Человеческие зубы могут происходить от сенсорных структур древних рыб

Чувствительная внутренняя часть человеческих зубов могла возникнуть, казалось бы, из неожиданного места: из сенсорной ткани рыб, плававших в океанах Земли 465 миллионов лет назад. Ученые сообщили о результатах своего исследования в среду (21) в журнале Nature.

Хотя наши зубы покрыты твердой эмалью, именно дентин — внутренний слой зуба, отвечающий за передачу сенсорной информации к нервам — реагирует на давление от жесткого укуса, боль или такие изменения, как сильный холод или сладость.

Пытаясь определить происхождение зубов, исследователи на протяжении многих лет рассматривали одну из многочисленных версий: зубы могли развиться из выступов на бронированных экзоскелетах древних рыб . Однако истинное предназначение этих структур, называемых одонтодами, было неясным.

Новое исследование и 3D-сканирование окаменелостей предоставили доказательства того, что эти внешние выступы содержали дентин, который, вероятно, помогал рыбе ощущать окружающую среду.

«Покрытые этими чувствительными тканями, они, возможно, чувствовали давление, когда натыкались на что-то, или, возможно, чувствовали, когда вода становилась слишком холодной и им нужно было плыть в другом месте», — сообщила в электронном письме ведущий автор исследования Яра Хариди, научный сотрудник кафедры биологии и анатомии организмов Чикагского университета.

В ходе анализа группа также обнаружила сходство между одонтодами и структурами, называемыми сенсиллами, которые существуют как органы чувств в панцирях современных животных, таких как крабы и креветки, и могут быть обнаружены у окаменелых беспозвоночных членистоногих. По словам Хариди, развитие одонтодов у рыб, которые относятся к позвоночным, и сенсилл у членистоногих, которые относятся к беспозвоночным, является классическим примером эволюционной конвергенции, когда схожие характеристики развиваются независимо у разных групп животных.

«Эти бесчелюстные рыбы и агласпидные членистоногие (вымершие морские членистоногие) имеют чрезвычайно отдаленного общего предка, у которого, вероятно, вообще не было твердых частей», — говорит Хариди. «Мы знаем, что позвоночные и членистоногие независимо друг от друга развили твердые части, и, что удивительно, они независимо друг от друга развили схожие сенсорные механизмы, интегрированные в их твердые скелеты».

В то время как членистоногие сохранили свои сенсиллы, одонтоды, по-видимому, являются прямыми предшественниками зубов у животных.

Сравнивая сенсиллы и одонтоды, исследователи пришли к еще одному открытию: вид, ранее считавшийся древней рыбой, на самом деле был членистоногим.

Поиск древнейших позвоночных

Первоначальной целью Хариди было разгадать тайну древнейшего позвоночного в палеонтологической летописи . Она обратилась в музеи по всей стране и спросила, может ли она отсканировать имеющиеся у них образцы окаменелостей кембрийского периода, который существовал между 540 и 485 миллионами лет назад.

Затем она устроилась на ночь в Аргоннскую национальную лабораторию, где использовала усовершенствованный источник фотонов для получения изображений компьютерной томографии (КТ) высокого разрешения.

«Это была ночь у ускорителя частиц; было весело», — говорит Хариди.

На первый взгляд, окаменелость существа под названием Anatolepis показалась позвоночной рыбой — и действительно, предыдущее исследование 1996 года идентифицировало ее именно так. Хариди и его коллеги заметили ряд пор, заполненных материалом, похожим на дентин.

«Мы давали друг другу пять, как будто говоря: «О Боже, мы наконец-то это сделали»», — говорит Хариди. «Это была бы первая зубоподобная структура в тканях кембрийских позвоночных. Поэтому мы были очень взволнованы, когда увидели характерные признаки того, что, по-видимому, было дентином».

Чтобы подтвердить открытие, команда сравнила сканы с данными других древних окаменелостей, а также современных крабов, улиток, жуков, акул, морских желудей и даже небольших плекос, которых вырастила сама Хариди.

Эти сравнения показали, что Anatolepis наиболее похож на окаменелости членистоногих, в том числе на одну из окаменелостей из Музея общественного наследия Милуоки. А то, что команда приняла за выстланные дентином канальцы, на самом деле больше походило на сенсиллы.

Однако во время сканирования они действительно обнаружили содержащие дентин одонтоды у древних рыб, таких как Eriptychius и Astraspis .

Путаница относительно истинной природы Anatolepis возникла из-за фрагментарности ископаемых остатков. По словам Хариди, наиболее цельные экземпляры имеют размер всего около 3 миллиметров (0,1 дюйма), что оказалось сложной задачей для сравнительного исследования на основе внешних изображений.

Однако проведенные ею новые сканирования позволили получить трехмерную визуализацию окаменелостей, раскрыв их внутреннюю анатомию.

«Это показывает нам, что «зубы» также могут быть сенсорными, даже если они не находятся во рту», ​​— говорит Хариди. «Итак, у этих рыб есть чувствительная броня. У этих членистоногих есть чувствительная броня. Это объясняет путаницу с этими ранними кембрийскими животными. Люди думали, что это самое раннее позвоночное, но на самом деле это было членистоногое».

По словам Ричарда Дирдена, научного сотрудника Центра биоразнообразия Naturalis в Лейдене, Нидерланды, передовая современная технология визуализации, использованная в исследовании, разрешает спор вокруг Anatolepis. Дирден не принимал участия в новом исследовании.

«Авторы используют передовые современные методы визуализации, чтобы попытаться ответить на этот вопрос, собрав впечатляющий набор сравнительных данных, чтобы убедительно доказать, что Anatolepis действительно не является позвоночным», — пишет Дирден в электронном письме.

Броня против стихий

Бесчелюстные панцирные рыбы, такие как Astraspis и Eriptychius , и древние членистоногие, такие как Anatolepis, сосуществовали в мелководных, илистых морях ордовикского периода, который существовал между 485,4 и 443,8 миллиона лет назад.

Другими современниками этих животных были крупные головоногие моллюски, такие как гигантские кальмары, а также огромные морские скорпионы. Такие особенности, как одонтоды и сенсиллы, помогают рыбам и членистоногим отличать хищников от добычи.

«Когда вы думаете о таком примитивном животном, плавающем в доспехах, вы понимаете, что оно должно было уметь воспринимать мир. Это была среда, в которой обитало множество хищников, и способность воспринимать свойства окружающей воды была бы очень важна», — сказал в своем заявлении старший автор исследования Нил Шубин, профессор биологии и анатомии организмов имени Роберта Р. Бенсли в Чикагском университете. «Итак, здесь мы видим, что бронированным беспозвоночным, таким как мечехвосты, также необходимо воспринимать мир, и они просто пришли к такому же решению».

По словам Хариди, у многих современных рыб есть одонтоды, а у акул, скатов и некоторых сомов кожа покрыта крошечными зубчиками, из-за чего их кожа напоминает наждачную бумагу.

Хариди изучал ткани выращенных им плекос и понял, что их зубцы связаны с нервами так же, как зубы у животных. При сравнении зубов, одонтодов и сенсилл все они оказались удивительно похожими.

«Мы считаем, что первые позвоночные, эти крупные бронированные рыбы, имели очень похожие структуры, по крайней мере морфологически. Они выглядят одинаково у древних и современных членистоногих, потому что все они формируют этот минерализованный слой, который покрывает их мягкие ткани и помогает им ощущать окружающую среду», — говорит Хариди.

По мнению авторов исследования, вполне вероятно, что гены, необходимые для формирования одонтодов, позднее также привели к появлению чувствительных зубов у животных, включая людей.

Авторы исследования отмечают, что полученные данные подтверждают идею о том, что сенсорные структуры изначально возникли в экзоскелетах, которые затем предоставили генетическую информацию, которая впоследствии могла быть использована для создания зубов, поскольку они стали необходимой частью жизни.

«Со временем у рыб развились челюсти, и наличие острых структур вокруг и внутри рта стало выгодным», — говорит Хариди. «Постепенно у некоторых челюстных рыб появились острые одонтоды по краям рта, а в конечном итоге некоторые из них оказались прямо внутри рта и исчезли из остального тела. Связь между одонтодами и зубами постоянно проясняется новыми окаменелостями и современной генетикой».

По словам Лорен Саллан, доцента и руководителя отдела макроэволюции Окинавского института науки и технологий в Японии, новое исследование уточняет временную шкалу появления первых твердых тканей и самых ранних предков челюстных рыб, исключив Anatolepis из древа жизни рыб. Саллан, не принимавший участия в новом исследовании, говорит, что оно также выдвигает новую интригующую гипотезу: чешуевидные предшественники зубов эволюционировали для обнаружения добычи, партнеров по охоте или хищников в воде.

«Это настоящий вызов, казалось бы, очевидным предположениям о том, что твердые ткани, такие как дентин, и структуры, такие как чешуя и зубы, эволюционировали (в первую очередь) для защиты тела или питания во рту», ​​— говорит Саллан. «Вместо этого они могли быть «экзаптированы» (дополнительно модифицированы) для этих целей, так же как конечности эволюционировали до того, как их стали использовать для ходьбы по суше. Интересно также увидеть степень конвергенции между ранними бронированными членистоногими и рыбами, и это поднимает вопросы о том, насколько экологическое совпадение было между этими двумя группами».

Хариди хочет продолжить поиск окаменелостей, которые могут привести к обнаружению древнейшего позвоночного, учитывая, что исследователи полагают, что существуют позвоночные, которые существовали раньше Astraspis и Eriptychius . И хотя в ходе данного исследования они этого не обнаружили, они сделали ценные открытия, пишет Шубин в электронном письме.

«Мы были разочарованы тем, что Anatolepis не был позвоночным, но были в восторге от новых открытий», — говорит Шубин. «И это повело нас в совершенно новом направлении. Это наука».

Согласно исследованию, изменение климата влияет на виды пресноводных рыб