Det är mörkt dygnet runt, snön vräker ner och kylan biter. Vintern i Arktis är brutal och lämpar sig inte för kallblodiga kräldjur. Ändå visar fynd att dinosaurier faktiskt förekom på de allra nordligaste breddgraderna, nära nordpolen.
Upptäckten har förvånat forskarna. Hur kunde de enorma kräldjuren överleva i den arktiska kylan och beckmörkret? Den frågan har en grupp paleontologer från California Institute of Technology nu kunnat besvara.
Tvärtemot vad man tidigare trott var många dinosaurier faktiskt varmblodiga och hade en ämnesomsättning som påminde mer om fåglarnas och däggdjurens än om kräldjurens. Kroppsvärmen gjorde att dinosaurierna kunde överleva i kalla områden, där dagens kräldjur inte hade haft en chans.
Forskarna kom det uppseendeväckande fyndet på spåret genom att analysera biprodukter från djurens ämnesomsättning som har bevarats i deras fossil.
Den nya forskningen bidrar inte bara med kunskaper om dinosauriernas kroppstemperatur, utan avlivar också en gammal teori om varför de dog ut under massutrotningen för 66 miljoner år sedan.
Varmblodighet har ett pris
Medan fåglar och däggdjur kan reglera kroppstemperaturen, och därmed hålla den stabil oavsett väder och vind, är kräldjur beroende av värme från sin omgivning. Därför kallas fåglar och däggdjur varmblodiga (en annan term är jämnvarma), medan kräldjur kallas kallblodiga (växelvarma).
Förmågan att reglera kroppstemperaturen ger varmblodiga djur en rad fördelar. Fåglar och däggdjur kan till exempel förbli aktiva året runt, trots årstidernas skiftande temperaturer, och även vistas i kallare miljöer än de kallblodiga kräldjuren.
Ormar är i likhet med andra nu levande kräldjur kallblodiga. De är beroende av värme från omgivningen för att hålla sig aktiva.
Varmblodiga djur presterar också bättre fysiskt än kallblodiga djur. De har högre aktivitetsnivå och är mer uthålliga. Medan varmblodiga djur kan få ungar i princip året runt är kallblodiga djur beroende av ljus och värme för sin fortplantning.
Den betydligt större flexibilitet som varmblodigheten medför gör fåglar och däggdjur mer anpassningsbara när de ställs inför förändringar i omgivningarna, medan kallblodiga djur har svårare att anpassa sig till nya miljöer.
Varmblodighetens många fördelar har emellertid ett pris: Det krävs mycket föda för att hålla uppe kroppstemperaturen, eftersom det är förbränning av kalorier som skapar den inre värmen.
För att omsätta kalorier till värme går ämnesomsättningen, det vill säga kroppens kemiska reaktioner, på högvarv hos varmblodiga djur.
77 gånger högre än människans är kolibrins ämnesomsättning. Fåglarna har djurvärldens högsta ämnesomsättning.
Syre är avgörande för att ämnesomsättningen ska fungera. Därför förbrukar varmblodiga djur mer syre än kallblodiga. Ämnesomsättningen definieras och beräknas just som mängden syre som andas in per timme och per gram kroppsvikt.
Ju mer syre ett djur andas in i förhållande till sin vikt, desto högre är ämnesomsättningen.
Fåglarna har i allmänhet högst ämnesomsättning av alla nu levande djur, medan kräldjuren har lägst.
Kolibrin har den högsta ämnesomsättningen som uppmätts. Den kan vara 77 gånger högre än en genomsnittlig människas och upp till 100 gånger högre än en elefants ämnesomsättning.
Ämnesomsättningen är så hög att kolibrier varje dag behöver inta en mängd nektar som motsvarar deras egen kroppsvikt. Kolibrins normala kroppstemperatur är hela 40–42 grader Celsius.
Kolibrin har högst ämnesomsättning av vår tids djur. Det innebär att den varje dag behöver inta sin egen kroppsvikt i nektar.
I den andra änden av spektrumet har en studie visat att subtropiska ormar kan vara aktiva med en kroppstemperatur på ända ner till tio grader Celsius.
Forskarna kan mäta nu levande arters ämnesomsättning, men det har länge rått tvivel om huruvida dinosaurier var kallblodiga eller varmblodiga.
Tidigare försök att komma fram till det har gett svårtydda resultat. I studierna har man använt sig av stabila isotoper, det vill säga varianter av grundämnen, samt tillväxtringar i djurens skelett som markörer för ämnesomsättningen, som båda två kan påverkas av den process som omvandlar benvävnad till fossil.
Men nu har forskare vid California Institute of Technology hittat en mer tillförlitlig markör för ämnesomsättningen, och har därmed kunnat visa om dinosaurierna var varmblodiga eller kallblodiga.
Ämnesomsättningen lämnar spår i benvävnaden
För att ta reda på mer om dinosauriernas ämnesomsättning och deras förmåga att upprätthålla en stabil kroppstemperatur analyserade forskargruppen lårben från en rad olika djur, allt från dinosaurier, flygödlor och fisködlor till nu levande däggdjur, fåglar och kräldjur.
30 arter av dinosaurier, flygödlor och fisködlor fick ämnesomsättningen uppmätt och jämförd med 25 nu levande djur.
Totalt 55 arter studerades. Av dessa var 30 utdöda djur, medan de övriga var nu levande arter, som användes som jämförelse. Resultaten publicerades år 2022 i den ansedda tidskriften Nature.
Forskarna finkammade benvävnaden för att hitta spår av biprodukter som bildas vid inandning av syre och som sätter i gång ämnesomsättningen.
När de forntida djuren omsatte kalorierna bildade deras celler syrebaserade ämnen som reagerar med fettämnen och proteiner i cellerna. De kemiska reaktionerna efterlämnar biprodukter i fossilen, så kallade ALE, som vår tids forskare kan spåra.
Mängden biprodukter i djurens benvävnad står i direkt proportion till ämnesomsättningen. Ju mer syre ett djur andas in, desto snabbare är ämnesomsättningen. Därmed är höga halter av biprodukterna ett tecken på varmblodighet.
Eftersom biprodukterna inte är vattenlösliga är de oerhört stabila och överlever benvävnadens fossilisering. Hållbarheten gör dem till en tillförlitlig markör för ämnesomsättningen, som förblir i stort sett oförändrad under miljontals år.
Fossil döljer spår av ämnesomsättningen
1. Ämnesomsättningen sker i mitokondrierna
Varmblodiga djur avger värme i samband med ämnesomsättningens omsättning av fett och kolhydrater. Den sker i cellernas mitokondrier genom kemiska reaktioner med syre, och i denna process bildas reaktiva karbonylämnen (RCS).
2. Reaktionerna efterlämnar bestående spår
RCS tränger ut genom mitokondriernas membran och släpps ut i cellen, där de ingår kemiska föreningar med proteiner och dna. ALE, de biprodukter som bildas vid reaktionerna, stannar kvar i benvävnaden när den fossiliseras.
3. Ämnen skvallrar om temperaturen
Genom att belysa fossilet med infrarött ljus kan forskarna se ämnesomsättningens biprodukter. Ju högre halten är, desto snabbare har ämnesomsättningen varit. Genom att jämföra med moderna djur går det att avgöra om dinosaurien var varmblodig eller kallblodig.
Mängden biprodukter i djurens fossiliserade benvävnad mättes med en teknik som kallas infraröd spektroskopi.
Forskarna belyste benvävnaden med infrarött ljus och kunde utifrån interaktionen mellan ljuset och biprodukterna bestämma benvävnadens koncentration av biprodukter.
Därefter jämfördes mängden biprodukter i fossilen med den mängd som förekom i nutida djurs benvävnad. På så vis kunde forskarna beräkna dinosauriernas ämnesomsättning.
Även om dinosaurier räknas som kräldjur visade undersökningarna att många av dem faktiskt var varmblodiga, och att de till och med hade väldigt hög ämnesomsättning.
Dinosaurier delas in i två huvudgrupper, ödlehöftade respektive fågelhöftade dinosaurier. Forskarna fann att de varmblodiga dinosaurierna alla tillhörde gruppen ödlehöftade dinosaurier.
Välkända släkten av ödlehöftade dinosaurier som Tyrannosaurus, Allosaurus och Deinonychus uppvisade allihop tecken på hög ämnesomsättning och var följaktligen varmblodiga. Vissa av dem hade en kroppstemperatur på ända upp till 42 grader, precis som vår tids kolibrier.
Samtliga fågelhöftade dinosaurier som ingick i studien var kallblodiga. Ikoniska släkten av fågelhöftade dinosaurier som Triceratops, Stegosaurus och Hadrosaurus hade alla extremt låg ämnesomsättning.
Namnet till trots härstammar vår tids fåglar inte från gruppen fågelhöftade dinosaurier, utan är i stället besläktade med de varmblodiga ödlehöftade dinosaurierna.
Det fanns både kalla och varma dinosaurier
Forskarna har analyserat ämnesomsättningen hos såväl rovdinosaurier som växtätare. Slutsatsen är att de forntida djuren bredde ut sig över temperaturskalan, från mycket kallblodiga till mycket varmblodiga.
15–45 grader: Behornad växtätare liknade kräldjuren
Trehorniga Triceratops hade ungefär lika låg ämnesomsättning som nu levande ödlor. Denna växtätare var därmed i hög grad beroende av solens värme för att hålla sig aktiv och ägnade troligen en stor del av sin tid åt att lapa sol.
36–39 grader: Dinosauriernas kung påminde om däggdjuren
Släktet Tyrannosaurus, dit arten Tyrannosaurus rex hör, hade en ämnesomsättning i nivå med ett däggdjurs. Dinosauriernas kung var följaktligen betydligt mer aktiv än dagens kräldjur och kunde jaga lika flitigt som vår tids rovdäggdjur.
39–42 grader: Brutal, fågelliknande bjässe
Den högsta ämnesomsättningen fann forskarna hos arten Allosaurus fragilis. Detta cirka tio meter långa rovdjur hade en ämnesomsättning i paritet med vår tids fåglar. Det gjorde att djuret kunde anpassa sig till många miljöer och gav det en glupande aptit.
Enligt forskarna är det sannolikt så att kallblodiga dinosaurier ägnade mycket tid åt att stå i solen, ungefär som nu levande sköldpaddor och ödlor gör.
De kallblodiga arterna kan också ha varit migrerande djur, som sökte sig till varmare områden när vinterkylan kom.
Gammal dinosaurieteori kan visa sig vara felaktig
Upptäckten av hög ämnesomsättning hos en lång rad dinosaurier och forntidsödlor drar undan mattan för en gammal teori.
Forskarna har nämligen länge trott att det var den höga ämnesomsättningen som blev fåglarnas och däggdjurens räddning när massutrotningen för 66 miljoner år sedan gjorde slut på dinosauriernas epok.
Teorin framstod som rimlig, eftersom varmblodiga djur är mer anpassningsbara än kallblodiga och därför borde vara bättre på att hantera de enorma miljömässiga förändringarna i kölvattnet av meteoritnedslaget.
Den nya studien visar dock att teorin inte håller.
I slutet av den geologiska perioden krita, för cirka 100–66 miljoner år sedan, fanns det både dinosaurier och flygödlor med hög ämnesomsättning som ändå dog ut. Därför måste det ha varit andra faktorer som avgjorde vilka arter som klarade sig.
Innan meteoriten slog ner hjälpte emellertid dinosauriernas olika kroppstemperatur dem att erövra hela planeten, till och med den kalla, mörka nordpolen, som är så ogästvänlig för vår tids kallblodiga kräldjur.