问题

变温动物如何演化为恒温动物?目前认为最古老/最原始的恒温动物是什么?

回答
变温动物向恒温动物的演化,是一个波澜壮阔的生命史诗,其过程并非一蹴而就,而是经过了漫长岁月的精雕细琢。简单地说,这就像是从一个被动适应环境的旅行者,逐渐变成了一个能够自我调节、主宰自己体温的探险家。

我们先来捋一捋变温动物的“前世今生”。变温动物,我们俗称的冷血动物,它们的体温随着外界环境的温度而波动。就像一块石头,夏天晒久了会变热,冬天暴露在寒风中则会冷却。这有好有坏。好处是,它们不需要消耗大量能量来维持恒定的体温,在食物匮乏或环境条件不佳时,它们可以“冻”住自己,进入一种低能耗的休眠状态。然而,坏处也显而易见:当外界寒冷时,它们的身体机能会大大减缓,活动能力降低,甚至无法进食和繁殖。在炎热时,如果无法找到阴凉处,也可能面临过热的风险。

那么,这一切是如何开始改变的呢?演化的车轮滚滚向前,总有一些先驱者,它们的生理结构或行为方式,开始显露出对温度的更主动的控制能力。这其中最关键的几个转变点,可以从以下几个方面来理解:

1. 行为的“主动性”提升:

寻找微环境: 最早的“恒温倾向”可能体现在行为上。比如,变温动物学会了主动寻找更适宜的温度环境。在寒冷时钻进温暖的土壤,在炎热时躲进凉爽的洞穴。这是一种初步的体温调节,虽然是被动的寻找,但已经比完全随波逐流更进一步。
晒太阳与躲避: 像爬行动物晒太阳取暖,然后到阴凉处散热,这种行为是它们获取并控制体温的重要手段。这已经接近于一种“生物加热器”和“生物散热器”的雏形了。

2. 生理结构的“内在化”改良:

提高基础代谢率: 随着生活方式的改变,比如更活跃的捕食行为,一些变温动物开始逐渐提高自己的基础代谢率。这意味着即使在相对较冷的温度下,它们也能产生更多的热量。这需要更高效的能量利用和物质转化。
“内部加热”机制的萌芽: 有些研究认为,在早期演化中,一些剧烈运动的生理过程,比如肌肉收缩,本身就能产生不少热量。如果这些动物能够长时间保持高强度的活动,它们内部产生的热量积累起来,就能在一定程度上提升体温。这有点像“运动产热”。
散热效率的降低: 随着身体尺寸的增加,以及皮肤、毛发或羽毛的演化,它们能有效减少热量的散失。想象一下,一个体型较大的动物,相比于一个体型较小的动物,单位表面积的体积更大,热量散失相对较慢。而毛发和羽毛则更是天然的保温层。

3. 能量获取的“持续性”保障:

更稳定的食物来源: 要支持更高的代谢率,就必须有更稳定和充足的食物来源。这意味着它们需要更有效的捕食、消化和营养吸收系统,能够从食物中提取更多的能量。
储存能量的能力: 脂肪的储存也是一个重要的方面,这可以在食物短缺时提供能量来源,维持基础代谢。

那么,具体来说,有哪些动物群体展现出了这些“恒温前兆”呢?

在爬行动物类群中,一些恐龙(尤其是兽脚类恐龙)被认为是通往恒温演化的重要中间环节。它们表现出了许多“类恒温”的特征:

活跃的生活方式: 许多恐龙,特别是食肉恐龙,拥有强壮的后肢,能够快速奔跑和进行复杂的捕食活动,这表明它们需要持续稳定的能量供应和较高的代谢率。
骨骼结构的变化: 一些恐龙的骨骼结构,比如出现气腔,可能与提高呼吸效率有关,这有助于更充足地输送氧气支持高代谢活动。
毛发的出现(推测): 越来越多的证据表明,一些恐龙,特别是与鸟类亲缘关系较近的恐龙,身上覆盖着羽毛。羽毛不仅可以用于展示,更重要的作用就是保温,这是恒温动物的重要特征。
生长速率: 对恐龙骨骼化石的研究发现,一些恐龙的生长速率介于现代爬行动物和哺乳动物之间,这暗示了它们可能拥有一个高于爬行动物的代谢水平。

目前认为最古老/最原始的恒温动物是什么?

要 pinpoint 一个“最古老/最原始的恒温动物”其实是一个复杂的问题,因为演化是一个渐进的过程,而且很多关键的化石证据仍然在被发现和解读中。而且,“恒温”本身也有不同的程度和方式。

如果我们从现存的恒温动物来看,那无疑是鸟类和哺乳动物。它们都拥有非常高效的生化代谢机制,能够通过内部产热来维持相对恒定的体温,并且具有良好的保温机制。

但如果我们追溯演化的源头,寻找那些“第一个吃螃蟹”的恒温生物,那么这个问题就会更加棘手。根据目前的科学认知,最有可能的“原始恒温动物”的候选者,普遍认为是指一些早期恐龙,特别是与鸟类关系密切的恐龙类群,以及它们在三叠纪晚期至侏罗纪早期的后裔。

为什么是它们?

鸟类的起源与恐龙: 现代鸟类无疑是恒温动物的杰出代表,而鸟类正是从一支小型、有羽毛的兽脚类恐龙演化而来的。这意味着“恒温能力”很可能是在恐龙时代就已经开始萌芽,并最终在鸟类身上发展得淋漓尽致。
恐龙时代的线索: 化石证据显示,在恐龙时代,就已经出现了具有“类恒温”特征的动物。一些研究表明,在三叠纪晚期,当气候剧烈变化时,一些小型、活跃的恐龙能够更好地适应环境,这暗示了它们可能具备了某种程度的体温调节能力。它们可能通过运动产热,并且身上的羽毛提供了保温效果。
恐龙的多样性与演化: 恐龙在侏罗纪和白垩纪的繁荣,很大程度上得益于它们可能具备的更强的活动能力和适应性,而恒温(或至少是“中等恒温”)正是实现这些能力的基石。

因此,如果一定要“指认”一个最古老的原始恒温动物,那我们不能指向一个具体的物种,而更像是一个“类群”或者一个“演化阶段”。 可以说,一些小型、长有羽毛、具有活跃生活方式的早期恐龙,尤其是一些接近鸟类起源的兽脚类恐龙,是目前我们认为最有可能代表了“原始恒温”形态的生物。

它们并非像今天的鸟类和哺乳动物那样,能够精确地维持一个非常稳定的体温,而更可能是一种“介于变温和恒温之间”的状态,或者说它们具备了产生热量和保留热量的初步能力,从而能够比纯粹的变温动物在更广泛的环境下保持更活跃的状态。

这个演化过程充满了无数的细微变化,每一次基因突变、每一次生理上的微调,都可能为后来者铺就了通往“温暖王国”的道路。我们对这些史前生命的了解,随着化石的不断发现和科技的进步,也在一天天变得更加清晰和深刻。它们就像是生命演化长河中的璀璨群星,指引着我们探索生命的奥秘。

网友意见

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所谓变温恒温其实就调节自身体温的能力,至于动物如何从变温演化成恒温,其实都是从低代谢往高代谢演化表现出的性状,也就是区别两者的一个特征,其他的特征都可以从高低代谢的角度找,比如高效的呼吸系统、四腔室的心脏、有骨髓的骨头、发达的大脑诸如此类的高代谢特征。

但也不是没有例外,鳄鱼是变温却有着恒稳动物才有的心脏和肺,于是有人猜想:鳄鱼的三叠纪祖先其实像现在的鸟类哺乳类一样活跃,才有高代谢恒温的特征,但因为环境的改变而被迫变成变温适应食物来源不那么稳定的水域。

演化是发生在什么时候?

如今的恒温动物除了某些鱼类就数鸟类和哺乳类两支,但这两支生物分道扬镳的时间太早,晚石炭纪就已经分化……(不废话了)也就是说两者的恒温并非同源,而是趋同演化,从变温到恒温的演化从羊膜动物开始就没有停止过(大概在二叠纪三叠纪之交中断过一次)那两者之间的生物是怎样的呢?

中温型,介于变温与恒温之间,调节体温的能力比爬行动物好得多,但又不如鸟类哺乳类的生物是谁呢?有袋类和胎盘类的亲戚,隐居在澳洲的老古董,只有两种却被立为亚纲,鸭嘴兽和针鼹,现存的中温型羊膜动物(有鳞目的萨尔瓦托蜥在发情期会变身恒温动物),针鼹的体温不再像变温动物那样随时间和气温变化,而是睡觉(尼克杨???)
至于那些已灭绝的生物就只能从生长率上找线索了


不过最近同位素的方法能研究出史前生物的体温,研究的窃蛋龙和泰坦巨龙分别是32℃和38℃,泰坦38很好理解,如此巨大的体型体温不可能低,那小型的窃蛋龙体温依然高出环境温度6℃说明当时的恐龙应该是群相当活跃的生物,而不是如今的人们眼里的爬行动物那样冷血无情。
上面的古生物例子里似乎没有合弓,但哺乳动物之外的合弓似乎都没有恒温型?
放篇论文了事


Eggshells Tell Scientists About Dinosaur Body Temperatures
By Mike, October 13, 2015
Endotherms or Ectotherms the Debate Gets “Egg-citing”
The debate as to whether dinosaurs were warm-blooded (endothermic) like mammals and birds or cold-blooded (ectotherms) like crocodiles and lizards, has taken a further twist with the publication of a study published in the journal “Nature Communications”. Scientists have used a new method to chemically analyse dinosaur eggshells which has helped them gauge the long extinct animal’s body temperature. Armed with this data and an estimate of the temperature of the surrounding environment, the researchers can postulate about whether dinosaurs had high metabolic rates and active life-styles or whether like alligators and lizards they tended to be only capable of short bursts of activity.
The team’s findings suggest that dinosaurs were neither true endotherms or completely ectothermic, but somewhere in between – mesotherms. In addition, as two different types of dinosaur produced different results, this new study indicates that body temperature differed between dinosaur genera.
The conclusions drawn by the scientists are similar to those made by a team of American researchers who reported in 2014. Following an extensive analysis of the histology and ontogeny of fossilised bones (analysis of bone cells and growth) these scientists concluded that dinosaurs were probably mesotherms.
To read more about the 2014 research: Goldilocks and Dinosaurs the warm-blooded/cold-blooded Debate
Why All the Fuss?
The argument as to whether the Dinosauria were endothermic or ectothermic has raged for over 150 years. It was once thought that dinosaurs were slow-moving, sluggish, very lizard-like creatures. They had to bask in the sun or rely on other external sources of heat to help warm their bodies before they could become active. This meant that they were probably not very active at night, it also suggested that they had similar life-styles to extant reptiles such as crocodiles, snakes and lizards. These creatures can be very mobile, but only for short periods and they soon become tired. Thomas Henry Huxley (1825-1895), was one of the first scientists to challenge this view. He argued that birds and dinosaurs were closely related. In the 1960’s there was a revolution in thinking with regards to dinosaurs. John Ostrom’s work on the Theropod dinosaur Deinonychus led to dinosaurs being depicted as much more agile, fast-moving animals. Ostrom produced carefully argued and extremely detailed studies on dinosaur biology and anatomy and he depicted them as much more bird-like creatures capable of complex behaviour – more reminiscent of today’s mammals than like today’s reptiles.
Robert Bakker, a student under the tutelage of Ostrom developed these ideas further and portrayed dinosaurs as warm-blooded creatures, it was Bakker who produced the famous illustration of Deinonychus shown above and it was Bakker who influenced a lot of thinking regarding the Dinosauria with his ground-breaking book “The Dinosaur Heresies”, which was published in 1986.
A Study of Rare Isotopes
The research team utilised a pioneering procedure which allows the internal temperature of female dinosaurs to be plotted by analysing the behaviour of two rare isotopes found in calcium carbonate, a key ingredient in eggshells. A total of nineteen dinosaur eggs were included in the study, they represent two very different types of dinosaur. Eggshells from Argentina came from a large Titanosaur (Sauropoda), the eggshells collected in the Gobi desert, Mongolia, represent fossils from a small Theropod dinosaur, an oviraptorid. The isotopes oxygen-18 and carbon-13 tend to cluster together at colder temperatures. The amount of clumping enabled the scientists to calculate the body temperature of the mother. Chemical analysis of the surrounding rock matrix permitted the researchers to estimate the temperature of the palaeoenvironment at around the time the eggs were laid.
The analysis of these eggshells, all of which were collected from Upper Cretaceous strata, suggest that the Titanosaur’s body temperature had been around 38 degrees Celsius at the time of laying. This is a little higher than our own internal body temperature (37 degrees Celsius). The implication is that the Titanosaur had an internal body temperature similar to that of a endotherm, although it has to be considered that the huge gut of this giant herbivore, essentially an enormous, heat-producing digestive vat would probably have influenced the internal temperature. The sheer size of the animal, volume compared to surface area, would have probably helped it to maintain a relatively constant body temperature. Thermo-regulation for such large animals is not so much as trying to keep warm, heat loss from a large body is much less severe than with a small animal, for example. In the case of the Titanosaurs, once they warmed up they probably stayed warm for a very long time, keeping cool could have been more of a problem (that’s why African elephants have big ears).
Picture Credit: Everything Dinosaur
The results from the much smaller oviraptorid paint a different picture. These dinosaurs were very closely related to birds, but the body temperature plotted is much lower than an endotherm. The scientists calculated that the Theropod had an internal temperature of around 32 degrees Celsius, but this was at least six degrees warmer than the environment. This suggests that oviraptorids, dinosaurs that were closely related to birds were able to raise their body temperatures above that of their surroundings.
Commenting on these results, lead author Robert Eagle (University of California Los Angeles) stated:
“The temperatures we measured suggest that at least some dinosaurs were not fully endotherms [warm-blooded] like modern birds. They may have been intermediate, somewhere between modern alligators and crocodiles and modern birds”.
This study supports the idea that dinosaurs could produce heat internally and raise their body temperature higher than their surrounding environment, but they were unable to maintain this temperature at a consistent level like a mammal or a bird (endotherms). The scientists conclude that if the dinosaurs were mesothermic, they were probably more active than alligators but not as active as birds or mammals. The international research team state that they could not observe any strong evidence either for ectothermy or endothermy in the species examined. The body temperatures calculated for the Titanosaur and the oviraptorid indicate that variable thermoregulation likely existed among non-avian dinosaurs and that not all dinosaurs had body temperatures in the range of that seen in extant birds.
Link to an article published in June 2015, that postulates that the Dinosauria were endothermic: Dinosaurs were Warm-blooded Debate Hots Up

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