Mammiferi, la capacità di udire suoni aerei potrebbe essersi evoluta già 250 milioni di anni fa

Un nuovo studio sull’anatomia di Thrinaxodon, un antico predecessore dei mammiferi, ha dimostrato che la capacità di udire suoni aerei potrebbe essersi evoluta già 250 milioni di anni fa.

Utilizzando simulazioni biomeccaniche su modelli 3D ricavati da TAC ad alta risoluzione, i ricercatori hanno confermato la presenza di una membrana simile a un timpano, anticipando di 50 milioni di anni l’origine dell’udito sensibile nei mammiferi.

Un timpano nei progenitori dei mammiferi: nuove evidenze da Thrinaxodon

Uno dei tratti distintivi dell’evoluzione dei mammiferi è la comparsa di un sistema uditivo altamente specializzato, basato su una catena ossiculare composta da martello, incudine e staffa, e su una membrana timpanica capace di trasmettere vibrazioni sonore con elevata sensibilità. La capacità di percepire un’ampia gamma di frequenze ha rappresentato un vantaggio ecologico determinante per i primi mammiferi, in particolare in ambienti notturni o dominati da predatori visivi come i dinosauri.

Secondo una recente pubblicazione del Dipartimento di Biologia Organismica e Anatomia dell’Università di Chicago, questa sofisticazione uditiva sarebbe emersa ben prima di quanto stimato in precedenza. Il protagonista della ricerca è Thrinaxodon liorhinus, un cinodonte vissuto nel Triassico inferiore, circa 250 milioni di anni fa. Le analisi condotte indicano che Thrinaxodon possedeva una struttura timpanica funzionale, capace di rilevare i suoni trasmessi per via aerea.

Cinodonti e transizione uditiva: contesto evolutivo

Thrinaxodon apparteneva ai cinodonti, un gruppo di rettili sinapsidi transizionali che presentavano caratteristiche morfologiche miste tra rettili e mammiferi. Tra queste:

• dentizione differenziata con canini prominenti e molari adattati alla masticazione;
• modificazioni del palato e del diaframma, compatibili con una respirazione più efficiente;
• possibile endotermia e presenza di pelliccia.

Dal punto di vista uditivo, i cinodonti mostravano una disposizione ancora intermedia: le ossa dell’orecchio medio (martello, incudine, staffa) erano ancora in continuità con la mandibola, in particolare con l’articolazione quadrato-articolare, tipica dei rettili. Solo con i mammiferi veri e propri queste ossa si separarono completamente dalla mandibola per costituire l’orecchio medio moderno.

Un’ipotesi storica rimessa alla prova

Nel corso del XX secolo, il paleontologo Edgar Allin propose un’ipotesi alternativa alla teoria dominante secondo cui i cinodonti percepivano il suono solo per conduzione ossea. Secondo Allin, specie come Thrinaxodon potevano disporre di una membrana timpanica primaria, posizionata in una regione incurvata della mandibola posteriore. Questa struttura avrebbe potuto funzionare in modo simile al timpano dei mammiferi, ricevendo le vibrazioni sonore dall’ambiente.

All’epoca, mancavano però gli strumenti per verificare sperimentalmente tale meccanismo. L’ipotesi rimase quindi affascinante ma priva di conferme empiriche.

Dai fossili ai modelli digitali: un approccio biomeccanico

Il progresso delle tecnologie di imaging tridimensionale ha trasformato il modo in cui è possibile studiare fossili anche estremamente antichi. Il team guidato da Alec Wilken, in collaborazione con Zhe-Xi Luo e Callum Ross, ha utilizzato TAC ad alta risoluzione (PaleoCT Lab) per ricostruire digitalmente il cranio e la mandibola di un esemplare ben conservato di Thrinaxodon, custodito presso il Museo di Paleontologia dell’Università della California a Berkeley.

Il modello tridimensionale ottenuto ha permesso di definire con precisione le geometrie interne della mandibola, i punti di inserzione ossea, e le possibili cavità in cui poteva essere ancorata una membrana timpanica.

Simulazione agli elementi finiti: come testare l’udito di un fossile

Il gruppo di ricerca ha utilizzato il software Strand7, impiegato comunemente in ingegneria strutturale, per condurre un’analisi agli elementi finiti (FEA). Questa tecnica consente di scomporre strutture complesse in micro-elementi, assegnando loro proprietà fisiche derivate da dati empirici su tessuti viventi (densità, elasticità, rigidità, spessore).

L’obiettivo era simulare:

• la propagazione delle onde sonore su una membrana inserita nella mandibola di Thrinaxodon;
• la trasmissione delle vibrazioni alle ossa dell’orecchio medio ancora fuse con la mandibola;
• l’eventuale attivazione dei nervi acustici attraverso movimenti meccanici misurabili.

I risultati: ascolto aereo già nel Triassico inferiore

Le simulazioni hanno indicato che una membrana inserita in una specifica regione curva della mandibola di Thrinaxodon sarebbe stata in grado di vibrare in risposta a frequenze ambientali con un’intensità sufficiente a stimolare il sistema uditivo. Il modello ha evidenziato:

• un potenziale uditivo compatibile con suoni aerei, non solo vibrazioni trasmesse dal suolo;
• la capacità del timpano di trasferire energia meccanica alle ossa della mandibola;
• una risposta coerente con l’udito sensibile tipico dei mammiferi, pur in un assetto evolutivo più primitivo.

La conduzione ossea attraverso la mandibola, metodo finora ritenuto predominante, appare quindi complementare ma non esclusivo.

Dalla paleontologia alla biomeccanica computazionale

Secondo Wilken, il lavoro rappresenta un punto di svolta nella paleobiologia funzionale. Grazie alle simulazioni digitali, è ora possibile porre domande quantitativamente verificabili su organi sensoriali di animali vissuti centinaia di milioni di anni fa. I dati, associati a proprietà materiali derivate da animali attuali, rendono i modelli altamente realistici.

Zhe-Xi Luo ha sottolineato come l’approccio adottato consenta di “far rivivere virtualmente un fossile” in modo da testarne le funzioni biologiche. L’uso della modellazione biomeccanica permette di trasformare teorie storiche in ipotesi testabili sperimentalmente.

Una nuova cronologia per l’evoluzione dell’udito

Le implicazioni dello studio vanno oltre la sola anatomia di Thrinaxodon. Se questi animali possedevano già un apparato uditivo adattato ai suoni aerei, significa che il passaggio verso l’orecchio medio moderno è iniziato molto prima rispetto alle stime precedenti.

Le datazioni paleontologiche indicano che la separazione completa delle ossa dell’orecchio dalla mandibola si è verificata circa 200 milioni di anni fa. La scoperta di una funzione timpanica già a 250 milioni di anni suggerisce che l’adattamento uditivo sia stato graduale e iniziato precocemente all’interno dei sinapsidi non mammiferi.

Ricerca interdisciplinare e prospettive future

Lo studio, pubblicato sulla rivista PNAS con il titolo “Biomechanics of the mandibular middle ear of the cynodont Thrinaxodon and the evolution of mammal hearing”, è stato sostenuto dalla National Science Foundation, dai National Institutes of Health e dall’Università di Chicago. Tra gli autori figura anche Chelsie C. G. Snipes.

La ricerca rappresenta un esempio efficace di integrazione tra:

• paleontologia tradizionale e imaging 3D;
• anatomia comparata e ingegneria computazionale;
• modellazione teorica e verifica sperimentale indiretta.

L’utilizzo sistematico di queste metodologie potrà fornire nuovi dati sull’origine di altri sistemi sensoriali nei vertebrati, aprendo la strada a una ricostruzione più dettagliata dell’evoluzione funzionale nei tetrapodi preistorici.