Un fossile di 250 milioni di anni rivela le origini dell’udito dei mammiferi

Nuove scoperte dei paleontologi dell’Università di Chicago suggeriscono che questa forma avanzata di udito è apparsa molto prima di quanto credessero un tempo gli scienziati. Utilizzando scansioni TC dettagliate del cranio e della mascella Thrinaxodon liorhinusun antenato dei mammiferi vissuto circa 250 milioni di anni fa, i ricercatori hanno applicato simulazioni basate sull’ingegneria per testare come il suono avrebbe viaggiato attraverso la sua anatomia. I loro risultati lo indicano Thrinaxodonte probabilmente aveva un timpano abbastanza grande da rilevare in modo efficiente il suono aereo, spingendo indietro l’origine di questa caratteristica di quasi 50 milioni di anni.

« Per quasi un secolo, gli scienziati hanno cercato di capire come questi animali potessero sentire. Queste idee hanno affascinato l’immaginazione dei paleontologi che lavorano sull’evoluzione dei mammiferi, ma fino ad ora non disponevamo di test biomeccanici molto efficaci », ha affermato Alec Wilken, uno studente laureato che ha condotto lo studio, pubblicato di recente su PNAS. « Ora, con i nostri progressi nella biomeccanica computazionale, possiamo iniziare a dire cose intelligenti su cosa significa l’anatomia per il modo in cui questo animale potrebbe sentire. »

Rivisitare un’idea di vecchia data sull’udito precoce dei mammiferi

Thrinaxodonte apparteneva a un gruppo chiamato cinodonti, animali del Triassico inferiore che mostrano un mix di tratti di rettili e mammiferi. Questi includevano denti specializzati, cambiamenti nel palato e nel diaframma che supportavano una respirazione e un metabolismo più efficienti e caratteristiche probabili come il sangue caldo e la pelliccia. Nei primi cinodonti, incluso Thrinaxodontele ossa dell’orecchio (malleo, incudine, staffa) erano ancora collegate alla mascella. Molto più tardi nell’evoluzione, queste ossa si separarono per formare l’orecchio medio distinto visto nei mammiferi moderni, un cambiamento considerato fondamentale per il miglioramento dell’udito.

Circa 50 anni fa, il paleontologo Edgar Allin dell’Università dell’Illinois a Chicago propose che i cinodonti come Thrinaxodonte potrebbe aver avuto una membrana tesa su una parte uncinata della mascella, che fungeva da versione primitiva del timpano dei mammiferi. All’epoca, la maggior parte dei ricercatori pensava che questi animali rilevassero il suono principalmente attraverso la conduzione ossea, o attraverso il cosiddetto « ascolto della mascella », posizionando le mascelle inferiori contro il terreno per percepire le vibrazioni. L’idea di Allin era intrigante, ma non esisteva un modo pratico per verificare se una membrana del genere potesse effettivamente trasmettere il suono nell’aria.

Trasformare antichi fossili in soggetti per test digitali

I progressi nella tecnologia dell’imaging hanno trasformato la paleontologia, consentendo agli scienziati di estrarre informazioni dettagliate dai fossili senza danneggiarli. Wilken e i suoi colleghi, Zhe-Xi Luo, PhD, e Callum Ross, PhD, entrambi professori di biologia e anatomia dell’organismo, hanno scansionato un modello ben studiato Thrinaxodonte esemplare proveniente dal Museo di Paleontologia dell’Università della California Berkeley presso il Laboratorio PaleoCT di UChicago. Le scansioni hanno prodotto un modello 3D ad alta risoluzione del cranio e della mascella, catturando forme, angoli e dimensioni precise necessarie per valutare come potrebbe funzionare un potenziale timpano.

Il team ha quindi utilizzato il software di ingegneria chiamato Strand7 per eseguire un’analisi degli elementi finiti. Questo metodo divide una struttura complessa in tanti piccoli componenti, ciascuno con proprietà fisiche specifiche. È comunemente usato per studiare come i ponti sopportano il peso, come gli aerei gestiscono lo stress o come il calore si muove attraverso i motori. In questo caso, i ricercatori hanno simulato come Di Thrinaxodon il cranio e la mascella risponderebbero a diverse pressioni e frequenze sonore, attingendo a dati noti sullo spessore, la densità e la flessibilità di ossa, legamenti, muscoli e pelle negli animali viventi.

Prove per l’udito precoce nell’aria

Le simulazioni hanno prodotto un risultato chiaro. Un timpano posizionato all’interno di una sezione curva della mascella avrebbe consentito Thrinaxodonte sentire i suoni aerei in modo molto più efficace rispetto alla sola conduzione ossea. La dimensione e la forma modellate della membrana hanno generato vibrazioni abbastanza forti da muovere le ossa dell’orecchio, stimolare i nervi uditivi e rilevare una gamma di frequenze sonore. Sebbene il rilevamento delle vibrazioni basato sulla mascella probabilmente avesse ancora un ruolo, il timpano avrebbe gestito la maggior parte dell’udito dell’animale.

« Una volta ottenuto il modello CT del fossile, possiamo prendere le proprietà materiali degli animali esistenti e renderlo come se fosse nostro Thrinaxodonte è diventato vivo », ha detto Luo. « Ciò non era stato possibile prima, e questa simulazione software ci ha mostrato che la vibrazione attraverso il suono è essenzialmente il modo in cui questo animale poteva sentire. »

Wilken ha sottolineato che gli strumenti moderni hanno finalmente permesso di testare una questione vecchia di decenni. « Ecco perché questo è un problema così interessante da studiare », ha detto. « Abbiamo affrontato un problema di alto concetto: ‘come si muovono le ossa dell’orecchio in un fossile di 250 milioni di anni?’ – e testato una semplice ipotesi utilizzando questi strumenti sofisticati. E si scopre Thrinaxodonteil timpano funziona bene da solo. »

Lo studio, intitolato « Biomeccanica dell’orecchio medio mandibolare del cinodonte Thrinaxodonte e l’evoluzione dell’udito dei mammiferi », è stato sostenuto dall’UChicago, dal National Institutes of Health e dalla National Science Foundation. Anche Chelsie CG Snipes dell’UChicago è stata un’autrice.