Um fóssil de 250 milhões de anos revela as origens da audição dos mamíferos

Novas descobertas de paleontólogos da Universidade de Chicago sugerem que esta forma avançada de audição apareceu muito antes do que os cientistas acreditavam. Usando tomografias computadorizadas detalhadas do crânio e da mandíbula de Trinaxodon liorhinusum ancestral mamífero que viveu há cerca de 250 milhões de anos, os pesquisadores aplicaram simulações baseadas em engenharia para testar como o som teria viajado através de sua anatomia. Seus resultados indicam que Trinaxodonte provavelmente tinha um tímpano grande o suficiente para detectar eficientemente o som transportado pelo ar, atrasando a origem dessa característica em quase 50 milhões de anos.

“Durante quase um século, os cientistas têm tentado descobrir como é que estes animais podiam ouvir. Estas ideias cativaram a imaginação dos paleontólogos que trabalham na evolução dos mamíferos, mas até agora não tivemos testes biomecânicos muito fortes”, disse Alec Wilken, um estudante de pós-graduação que liderou o estudo, que foi publicado recentemente em PNAS. “Agora, com os nossos avanços na biomecânica computacional, podemos começar a dizer coisas inteligentes sobre o que a anatomia significa para a forma como este animal pode ouvir.”

Revisitando uma ideia de longa data sobre a audição precoce dos mamíferos

Trinaxodonte pertencia a um grupo chamado cinodontes, animais do início do período Triássico que apresentam uma mistura de características de répteis e mamíferos. Isso incluía dentes especializados, mudanças no palato e no diafragma que apoiavam respiração e metabolismo mais eficientes e características prováveis ​​como sangue quente e pêlo. Nos primeiros cinodontes, incluindo Trinaxodonteos ossos do ouvido (martelo, bigorna, estribo) ainda estavam conectados à mandíbula. Muito mais tarde na evolução, estes ossos separaram-se para formar o ouvido médio distinto visto nos mamíferos modernos, uma mudança considerada crítica para uma melhor audição.

Cerca de 50 anos atrás, o paleontólogo Edgar Allin, da Universidade de Illinois, Chicago, propôs que os cinodontes como Trinaxodonte pode ter tido uma membrana esticada através de uma parte em forma de gancho do maxilar, servindo como uma versão inicial do tímpano dos mamíferos. Na época, a maioria dos pesquisadores pensava que esses animais detectavam o som principalmente por meio da condução óssea, ou através da chamada “escuta da mandíbula”, colocando a mandíbula inferior contra o solo para sentir as vibrações. A ideia de Allin era intrigante, mas não havia nenhuma maneira prática de testar se tal membrana poderia realmente transmitir som transportado pelo ar.

Transformando fósseis antigos em cobaias digitais

Os avanços na tecnologia de imagem transformaram a paleontologia, permitindo aos cientistas extrair informações detalhadas dos fósseis sem danificá-los. Wilken e seus colegas, Zhe-Xi Luo, PhD, e Callum Ross, PhD, ambos professores de Biologia e Anatomia Organística, digitalizaram um material bem estudado Trinaxodonte espécime do Museu de Paleontologia da Universidade da Califórnia em Berkeley, no Laboratório PaleoCT da UChicago. As varreduras produziram um modelo 3D de alta resolução do crânio e da mandíbula, capturando formas, ângulos e dimensões precisas necessárias para avaliar como um tímpano potencial poderia funcionar.

A equipe então usou um software de engenharia chamado Strand7 para executar uma análise de elementos finitos. Este método divide uma estrutura complexa em muitos pequenos componentes, cada um com propriedades físicas específicas. É comumente usado para estudar como as pontes suportam o peso, como as aeronaves lidam com o estresse ou como o calor se move através dos motores. Neste caso, os pesquisadores simularam como Trinaxodonte o crânio e a mandíbula responderiam a diferentes pressões e frequências sonoras, com base em dados conhecidos sobre a espessura, densidade e flexibilidade dos ossos, ligamentos, músculos e pele em animais vivos.

Evidências para audição aérea precoce

As simulações produziram um resultado claro. Um tímpano posicionado dentro de uma seção curva do maxilar teria permitido Trinaxodonte ouvir sons transmitidos pelo ar com muito mais eficiência do que confiar apenas na condução óssea. O tamanho e a forma modelados da membrana geraram vibrações fortes o suficiente para mover os ossos do ouvido, estimular os nervos auditivos e detectar uma gama de frequências sonoras. Embora a detecção de vibração baseada na mandíbula provavelmente ainda desempenhasse um papel, o tímpano teria controlado a maior parte da audição do animal.

“Assim que tivermos o modelo CT do fóssil, poderemos pegar as propriedades materiais dos animais existentes e fazer com que o nosso Trinaxodonte ganhou vida”, disse Luo. “Isso não era possível antes, e esta simulação de software nos mostrou que a vibração através do som é essencialmente a forma como este animal podia ouvir.”

Wilken enfatizou que as ferramentas modernas finalmente tornaram possível testar uma questão que já existia há décadas. “É por isso que este é um problema tão legal de estudar”, disse ele. “Pegamos um problema de alto conceito – isto é, ‘como os ossos do ouvido se mexem em um fóssil de 250 milhões de anos?’ – e testou uma hipótese simples usando essas ferramentas sofisticadas. E acontece em Trinaxodonteo tímpano funciona bem sozinho.”

O estudo, intitulado “Biomecânica da orelha média mandibular do cinodonte Trinaxodonte e a evolução da audição dos mamíferos”, foi apoiado pela UChicago, pelos Institutos Nacionais de Saúde e pela National Science Foundation. Chelsie CG Snipes, da UChicago, também foi autora.