Зубы млекопитающих обычно обладают двумя различными специализациями: раздавливанием или разрезанием. Однако идеальные формы для выполнения этих функций по своей сути противоречат друг другу.
Например, в человеческой зубной структуре существует базовое разделение: премоляры и моляры адаптированы для перетирания и измельчения пищи, в то время как клыки и резцы используются для разрывания и резания. Эта организация накладывает компромисс: зуб может быть превосходен в перетирании, но малоэффективен в протыкании, или он может быть чрезвычайно острым для резания, жертвуя способностью к перетиранию.
Эта концепция эволюционного компромисса распространена во многих биологических процессах. На протяжении последних 66 миллионов лет зубы млекопитающих следовали этому принципу, что делает крайне редким обнаружение одного зуба, способного выполнять как резание, так и раздавливание с одинаковым мастерством.
Недавнее исследование было направлено на раскрытие эволюционного происхождения этой дилеммы. Исследователи проанализировали зубную систему хищных видов, чтобы выявить механические ограничения в различных формах зубов, которые способствовали этой специализации.
Исследование, опубликованное 16-го числа в журнале Science, включало анализ челюстей 250 видов, включая собак, кошек и медведей, а также вымерших млекопитающих, таких как креодонты. Основное внимание уделялось «мясорубам» — высокоспециализированным зубам, предназначенным для разрывания мяса и костей, которые независимо эволюционировали в различных линиях хищников.
Каждый зуб был оцифрован с помощью 3D-сканирования высокой точности, а затем воспроизведен с помощью 3D-принтеров. Эти реплики прошли механические испытания, чтобы определить, как каждая форма зуба выполняла свои соответствующие функции.
Для оценки способности резать зубы прижимали к медицинскому желатину, разработанному для имитации животных тканей и мышц. А для проверки раздавливания зубы прикладывали к 3D-моделям, имитирующим физические характеристики костей.
По завершении экспериментов ученые смогли составить карту того, какие формы лучше всего подходят для каждой задачи. Зубы в виде лезвия, удлиненные и заостренные, продемонстрировали большую компетентность в нарезке имитированного мяса, хотя и с очень узким пределом погрешности, где небольшие изменения в форме могли резко снизить их эффективность резания.
В отличие от этого, зубы, оптимизированные для раздавливания, показали большую устойчивость к изменениям формы без значительной потери производительности. В тестах зубы, которые лучше всего выдержали давление раздавливания, характеризовались как более широкие, имеющие толстые и закругленные края, в форме чаши.
Эти два паттерна явно противоположны. Из-за этого исследователи выявили только два вида, чьи зубы могли раздавливать и резать с эквивалентной компетентностью: полосатая гиена (Crocuta crocuta) и азиатская цивета-пальмовая (Paradoxurus hermaphroditus), что составляет менее 1% исследованных животных.
Несмотря на это, этот вывод примечателен, если рассматривать эволюционное происхождение зубов млекопитающих. Современные зубные ряды с их высокоспециализированными зубами произошли от трибосфенического предка, который, в отличие от них, обладал обеими функциями. Хотя новые эксперименты предполагают, что эта древняя форма имела ограничения, именно от нее различные виды млекопитающих развили отчетливо специализированные зубы, породив огромное разнообразие зубных рядов, наблюдаемое у хищников, всеядных и травоядных — уникальная черта животного царства.
