Päivä ei valkene, lunta sataa jatkuvasti, ja pakkanen puree. Vaikka ani harvat matelijat ovat sopeutuneet pohjoisen napa-alueen talveen, fossiililöytöjen valossa näyttää siltä, että dinosauruksia eli jopa napapiirin pohjoispuolella.
Asia on ihmetyttänyt tutkijoita siksi, että nykyisillä isoilla matelijoilla on huonot mahdollisuudet selviytyä arktisissa olosuhteissa. Kalifornialaisen Caltech-yliopiston paleontologiryhmä on esittänyt hiljattain pätevän selityksen.
Vallalla olevan käsityksen mukaan dinosaurukset olivat matelijoita ja siten vaihtolämpöisiä. Siitä huolimatta ne muistuttivat aineenvaihdunnaltaan enemmän tasalämpöisiä eläimiä eli nisäkkäitä ja lintuja. Koska dinosaurukset kykenivät säilyttämään ruumiinlämmön vakaana, niiden oli helpompi sopeutua nykymatelijoiden karttamiin kylmän ilmastovyöhykkeen elinympäristöihin.
Tutkijat päätyivät hämmästyttävään päätelmään analysoituaan dinosaurusten fossiileissa säilyneitä aineenvaihduntatuotteita.
Sen lisäksi, että tuore tutkimustulos puoltaa oletusta dinosaurusten tasalämpöisyydestä, se pakottaa tarkistamaan vanhaa käsitystä 66 miljoonaa vuotta sitten tapahtuneesta dinosaurusten joukkosukupuutosta.
Tasalämpöisyys vaatii polttoainetta
Vain linnut ja nisäkkäät pystyvät säätelemään tehokkaasti ruumiinlämpöään ja pitämään sen vakaana tuulessa ja tuiskussa. Matelijoiden ruumiinlämpö seuraa siis ympäristön lämpötilaa. Eroa ilmentää hyvin eläinten jaottelu tasa- ja vaihtolämpöisiin lajeihin.
Tasalämpöisyydestä on monenlaista etua eläimelle. Linnut ja nisäkkäät voivat esimerkiksi olla aktiivisia kaikkina vuodenaikoina lämpötilojen vaihtelusta huolimatta myös siellä, missä matelijoiden on vaikeaa tai jopa mahdotonta selviytyä talven yli.
Käärmeet ovat muiden nykymatelijoiden tavoin vaihtolämpöisiä. Suomessa elävät käärmelajit vaipuvat talveksi kylmänhorrokseen.
Tasalämpöisten eläinten fyysinen suorituskyky on parempi kuin vaihtolämpöisten. Se ilmenee vilkkaampina elintoimintoina ja suurempana kestävyytenä. Lisäksi tasalämpöiset lajit voivat – periaatteessa – lisääntyä vuoden ympäri, kun taas vaihtolämpöisillä lajeilla jälkeläisten saaminen riippuu valosta ja lämmöstä.
Tasalämpöisyydestä juontuva joustavuus tekee linnuista ja nisäkkäistä sopeutumiskykyisempiä kuin matelijoista. Sopeutumiskyvyllä on suuri merkitys etenkin silloin, kun elinolosuhteet muuttuvat rajusti.
Tasalämpöisyydellä on kuitenkin hintansa: pystyäkseen säilyttämään ruumiinlämpönsä normaalina eläimen täytyy varmistaa riittävä energiansaanti syömällä tarpeeksi. Lämpöä tuottava aineenvaihdunta polttaa jatkuvasti ravintoa.
Aineenvaihdunta tarkoittaa sitä biologista prosessia, jossa ravintoaineet muuttuvat muun muassa solujen energiaksi. Tasalämpöisten aineenvaihdunta toimii vilkkaammin kuin vaihtolämpöisten.
77 kertaa nopeampi aineenvaihdunta on kolibrilla kuin ihmisellä. Lintujen aineenvaihdunta toimii vilkkaimmin.
Aineenvaihdunnan tehokkuuden kannalta avainasemassa on happi, ja siksi tasalämpöiset eläimet tarvitsevat sitä enemmän kuin vaihtolämpöiset. Aineenvaihdunnan mittari on nimenomaan tunnissa kulutetun hapen määrä ruumiinpainon grammaa kohti.
Mitä enemmän eläin ottaa happea suhteessa painoonsa, sitä vilkkaammin sen aineenvaihdunta toimii.
Linnuilla on keskimäärin nopeampi aineenvaihdunta kuin nisäkkällä. Matelijat ovat vertailussa peränpitäjiä.
Tiettävästi vilkkain aineenvaihdunta on kolibreilla, joilla se voi toimia 77 kertaa niin nopeasti kuin keskivertoihmisellä ja 100 kertaa niin nopeasti kuin norsulla.
Suuren energiankulutuksen vuoksi kolibrien pitää syödä joka päivä oman painonsa verran kukkien mettä. Kolibrien normaali ruumiinlämpö vaihtelee 40:stä 42 asteeseen.
Kolibreilla on hyvin vilkas aineenvaihdunta. Energiantarpeensa ne tyydyttävät syömällä ainakin oman painonsa verran mettä vuorokaudessa.
Toinen ääripää ovat tutkimuksen mukaan subtrooppisen eli lämpimän ilmastovyöhykkeen käärmeet, jotka voivat pysyä aktiivisina, vaikka niiden ruumiinlämpö laskee kymmeneen asteeseen.
Siitä huolimatta, että nykyisten lajien aineenvaihdunta pystytään mittaamaan, ei ole voitu varmistua siitä, olivatko dinosaurukset tasa- vai vaihtolämpöisiä.
Aiempien tutkimusten tulokset erosivat toisistaan. Niissä analysoitiin alkuaineiden vakaita isotooppeja eli variantteja ja luiden renkaina näkyvää vuosikasvua. Fossiilin aikaansaava luun kivettymisprosessi saattaa kuitenkin vaikuttaa kumpaankin tekijään.
Kalifornialaisessa Caltech-yliopistossa (California Institute of Technology) on löydetty luotettavampi aineenvaihdunnan osoitin ja selvitetty sen avulla, olivatko eri dinosauruslajit tasa- vai vaihtolämpöisiä.
Aineenvaihdunta näkyy luissa
Aineenvaihduntaa ja lämmönsäätelyjärjestelmää koskevaa tietoa etsittiin paitsi dinosaurusten, lentoliskojen ja kalaliskojen myös nykyisten nisäkkäiden, lintujen ja matelijoiden reisiluista.
30 erilaisen dinosauruksen, lentoliskon ja kalaliskon lisäksi aineenvaihdunta analysoitiin 25 nykyeläimeltä.
Tutkittuja lajeja oli kaikkiaan 55. Niistä 30 oli muinaisia ja 25 nykyisiä. Laaja eläinvalikoima mahdollisti vertailun. Sen tulokset julkaistiin arvostetussa Nature-lehdessä vuonna 2022.
Luista etsittiin aineita, joita syntyy soluhengitykseksi kutsutussa happea kuluttavassa energia-aineenvaihdunnassa.
Kun muinaiset eläimet ottivat ravinnon energiaa käyttöönsä, soluissa syntyi happiyhdisteitä, jotka reagoivat niissä rasva-aineiden ja proteiinien kanssa. Aineenvaihduntaprosessista peräisin olevat kehittyneet lipoksidaation lopputuotteet eli ALE:t (advanced lipoxidation end products) varastoituivat fossiileihin.
Määrittämällä lopputuotteiden määrä saadaan tietoa eläimen aineenvaihdunnasta, koska ne ovat suorassa riippuvuussuhteessa. Mitä enemmän eläin käytti happea, sitä nopeammin sen aineenvaihdunta toimi. Suuri pitoisuus osoittaa eläimen olleen tasalämpöinen.
Veteen liukenemattomat lopputuotteet ovat hyvin vakaita, ja ne kestävät luun kivettymisprosessin. Säilyvyys tekee niistä luotettavan bioilmaisimen, vaikka tutkimuskohde olisi miljoonia vuosia vanha.
Aineenvaihdunta ikuistuu kiveen
1. Mitokondriot tuottavat energiaa
Tasalämpöisen eläimen rasva- ja hiilihydraattiaineenvaihdunnassa syntyy lämpöä. Ravintoa polttavat kemiallisesti mitokondriot hapen avulla. Energia-aineenvaihdunta tuottaa reaktiivisia karbonyylilajeja (RCS, reactive carbonyl species).
2. Lopputuotteet varastoituvat
RCS-aineet läpäisevät mitokondrion kalvon, vapautuvat soluun ja alkavat reagoida proteiinien ja dna:n kanssa. Reaktioiden lopputuotteet, ALE:t, säilyvät luissa, vaikka ne kivettyisivät.
3. Aineet ilmaisevat ruumiinlämmön
Aineenvaihdunnan lopputuotteita etsitään fossiilista infrapunasäteilyn avulla. Mitä suurempi niiden pitoisuus on, sitä nopeammin aineenvaihdunta on toiminut. Vertailu nykyisiin lajeihin paljastaa, oliko dinosaurus tasa- vai vaihtolämpöinen.
Lopputuotteiden määrä voidaan mitata eläimen kivettyneestä luusta infrapunaspektroskopiaksi kutsutulla analyysimenetelmällä.
Luuhun lähetetään infrapunasäteitä, ja niiden ja lopputuotteiden välisestä vuorovaikutuksesta määritetään aineiden pitoisuus.
Kun fossiilin sisältämien lopputuotteiden määrää verrataan nykyeläimiä koskeviin tietoihin, päästään jyvälle siitä, millainen aineenvaihdunta muinaisella lajilla oli.
Vaikka dinosaurukset luokitellaan matelijoiksi, tutkimustulosten valossa näyttää siltä, että niiden joukossa oli paljon tasalämpöisiä lajeja, joiden aineenvaihdunta toimi hämmästyttävän vilkkaasti.
Dinosaurukset jaetaan kahteen pääryhmään: liskonlantioisiin (Saurischia) ja linnunlantioisiin (Ornithischia). Kävi ilmi, että kaikki tasalämpöisiksi todetut lajit kuuluivat liskonlantioisiin.
Tunnettuja liskonlantioissukuja ovat Tyrannosaurus, Allosaurus ja Deinonychus. Niiden edustajilla oli nopea aineenvaihdunta. Lajit olivat mitä ilmeisimmin tasalämpöisiä, ja osalla normaali ruumiinlämpö oli noin 42 astetta eli sama kuin kolibreilla.
Linnunlantioiset osoittautuivat vaihtolämpöisiksi, sillä niiden aineenvaihdunta oli hyvin hidas. Tutkittuja sukuja olivat Triceratops, Stegosaurus ja Hadrosaurus.
Vaikka nimityksestä voisi toisin päätellä, linnut eivät polveudu linnunlantioisista. Lintujen lähimmät dinosaurusedeltäjät kuuluivat tasalämpöisiin liskonlantioisiin.
Tasa- ja vaihtolämpöisiä lajeja
Tutkimuksessa analysoitiin sekä lihansyöjä- että kasvinsyöjädinosaurusten aineenvaihduntaa. Päätelmäksi tuli, että osa dinosauruksista oli täysin tasalämpöisiä ja osa äärimmäisen vaihtolämpöisiä.
15–45 astetta: Sarvipää oli selvästi matelija
Kolmisarvinen kasvinsyöjä Triceratops muistutti aineenvaihdunnaltaan nykyisiä sisiliskoja. Sen toimintakyky riippui täysin ympäristön lämpötilasta, ja sen piti ilmeisesti lämmitellä pitkiä aikoja auringonpaisteessa.
36–39 astetta: Kuningas oli kuin nisäkäs
Tyrannosaurukset, joiden tunnetuin laji on T. rex, vastasivat aineenvaihdunnaltaan nisäkkäitä. Tyranniliskojen kuningas oli nykyisiä matelijoita aktiivisempi, ja se pystyi saalistamaan yhtä tehokkaasti kuin nykyajan petonisäkkäät.
39–42 astetta: Iso petolisko oli lintumainen
Tutkituista dinosauruksista vilkkain aineenvaihdunta oli kymmenmetrisellä Allosaurus fragilis -lajilla. Lintuihin vertautuva peto menestyi monenlaisissa elinympäristöissä ja saalisti jopa itseään isompia eläimiä.
Tutkijat pitävät todennäköisenä, että vaihtolämpöiset dinosaurukset joutuivat lämmittelemään jatkuvasti auringossa samaan tapaan kuin kilpikonnat ja sisiliskot.
On myös mahdollista, että vaihtolämpöiset dinosauruslajit olivat muuttolintujen kaltaisia muuttajia, jotka lähtivät syksyllä lämpimämmälle seudulle talvehtimaan.
Sukupuuton syy askarruttaa
Koska osalla dinosauruksista oli niin vilkas aineenvaihdunta, että ne olivat mitä ilmeisimmin tasalämpöisiä, vanha selitys kaikkien lajien sukupuutolle ei enää kelpaa.
Vanhastaan on ajateltu, että nopea aineenvaihdunta pelasti linnut ja nisäkkäät tuholta 66 miljoonaa vuotta sitten tapahtuneessa ja dinosaurusten valtakauden päättäneessä ekokatastrofissa.
Teoria on järkeenkäypä, sillä tasalämpöiset eläimet ovat vaihtolämpöisiä sopeutumiskykyisempiä. Tasalämpöisten lajien oli siis helpompi mukautua niihin rajuihin elinolosuhteiden muutoksiin, jotka meteori-isku aiheutti.
Uudet tutkimustulokset pudottavat kuitenkin pohjan pois suositulta selitykseltä.
Myöhäisliitukaudella noin 66–100 miljoonaa vuotta sitten eli sekä dinosauruksia että lentoliskoja, joilla oli nopea aineenvaihdunta. Silti nekin hävisivät. Toisin sanoen lajien säilymiseen vaikutti ratkaisevasti jokin muu tekijä.
Ennen meteori-iskua mahdollisuus pitää ruumiinlämpö vakaana auttoi monia dinosauruslajeja valloittamaan maailmaa. Ne selvisivät jopa arktisella alueella, jonne nykyisillä vaihtolämpöisillä matelijoilla ei ole vetoa.