Используя напечатанные на 3D-принтере копии зубов млекопитающих возрастом 200 миллионов лет и полимеры, имитирующие добычу насекомых, ученые из Массачусетского университета в Амхерсте на этой неделе представили первые лабораторные доказательства того, что зубы способны повреждать добыча является более важным фактором, определяющим эволюционные изменения формы зубов, чем сила укуса или расход энергии животного.
Это неожиданное открытие должно изменить то, как биологи рассматривают естественный отбор, поскольку он изучается с помощью морфологии зубов, говорят авторы. Они указывают, что форма зубов связана с диетой и биомеханикой питания, и многое из того, что известно об эволюции ранних млекопитающих, связано с их окаменелыми зубами. Подробности опубликованы в текущем онлайн-издании журнала Британского королевского общества Interface..
Аспирант эволюционной биологии Эндрю Джон Конит и его советник Элизабет Дюмон вместе с учеными-полимерами Альфредом Кросби и аспирантом Майклом Имбургиа хотели лучше понять, как форма зубов влияла на рацион ранних млекопитающих. Дюмон и Кросби являются членами Центра эволюционных материалов Университета Массачусетса в Амхерсте, где исследователи применяют биологическое мышление к инженерным задачам.
Команда использовала 3D-печатные копии коренных зубов возрастом 200 миллионов лет в своих тестах, чтобы имитировать прикус. Зубы произошли от двух ранних видов млекопитающих, похожих на землеройку, примитивного Morganucodon и более развитого Kuehneotherium. Оба вида, считающиеся образцами ранней эволюции млекопитающих, были под ногами, когда динозавры бродили по Земле в триасовый период.
Конит говорит: «Большой вопрос здесь заключается в том, почему зубы выглядят именно так, как они выглядят. Большая часть работы по эволюции зубов ранних млекопитающих была посвящена описанию того, как они выглядят и как потенциально могут работать в качестве инструментов для кусания и раздавливания насекомых. Мы сделали еще один шаг вперед, чтобы изготовить эти инструменты и протестировать их. Мы объединили две современные технологии и использовали 3D-принтеры зубов, чтобы «кусать» полимерные гели с экзоскелетоподобной коркой, которая точно имитировала насекомых».
Он добавляет: «Основываясь на этих экспериментах, мы считаем, что фактором, над которым работал естественный отбор, была способность разламывать пищу, и что отбор на максимальное повреждение является основным фактором, определяющим форму зубов».
До сих пор большинство исследований игнорировали повреждения в пользу исследования силы и энергии, основываясь на предположении, что отбор благоприятствовал животным, которые тратят наименьшее количество силы и энергии, говорит Конит. «Но я думаю, что людям нужно будет пересмотреть эти типичные параметры и теперь более критично относиться к повреждениям. Это важное соображение. Мы не переписывали книгу, но добавили новую главу."
Чтобы имитировать добычу насекомых для экспериментов, документирующих силу укуса, эффективность использования энергии и повреждение челюстей Morganucodon и Kuehneotherium, исследователи сконструировали заполненные гелем прямоугольники в форме шоколадных батончиков, покрытые полимерной оболочкой, чтобы имитировать экзоскелет насекомого. Основываясь на факторах, приведенных в литературе, они сконструировали двух полимерных «прокси-насекомых», одно с твердым и одно с более мягким панцирем, и провели по 10 экспериментов для каждого типа, используя формы моляров Morganucodon и Kuehneotherium..
Они использовали машину для проверки силы, чтобы кусать прокси-насекомых между напечатанными на 3D-принтере копиями зубов верхней и нижней челюсти. Исследователи измерили силу, проделанную работу (энергию) и ущерб, нанесенный гелю. Чтобы оценить ущерб, они измерили трещины и изломы в полимерном покрытии по цифровым фотографиям после испытания на укусы.
Авторы сообщают, что более примитивная модель Morganucodon требовала меньше силы и энергии для разрушения твердых гелей, в то время как Kuehneotherium требовала меньше силы и энергии для разрушения мягких гелей.«Что еще более важно, Kuehneotherium также наносил больший ущерб как твердому, так и мягкому гелю. Эти результаты показывают, что изменения в форме зубов у некоторых ранних млекопитающих были вызваны, прежде всего, отбором для максимального повреждения и, во-вторых, для максимизации биомеханических параметров, таких как сила или энергия., пишут Конит и его коллеги.
Он добавляет: «Когда мы начинали этот проект, мы думали, что будем сообщать только о результатах силы и энергии, мы никогда не думали о повреждениях. Так было до тех пор, пока мы на самом деле не увидели разрушение, которое Kuehneotherium может нанести нашей модели насекомых. которые, как мы думали, было бы интересно измерить. В науке ваши общие идеи могут быть правильными, но детали могут быть намного сложнее."