адаптация

Предлага се нова хипотеза защо пещерната мечка е изчезнала. (Кредит: CC BY-SA 3.0 Sergiodlarosa)

Разширената система на синусите може да е нарушила силата на черепа, ограничавайки способността на мечките да се адаптират към различни храни

От Елън Голдбаум

Дата на издаване: 1 април 2020 г.

БУФАЛО, Н. Й. - Проучване, публикувано в Science Advances на 1 април, разкрива нова хипотеза, която може да обясни защо европейските пещерни мечки са изчезнали през последните периоди на климатичните промени. Изследването е мотивирано от противоречия в научната литература за това какво е животното (Ursus spelaeus) и как това се е отразило на тяхната смърт.

Новата хипотеза се появи отчасти от изчислителен анализ и компютърни симулации на ухапване, проведени в лабораторията на д-р Джак Ценг, асистент по патология и анатомични науки в Медицинската и биомедицински науки на Джейкъбс в университета в Бъфало.

Tseng е съавтор на статията със съответните автори д-р Borja Figueirido и д-р Alejandro Pérez-Ramos, първи автор, както на Departamento de Ecologia y Geologia на Университета в Малага, Испания.

Диетична дилема

Пещерните мечки бяха вид мечка (Ursus spelaeus) които са живели в Европа и Азия, които са изчезнали преди около 24 000 години. Според Фигейридо, изследователите са предложили различни диети за пещерни мечки, вариращи от чиста тревопасна до месоядна или дори чистачка.

„Познаването на хранителното поведение на пещерната мечка не е маловажен аспект“, каза той. „Хранителното поведение е тясно свързано с неговия упадък и изчезване.“

Той отбеляза, че са предложени две основни хипотези, които не са непременно изключителни, за да се обясни изчезването на пещерните мечки: упадък, причинен от човека, или чрез конкуренция за ресурси, или чрез пряк лов; или значително намаляване на числеността на популацията в резултат на климатичното охлаждане, настъпило през късния плейстоцен, което доведе до отслабване на растителността.

Предишни изследвания показват, че пещерните мечки са били предимно тревопасни преди поне от 100 000 до 20 000 години. Но дори по време на охлаждащите периоди, когато растителността е намаляла, тези мечки не променят диетата си. Изследователите предполагат, че тази диетична гъвкавост, съчетана с конкуренция за пещерни убежища от хората, е това, което е довело до тяхното изчезване.

За да разберат дали зад негъвкавите им диети има биомеханични обяснения, което означава, че мечките не са били физически способни да коригират ефективно диетата си по време на ограничени растителни ресурси, изследователите анализираха триизмерни компютърни симулации на различни сценарии на хранене.

Добре развитата система на синусите в вече изчезналата пещерна мечка (горе вляво) е свързана с неравномерно разпределение на механичното напрежение при симулации на ухапване (долу вляво), проведени в UB. Много по-слабо развитата система на синусите при живите мечки, например слънцето или мечената мечка (горе вдясно) позволява механичното напрежение да се разпределя равномерно върху областта на челото, както се вижда в симулацията на ухапване (долу вдясно). (Кредит: Алехандро Перес-Рамос)

Критични синуси

Те се интересуваха особено от синусите на мечките, защото големите околоносни синуси позволяват по-голям метаболитен контрол, критичен за оцеляването по време на хибернация.

„Нашето проучване предполага, че охлаждането на климата вероятно е принудило да селектират силно развити синуси“, което от своя страна доведе до появата на характерния куполообразен череп на рода на пещерната мечка “, каза Алехандро Перес-Рамос.

Ценг обясни, че когато синусовата система се разшири, актът на дъвчене може да причини повече или по-малко натоварване на черепа. Както при хората, така и при мечките, синусовата система облекчава теглото на лицето, намалявайки количеството костна тъкан, необходимо за растежа на черепа.

„Механично погледнато, да бъдеш„ дебелоглав “може да не е лошо нещо, защото повече кости означава повече структурна здравина“, каза той. „Въпреки това, нашите открития подкрепят интерпретацията, че изискванията за функциониране на синусовата система в пещерните мечки налагат компромис между развитието на синусите и силата на черепа.“

Tseng и Pérez-Ramos, които прекараха три месеца в UB, за да научат процедурата, използваха методология за биомеханична симулация, за да оценят ухапващите напрежения и щамове при различни видове мечки и различни техни модели. Използваните екземпляри от черепи на мечки са от няколко европейски институции, където са им направени CT сканирания, както и от научното хранилище на CT, известно още като цифрова морфологична библиотека, в Тексаския университет в Остин.

Те открили, че развитието на параназалните синуси при пещерни мечки е причинило черепният купол да се разшири нагоре и назад от челото, променяйки геометрията на черепа на мечката.

„Тази геометрична промяна генерира механично неоптимална черепна форма с много ниска ефективност за разсейване на напрежението по черепа, особено при захапване с кучешките или карнасалните зъби, най-често използваните от хищни бозайници“, каза Перес-Рамос.

Когато синусовата система се разширява, обясни Ценг, това води до намаляване на костите спрямо размера на черепа и следователно по-малко структурна опора, за да устои на физическите сили, които генерира дъвченето. Въпреки че други бозайници с разширени синуси, като хиени, изглежда еволюционно са модифицирали формата на черепа си, за да се справят ефективно с намалена структурна опора, черепите на пещерни мечки показват компрометирана биомеханична способност в сравнение с живите видове мечки.

„Чрез използването на нови техники и виртуални методи, като биомеханични симулации на всеки зъб и сравнителното вътрешно анатомично изследване на параназалните синуси, ние предполагаме, че големи синуси вероятно са били избрани при пещерни мечки, за да могат да хибернират за по-дълги периоди с много ниски метаболитни разходи “, каза Перес-Рамос.

В крайна сметка обаче този компромис може да е довел до изчезването на вида, което е от значение и за хората, каза Ценг.

„Възможността да останем живи по време на най-студените периоди би била еднакво важна както за хората, така и за мечтите“, каза той. „Успехът или смъртта на праисторическата мегафауна, като пещерните мечки, дават решаващи улики за това как хората може да са се конкурирали и оцелели от други големи бозайници по време на критично време за еволюцията на нашия собствен вид.“

Финансирането за този проект е осигурено от безвъзмездните средства на испанското министерство на икономиката и конкурентоспособността CGL2012-37866, CGL2015-68300P и BES-2013-065469. Програмата за изчислителна клетъчна биология, анатомия и патология в училище „Джейкъбс“ осигури логистична подкрепа за резиденцията на Алехандро Перес-Рамос в лабораторията на Ценг.