de Elsa Panciroli1
- Introducere:
- „Reptilele asemănătoare mamiferelor”:
- Ce face un mamifer?
- Modificări ale maxilarului:
- Schimbări la nivelul urechii:
- Modificări la nivelul dinților:
- Modificări la nivelul craniului:
- Grupuri de mamifere timpurii:
- Morganucodonta:
- Docodonta:
- Multituberculatele:
- Eutherienii:
- Cele mai recente dovezi fosile – diversitatea ecologică:
- Sfârșitul dinozaurilor – apariția mamiferelor moderne:
- Sugestii de lectură suplimentară:
Introducere:
Studiul primelor mamifere este o parte interesantă a paleontologiei, care ne vorbește nu numai despre animale ciudate care au trăit cândva pe Pământ, ci și despre cum au evoluat strămoșii noștri alături de dinozauri. Fosilele mamiferelor timpurii sunt foarte rare și adesea găsim doar câțiva dinți și oase, dar din aceste rămășițe putem afla multe despre ecologia și evoluția animalelor. Descoperirile de schelete mai complete, în special în China, arată acum că mamiferele timpurii au avut mai mult succes și au fost mai diverse decât se bănuia. Ele s-au specializat pentru a exploata noi habitate, diete și moduri de viață care le-ar fi condus la succesul lor final.
Vreau să vă ofer o imagine de ansamblu a celor mai timpurii mamifere: mamiferele de pe vremea dinozaurilor. Ne vom uita la ceea ce definește un animal ca mamifer; la anatomia lor; la unele dintre grupurile de mamifere care trăiau pe vremea dinozaurilor; și, în final, la ceea ce dezvăluie cele mai recente cercetări științifice despre acești verișori ai noștri dispăruți din era mezozoică.
„Reptilele asemănătoare mamiferelor”:
Mamiferele aparțin unui grup mai mare de animale numite cynodonți. Primele cynodonți sunt uneori numite „reptile asemănătoare mamiferelor”, deoarece au evoluat din reptile și aveau încă multe trăsături reptiliene în scheletul lor, dar semănau deja vizibil cu mamiferele. Probabil că primii cynodonți aveau blană și mustăți și aproape sigur depuneau ouă. Aveau arcade zigomatice (pomeți) largi; acest lucru este important deoarece arată că aveau o cantitate crescută de mușchi în jurul maxilarelor, ceea ce le dădea mai mult control asupra mestecatului și mușcăturii decât strămoșii lor mai reptilieni.
Dinții cinodonților timpurii aveau o formă complexă, nu doar niște simple piroane sau țepi ca dinții reptilelor. Cinodonții au, de asemenea, un palat secundar – osul care formează acoperișul gurii și care permite acestor animale să respire pe nas în timp ce mestecă hrana. Aceste schimbări în modul în care mâncau sunt importante pentru evoluția ulterioară a mamiferelor, deoarece au permis cynodonților să proceseze hrana mai eficient – să o mestece în bucăți mai mici – obținând mai multă energie din ceea ce mâncau. Acest lucru a contribuit, probabil, la alimentarea lor pentru a fi mai activi și cu sânge cald, cu un metabolism mai ridicat. Cu toate acestea, primii cynodonți nu aveau o articulație dentară-scuamoasă a maxilarului (a se vedea mai jos) și, prin urmare, nu erau mamifere adevărate.
Cynodonții au apărut pentru prima dată la sfârșitul perioadei Permian, cu mult înainte de apariția primilor dinozauri. Ei au supraviețuit unei extincții în masă care a avut loc în urmă cu 252 de milioane de ani, marcând sfârșitul Permianului și începutul perioadei Triasice. Au avut succes pe tot parcursul mezozoicului, dar succesul lor este adesea trecut cu vederea, deoarece avem tendința de a ne concentra asupra dinozaurilor și a reptilelor marine și zburătoare care au populat lumea în această perioadă. Primele mamifere au apărut în Triasicul târziu, devenind din ce în ce mai diverse în timp. Ultimul grup de cynodonți nemamifere, tritylodonții, a supraviețuit alături de mamifere până la începutul Cretacicului, înainte de a dispărea. Acest lucru îi face să fie unul dintre cele mai de succes grupuri de cinodonți (Figura 1).
Ce face un mamifer?
Înainte de a merge mai departe, trebuie să ne întrebăm ce anume este un mamifer. Dacă cineva v-ar întreba astăzi ce face un mamifer, probabil că ați enumera caracteristici precum blana sau părul, producerea de lapte și faptul că are sânge cald. Cu toate acestea, pentru un paleontolog de mamifere din Mesozoic – care studiază primele mamifere și strămoșii lor din Triasic până la sfârșitul Cretacicului – este foarte dificil de spus dacă aceste animale dispărute de mult timp aveau vreuna dintre aceste caracteristici. Paleontologii trebuie să se bazeze pe arhiva fosilă pentru dovezi, iar caracteristici precum blana și sângele cald nu se păstrează de obicei direct în arhiva de rocă, așa că trebuie să ne uităm în schimb la ceea ce se păstrează: oasele și dinții.
O caracteristică sau trăsătură pe care paleontologii o observă în schelet sau în dinți se numește caracter. Acestea sunt folosite pentru a descrie diferențele dintre diferite grupuri de animale. Există patru caractere importante ale scheletului și dinților care definesc primele mamifere:
– Modificări la nivelul maxilarului – o articulație dentară-scuamoasă
– Modificări la nivelul urechii – formarea urechii medii
– Modificări la nivelul dinților – înlocuirea dentară difiodontă, specializarea tipurilor de dinți și ocluzia dentară precisă
– Modificări în ceea ce privește dimensiunea craniului și a creierului – modificări ale craniului, în special regiunile frontale și parietale, datorită creșterii dimensiunii creierului
Aceste modificări ale structurii scheletului sunt toate legate între ele, una evoluând adesea alături de alta sau făcând posibilă următoarea modificare. Să analizăm aceste caractere definitorii ale scheletului și să aflăm care sunt și de ce au fost vitale pentru evoluția mamiferelor.
Modificări ale maxilarului:
Pentru a înțelege această schimbare, trebuie să ne uităm mai întâi la maxilarul reptilian, care este alcătuit din mai multe oase, printre care dentarul, unghiularul și articularul (Figura 2). Articulația maxilarului reptilian se află între articular și osul din craniu numit cvadrat.
Prin contrast, la strămoșii mamiferelor, dentara s-a mărit până când a ajuns să constituie cea mai mare parte a maxilarului, în timp ce celelalte oase ale maxilarului au devenit mult mai mici. Diferitele părți ale craniului au fost, de asemenea, rearanjate. În cele din urmă, acest lucru a însemnat că articulația maxilarului s-a schimbat. Mamiferele au dezvoltat o articulație între osul dentar din maxilar și osul scuamos din craniu (figura 2). Aceasta este cunoscută sub numele de articulația dentară-scuamosală și se găsește încă la mamiferele moderne, inclusiv la oameni.
Deși au avut articulația dentară-scuamosală definitorie pentru mamifere, unele dintre primele mamifere au păstrat și articulația maxilarului cvadrat-articular; le-au avut pe amândouă în același timp. În cele din urmă, articulația cvadrat-articulară a maxilarului a fost pierdută în întregime la mamifere.
Schimbări la nivelul urechii:
Atunci ce s-a întâmplat cu celelalte oase din maxilar, cele unghiulare și articulare (Figura 2)? La mamifere, aceste oase au devenit progresiv mai mici până când s-au desprins de maxilar și au fost încorporate în ureche.
O reptilă are în ureche un os stambul, care transmite sunetul de la timpan la urechea internă (figura 2). La mamifere, pătratul și articulația au devenit mai mici și s-au mutat alături de staps, iar aceste trei oase mici au fost folosite pentru a transmite sunetul de la timpan la urechea internă. Aceste oase formează urechea medie, iar cele două oase care se aflau în maxilar sunt maleusul (articular) și incus (quadrat).
Dispoziția urechii mamiferelor este mult mai sensibilă la sunet decât cea a reptilelor. Acest lucru ar fi avut implicații mari pentru vânătoare sau căutarea de hrană, pentru a scăpa de prădători și pentru comunicare. Faptul de a avea un auz mai bun la diferite frecvențe a contribuit probabil la diversitatea ecologică a mamiferelor (vezi mai jos).
Modificări la nivelul dinților:
Există trei caracteristici importante ale dinților mamiferelor care au contribuit la succesul grupului. Prima este dentiția diphyodont. Aceasta înseamnă că primul set de dinți „de lapte” este înlocuit de un set permanent de dinți adulți (ca la om). Uneori, dinții de lapte sunt numiți „dinți de lapte”, deoarece momentul în care aceștia sunt înlocuiți este legat de perioada în care puii se hrănesc cu lapte de la mamele lor. Producția de lapte este o altă caracteristică unică a mamiferelor. Mamiferele cresc foarte repede când sunt tinere, în special craniul, astfel încât să aibă spațiu pentru a dezvolta cât mai repede un set de dinți de adult. Odată ce au acești dinți, nu mai depind de laptele de la mamele lor și se pot hrăni cu hrană pentru adulți. Multe alte animale, inclusiv reptilele, sunt polifiodonte, ceea ce înseamnă că își înlocuiesc dinții în mod continuu pe tot parcursul vieții, apărând dinți noi la fiecare câteva luni.
A doua caracteristică este că dinții mamiferelor tind să fie specializați în diferite tipuri (figura 2). La reptile, dinții au de obicei toți o formă asemănătoare, indiferent unde se află în gură. Acest lucru îi face să fie buni pentru un singur scop: apucarea hranei. La mamifere, dinții s-au specializat astfel încât au existat dinți pentru apucarea alimentelor în partea din față a gurii (incisivi), dinți pentru mușcat (canini) și dinți pentru tăiat și măcinat în partea din spate a gurii (premolari și molari).
Acest lucru ne conduce la cea de-a treia caracteristică a dinților mamiferelor: ocluzia precisă. Aceasta înseamnă că dinții se potrivesc strâns între ei și permite mamiferelor să proceseze alimentele în moduri sofisticate, deoarece alimentele sunt măcinate sau feliate pe măsură ce dinții se mișcă unul împotriva celuilalt.
Toate aceste trei caracteristici merg împreună: dacă dinții sunt înlocuiți o singură dată, aceștia pot crește pentru a se ocluziona cu precizie, ceea ce înseamnă că pot deveni specializați pentru a sfârteca, măcina, felia și mesteca în diferite părți ale gurii. Toate acestea permit mamiferelor să își proceseze eficient hrana, permițându-le să devină specialiști în alimentație și să obțină maximum de energie din ceea ce mănâncă.
Modificări la nivelul craniului:
Creierul mamiferelor este vizibil mai mare decât cel al altor animale în comparație cu dimensiunea corpului. În medie, creierul unui mamifer modern este de aproximativ zece ori mai mare decât cel al unei reptile cu o masă corporală similară. Primele mamifere aveau creierul de aproximativ o dată și jumătate mai mare decât creierul celor mai apropiate rude ale lor, cynodonții nemamifere (a se vedea mai sus). Diferențele sunt vizibile mai ales în partea frontală a creierului, care este nu numai mai mare, ci și mai complexă și mai pliată decât la alte animale. Unul dintre motive este faptul că simțurile mamiferelor au devenit mai sofisticate, în special simțul olfactiv. Bulbul olfactiv, zona din creier care procesează mirosul, era mult mai mare la primele mamifere decât la strămoșii lor. Este probabil ca multe dintre primele mamifere să fi fost nocturne și, prin urmare, este posibil să fi avut nevoie de un bun simț al mirosului pentru a vâna, pentru a evita prădătorii și pentru a se găsi unii pe alții în întuneric.
Craniul a trebuit să își schimbe forma pentru a se adapta la schimbările de dimensiune a creierului, în special în regiunile parietală și frontală (Figura 3). Între timp, schimbările la nivelul dinților și maxilarelor mamiferelor au însemnat că mușchii de mestecat și de mușcat s-au mutat, de asemenea, în poziții diferite și s-au extins, așa că și craniul și-a modificat forma pentru a permite acest lucru. Rezultatul a fost un craniu unic de mamifer, diferit de cel al oricărui animal care a trăit înainte.
Grupuri de mamifere timpurii:
Există o mulțime de termeni folosiți pentru a vorbi despre primele mamifere: mamaliamorfe, mamaliaforme, mamifere stem, mamifere timpurii, Mammalia. Poate fi foarte confuz! Lucrul important de reținut este că toate acestea sunt animale din arborele uriaș și ramificat din care facem și noi parte, cu rădăcinile în Triasic.
Primile mamifere aveau probabil blană și aproape sigur depuneau ouă ca și strămoșii lor. Erau în medie mult mai mici decât strămoșii lor imediați, cynodonții nemamifere. Majoritatea mamiferelor au rămas de mărimea unui șoarece sau a unui bursuc până la dispariția dinozaurilor, în urmă cu 66 de milioane de ani. Probabil că, la început, erau în mare parte nocturne și se hrăneau cu insecte, dar în Jurasicul mijlociu și Cretacicul (între 174 de milioane și 66 de milioane de ani în urmă) s-au împărțit în mai multe grupuri diferite, cu stiluri de viață sau ecologii diferite.
Grupurile de mamifere timpurii includ morganucodontanii, docodontanii și multituberculatele, precum și grupurile care încă mai au membri în viață astăzi, australosfenidienii (strămoșii monotremei, cum ar fi ornitorincul) metaterienii (marsupialele) și euterienii (mamiferele placentare) (Figura 4).
Morganucodonta:
Morganucodonții includ multe dintre primele specii de mamifere. Probabil că au evoluat undeva în nordul continentului la sfârșitul Triasicului, iar la începutul perioadei Jurasicului erau mai mult sau mai puțin răspândite la nivel global. S-au păstrat foarte puține schelete complete, dar cele care s-au păstrat ne spun că morganucodonții erau de mărimea unui șoarece sau a unui șobolan (cântărind până la 200 de grame) și se hrăneau cu succes cu insecte. Ei sunt cel mai bine cunoscuți datorită dinților lor molari distinctivi, care aveau trei cuspide (proeminențe ascuțite de pe suprafața dinților) la rând (Figura 4).
Docodonta:
Docodonții sunt un grup de mamifere deosebit de interesant. Aceștia au trăit din Jurasicul mijlociu până la începutul Cretacicului, iar majoritatea erau de mărimea unui șobolan sau a unui dihor. Aveau dinți molari mai complecși decât majoritatea celorlalte mamifere timpurii (figura 4), cu suprafețe de forfecare și măcinare care au evoluat din nou în grupurile de mamifere ulterioare. Sunt o ramură a mamiferelor care nu a lăsat urmași supraviețuitori, dar ceea ce îi face atât de fascinanți este gama lor largă de stiluri de viață. Descoperirile din China arată că unii docodontani au evoluat pentru a fi acvatici, precum vidrele, și este posibil să fi mâncat pești mici. Alții erau specialiști în săpături, precum cârtița modernă, în timp ce alții locuiau în copaci și este posibil să fi mâncat sevă (Figura 5). Acest lucru dovedește că mamiferele au înflorit pentru a exploata diferite oportunități în ecosistemele lor (a se vedea mai jos), contribuind la înțelegerea noastră privind diversitatea grupurilor de mamifere timpurii.
Multituberculatele:
Multituberculatele sunt denumite astfel după multiplele „tuberculi” (protuberanțe) de pe dinții lor molari (Figura 4). Aveau cranii foarte asemănătoare cu cele ale rozătoarelor, iar dinții lor erau deosebit de eficienți la măcinarea hranei. Majoritatea erau de mărimea unui șoarece sau a unui șobolan, cu câteva specii mai mari, de mărimea unei pisici domestice. Multituberculatele sunt unele dintre cele mai longevive mamifere din istoria Pământului; apărute în Jurasicul mijlociu, au supraviețuit extincției dinozaurilor și a altor reptile gigantice (extincția K-Pg, vezi mai jos) și au persistat până în urmă cu aproximativ 40 de milioane de ani.
Eutherienii:
Humenii aparțin grupului Eutheria, iar originile noastre se întind până în vremea dinozaurilor (Figura 4). Mamiferele eutheriene sunt placentare, ceea ce înseamnă că își hrănesc puii în dezvoltare în uter prin intermediul placentei și dau naștere la pui vii, în loc să depună ouă. Aceștia au caractere unice în scheletul lor, care îi diferențiază de alte grupuri de mamifere. Una dintre cele mai timpurii fosile euteriene cunoscute este Eomaia scansoria, care înseamnă „Mama zorilor care se cațără” (Figura 5).
Cele mai recente dovezi fosile – diversitatea ecologică:
Până de curând, majoritatea fosilelor de mamifere timpurii erau doar dinți și maxilare individuale, fiind păstrate foarte puține schelete întregi. Ca urmare, oamenii credeau, în general, că toate mamiferele timpurii erau foarte asemănătoare: mici, cu un aspect mai mult sau mai puțin asemănător cu cel al șoarecilor și în principal insectivore.
Cu toate acestea, în ultimii 20 de ani au existat multe descoperiri noi de fosile, în special din China (Figura 5). Unele dintre acestea sunt schelete complete, prezentând chiar amprente de blană. Aceste fosile ne spun că mamiferele timpurii erau mult mai multe decât bănuiau anterior paleontologii. În Cretacic, unele mamifere ajungeau până la dimensiunea unui bursuc; unele mâncau pește, altele fructe, iar unele chiar mâncau pui de dinozaur!
Știm acum că au existat specii care puteau să planeze, cum ar fi Volaticotherium, folosind o clapetă de piele între braț și picior, așa cum face astăzi o veveriță zburătoare. Existau înotători, cum ar fi Castorocauda, care avea o coadă turtită ca o vidră, și săpători asemănători cârtițelor, cum ar fi Docofossor. Aceste prime mamifere exploatau diferite nișe ecologice din mediul înconjurător. Modificările care au avut loc în scheletele lor (vezi mai sus) le-au permis să se adapteze la nișe ecologice unice. Acest lucru dovedește că, deși reptilele, cum ar fi dinozaurii, au fost cele mai mari animale de pe Pământ în Triasic, Jurasic și Cretacic, mamiferele au avut și ele mult succes, trăind alături de dinozauri timp de milioane de ani și, în cele din urmă, supraviețuindu-le.
Sfârșitul dinozaurilor – apariția mamiferelor moderne:
La sfârșitul Cretacicului, în urmă cu 66 de milioane de ani, a avut loc o extincție în masă numită evenimentul de extincție K-Pg (numit uneori încă sub numele său mai vechi, extincția K-T). Aceasta a avut loc atunci când un asteroid a lovit Pământul chiar în largul coastelor Mexicului și a provocat schimbări climatice globale masive. Dinozaurii au dispărut (cu excepția păsărilor), la fel ca și reptilele zburătoare, reptilele marine și o mulțime de alte grupuri de animale (inclusiv o mulțime de mamifere). Cu toate acestea, mamiferele care au supraviețuit și-au revenit foarte repede. Odată cu dispariția celorlalte grupuri de animale, a existat o mulțime de spațiu ecologic gol, iar mamiferele s-au adaptat rapid pentru a-l umple. Au devenit mai mari și au început să se specializeze ca carnivore, erbivore, alergători și cățărători. În decurs de 10 milioane până la 20 de milioane de ani, multe dintre grupurile de mamifere moderne pe care le cunoaștem astăzi au apărut (Figura 6), inclusiv primele balene.
Câteva persoane susțin că mamiferele ar fi putut evolua în aceste nișe ecologice chiar dacă dinozaurii nu ar fi dispărut. Probabil că acest lucru nu este adevărat, deoarece dinozaurii și reptilele marine au ocupat cu succes majoritatea acestor nișe, în special spațiile mai mari din ecosistem destinate consumului de plante și de carne. Este puțin probabil ca mamiferele să le înlocuiască fără o cauză determinantă, cum ar fi un eveniment de extincție. Dar este important să ne amintim că mamiferele au avut foarte mult succes în timpul dinozaurilor.
Mamiferele au apărut cam în același timp cu dinozaurii, au supraviețuit alături de aceștia timp de 150 de milioane de ani și apoi au reușit să treacă printr-o extincție în masă care a ucis atât de multe dintre celelalte grupuri de animale de pe Pământ. Anatomia lor unică a însemnat că au putut exploata roluri în ecosistem care nu fuseseră niciodată ocupate înainte, iar ei au devenit unul dintre cele mai longevive și mai de succes grupuri de animale vertebrate de pe Pământ. S-au diversificat și au ocupat ecosistemele de pe toate continentele, revenind chiar și în mare și luându-și zborul în aer.
Așa că data viitoare când cineva vă va spune că mamiferele mici sunt plictisitoare, amintiți-vă de micile mamifere pioniere care au supraviețuit chiar și celor mai puternice reptile gigantice – și au cucerit lumea!
Sugestii de lectură suplimentară:
Hu, Y., Meng, J., Wang, Y. & Li, C. Mamiferele mari din Mesozoic s-au hrănit cu dinozauri tineri. Nature 433, 149-152 (2005) DOI: 10.1038/nature03102
Kielan-Jaworowska, Z., Cifelli, R. L. & Luo, Z.-X. Mammals from the Age of Dinosaurs (Columbia University Press, 2004).
Luo, Z.-X. Transformarea și diversificarea în evoluția timpurie a mamiferelor. Nature 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
1University of Edinburgh, School of Geosciences, Kings Buildings, Edinburgh, Scoția, U.K. Email: [email protected], Twitter handle: @gsciencelady
.