Nguồn gốc của sự tạo nội nhiệt ở động vật có vú là một trong những bí ẩn lớn chưa được giải đáp của cổ sinh vật học.
Trong thế giới động vật, chỉ có thú có vú và chim có đặc điểm tự tạo ra thân nhiệt và kiểm soát được thân nhiệt. Quá trình này được gọi là quá trình tạo nội nhiệt, hoặc máu nóng. Đây là một trong những lý do khiến động vật có vú thống trị hầu hết mọi hệ sinh thái toàn cầu. Động vật máu nóng hoạt động nhiều hơn cả ban ngày và ban đêm và sinh sản nhanh hơn so với các loài máu lạnh.
Hình ảnh tái hiện của Tritylodon, loài động vật có xương sống thuộc bộ Cung thú đã tuyệt chủng, là một loài máu nóng sống về đêm, được phát hiện có đặc điểm hơi nước thoát ra từ phổi. (Minh họa: Luzia Soares)
Nhưng cho đến nay, người ta vẫn chưa biết chính xác thời điểm nào mà tổ tiên của động vật có vú trở thành động vật máu nóng. Mới đây, các nhà khoa học đã sử dụng công nghệ cắt cạnh để nghiên cứu hóa thạch từ vùng Karoo của Nam Phi để tìm ra câu trả lời: quá trình sinh nhiệt phát triển ở tổ tiên của động vật có vú khoảng 233 triệu năm trước trong kỷ Trias Muộn (cách đây 252 đến 201 triệu năm).
Nguồn gốc của sự tạo nội nhiệt ở động vật có vú là một trong những bí ẩn lớn chưa được giải đáp của cổ sinh vật học. Các nhà khoa học đã thử áp dụng nhiều cách giải thích nhưng thường đi đến câu trả lời không thỏa đáng. Phương pháp nghiên cứu lần này rất đáng tin cậy vì đã được xác thực thông qua nhiều mẫu vật là các loài động vật hiện đại, và cho thấy sự tạo nội nhiệt tiến hóa vào thời điểm cơ thể động vật có vú xuất hiện nhiều đặc điểm quan trọng khác.
Máu nóng là điểm mấu chốt tạo nên động vật có vú như ngày nay. Tạo nội nhiệt giống như điểm khởi đầu trong quá trình tiến hóa của động vật có vú: có một bộ lông cách nhiệt, bộ não có kích thước lớn hơn, cơ thể tuần hoàn máu ấm hơn, tốc độ sinh sản nhanh hơn và một cuộc sống năng động hơn. Tất cả những đặc điểm này đều sinh ra nhờ dòng máu nóng.
Cho đến nay, phần lớn các nhà khoa học đều đánh giá quá trình biến đổi sang cơ thể tự sinh nhiệt là một quá trình chậm chạp trong hàng chục triệu năm bắt đầu gần sự kiện tuyệt chủng vào kỷ Tam Điệp. Trong khi đó, một số ý kiến khác cho rằng nó xảy ra gần với thời điểm xuất hiện thú có vú hơn, tức là khoảng 200 triệu năm trước.
Tuy nhiên, nghiên cứu mới này cho rằng sự tạo nội nhiệt xuất hiện ở tổ tiên động vật có vú khoảng 33 triệu năm trước khi động vật có vú xuất hiện. Niên đại này phù hợp với những phát hiện gần đây cho biết nhiều đặc điểm của động vật có vú, như râu và lông, cũng xuất hiện sớm hơn so với các nhận định trước đó.
Nghiên cứu này xuất phát từ tìm hiểu của các nhà khoa học về tai trong. Tai trong không chỉ là cơ quan thính giác mà còn chứa cơ quan điều khiển sự cân bằng, đó là các ống tủy hình bán nguyệt. Ba ống tủy này hướng theo ba chiều không gian. Chúng chứa đầy chất lỏng di chuyển trong các ống tủy mỗi khi đầu chuyển động và kích hoạt các thụ thể để báo cho não biết vị trí ba chiều chính xác của đầu và cơ thể. Độ nhớt của chất lỏng này (nội bạch huyết) rất quan trọng để cơ quan thăng bằng có thể phát hiện chính xác chuyển động quay của đầu và hỗ trợ giữ thăng bằng.
Giống như một miếng bơ lấy từ tủ lạnh ra và tan chảy khi bỏ vào chảo nóng hay mật ong trở nên đặc hơn khi trời lạnh, độ nhớt của nội bạch huyết thay đổi theo nhiệt độ cơ thể. Điều này có nghĩa là khi nhiệt độ cơ thể cao hơn thì độ nhớt của nội bạch huyết cũng thay đổi. Trước sự thay đổi này, cơ thể cũng phải có sự điều chỉnh để thích nghi. Ở động vật có vú, các ống tủy bán nguyệt thích nghi bằng cách thay đổi hình dạng của chúng.
Các nhà nghiên cứu nhận thấy sự thay đổi hình dạng của các ống tủy này qua các mẫu vật hóa thạch. Họ cho rằng nếu tìm ra những loài có sự thay đổi đó thì hoàn toàn có thể xác định chính xác thời điểm tiến hóa của sự tạo nội nhiệt. Và chính từ những hóa thạch phong phú ở Karoo, Nam Phi, họ đã đưa ra được kết luận thuyết phục.
Vùng Karoo khô cằn tạo điều kiện bảo tồn rất tốt cho cả một kho tàng hóa thạch, trong đó có hóa thạch của tổ tiên thú có vú. Những hóa thạch này như một hồ sơ liên tục không hề bị gián đoạn về sự tiến hóa của sự sống trong thời gian khoảng 100 triệu năm. Chúng ghi lại quá trình biến đổi từ động vật bò sát sang động vật có vú một cách vô cùng chi tiết.
Nhờ kỹ thuật chụp CT 3D, các nhà nghiên cứu đã tái tạo lại hình ảnh tai trong của hàng chục tổ tiên của động vật có vú ở Karoo và các nơi khác trên thế giới. Từ đó họ phát hiện ra chính xác loài nào có giải phẫu tai trong phù hợp với nhiệt độ cơ thể ấm hơn và loài nào không có đặc điểm đó.
Bộ não (màu hồng) và tai trong (màu xanh) của một con linh trưởng - loài thú có vú ngày nay, tái dựng minh họa bởi Julien Benoit.
Có một điểm cần lưu ý là vị trí địa lý của vùng Karoo vào thời điểm những động vật đó sinh sống. Vào thời kỳ đó, vùng đất này nằm gần Nam Cực hơn so với hiện tại do hiện tượng trôi dạt lục địa. Điều này có nghĩa là nhiệt độ cơ thể ấm hơn (từ bằng chứng hình dạng tai trong thay đổi) không phải do khí hậu ấm hơn. Vì khí hậu trung bình ở Nam Phi khi đó lạnh hơn, cho nên độ nhớt của nội bạch huyết ở tai trong biến đổi chỉ có thể là do nhiệt độ cơ thể của tổ tiên động vật có vú đã tiến hóa và ấm hơn.
Cho đến nay, các nhà khoa học chỉ có thể dựa vào đặc điểm của bộ xương để tái hiện sự tiến hóa của việc sinh nội nhiệt, khiến cho các kết quả nghiên cứu không chính xác. Với những phát hiện của nghiên cứu về tai trong, họ tin rằng đây có thể là chìa khóa mở ra kho tàng kiến thức về tổ tiên của động vật có vú.