Dinosauri giganteschi come il sauropode Diplodocus, che pesava oltre 15 tonnellate ed era più lungo di un camion a 18 ruote, avrebbe avuto problemi di surriscaldamento potenzialmente letale. Il sangue caldo dal nucleo del corpo sarebbe stato pompato alla testa, danneggiando il cervello delicato. Una nuova ricerca mostra che nei sauropodi, l'evaporazione dell'umidità nel naso e nella bocca avrebbe raffreddato vaste reti di sangue venoso destinato al cervello. Altri grandi dinosauri hanno sviluppato diversi meccanismi di raffreddamento del cervello, ma tutto comporta il raffreddamento evaporativo del sangue in diverse regioni della testa. Credito:restauro della vita di Michael Skrepnick. Per gentile concessione di WitmerLab presso l'Università dell'Ohio.
Diversi gruppi di dinosauri si sono evoluti indipendentemente dimensioni corporee gigantesche, ma hanno affrontato tutti gli stessi problemi di surriscaldamento e danneggiamento del cervello. I ricercatori dell'Heritage College of Osteopathic Medicine dell'Università dell'Ohio mostrano in un nuovo articolo nel Record anatomico che diversi dinosauri giganti hanno risolto il problema in modi diversi, evolvendo diversi sistemi di raffreddamento in diverse parti della testa.
"Il cervello e gli organi di senso come l'occhio sono molto sensibili alla temperatura, " ha detto Ruger Porter, Assistente Professore di Istruzione Anatomica e autore principale dello studio. "Oggi gli animali hanno spesso elaborate strategie di termoregolazione per proteggere questi tessuti spostando sangue caldo e freddo attorno a varie reti di vasi sanguigni. Volevamo vedere se i dinosauri stavano facendo le stesse cose".
Molti dei famosi dinosauri giganti, come i sauropodi dal collo lungo o gli anchilosauri corazzati, in realtà hanno evoluto quei grandi corpi indipendentemente dagli antenati di corpo più piccolo. "I piccoli dinosauri avrebbero potuto correre all'ombra per rinfrescarsi, ", ha affermato il coautore dello studio, il professor Lawrence Witmer, "ma per quei dinosauri giganti, il potenziale di surriscaldamento era letteralmente inevitabile. Devono aver avuto meccanismi speciali per controllare la temperatura del cervello, ma cosa erano?"
La risposta si è rivelata basata sulla fisica, ma ancora parte della nostra esperienza quotidiana. "Uno dei modi migliori per raffreddare le cose è con l'evaporazione, " Ha detto Porter. "Le unità di condizionamento dell'aria negli edifici e nelle automobili utilizzano l'evaporazione, ed è il raffreddamento evaporativo del sudore che ci fa sentire a nostro agio in estate. Per raffreddare il cervello, abbiamo esaminato i luoghi anatomici dove c'è umidità per consentire il raffreddamento per evaporazione, come gli occhi e soprattutto la cavità nasale e la bocca."
Per testare quell'idea, il team ha esaminato i parenti moderni dei dinosauri, uccelli e rettili, dove gli studi hanno effettivamente dimostrato che l'evaporazione dell'umidità nel naso, bocca, e gli occhi raffreddavano il sangue mentre andava al cervello.
Porter e Witmer hanno ottenuto carcasse di uccelli e rettili morti per cause naturali da zoo e strutture di riabilitazione della fauna selvatica. Utilizzando una tecnica sviluppata nel laboratorio di Witmer che consente alle arterie e alle vene di apparire nelle scansioni TC, sono stati in grado di tracciare il flusso sanguigno dai siti di raffreddamento evaporativo al cervello. Hanno anche misurato con precisione i canali ossei e i solchi che convogliavano i vasi sanguigni.
"La cosa utile dei vasi sanguigni è che fondamentalmente scrivono la loro presenza nelle ossa, Porter ha detto. "I canali ossei e le scanalature che vediamo negli uccelli e nei rettili moderni sono il nostro legame con i fossili di dinosauro. Possiamo usare queste prove ossee per ripristinare gli schemi del flusso sanguigno nei dinosauri estinti e, si spera, dare un'occhiata alla loro fisiologia termica e a come hanno affrontato il calore".
"La scoperta che diversi dinosauri raffreddavano i loro cervelli in vari modi non solo fornisce una finestra sulla vita quotidiana dei dinosauri, serve anche da esempio di come i vincoli fisici imposti da specifiche condizioni ambientali abbiano plasmato l'evoluzione di questo gruppo eterogeneo e unico, "ha detto Sharon Swartz, un direttore del programma presso la National Science Foundation, che ha finanziato la ricerca. "Utilizzando una combinazione di innovazione tecnologica e competenza biologica, questi ricercatori sono stati in grado di prendere una lettura diretta dai reperti fossili che fornisce nuovi indizi su come si sono evolute la forma scheletrica e la funzione dei dinosauri".
Questo team di membri attuali ed ex del WitmerLab dell'Università dell'Ohio ha precedentemente esaminato altri casi di fisiologia dei dinosauri. Nel 2014 e nel 2018 l'ex studente di dottorato Jason Bourke ha guidato progetti che coinvolgono Porter e Witmer sulla respirazione e lo scambio di calore nei pachicefalosauri e negli anchilosauri, rispettivamente. Più recentemente, l'ex studente di dottorato di laboratorio Casey Holliday ha guidato un progetto con Porter e Witmer che ha esplorato i vasi sanguigni sul tetto del cranio di T. rex e altri dinosauri che potrebbero aver avuto anche una funzione termoregolatrice.
Il nuovo studio di Porter e Witmer è più ampio, studio quantitativo che mostra che "una taglia non va bene per tutti" per quanto riguarda il modo in cui i dinosauri di grande corporatura mantenevano il cervello fresco. Questo è, avevano diverse strategie di termoregolazione. I ricercatori hanno esaminato le dimensioni dei canali ossei nei dinosauri per valutare l'importanza relativa dei diversi siti di raffreddamento per evaporazione in base alla quantità di sangue che scorreva attraverso di essi.
Recenti ricerche di Porter e Witmer hanno dimostrato che diversi gruppi di dinosauri avevano diverse strategie fisiologiche termiche per aiutare a moderare le temperature cerebrali di fronte a carichi di calore elevati. Il sangue raffreddato per evaporazione in diversi siti di scambio termico è stato trasportato nella regione del cervello per aiutare a moderare le temperature cerebrali. Questo modello 3D generato da Ryan Ridgely replica il contenuto della Figura 1 di Porter &Witmer (2019). I dinosauri di piccolo corpo come Stegoceras avevano un modello equilibrato di afflusso di sangue senza particolare enfasi su alcun sito di scambio termico, mentre i dinosauri di corpo più grande avevano una strategia termica più mirata, enfatizzando il flusso sanguigno alla regione nasale (Euoplocephalus), regioni orali e nasali (Camarasaurus), o il seno aereo antorbitale (Majungasaurus). Lo sviluppo di strategie termiche mirate è associato all'evoluzione delle grandi dimensioni del corpo. Credito:per gentile concessione di WitmerLab presso l'Università dell'Ohio.
Un fattore chiave si è rivelato essere la dimensione del corpo. I dinosauri più piccoli come il pachicefalosauro Stegoceras delle dimensioni di una capra avevano un modello vascolare molto equilibrato senza una singola regione di raffreddamento particolarmente enfatizzata. "Ciò ha senso fisiologico perché i dinosauri più piccoli hanno meno problemi con il surriscaldamento, "Ha detto Porter. "Ma giganti come i sauropodi e gli anchilosauri hanno aumentato il flusso sanguigno a particolari regioni di raffreddamento della testa ben oltre quanto era necessario semplicemente per nutrire i tessuti". enfatizzando una o più zone di raffreddamento.
Ma sebbene i sauropodi come Diplodocus e Camarasaurus e gli anchilosauri come Euoplocephalus avessero tutti modelli vascolari sbilanciati che enfatizzavano alcune regioni di raffreddamento, differivano ancora. I sauropodi enfatizzavano sia la cavità nasale che la bocca come regioni di raffreddamento, mentre gli anchilosauri enfatizzavano solo il naso. "È possibile che i sauropodi fossero così grandi, spesso del peso di decine di tonnellate, da aver bisogno di reclutare la bocca come regione di raffreddamento in periodi di stress termico, " Ha detto Porter. "Sauropodi ansimanti potrebbe essere stato uno spettacolo comune!"
Un problema riscontrato dai ricercatori era che molti dei dinosauri teropodi, come il T. rex da 10 tonnellate, erano anche giganteschi, ma l'analisi quantitativa ha mostrato che avevano un pattern vascolare equilibrato, come i dinosauri di piccolo corpo.
"This finding had us scratching our heads until we noticed the obvious difference—theropods like Majungasaurus and T. rex had a huge air sinus in their snouts, " Witmer said. Looking closer, the researchers discovered bony evidence that this antorbital air sinus was richly supplied with blood vessels. Witmer had previously shown that air circulated through the antorbital air sinus like a bellows pump every time the animal opened and closed its mouth. "Boom! An actively ventilated, highlyvascular sinus meant that we had another potential cooling region. Theropod dinosaurs solved the same problem...but in a different way, " concluded Witmer.
The researchers are now expanding the project to include other dinosaur groups such as duck-billed hadrosaurs and horned ceratopsians like Triceratops to explore how thermoregulatory strategies varied among other dinosaurs and how these strategies may have influenced their behavior and even their preferred habitats.
