Большинство людей представляют себе слона, когда представляют животных с бивнями. Но у многих других животных есть бивни, в том числе у бородавочников, гиппопотамов, арктических моржей и даже пятифунтового животного, похожего на морскую свинку, называемого даманом. Хотя размер животного и их бивни могут различаться, все они имеют одну уникальную общую черту, заключающуюся в том, что они встречаются только у млекопитающих - нет известных рыб, рептилий или птиц с бивнями. Несмотря на то, что это знаковая черта современных и ископаемых млекопитающих, остается загадкой, какие этапы эволюции привели к развитию этого феномена зубов и почему млекопитающие сегодня единственные животные с бивнями?
В новой статье, опубликованной 27 октября в Proceedings of the Royal Society B, исследователи прослеживают первые бивни до древних родственников млекопитающих, которые жили до динозавров, и проливают свет на эволюцию бивней млекопитающих, сначала определив, что делает бивень бивнем.
«Бивни - это очень известная анатомия, но до тех пор, пока я не начала работать над этим исследованием, я никогда не задумывалась о том, что бивни существуют только у млекопитающих», - сказала ведущий автор Меган Уитни, научный сотрудник отдела организма и эволюции. Биология, Гарвардский университет.
«Мы смогли показать, что первые бивни принадлежали животным, которые появились раньше современных млекопитающих, называемых дицинодонтами», - сказал Кеннет Ангиелчик, соавтор и куратор Чикагского музея Филда. «Они очень странные животные».
Дицинодонты, хотя и не млекопитающие, являются дальними родственниками и более тесно связаны с млекопитающими, чем с динозаврами и другими рептилиями. Дицинодонты жили между 270-201 миллионом лет назад и включали в себя широкий спектр животных от крошечных крысоподобных дицинодонтов до огромных дицинодонтов размером со слона. Они известны очень своеобразным расположением зубов. Отличительной особенностью этих животных, впервые обнаруженных 176 лет назад, являются выступающие клыки в верхней челюсти. У большинства из них было два верхних бивня, которые опускались вниз из положения клыка, но у них редко были дополнительные зубы. Вместо этого у дицинодонтов был клюв в передней части рта, сделанный из кератина и напоминающий клюв черепахи.
Исследователи брали обеденный перерыв во время палеонтологических раскопок, когда им пришла в голову идея исследования. «Мы сидели в поле в Замбии, и повсюду были зубы дицинодонта», - вспоминает Уитни. «Я помню, как Кен поднял их и спросил, почему их назвали бивнями, потому что у них были особенности, которых нет у бивней».
Не все торчащие зубы технически являются бивнями.«Для этой статьи нам пришлось дать определение бивню, потому что это удивительно двусмысленный термин», - сказал Уитни. Исследователи определили, что для того, чтобы зуб был бивнем, он должен выходить изо рта, полностью состоять из дентина - без эмали, характерной для зубов большинства млекопитающих, и постоянно расти.
Исследователи выполнили палеогистологию (изучение ископаемых тканей) на тонких как бумага срезах окаменелых зубов 19 образцов дицинодонтов, представляющих десять различных видов. Они использовали микро-КТ, чтобы изучить, как зубы прикрепляются к черепу, и чтобы увидеть, есть ли какие-либо признаки непрерывного роста.
Некоторые из бивней дицинодонтов, которые команда наблюдала в Замбии, похоже, тоже не подходили под определение бивня - они были покрыты эмалью, а не дентином. «Существует много различных видов дицинодонтов, и почти все они имеют бивни, - говорит Уитни, - однако, если посмотреть на микроструктурные детали, то они сильно различаются в этих группах.«Эмалированные зубы прочнее дентина, но из-за геометрии того, как зубы растут в челюсти, если вы хотите, чтобы зубы продолжали расти на протяжении всей жизни, у вас не может быть полного покрытия эмали. - исправить зубы - нет никакой замены для потери взрослого зуба. Бивни менее долговечны, чем зубы, покрытые эмалью, но они непрерывно растут, даже если они повреждены. Зубы, покрытые эмалью, представляют собой другую эволюционную стратегию, чем дентин- бивни с покрытием - это компромисс», - говорит Уитни.
Анализируя гистологические тонкие срезы образцов дицинодонтов из Южной Африки, Антарктиды, Замбии и Танзании, исследователи обнаружили, что, подобно человеческим зубам, эти животные, по-видимому, уменьшали количество сменных зубов в положении клыка и имели прикрепление мягких тканей к челюсти. Интересно, что это сочетание особенностей, уникальных для млекопитающих. Млекопитающие, как и люди, заменяют молочные зубы взрослыми зубами только один раз, в отличие от большинства других позвоночных - например, у акул постоянно растут зубы. Зубы млекопитающих прикрепляются к челюсти гомфозом, который представляет собой прикрепление мягких тканей или связок. Однако зубы большинства позвоночных прикреплены к челюсти за счет анкилоза, который представляет собой сращение твердых тканей кости с зубом.
Если у вас есть эти две вещи, уменьшенное количество замены зубов и прикрепление мягких тканей, постоянно растущий зуб позволяет животному обойти тот факт, что оно не может заменить зуб. Вместо этого оно эволюционирует в постоянно откладывать одни и те же ткани зуба», - сказал Уитни. «И по мере того, как животное продолжает откладывать ткань, зуб начинает двигаться за пределы рта, чтобы стать функциональным».
Исследователи обнаружили, что настоящая эволюция бивня произошла только на более поздней стадии эволюции в этой группе - у первых членов этой группы был большой зуб, а не настоящий бивень. В конце своей эволюционной истории дицинодонты развили настоящий бивень, который постоянно рос, и, как ни странно, это происходило конвергентно у множества различных видов дицинодонтов.«Я как бы ожидала, что на генеалогическом древе будет одна точка, где у всех дицинодонтов появились бивни, поэтому я подумала, что это довольно шокирует, что мы действительно видим конвергентное развитие бивней», - сказал Уитни. «Эта история похожа на ту, что мы наблюдаем в эволюции слонов, поскольку она отражает множество закономерностей, которые были изучены в отношении того, как слоны получили свои бивни».
«Дицинодонты были самыми многочисленными и разнообразными позвоночными на земле незадолго до эпохи динозавров, и они известны своими «бивнями». Тот факт, что на самом деле только у некоторых есть настоящие бивни, а у остальных большие зубы, является прекрасным примером эволюции, которую мы можем задокументировать. Мы можем увидеть, как построить бивень!» сказал соавтор Брэндон Пикук, куратор Музея естественной истории Айдахо.
Исследователи говорят, что исследование, которое показывает самый ранний из известных экземпляров настоящих бивней, может помочь ученым лучше понять, как работает эволюция.
Бивни эволюционировали несколько раз, что заставляет задуматься, как и почему? Теперь у нас есть хорошие данные об анатомических изменениях, которые должны были произойти, чтобы дицинодонты развили бивни. Для других групп, таких как бородавочники или моржи, жюри еще не вынесено», - сказал соавтор Кристиан Сидор, куратор Музея Берка Вашингтонского университета.
Различные виды зубов, которые развились у животных, могут рассказать ученым о том, с какими трудностями столкнулись эти животные, которые могли произвести эти зубы. Например, бивни могут выполнять различные функции, включая защиту, конкуренцию, рытье нор, половой отбор и даже способствовать передвижению - как у моржа, который использует свои бивни, чтобы подняться на лед из воды. Постоянно растущий бивень, возможно, позволил этим дицинодонтам преодолеть проблемы, связанные с наличием только одного набора сменных зубов на протяжении всей их жизни.
«На самом деле мы не знаем, какие функции могли выполнять бивни дицинодонтов, потому что мы не можем наблюдать за ними и видеть, что они с ними делали», - сказал Уитни. «Это затянувшийся вопрос о дицинодонтах, особенно сейчас».
«Бивни дицинодонтов могут многое рассказать нам об эволюции бивней млекопитающих в целом», - говорит Ангелчик.«Например, это исследование показывает, что для развития настоящих бивней необходимы сниженная скорость замены зубов и гибкая связка, соединяющая зуб с челюстью. Все это позволяет нам лучше понять бивни, которые мы видим сегодня у млекопитающих»."