Chewing: Мы не думаем об этом, мы просто делаем это. Но биологи мало знают о том, как жевательное поведение оставляет контрольные знаки на подлежащих костях. Чтобы выяснить это, исследователи из Школы медицины и биомедицинских наук Джейкобса в Университете Буффало изучили челюстные суставы плотоядных, отряда крупных млекопитающих, в который входят собаки, кошки и медведи.
На прошлой неделе ученые описали результаты, которых не ожидали найти. В статье, опубликованной 24 августа в PLOS ONE, они сообщили, что кость челюстного сустава, центр, вокруг которого вращается жевательная деятельность (буквально), по-видимому, эволюционировала в большей степени в зависимости от размера животного, чем от того, что оно ест.
Несмотря на то, что исследование сосредоточено на плотоядных, оно также может дать некоторые сведения о том, как в целом функционируют челюстные суставы, в том числе у людей, и может улучшить понимание височно-нижнечелюстных расстройств (ВНЧС), которые вызывают боль в челюстном суставе и в мышцы, контролирующие челюсть.
«Несмотря на то, что сустав челюсти плотоядных важен для питания, никто не знал, связана ли структура кости челюстного сустава у разных видов с механическими потребностями при кормлении», - объяснил М. Александр Высоцкий, первый автор и докторант новой вычислительной программы клеточной биологии, анатомии и патологии на кафедре патологии и анатомических наук в школе Джейкобса.
Высоцкий и соавтор Джек Ценг, доктор философии, доцент кафедры патологии и анатомических наук в школе Джейкобса, использовали многогранный подход. Они изучили 40 различных видов плотоядных, от рыси до волков, изучив кость челюстного сустава, называемую нижнечелюстным мыщелком.
Опорная точка челюсти
«Мыщелок нижней челюсти - это точка поворота челюсти, он функционирует так же, как болт дверной петли», - сказал Высоцкий. «Исследования показали, что во время жевания этот сустав подвергается нагрузке».
Он отметил, что команду особенно интересовали сложные губчатые структуры кости внутри челюстного сустава, также известные как трабекулярная кость. «Мы подумали, что эта часть черепа лучше всего подходит для определения связи между типом питания и анатомией».
Например, поскольку гиены раздавливают кости при поедании своей добычи, можно предположить, что их челюстные суставы должны быть способны оказывать значительное усилие.«С другой стороны, животному, которое питается растениями, вряд ли потребуется такая структура челюстного сустава», - сказал он. «Но мы обнаружили, что диета имеет более слабую связь с анатомией черепа, чем мы думали. В основном именно размер животных определяет структуру челюстных суставов и механические свойства».
Исследователи взяли данные компьютерной томографии (КТ) черепов 40 видов в Американском музее естественной истории, затем построили их 3D-модели, из которых они извлекли внутреннюю структуру кости. Затем с помощью 3D-принтера ученые напечатали 3D-керны на основе виртуальных «образцов керна», взятых из нижнечелюстного мыщелка каждого челюстного сустава, которые они затем масштабировали и проверили на прочность.
«Используя компрессометр, мы измерили, насколько жесткими были эти структуры челюстных суставов и какую силу они могли выдержать», - сказал Высоцкий.
Нет значимой корреляции
Испытания не выявили существенной корреляции между формой или механическими характеристиками кости челюстного сустава и диетой конкретных хищников.
«Мыщелок нижней челюсти поглощает силу сжатия во время жевания, поэтому мы предположили, что это часть черепа, на которую, вероятно, влияет то, что ест животное», - сказал Высоцкий. «Оказывается, размер тела является ключевым фактором, определяющим сложность строения и прочность кости челюстного сустава».
Он отметил, что некоторые предыдущие исследования показали, что, несмотря на большое разнообразие диет, потребляемых различными плотоядными, общая форма черепа в значительной степени зависит от переменных, не связанных с питанием.
«Тем не менее, учитывая, насколько важен височно-нижнечелюстной сустав при захвате добычи и ее поедании, эти результаты очень поразительны», - сказал он. «Более века предполагалось, что форма черепа тесно связана с тем, что животное ест. И теперь мы обнаружили, что структура кости челюстного сустава связана с размером тела хищника, а не с тем, что животное ест».
Высоцкий сказал, что причины этого очевидного разрыва могут заключаться в том, что более крупным хищникам не нужны такие мощные челюсти, потому что они пропорционально крупнее своей добычи, или, возможно, потому, что они разделяют работу, связанную с охотой в группах. Он также сказал, что другие факторы, такие как ограничения развития костной структуры, могут играть роль в формировании тенденций, наблюдаемых в исследовании.
«Наше исследование показывает, что при попытке понять функцию челюстного сустава необходимо учитывать и другие факторы, помимо диеты», - заключил Высоцкий. «Оказывается, функциональная анатомия нижнечелюстного сустава намного сложнее, чем мы думали».
Для справки, результаты показали, что видами, которые продемонстрировали наибольшую максимальную прочность на сжатие во время моделирования жевательной силы, были росомаха (Gulo gulo), затем гепард (Acinonyx jubatus), малагасийская циветта (Fossa fossana), медоед (Mellivora capensis) и кинкажу (Potos flavus).