В мире млекопитающих зубы бывают самых разных форм и размеров. Их особый размер и форма являются результатом миллионов лет эволюционной тонкой настройки для производства зубов, которые могут эффективно расщеплять пищу в рационе животного. В результате близкородственные млекопитающие, имеющие сходное меню, как правило, имеют довольно похожие зубы. Новое исследование предполагает, однако, что эти сходства могут быть поверхностными.
Зубы в задней части рта - коренные зубы - имеют ряд выпуклостей, гребней и канавок на жевательной поверхности. Этот сложный зубной ландшафт является продуктом пространственного расположения бугорков, которые представляют собой конические поверхностные выступы, раздавливающие пищу перед проглатыванием. Сколько бугорков, как они расположены, и какой размер и форму они принимают вместе, определяют общую форму или конфигурацию нашего моляра.
В ходе эволюции гоминидов (современных людей и их ископаемых предков) коренные зубы заметно изменились в своей конфигурации: у некоторых групп появились более крупные бугры, а у других появились моляры с набором дополнительных бугорков меньшего размера.
Нанесение этих изменений на карту позволило нам лучше понять наше понимание истории современной человеческой популяции. Это даже позволило нам идентифицировать новые ископаемые виды гоминидов, иногда по фрагментарным остаткам зубов, и реконструировать, какие виды кому ближе. Однако неизвестно, как именно некоторые популяции современных людей и некоторые ископаемые виды гоминидов развили сложные моляры с множеством бугров разного размера, в то время как другие развили более упрощенные молярные конфигурации.
В исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Science Advances, международная группа исследователей из Института происхождения человека и Школы эволюции человека и социальных изменений Университета штата Аризона, Нью-Йоркского университета, Кентского университета и Института Макса Планка для эволюционной антропологии обнаружил, что простое, прямолинейное правило развития - «каскад формирования паттерна» - достаточно мощно, чтобы объяснить огромную изменчивость конфигурации коронки коренных зубов за последние 15 миллионов лет эволюции обезьян и человека.
«Вместо того, чтобы прибегать к большим, сложным сценариям для объяснения основных сдвигов в молярной эволюции в ходе происхождения гоминидов, мы обнаружили, что простые корректировки и изменения этого единственного правила развития могут объяснить большинство этих изменений», - говорит Алехандра Ортис, научный сотрудник Института происхождения человека Аризонского государственного университета и ведущий автор исследования.
За последнее десятилетие понимание исследователями развития бугров моляров возросло в сто раз. Теперь они знают, что формирование этих бугорков регулируется молекулярным процессом, который начинается на ранней эмбриональной стадии. Основываясь на экспериментальной работе на мышах, каскадная модель формирования паттерна предсказывает, что молярная конфигурация в первую очередь определяется пространственным и временным распределением набора сигнальных клеток.
Скопления сигнальных клеток (и возникающие в результате их бугорки), которые развиваются раньше, сильно влияют на экспрессию бугорков, которые развиваются позже. Этот каскадный эффект может привести либо к увеличению размера и количества дополнительных бугров, либо к сдерживанию их развития с образованием меньшего количества бугров меньшего размера. Неизвестно, может ли такой простой феномен храповика в развитии объяснить огромное количество конфигураций моляров, присутствующих у обезьян и людей.
Используя современную микрокомпьютерную томографию и технологию цифровой обработки изображений, примененную к сотням ископаемых и недавних моляров, Ортис и его коллеги создали виртуальные карты стоматологического ландшафта развивающихся зубов, чтобы определить точное расположение эмбрионов. сигнальные клетки, из которых развиваются бугорки моляров. К большому удивлению исследовательской группы, предсказания модели оправдались не только для современных людей, но и для более чем 17 видов человекообразных обезьян и гоминидов, раскинувшихся на протяжении миллионов лет эволюции и диверсификации высших приматов.
Модель не только помогает объяснить различия в базовой конструкции моляров, но она также достаточно мощна, чтобы точно предсказать диапазон вариантов размера, формы и наличия дополнительных бугорков, от самых тонких до самых экстремально для большинства человекообразных обезьян, ископаемых гоминидов и современных людей», - говорит Ортис.
Эти результаты согласуются с растущим объемом работ в области эволюционной биологии развития, согласно которым очень простые, прямые правила развития ответственны за создание бесчисленного множества сложных зубных особенностей, обнаруживаемых в зубах млекопитающих.
«Самым захватывающим результатом было то, насколько хорошо наши результаты согласуются с формирующимся представлением о том, что эволюция сложной анатомии происходит за счет небольших, тонких изменений основного инструментария развития, а не за счет крупных скачков», - говорит Гэри Шварц, палеоантрополог из Института происхождения человека ASU и соавтор исследования.
Это новое исследование согласуется с мнением о том, что простые, едва уловимые изменения в том, как гены кодируют сложные признаки, могут привести к огромному количеству различных конфигураций зубов, которые мы наблюдаем у гоминидов и наших кузенов-приматов. Это часть сдвига в нашем понимании того, как естественный отбор может легко и быстро создать новую анатомию, подходящую для определенной функции.
«То, что вся эта точная, подробная информация содержится глубоко в зубах, - продолжал Шварц, - даже в зубах наших давно вымерших ископаемых родственников, просто замечательно».
«Наше исследование, демонстрирующее, что одно правило развития может объяснить бесчисленные различия, которые мы наблюдаем у млекопитающих, также означает, что мы должны быть осторожны в выводах о родстве вымерших видов на основе общей формы», - сказала Шара Бейли, соавтор и палеоантрополог из Нью-Йоркского университета. «Становится все яснее, что сходство в форме зубов не обязательно указывает на недавнее общее происхождение», - добавил Бейли.