De duisternis heerst de klok rond, de sneeuw valt en de kou bijt. De Arctische winter is wreed en ongeschikt voor koudbloedige reptielen. Toch tonen vondsten aan dat er dinosauriërs op breedtegraden bij de Noordpool leefden.
Een verbazingwekkende ontdekking, want hoe konden deze reuzenreptielen overleven in de kou en het donker van de Noordpool? Een groep paleontologen van het California Institute of Technology heeft nu het antwoord gevonden.
Anders dan vaak wordt gedacht, waren veel dinosauriërs warmbloedig en hadden ze een stofwisseling die meer leek op die van vogels en zoogdieren dan op die van reptielen. Dankzij hun lichaamswarmte konden dinosauriërs overleven in koude klimaten waar de huidige reptielen geen kans zouden hebben.
Onderzoekers deden de verrassende ontdekking door bijproducten van de stofwisseling in hun fossielen te analyseren.
Dit onderzoek geeft veel inzicht in de lichaamstemperatuur van dinosauriërs, maar ontkracht ook een oude theorie over hun uitsterven 66 miljoen jaar geleden tijdens de kolossale massa-extinctie.
Warmbloedigheid heeft een prijs
Terwijl huidige vogels en zoogdieren hun lichaamstemperatuur kunnen regelen – en stabiel houden, ongeacht weer en wind – zijn reptielen afhankelijk van warmte uit de omgeving. Daarom worden de vogels en de zoogdieren warmbloedig genoemd, en de reptielen koudbloedig.
Met het aangeboren vermogen om de lichaamstemperatuur te regelen, hebben warmbloedige dieren een paar voordelen. Zo kunnen vogels en zoogdieren het hele jaar door actief blijven ondanks seizoensgebonden temperatuurschommelingen en in veel koudere streken verblijven dan de koudbloedige reptielen.
Slangen zijn, net als andere reptielen, koudbloedig. Ze zijn afhankelijk van warmte uit de omgeving om actief te blijven.
Warmbloedige dieren presteren ook fysiek beter dan koudbloedige – ze zijn actiever en hebben meer uithoudingsvermogen. En terwijl warmbloedige dieren veelal het hele jaar door jongen kunnen krijgen, zijn koudbloedige afhankelijk van licht en warmte om zich voort te planten.
De grotere mate van flexibiliteit die warmbloedigheid biedt, betekent dat de vogels en de zoogdieren zich beter dan de koudbloedige dieren kunnen aanpassen aan veranderingen in hun omgeving.
Maar aan dat voordeel hangt een prijskaartje: er is veel voedsel nodig om de lichaamstemperatuur op peil te houden, want de nodige warmte moet komen van de verbranding van calorieën.
Om calorieën om te zetten in warmte staat de stofwisseling (alle chemische reacties in het lichaam) bij warmbloedige dieren onder hoge druk.
De stofwisseling van de kolibrie is 77 keer zo hoog als die van de mens. Vogels hebben de hoogste stofwisseling in de dierenwereld.
De stofwisseling functioneert alleen met zuurstof, en daarom verbruiken warmbloedige dieren er meer van dan koudbloedige. De stofwisseling wordt vastgesteld per gram lichaamsgewicht.
Hoe meer zuurstof een dier inademt in verhouding tot zijn gewicht, hoe hoger zijn stofwisselingssnelheid.
Vogels hebben over het algemeen de snelste stofwisseling van alle levende dieren, en reptielen de traagste.
De hoogst gemeten stofwisseling zien we bij de kolibrie – tot wel 77 keer het gemiddelde van een mens en tot 100 keer dat van een olifant.
De stofwisseling is zo hoog dat het vogeltje iedere dag zijn lichaamsgewicht moet opzuigen aan nectar, en zijn normale lichaamstemperatuur is wel 40-42 °C.
Kolibries hebben het hoogste metabolisme van alle dieren. Daarvoor moeten ze elke dag hun eigen lichaamsgewicht aan nectar opzuigen.
Aan de andere kant van het spectrum vinden we subtropische slangen, waarvan een studie aantoont dat ze nog actief kunnen zijn met lichaamstemperaturen van 10 °C.
De stofwisseling van levende soorten is goed te bepalen, maar het is lange tijd de vraag geweest of de dinosauriërs koudbloedig of warmbloedig waren.
Eerdere pogingen om het antwoord te vinden hebben dubbelzinnige resultaten opgeleverd. De experimenten gebruikten als markers stabiele isotopen – varianten van elementen – en de groeiringen in de botten van de dieren, en beide kunnen worden beïnvloed door het verstenen.
Maar nu hebben onderzoekers van het California Institute of Technology een stofwisselingsmarker gevonden die kan ophelderen of de dinosauriërs warm- of koudbloedig waren.
Stofwisseling te zien in botten
Om meer te leren over het metabolisme van dinosauriërs en hun vermogen om een stabiele lichaamstemperatuur te handhaven, analyseerde het team botten (dijbeenderen) van dinosauriërs te land, ter zee en in de lucht en van moderne zoogdieren, vogels en reptielen.
De stofwisseling van 30 soorten dinosauriërs te land, ter zee en in de lucht werd gemeten en vergeleken met 25 moderne dieren.
Er werden 55 soorten onderzocht. Daarvan waren er 30 uitgestorven, en de overige werden als vergelijkingsbasis gebruikt. De resultaten verschenen in 2022 in het prestigieuze tijdschrift Nature.
De onderzoekers keken de botten na op sporen van bijproducten, die ontstaan wanneer zuurstof wordt ingeademd en de stofwisseling op gang brengt.
Terwijl de dieren calorieën omzetten, produceerden hun cellen op zuurstof gebaseerde stoffen die reageerden met vetten en eiwitten in de cellen. Deze chemische reacties lieten bijproducten achter, ALE genaamd, die soms nog steeds in fossielen te vinden zijn.
De hoeveelheid bijproducten in de dierenbotten is recht evenredig met hun stofwisseling. Hoe meer zuurstof een dier inademt, hoe sneller de stofwisseling, dus een hoog gehalte aan bijproducten is een teken dat het dier warmbloedig is.
De bijproducten zijn zeer stabiel en overleven de verstening doordat ze niet oplossen in water. Door hun duurzaamheid zijn ze een zeer betrouwbare stofwisselingsmarker, die miljoenen jaren grotendeels onveranderd blijft.
Fossielen verbergen sporen van metabolisme
1. Stofwisseling verloopt in mitochondriën
Warmbloedige dieren produceren warmte tijdens het omzetten van vet en koolhydraten. Deze stofwisseling vindt plaats in de mitochondriën van cellen door chemische reacties met zuurstof, waarbij reactieve carbonylen (RCS) worden geproduceerd.
2. Reacties laten blijvende sporen na
De RCS-stoffen dringen door het membraan van de mitochondriën en komen vrij in de cel, waar ze chemische verbindingen aangaan met eiwitten en DNA. De bijproducten van de reacties, ALE, blijven in de botten achter als ze verstenen.
3. Stoffen geven temperatuur prijs
Door het fossiel te beschijnen met infrarood licht zien wetenschappers de bijproducten van de stofwisseling. Hoe hoger het niveau, hoe sneller de stofwisseling, en door vergelijking met huidige dieren stellen ze vast of de dinosaurus warm- of koudbloedig was.
De bijproducten in de fossiele botten van de dieren werden gemeten met een techniek die infraroodspectroscopie heet.
De onderzoekers beschenen het bot met infrarood licht om uit de interactie van licht en bijproducten het gehalte aan bijproducten in het bot te kunnen bepalen.
Vervolgens werd de hoeveelheid bijproducten in de fossielen vergeleken met het gehalte in botten van huidige dieren, waardoor de stofwisselingssnelheid van dinosauriërs kon worden ingeschat.
Hoewel dinosauriërs te boek staan als reptielen, bleek uit de studies dat er vele warmbloedig waren en zelfs een extreem hoge stofwisseling hadden.
Dinosauriërs vallen uiteen in twee hoofdgroepen, Saurischia en Ornithischia, en de warmbloedige dinosauriërs blijken allemaal tot de Saurischia te horen, wat ‘reptielenheup’ betekent.
Bekende Saurischiadinosauriërs als tyrannosaurus, allosaurus en deinonychus vertoonden allemaal tekenen van een hoge stofwisseling en waren dus warmbloedig – sommige met lichaamstemperaturen tot 42 °C, zoals kolibries.
De bestudeerde Ornithischia, wat ‘vogelheup’ betekent, waren daarentegen koudbloedig. Iconische dinosauriërs in deze groep, zoals triceratops, stegosaurus en hadrosaurus, hadden allemaal een extreem lage stofwisseling.
Ondanks de naam ‘vogelheup’ zijn onze vogels niet van de Ornithischia afkomstig, maar zijn ze verwant aan de warmbloedige Saurischia.
Dinosauriërs waren zowel koud als warm
De onderzoekers analyseerden de stofwisseling van zowel roofdinosauriërs als planteneters. De conclusie is dat deze uiteenliepen op de temperatuurschaal – van de meest koud- tot de meest warmbloedige.
15-45 °C: Gehoornde planteneters leken op reptielen
De driehoornige Triceratops had een lage stofwisseling, zoals moderne hagedissen. De herbivoor vertrouwde dus sterk op de warmte van de zon om actief te blijven en zat waarschijnlijk vaak te zonnebaden.
36-39 °C: De koning van de dinosauriërs leek op een zoogdier
Tyrannosauriërs, met als hoogtepunt T. rex, hadden een stofwisseling zoals zoogdieren. De koning van de dinosauriërs was dus veel actiever dan reptielen tegenwoordig zijn, en kon even ijverig jagen zoals de roofzoogdieren van nu.
39-42 °C: Brute moordenaar leek op vogels
De hoogste stofwisseling had Allosaurus fragilis. Het roofdier, dat ongeveer 10 meter lang was, had een stofwisseling zoals vogels. Hierdoor kon de moordenaar zich aan vele omgevingen aanpassen en werd hij ronduit vraatzuchtig.
Volgens de wetenschappers zaten de koudbloedige dinosauriërs, net zoals schildpadden of hagedissen, waarschijnlijk veel in de zon.
Het kan ook zijn dat de koudbloedige soorten trekdieren waren die bij de eerste winterkou naar warmere streken trokken.
Oude dinotheorie kan weg
De ontdekking van het hoge stofwisselingsniveau in vele dinosauriërs weerlegt een oude theorie.
Onderzoekers dachten altijd dat hoge stofwisselingssnelheden de redding van vogels en zoogdieren waren toen de grote massasterfte 66 miljoen jaar geleden een einde maakte aan het dinosaurustijdperk.
De theorie was logisch, omdat warmbloedige dieren zich beter kunnen aanpassen dan koudbloedige en dus beter de enorme milieuveranderingen na de meteorietinslag het hoofd konden bieden.
Maar de nieuwe studie toont aan dat die theorie onjuist is.
In het late krijt, 100-66 miljoen jaar geleden, waren er dinosauriërs met een hoge stofwisseling die toch uitstierven. Andere factoren hebben de overlevingskansen van de soort dus medebepaald.
Maar tot de meteoriet insloeg, hielp de verschillende lichaamstemperatuur van de dinosauriërs hen de hele aardbol te veroveren – zelfs het koude en donkere noordpoolgebied, dat gesloten terrein is voor de koudbloedige reptielen van nu.