Любой, кто когда-либо испытывал чувствительность во время чистки зубов, может сказать, насколько чувствительными могут быть зубы. Эта чувствительность даёт важную обратную связь о температуре, давлении и, конечно же, боли, когда мы откусываем и пережёвываем пищу. Однако чувствительные участки внутри твёрдой эмали изначально эволюционировали для совершенно иной цели.
Новое исследование Чикагского университета показывает, что дентин — внутренний слой зубов, который передает сенсорную информацию нервам внутри пульпы — изначально развился как сенсорная ткань в бронированных экзоскелетах древних рыб.
Палеонтологи долгое время считали, что зубы развились из бугристых образований на этом панцире, но их назначение было неясным. Новое исследование, опубликованное на этой неделе в журнале Nature, подтверждает, что эти образования у древней позвоночной рыбы ордовикского периода, жившей около 465 миллионов лет назад, содержали дентин и, вероятно, помогали животному определять условия окружающей воды.
Исследование также показало, что структуры, считающиеся зубами в ископаемых останках кембрийского периода (485–540 миллионов лет назад), схожи с особенностями панциря ископаемых беспозвоночных, а также с органами чувств в панцирях современных членистоногих, таких как крабы и креветки. Это сходство предполагает, что органы чувств в панцире разных животных эволюционировали независимо как у позвоночных, так и у беспозвоночных, помогая им воспринимать окружающий мир.
«Когда вы думаете о таком раннем животном, плавающем в панцире, вы понимаете, что ему необходимо ощущать окружающий мир. Это была довольно интенсивная среда обитания хищников, и способность ощущать свойства окружающей воды была очень важна», — сказал Нил Шубин, доктор философии, профессор биологии и анатомии организмов имени Роберта Р. Бенсли в Чикагском университете и ведущий автор нового исследования. «Итак, мы видим, что беспозвоночные, носящие панцирь, такие как мечехвосты, тоже должны были ощущать мир, и, как ни странно, они пришли к тому же решению».
Ночь ускорителя частиц
Яра Хариди, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Шубина, руководившая исследованием, начинала проект не ради изучения происхождения зубов. Вместо этого она надеялась ответить на другой давний палеонтологический вопрос: какое позвоночное самое раннее в палеонтологической летописи? Хариди запросила в музеях по всей стране образцы окаменелостей кембрийского периода (485–540 миллионов лет назад), чтобы провести их компьютерную томографию и найти явные признаки позвоночных.
Одним из таких признаков, по крайней мере, у более поздних рыб, является наличие дентина внутри бугорков на внешней броне, называемых одонтодами. Хариди собрала сотни образцов, некоторые из которых представляли собой крошечные фрагменты, помещающиеся на кончике зубочистки. Затем она отвезла их в Аргоннскую национальную лабораторию для ночного сканирования с помощью усовершенствованного источника фотонов, который позволил получить КТ-изображения окаменелостей с чрезвычайно высоким разрешением. «Это была ночь на ускорителе частиц; это было весело», — сказала Хариди.
Когда учёные начали просматривать изображения, полученные при сканировании, один из образцов кембрийской окаменелости, названной Anatolepis, выглядел так, будто демонстрировал признаки позвоночной рыбы. Под зубами рыбы располагался ряд канальцев, или пор, заполненных материалом, имеющим химические признаки дентина. Если бы это был действительно позвоночный, этот образец продлил бы палеонтологическую летопись на десятки миллионов лет.
«Мы давали друг другу пять, типа: „Боже мой, наконец-то мы это сделали!“», — сказал Хариди. «Это была бы самая первая зубоподобная структура в тканях позвоночных кембрийского периода. Поэтому мы были очень рады, когда увидели явные признаки того, что выглядело как дентин».
Конечно, им нужно было это подтвердить, поэтому они приступили к анализу изображений других образцов, отсканированных Хариди. Эта библиотека раковин и скелетов включала в себя всё: от древних окаменелостей до современных крабов, улиток, жуков, морских желудей, акул и скатов, а также миниатюрных сомов-присосок, которых Хариди вырастила сама в аквариуме.
Сравнив предполагаемое позвоночное Anatolepis с известным ископаемым членистоногим из Музея Милуоки, они обнаружили, что то, что выглядело как выстланные дентином канальцы позвоночного, скорее напоминало сенсорные органы на панцирях крабов, называемые сенсиллами. Это означает, что Anatolepis , который был объявлен позвоночным на страницах журнала Nature в 1996 году, на самом деле является древним беспозвоночным членистоногим. Крупные канальцы другого ордовикского позвоночного, Eriptychius , были похожи по строению на эти сенсиллы, но содержали дентин.
«Это показывает нам, что „зубы“ также могут быть сенсорными, даже когда они не находятся во рту», — сказал Хариди. «Значит, у этих рыб есть чувствительная броня. У этих членистоногих есть чувствительная броня. Это объясняет путаницу с этими ранними кембрийскими животными. Люди думали, что это древнейшее позвоночное, но на самом деле это было членистоногое».
Зубоподобные структуры, разбросанные по всей летописи окаменелостей
У акул, скатов и сомов также есть зубоподобные образования, называемые дентикулами, которые делают их кожу похожей на наждачную бумагу. Когда Хариди изучала ткани своего сома, она обнаружила, что дентикулы соединены с нервами, как и зубы. По её словам, сходство с зубами, древними одонтодами панцирных рыб и сенсиллами членистоногих поразительно.
«Мы полагаем, что самые ранние позвоночные, эти крупные бронированные рыбы, имели очень схожее строение, по крайней мере, морфологически. Они выглядят одинаково у древних и современных членистоногих, потому что все они создают этот минерализованный слой, который покрывает их мягкие ткани и помогает им чувствовать окружающую среду», — сказала она.
Существует две точки зрения на то, как эти структуры в конечном итоге превратились в зубы. Одна из них, гипотеза «изнутри наружу», утверждает, что зубы возникли первыми, а затем были адаптированы к экзоскелетам. Данная статья подтверждает вторую гипотезу «снаружи внутрь», согласно которой чувствительные структуры сначала развились на экзоскелетах, и в какой-то момент животные использовали тот же генетический набор инструментов для развития чувствительных зубов.
Шубин отметил, что, хотя им и не удалось точно определить вид древнейших позвоночных рыб, это открытие более чем стоило затраченных усилий.
«Для некоторых из этих окаменелостей, предположительно принадлежавших ранним позвоночным, мы доказали, что они таковыми не являются. Но это было небольшое заблуждение», — сказал Шубин. «Мы не нашли самый ранний из них, но в каком-то смысле нашли нечто гораздо более интересное».
Исследование «Происхождение зубов позвоночных и эволюция сенсорных экзоскелетов» было поддержано Национальным научным фондом, Министерством энергетики США и Фондом семьи Бринсон. Среди авторов — Сэм К. П. Норрис, Маттео Фаббри, Нилима Шарма, Марк Риверс, Патрик Ла Ривьер и Филипп Варгас из Чикагского университета; Карма Нанглу и Хавьер Ортега-Эрнандес из Гарвардского университета; и Джеймс Ф. Миллер из Университета штата Миссури.