Инженерный анализ окаменелостей Thrinaxodon выявил неожиданно развитый слух у ранних предков млекопитающих
Новое исследование палеонтологов из Чикагского университета показывает, что современный тип слуха у млекопитающих развился гораздо раньше, чем считалось. Используя детальные КТ-сканы черепа и челюстных костей Thrinaxodon liorhinus — предшественника млекопитающих возрастом 250 миллионов лет, — учёные применили инженерные методы для моделирования воздействия звуковых волн разной громкости и частоты на его анатомию.
Моделирование показало, что у этого существа, вероятно, была барабанная перепонка, достаточно большая для эффективного восприятия воздушных звуков. Это произошло почти на 50 миллионов лет раньше, чем предполагали учёные.
"Почти столетие учёные пытались понять, как эти животные могли слышать. Теперь, с нашим прогрессом в вычислительной биомеханике, мы можем начать делать обоснованные выводы о том, что означает анатомия для слуха этого животного", — сказал Алек Уилкен, ведущий автор исследования, опубликованного в PNAS.
Проверка 50-летней гипотезы
Thrinaxodon был цинодонтом — группой животных раннего триасового периода с чертами перехода от рептилий к млекопитающим. У ранних цинодонтов слуховые косточки (молоточек, наковальня, стремечко) были прикреплены к челюстным костям.
Пятьдесят лет назад палеонтолог Эдгар Аллин впервые предположил, что у цинодонтов, подобных Thrinaxodon, была мембрана, натянутая на крючковатую структуру челюстной кости, которая была предшественником современной барабанной перепонки. До этого считалось, что ранние цинодонты слышали через костную проводимость или "слушание челюстью", упирая нижнюю челюсть в землю для улавливания вибраций.
Превращение окаменелостей в инженерную задачу
Уилкен и его научные руководители, профессора Чжэ-Си Луо и Каллум Росс, отсканировали известный образец Thrinaxodon в ПалеоКТ-лаборатории университета. Полученная 3D-модель позволила детально реконструировать череп и челюстные кости.
Затем они использовали программный инструмент Strand7 для проведения конечно-элементного анализа — подхода, который разбивает систему на мелкие части с разными физическими характеристиками. Обычно такие инструменты используются для сложных инженерных задач, таких как прогнозирование нагрузок на мосты или анализ распределения тепла в двигателях.
Команда смоделировала, как анатомия Thrinaxodon реагирует на различные звуковые давления и частоты, используя библиотеку известных свойств (толщина, плотность, гибкость) костей, связок, мышц и кожи современных животных.
Результаты были однозначны: Thrinaxodon с барабанной перепонкой, расположенной в изгибе челюстной кости, определённо мог слышать таким способом гораздо эффективнее, чем через костную проводимость.
Размер и форма его барабанной перепонки создавали бы правильные вибрации для движения слуховых косточек и генерации достаточного давления для стимуляции слуховых нервов. Хотя он, вероятно, всё ещё частично полагался на "слушание челюстью", барабанная перепонка уже отвечала за большую часть его слуха.
"Как только у нас появляется КТ-модель окаменелости, мы можем взять материальные свойства современных животных и сделать так, словно наш Thrinaxodon ожил", — сказал Луо. — "Это программное моделирование показало нам, что вибрация от звука — это, по сути, способ, которым это животное могло слышать".