Связь между эктотермией и эндотермией в эволюции позвоночных животных

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Описывается последовательность событий в эволюции позвоночных животных в связи с развитием термобиологических статусов, основанная на анализе новых научных данных, опубликованных примерно за последние 10 лет. Первые амфибиеподобные тетраподы были первичными эктотермными животными, у которых был низкий уровень метаболизма, а температура тела не превышала 30°C. Среди современных первичных эктотермов – рыбы и амфибии. Затем у них проявился комплекс биохимических и физиологических ароморфозов, увеличивших уровни митохондриального окисления и основного обмена, что повлекло за собой повышение температуры тела. Все это привело к увеличению их активности и изменению других функциональных характеристик, позволило им выйти на сушу и начать ее осваивать. Уже у первых наземных тетрапод (стегоцефалов, сеймурий) примерно 330 млн лет назад отмечен повышенный метаболизм. Это были первичные мезометаболические эндотермы, у которых температура тела не повышалась более 30°C и почти не отличалась от температур внешней среды. В линии синапсид первичная эндотермия развивалась, метаболизм постепенно возрастал вместе с температурой тела и через териодонтов привел к появлению вторично эндотермных млекопитающих. У зауропсид также произошло повышение метаболизма, а у некоторых архозавров (динозавров и др.) он иногда поднимался до уровня современных птиц, и температура тела достигала 39– 44°C. Часть из них развилась во вторично эндотермных птиц, а часть – во вторично эктотермных современных рептилий с низким уровнем метаболизма и периодическим повышением температуры тела до 30–45°C за счет внешнего тепла. Вторичные эктотермы (в основном современные рептилии) – не “возврат” к эктотермии первичных эктотермов, а мощный эволюционный шаг вперед. Пройдя в своей эволюции через мезотермическую стадию древних рептилий, они приобрели способность, в отличие от первичных эктотермов, выдерживать высокую температуру тела (>30°C) и за счет этого – увеличивать уровень основного обмена, активности и т. п. Эволюционная функция рептилий – “научить” первично эктотермных позвоночных животных пользоваться высокой температурой тела и стать в этой связи “лифтом” для дальнейшей эволюции позвоночных животных. Подавляющая часть рептилий за время своего существования были мезо- и тахиметаболическими эндотермными животными, а брадиметаболическими эктотермами оказались в основном современные рептилии. Эктотермы в своей эволюции “согласовываются” с температурными режимами внешней среды, а эндотермы автономизируются от нее. Вторичная эктотермия – не этап развития эндотермии, а самостоятельное направление эволюции позвоночных животных, параллельное эндотермии.

Об авторах

В. А. Черлин

Дагестанский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: cherlin51@mail.ru
Россия, ул. Батырая, 4-а, Махачкала, Республика Дагестан, 367008

Список литературы

  1. Анисимова И.М., Лавровский В.В., 1983. Ихтиология. М.: Высшая школа. 255 с.
  2. Гаврилов В.М., 2012. Экологические, функциональные и термодинамические предпосылки и следствия возникновения гомойотермии на примере исследования энергетики птиц // Журн. общ. биологии. Т. 73. № 2. С. 88–113.
  3. Голованов В.К., 2013. Температурные критерии жизнедеятельности пресноводных рыб. М.: Полиграф-Плюс. 300 с.
  4. Жизнь животных по А.Э. Брему. Т. 3. Рыбы, земноводные, пресмыкающиеся, 1939 / Под ред. проф. Солдатова В.К. М.: Гос. Учебно-педагогическое изд. НАРКОМПРОСА. 892 с.
  5. Кузьмин С.Л., 1999. Земноводные бывшего СССР. М.: Т-во науч. изд. КМК. 298 с.
  6. Кутенков А.П., 2009. Экология травяной лягушки (Rana temporaria L., 1758) на Северо-западе России. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ. 140 с.
  7. Кутенков А.П., Целлариус Н.Б., 1988. Особенности активности травяной лягушки (Rana temporaria) в Карелии // Зоол. журн. Т. 67. № 7. С. 1038–1045.
  8. Литвинов Н.А., Ганщук С.В., 2009. Микроклиматические условия обитания ломкой веретеницы (Anguis fragilis, Reptilia, Sauria) в Камском Предуралье // Самарская Лука: проблемы региональной и глобальной экологии. Т. 18. № 1. С. 86–90.
  9. Никольский Г.В., 1963. Экология рыб. М.: Высш. шк. 368 с.
  10. Проссер Л., 1977. Сравнительная физиология животных. Т. 1. М.: Мир. 609 с.
  11. Рюмин А.В., 1940. Значение температуры в онтогенезе и филогенезе животных // Успехи соврем. биол. Т. 12. № 3. С. 504–515.
  12. Сабунаев В.Б., 1967. Занимательная ихтиология. Л.: Детская литература. 256 с.
  13. Содержание тигровой амбистомы, 2023. https://zooclub.ru/amfibii/soderzhanie/soderzhanie-tigrovoy-ambistomy.shtml
  14. Сосновский И.П., 1983. Амфибии и рептилии леса. М.: Лесная промышленность. 143 с.
  15. Татаринов Л.П., 1976. Морфологическая эволюция териодонтов и общие вопросы филогенетики. М.: Наука. 259 с.
  16. Черлин В.А., 1990. Стабилизация высокой температуры тела в эволюции позвоночных животных // Успехи соврем. биологии. Т. 109. № 3. С. 440–452.
  17. Черлин В.А., 2012. Организация процесса жизни как системы. СПб.: Изд-во “Русско-Балтийский информационный центр “БЛИЦ””. 124 с.
  18. Черлин В.А., 2014. Рептилии: температура и экология. Saarbrücken: Lambert Academic Publishing. 442 с.
  19. Черлин В.А., 2017. Значение изменений интенсивности сопряженного и несопряженного дыхания митохондрий в эволюции позвоночных животных // Успехи соврем. биол. Т. 137. № 5. С. 479–497.
  20. Черлин В.А., 2021а. Гипотеза о механизмах эволюционного процесса и его канализации на примере позвоночных животных. 1. Эволюция, связанная с высокой температурой тела // Успехи соврем. биологии. Т. 141. № 1. С. 78–104.
  21. Черлин В.А., 2021б. Гипотеза о механизмах эволюционного процесса и его канализации на примере позвоночных животных. 2. Некоторые механизмы эволюционного процесса у позвоночных // Успехи соврем. биологии. Т. 141. № 2. С. 189–208.
  22. Черлин В.А., 2021в. Эволюция термобиологических статусов у позвоночных животных. Статья 1. Температуры тела вымерших и современных рептилий // Журн. общ. биологии. Т. 82. № 6. С. 445–458.
  23. Черлин В.А., 2021г. Эволюция термобиологических статусов у позвоночных животных. Статья 2. Развитие отношений с температурой у позвоночных животных // Журн. общ. биологии. Т. 82. № 6. С. 459–477.
  24. Черлин В.А., 2022а. Отношения с температурой как один из важнейших факторов, направляющих эволюцию позвоночных животных // Современные проблемы биологической эволюции: Мат-лы IV Междунар. конф. к 875-летию Москвы и 115-летию со дня основания Государственного Дарвиновского музея. 17–20 октября 2022 г., Москва. М.: ГДМ. С. 357–359.
  25. Черлин В.А., 2022б. Новый взгляд на механизмы, пути и формы эволюции у позвоночных животных // Эволюционная и функциональна морфология позвоночных. Мат-лы II Всеросс. конф. и шк. для молодых ученых памяти Феликса Яновича Дзержинского. 6–9 октября 2022 г., Москва. М.: Т-во науч. изд. КМК. С. 334–342.
  26. Четанов Н.А., Литвинов Н.А., Югов М.В., 2014. Влияние температуры на интенсивность метаболизма у двух видов круглоголовок // Изв. Самарского науч. центра РАН. Т. 16. № 5 (1). С. 445–447.
  27. Ярцев В.В., Куранова В.Н., 2013. О возможности гибридизации приморского, Salamandrella tridactyla, и сибирского, S. keyserlingii, углозубов (Amphibia: Caudata, hynobiidae) // Вестн. ТГУ. Биология. № 3. С. 83–90.
  28. Bargelloni L., Marcato S., Patarnello T., 1998. Antarctic fish hemoglobins: Evidence for adaptive evolution at subzero temperature // PNAS USA. V. 95. P. 8670–8675.
  29. Bennett A.F., Ruben J.A., 1986. The metabolic and thermoregulatory status of therapsids // The Ecology and Biology of Mammal-Like Reptiles / Eds Hotton III N., MacLean P.D., Roth J.J., Roth E.C. Washington: Smithsonian Institution. P. 207–218.
  30. Bernard A., Lecuyer C., Vincent P., Amiot R., Bardet N., et al., 2010. Regulation of body temperature by some Mesozoic marine reptiles // Science. V. 328. № 5984. P. 1379–1382.
  31. Bi S., Amiot R., Peyre de Fabrègues C., Pittman M., Lamanna M.C., et al., 2020. An oviraptorid preserved atop an embryo-bearing egg clutch sheds light on the reproductive biology of non-avialan theropod dinosaurs // Sci. Bull. V. 66. № 9. P. 947–954.
  32. Carveth C.J., Widmar A.M., Bonar S.A., 2006. Comparison of upper thermal tolerance of native and nonnative fish species in Arizona // Trans. Am. Fisheries Soc. V. 135. № 6. P. 1433–1440.
  33. Dawson W.R., Tempelton J.R., 1966. Metabolism of lizards // Ecology. V. 47. P. 759–765.
  34. Dunlap D.G., 1969. Modification of metabolism in hylid frog, Acris // Comp. Biochem. Physiol. V. 31. P. 555–570.
  35. Eagle R.A., Enriquez M., Grellet-Tinner G., Perez-Huerta A., Hu D., et al., 2015. Isotopic ordering in eggshells reflects body temperatures and suggests differing thermophysiology in two Cretaceous dinosaurs // Nat. Commun. V. 6. Art. 8296. https://doi.org/10.1038/ncomms9296
  36. Eagle R.A., Schauble E.A., Tripati A.K., Tütken T., Hulbert R.C., Eiler J.M., 2010. Body temperatures of modern and extinct vertebrates from13C-18O bond abundances in bioapatite // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. V. 107. P. 10377–10382.
  37. Eagle R.A., Tütken T., Martin T.S., Tripati A.K., Fricke H.C., et al., 2011. Dinosaur body temperatures determined from isotopic (13C–18O) ordering in fossil biominerals // Science. V. 333. № 6041. P. 443–445.
  38. Estefa J., Klembara J., Tafforeau P., Sanchez S., 2020. Limb-bone development of seymouriamorphs: Implications for the evolution of growth strategy in stem amniotes // Front Earth Sci. V. 8. Art. 97. https://doi.org/10.3389/feart.2020.00097
  39. Faure-Brac M.G., Cubo J., 2020. Were the synapsids primitively endotherms? A palaeohistological approach using phylogenetic eigenvector maps // Phil. Trans. Roy. Soc. B. Biol. Sci. V. 375. № 1793. https://doi.org/10.1098/rstb.2019.0138
  40. Galvao P.E., Tarasantchi J., Guertzenstein P., 1965. Heat production of tropical snakes // Amer. J. Physiol. V. 209. № 3. P. 501–506.
  41. Grigg G., Nowack J., Bicudo J.E.P.W., Bal N.C., Woodward H.W., Seymour R.S., 2021. Whole-body endothermy: Ancient, homologous and widespread among the ancestors of mammals, birds and crocodilians // Biol. Rev. V. 97. № 2. P. 766–801. https://doi.org/10.1111/brv.12822
  42. Hudson J.W., Bertram F.W., 1966. Metabolism of skink, Lygosoma // Physiol. Zool. V. 39. P. 21–29.
  43. Lambertz M., Shelton C.D., Spindler F., Perry S.F., 2016. A caseian point for the evolution of a diaphragm homologue among the earliest synapsids // Ann. N.-Y. Acad. Sci. V. 1385. № 1. P. 3–20.
  44. Legendre L.J., Guenard G., Botha-Brink J., Cubo J., 2016. Palaeohistological evidence for ancestral high metabolic rate in archosaurs // Syst. Biol. V. 65. P. 989–996.
  45. Meek R., Jolley E., 2006. Body temperatures of the common toad, Bufo bufo, in the Vendee, France // Herpetol. Bull. № 95. P. 21–24.
  46. Muñoz-Saravia A., Callapa G., Janssens G.P.J., 2018. Temperature exposure and possible thermoregulation strategies in the Titicaca water frog Telmatobius culeus, a fully aquatic frog of the High Andes // Endangered Species Res. V. 37. P. 91–103. https://doi.org/10.3354/esr00904
  47. Navas C.A., Carvajalino‐Fernández J.M., Saboyá‐ Acosta L.P., Rueda‐Solano L.A., Carvajalino‐ Fernández M.A., 2013. The body temperature of active amphibians along a tropical elevation gradient: Patterns of mean and variance and inference from environmental data // Funct. Ecol. V. 27. № 5. P. 1145–1154.
  48. Nunziata C., 2010. North American killifish. Part 1. Lucania goodei Jordan 1880. A summary review // Amer. Curr. V. 36. № 1. P. 23–33.
  49. Okada S., Utsunomiya T., Okada T., et al., 2008. Characteristics of Japanese giant salamander (Andrias japonicus) populations in two small tributary streams in Hiroshima prefecture, Western Honshu, Japan // Herpetol. Conserv. Biol. V. 3. № 2. P. 192–202.
  50. Pearson O.P., Bradford D.F., 1976. Thermoregulation of lizards and toad at high altitudes in Peru // Copeia. № 1. P. 155–170.
  51. Rausch C.M., Starkweather P.L., Breukelen F., van, 2008. One year in the life of Bufo punctatus: annual patterns of body temperature in a free-ranging desert anuran // Naturwissenschaften. B. 95. № 6. S. 531–535. https://doi.org/10.1007/s00114-008-0355-2
  52. Rey K., Amiot R., Fourel F., Abdala F., Fluteau F., et al., 2017. Oxygen isotopes suggest elevated thermometabolism within multiple Permo-Triassic therapsid clades // eLife. V. 6. Art. e28589. https://doi.org/10.7554/eLife.28589
  53. Senanayake U.I., Siriwardana S., Weerakoon D.K., Wijesinghe M.R., 2019. Combating extreme tropical seasonality: Use of rock crevices by the critically endangered frog Nannophrys marmorata in Sri Lanka // Herpetol. Conserv. Biol. V. 14. № 1. P. 261–268.
  54. Seymour R.S., Smith S.L., White C.R., Henderson D.M., Schwarz-Wings D., 2012. Blood flow to long bones indicates activity metabolism in mammals, reptiles and dinosaurs // Proc. Roy. Soc. Lond. Ser. B. Biol. Sci. V. 279. P. 451–456.
  55. Tattersall G., Leite C., Sanders C. et al., 2016. Seasonal reproductive endothermy in tegu lizards // Sci. Adv. V. 2. Art. e1500951. https://doi.org/10.1126/sciadv.1500951
  56. Tigerstedt R., 1910. Die Production von Wärme und der Wärmehaushalt // Handbuch der Vergleichenden Physiologie / Ed. Winterstein H. Jéna: Springer. S. 1–104.
  57. Vernon H.M., 1897. The relation of the respiratory exchange of cold-blooded animals to temperature // Ebenda. V. 21. P. 443–496.
  58. Whitney M.R., Otoo B.K.A., Angielczyk K.D., Pierce S.E., 2022. Fossil bone histology reveals ancient origins for rapid juvenile growth in tetrapods // Commun. Biol. V. 5. Art. 1280 https://doi.org/10.1038/s42003-022-04079-0
  59. Wiemann J., Menéndez I., Crawford J.M., Fabbri M., Gauthier J.A., et al., 2022. Fossil biomolecules reveal an avian metabolism in the ancestral dinosaur // Nature. V. 606. P. 522–526.
  60. Xing L., Niu K., Ma W., Zelenitsky D.K., Tzu-Ruei Y., Brusatte S.L., 2021. An exquisitely preserved in-ovo theropod dinosaur embryo sheds light on avian-like prehatching postures // iScience. V. 25. № 1. Art. 103516. https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.103516

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024