolmente simili ai mammiferi. I primi cinodonti probabilmente avevano pelliccia e baffi, e quasi certamente deponevano uova. Avevano ampie arcate zigomatiche (zigomi); questo è importante perché dimostra che avevano una maggiore quantità di muscoli intorno alle mascelle, dando loro un maggiore controllo sulla masticazione e sui morsi rispetto ai loro antenati più rettili.

I primi denti dei cinodonti avevano una forma complessa, non semplici pioli o punte come i denti dei rettili. I cinodonti hanno anche un palato secondario – l’osso che forma il tetto della bocca e permette a questi animali di respirare attraverso il naso mentre masticano il cibo. Questi cambiamenti nel modo in cui mangiavano sono importanti per la successiva evoluzione dei mammiferi, perché hanno permesso ai cynodonti di elaborare il cibo in modo più efficiente – per masticarlo in pezzi più piccoli – ottenendo più energia da ciò che mangiavano. Questo probabilmente ha contribuito ad alimentarli per essere più a sangue caldo e attivi, con metabolismi più elevati. Tuttavia, i primi cinodonti non avevano una mascella dentaria-squamosa (vedi sotto), e quindi non erano veri mammiferi.

I cinodonti apparvero nel tardo periodo Permiano, molto prima dei primi dinosauri. Sono sopravvissuti a un’estinzione di massa avvenuta 252 milioni di anni fa, segnando la fine del Permiano e l’inizio del Triassico. Hanno avuto successo per tutto il Mesozoico, ma il loro successo è spesso trascurato perché tendiamo a concentrarci sui dinosauri e sui rettili marini e volanti che hanno popolato il mondo durante questo periodo. I primi mammiferi apparvero nel tardo Triassico, diventando più diversi nel tempo. L’ultimo gruppo di cinodonti non-mammiferi, i trilodonti, sopravvisse accanto ai mammiferi fino all’inizio del Cretaceo, prima di estinguersi. Questo li rende uno dei gruppi di cinodonti di maggior successo (Figura 1).

Cosa fa un mammifero?

Prima di andare avanti, dobbiamo chiederci cosa sia esattamente un mammifero. Se qualcuno vi chiedesse cosa fa un mammifero oggi, probabilmente elenchereste caratteristiche come la pelliccia o il pelo, la produzione di latte e l’essere a sangue caldo. Tuttavia, per un paleontologo dei mammiferi del Mesozoico – che studia i primissimi mammiferi e i loro antenati dal Triassico alla fine del Cretaceo – è molto difficile dire se questi animali estinti da tempo avevano una di queste caratteristiche. I paleontologi devono affidarsi al record fossile per le prove, e caratteristiche come la pelliccia e il sangue caldo di solito non si conservano direttamente nel record della roccia, quindi dobbiamo invece guardare a ciò che si conserva: le ossa e i denti.

Una caratteristica o un tratto che i paleontologi osservano nello scheletro o nei denti è chiamato carattere. Questi sono usati per descrivere le differenze tra diversi gruppi di animali. Ci sono quattro importanti caratteri scheletrici e dentali che definiscono i primi mammiferi:

– Cambiamenti nella mascella – un’articolazione dentaria-squamosa
– Cambiamenti nell’orecchio – la formazione dell’orecchio medio
– Cambiamenti nei denti – sostituzione dentaria difiodonte, specializzazione dei tipi di denti e occlusione dentaria precisa
– Cambiamenti nelle dimensioni del cranio e del cervello – modifiche al cranio, specialmente le regioni frontale e parietale, a causa dell’aumento delle dimensioni del cervello

Questi cambiamenti nella struttura scheletrica sono tutti collegati, con uno che spesso si evolve insieme ad un altro, o che rende possibile il cambiamento successivo. Esaminiamo questi caratteri scheletrici determinanti e scopriamo cosa sono e perché sono stati vitali per l’evoluzione dei mammiferi.

Cambiamenti nella mascella:

Per capire questo cambiamento, dobbiamo prima guardare la mascella dei rettili, che è composta da diverse ossa, tra cui la dentaria, l’angolare e l’articolare (Figura 2). L’articolazione della mascella dei rettili si trova tra l’articolare e l’osso del cranio chiamato quadrato.

Al contrario, negli antenati dei mammiferi, il dentario si ingrandiva fino a costituire la maggior parte della mascella, mentre le altre ossa della mascella diventavano molto più piccole. Anche le diverse parti del cranio furono riorganizzate. Alla fine questo significò che l’articolazione della mascella cambiò. I mammiferi hanno sviluppato un’articolazione tra l’osso dentario nella mascella e lo squamosal nel cranio (Figura 2). Questa è conosciuta come l’articolazione dentaria-squamosale, e si trova ancora nei mammiferi moderni, compreso l’uomo.

Anche se avevano l’articolazione dentaria-squamosale che definisce i mammiferi, alcuni dei primissimi mammiferi mantennero anche la loro articolazione quadrato-articolare della mascella; li avevano entrambi allo stesso tempo. L’articolazione quadrato-articolare della mandibola fu infine persa completamente nei mammiferi.

Cambiamenti nell’orecchio:

Cos’è successo alle altre ossa della mascella, l’angolare e l’articolare (Figura 2)? Nei mammiferi, queste ossa sono diventate progressivamente più piccole fino a staccarsi dalla mascella ed essere incorporate nell’orecchio.

Un rettile ha una staffa nell’orecchio, che trasmette il suono dal timpano all’orecchio interno (Figura 2). Nei mammiferi, il quadrato e l’articolare sono diventati più piccoli e si sono spostati accanto alla staffa, e queste tre piccole ossa sono state usate per trasmettere il suono dal timpano all’orecchio interno. Queste ossa formano l’orecchio medio, e le due ossa che si trovavano nella mascella sono il malleus (articolare) e l’incus (quadrato).

La disposizione dell’orecchio dei mammiferi è molto più sensibile al suono di quella dei rettili. Questo avrebbe avuto grandi implicazioni per la caccia o la ricerca di cibo, la fuga dai predatori e la comunicazione. Avere un udito migliore a diverse frequenze ha probabilmente contribuito alla diversità ecologica dei mammiferi (vedi sotto).

Cambiamenti nei denti:

Ci sono tre importanti caratteristiche dei denti dei mammiferi che hanno contribuito al successo del gruppo. La prima è la dentizione difiodonte. Ciò significa che la prima serie di denti “da latte” è sostituita da una serie permanente di denti adulti (come negli esseri umani). A volte i denti da latte sono chiamati denti da latte, perché il momento in cui vengono sostituiti è legato a quanto tempo i piccoli si nutrono del latte delle loro madri. Produrre latte è un’altra caratteristica unica dei mammiferi. I mammiferi crescono molto rapidamente da giovani, soprattutto il loro cranio, in modo da avere lo spazio per sviluppare una dentatura da adulti il più presto possibile. Una volta che hanno questi denti, non dipendono più dal latte della madre e possono nutrirsi di cibo per adulti. Molti altri animali, compresi i rettili, sono polifiodonti, il che significa che sostituiscono i loro denti continuamente durante la loro vita, con nuovi denti ogni pochi mesi.

La seconda caratteristica è che i denti dei mammiferi tendono ad essere specializzati in diversi tipi (Figura 2). Nei rettili, i denti sono di solito tutti di forma simile, ovunque si trovino nella bocca. Questo li rende buoni per uno scopo: afferrare il cibo. Nei mammiferi, i denti si sono specializzati in modo da avere denti per afferrare il cibo nella parte anteriore della bocca (incisivi), denti per mordere (canini) e denti per tagliare e macinare nella parte posteriore della bocca (premolari e molari).

Questo ci porta alla terza caratteristica dei denti dei mammiferi: una precisa occlusione. Questo significa che i denti si adattano strettamente l’uno all’altro e permette ai mammiferi di elaborare il cibo in modi sofisticati, perché il cibo viene macinato o affettato mentre i denti si muovono l’uno contro l’altro.

Tutte e tre queste caratteristiche vanno insieme: se i denti vengono sostituiti solo una volta, possono crescere per occludersi con precisione, il che significa che possono diventare specializzati per mordere, macinare, affettare e masticare in diverse parti della bocca. Tutto questo permette ai mammiferi di processare il loro cibo in modo efficiente, permettendo loro di diventare dei mangiatori specializzati e di ottenere la massima energia da ciò che mangiano.

Cambiamenti nel cranio:

Il cervello dei mammiferi è notevolmente più grande di quello degli altri animali se paragonato alle dimensioni del corpo. In media, il cervello di un mammifero moderno è circa dieci volte più grande di quello di un rettile con una massa corporea simile. I primi mammiferi avevano un cervello una volta e mezzo più grande di quello dei loro parenti più prossimi, i cinodonti non-mammiferi (vedi sopra). Le differenze sono particolarmente evidenti nella parte anteriore del cervello, che non solo è più grande, ma anche più complesso e piegato che in altri animali. Una delle ragioni è che i sensi dei mammiferi sono diventati più sofisticati, in particolare l’olfatto. Il bulbo olfattivo, l’area del cervello che elabora gli odori, era molto più grande nei primi mammiferi che nei loro antenati. È probabile che molti dei primi mammiferi fossero notturni e che quindi avessero bisogno di un buon senso dell’olfatto per cacciare, evitare i predatori e trovarsi l’un l’altro al buio.

Il cranio dovette cambiare forma per adattarsi ai cambiamenti nelle dimensioni del cervello, specialmente nelle regioni parietale e frontale (Figura 3). Nel frattempo, i cambiamenti nei denti e nelle mascelle dei mammiferi significavano che anche i muscoli masticatori e morditori si spostavano in posizioni diverse e si espandevano, quindi anche il cranio cambiava forma per permetterlo. Il risultato fu un cranio unicamente mammifero, diverso da quello di qualsiasi animale vissuto in precedenza.

Gruppi di primi mammiferi:

Ci sono molti termini usati per parlare dei primi mammiferi: mammaliamorfi, mammaliaformi, mammiferi staminali, primi mammiferi, Mammalia. Può essere molto confuso! La cosa importante da ricordare è che questi sono tutti animali dell’enorme e ramificato albero a cui anche noi apparteniamo, con le sue radici nel Triassico.

I primi mammiferi avevano probabilmente la pelliccia, e quasi certamente deponevano uova come i loro antenati. Erano in media molto più piccoli dei loro immediati antenati, i cinodonti non-mammiferi. La maggior parte dei mammiferi rimase di dimensioni da topo a tasso fino all’estinzione dei dinosauri 66 milioni di anni fa. All’inizio erano probabilmente per lo più notturni e mangiavano insetti, ma nel Giurassico medio e nel Cretaceo (tra 174 milioni e 66 milioni di anni fa) si sono divisi in molti gruppi diversi con diversi stili di vita, o ecologie.

I primi gruppi di mammiferi includono i morganucodonti, i docodonti e i multitubercolati, così come i gruppi che ancora oggi hanno membri viventi, gli australosphenidi (gli antenati dei monotremi, come l’ornitorinco) i metateri (marsupiali) e gli euteri (mammiferi placentari) (Figura 4).

Morganucodonta:

I morganucodonti includono molte delle prime specie di mammiferi. Probabilmente si sono evoluti da qualche parte nelle terre emerse del nord nel tardo Triassico, e all’inizio del Giurassico erano più o meno globalmente diffusi. Ci sono pochissimi scheletri completi conservati, ma quelli che ci sono ci dicono che i morganucodonti erano topi o ratti (con un peso fino a 200 grammi), ed erano abili mangiatori di insetti. Sono meglio conosciuti per i loro caratteristici denti molari, che avevano tre cuspidi (le sporgenze appuntite sulla superficie dei denti) in fila (Figura 4).

Docodonta:

I docodonti sono un gruppo di mammiferi particolarmente interessante. Sono vissuti dal Giurassico medio all’inizio del Cretaceo, e la maggior parte erano grandi come topi o furetti. Avevano denti molari più complessi della maggior parte degli altri primi mammiferi (Figura 4), con superfici di taglio e molatura che si sono evolute di nuovo nei gruppi di mammiferi successivi. Sono una propaggine dei mammiferi che non hanno lasciato discendenti superstiti, ma ciò che li rende così affascinanti è la loro vasta gamma di stili di vita. Ritrovamenti dalla Cina rivelano che alcuni docodonti si sono evoluti per essere acquatici, come le lontre, e possono aver mangiato piccoli pesci. Altri erano scavatori specializzati, come la moderna talpa, mentre altri ancora erano abitanti degli alberi e potrebbero aver mangiato la linfa (Figura 5). Questo dimostra che i mammiferi si stavano sviluppando per sfruttare diverse opportunità nei loro ecosistemi (vedi sotto), aggiungendo alla nostra comprensione della diversità dei primi gruppi di mammiferi.

Multitubercolati:

I multitubercolati prendono il nome dai molteplici ‘tubercoli’ (protuberanze) sui loro denti molari (Figura 4). Avevano crani molto simili a roditori, e i loro denti erano particolarmente efficaci nel macinare il cibo. La maggior parte erano delle dimensioni di un topo o di un ratto, con alcune specie più grandi delle dimensioni di un gatto domestico. I multitubercolati sono alcuni dei mammiferi più longevi della storia della Terra; apparsi nel Giurassico medio, sono sopravvissuti all’estinzione dei dinosauri e di altri rettili giganti (l’estinzione K-Pg, vedi sotto), e hanno persistito fino a circa 40 milioni di anni fa.

Euteri:

L’uomo appartiene al gruppo Eutheria, e le nostre origini risalgono al tempo dei dinosauri (Figura 4). I mammiferi euteri sono placentari, il che significa che nutrono il loro bambino in via di sviluppo nel grembo materno attraverso una placenta, e danno alla luce giovani vivi piuttosto che deporre uova. Hanno caratteri unici nel loro scheletro che li distinguono da altri gruppi di mammiferi. Uno dei primi fossili euteri conosciuti è Eomaia scansoria, che significa ‘madre alba che si arrampica’ (Figura 5).

Le ultime prove fossili – diversità ecologica:

Fino a poco tempo fa, la maggior parte dei primi fossili di mammiferi erano solo denti e mascelle individuali, con pochi scheletri interi conservati. Di conseguenza, si pensava generalmente che tutti i primi mammiferi fossero molto simili: piccoli, più o meno simili a topi e principalmente insettivori.

Tuttavia, negli ultimi 20 anni ci sono state molte nuove scoperte fossili, in particolare dalla Cina (Figura 5). Alcuni di questi sono scheletri completi, che mostrano anche impronte di pelliccia. Questi fossili ci dicono che c’era molto di più nei primi mammiferi di quanto i paleontologi sospettassero in precedenza. Nel Cretaceo, alcuni mammiferi avevano le dimensioni di un tasso; alcuni mangiavano pesce, altri frutta, e alcuni mangiavano anche cuccioli di dinosauro!

Ora sappiamo che c’erano specie che potevano planare, come il Volaticotherium, usando un lembo di pelle tra il braccio e la gamba come fa oggi uno scoiattolo volante. C’erano nuotatori come Castorocauda, che aveva una coda appiattita come una lontra, e scavatori simili a talpe come Docofossor. Questi primi mammiferi sfruttavano diverse nicchie ecologiche nell’ambiente. I cambiamenti che hanno avuto luogo nei loro scheletri (vedi sopra) hanno permesso loro di adattarsi a nicchie ecologiche uniche. Questo dimostra che sebbene i rettili come i dinosauri fossero i più grandi animali della Terra nel Triassico, Giurassico e Cretaceo, anche i mammiferi ebbero molto successo, vivendo accanto ai dinosauri per milioni di anni e alla fine superandoli.

La fine dei dinosauri – l’ascesa dei moderni mammiferi:

Alla fine del Cretaceo, 66 milioni di anni fa, ci fu un’estinzione di massa chiamata evento estintivo K-Pg (talvolta ancora chiamato con il suo nome più antico, estinzione K-T). Si verificò quando un asteroide colpì la Terra appena al largo della costa del Messico e causò un massiccio cambiamento climatico globale. I dinosauri si estinsero (a parte gli uccelli), così come i rettili volanti, i rettili marini e molti altri gruppi animali (compresi molti mammiferi). Tuttavia, i mammiferi che sopravvissero si ripresero molto rapidamente. Con gli altri gruppi animali scomparsi, c’era molto spazio ecologico vuoto, e i mammiferi si adattarono rapidamente per riempirlo. Diventarono più grandi e cominciarono a specializzarsi come carnivori, erbivori, corridori e scalatori. Entro 10 milioni-20 milioni di anni, molti dei moderni gruppi di mammiferi che conosciamo oggi erano apparsi (Figura 6), comprese le prime balene.

Alcuni sostengono che i mammiferi avrebbero potuto evolversi in queste nicchie ecologiche anche se i dinosauri non si fossero estinti. Questo probabilmente non è vero, perché i dinosauri e i rettili marini hanno riempito con successo la maggior parte di queste nicchie, specialmente gli spazi più grandi per le piante e per la carne nell’ecosistema. È improbabile che i mammiferi li sostituiscano senza una causa determinante, come l’evento dell’estinzione. Ma è importante ricordare che i mammiferi ebbero molto successo al tempo dei dinosauri.

I mammiferi apparvero all’incirca nello stesso periodo dei dinosauri, sopravvissero al loro fianco per 150 milioni di anni e poi riuscirono a superare un’estinzione di massa che uccise molti degli altri gruppi animali sulla Terra. La loro anatomia unica ha fatto sì che potessero sfruttare ruoli nell’ecosistema che non erano mai stati occupati prima, e sono diventati uno dei gruppi di animali vertebrati più longevi e di maggior successo sulla Terra. Si sono diversificati e hanno occupato gli ecosistemi di ogni continente, tornando anche al mare e prendendo il volo.

Quindi la prossima volta che qualcuno vi dirà che i piccoli mammiferi sono noiosi, ricordatevi dei piccoli mammiferi pionieri che sono sopravvissuti anche ai più potenti rettili giganti – e hanno conquistato il mondo!

Suggerimenti per ulteriori letture:

Hu, Y., Meng, J., Wang, Y. & Li, C. Grandi mammiferi mesozoici si sono nutriti di giovani dinosauri. Nature 433, 149-152 (2005) DOI: 10.1038/nature03102

Kielan-Jaworowska, Z., Cifelli, R. L. & Luo, Z.-X. Mammiferi dell’era dei dinosauri (Columbia University Press, 2004).

Luo, Z.-X. Trasformazione e diversificazione nella prima evoluzione dei mammiferi. Natura 450, 1011-1019 (2007). DOI: 10.1038/nature06277

Pond, C. M. The significance of lactation in the evolution of mammals. Evolution 31, 177-199 (1977). DOI: 10.2307/2407556

1Università di Edimburgo, Scuola di Geoscienze, Kings Buildings, Edimburgo, Scozia, Regno Unito. Email: [email protected], Twitter handle: @gsciencelady