Зубы изначально развились как сенсорная ткань в экзоскелетах древних рыб

Фото из открытых источников

Любой может рассказать, насколько чувствительными могут быть зубы. Эта чувствительность дает важную обратную связь о температуре, давлении — и, да, боли — когда мы кусаем и жуем пищу. Однако чувствительные части внутри твердой эмали изначально эволюционировали для чего-то совсем другого.

Новое исследование Чикагского университета показывает, что дентин — внутренний слой зубов, передающий сенсорную информацию нервам внутри пульпы, — изначально развился как сенсорная ткань в бронированных экзоскелетах древних рыб.

Палеонтологи долгое время считали, что зубы развились из бугристых структур на этой броне, но их предназначение было неясным. Новое исследование, опубликованное в Nature, подтверждает, что эти структуры у ранней позвоночной рыбы из ордовикского периода около 465 миллионов лет назад содержали дентин и, вероятно, помогали существу чувствовать условия в воде вокруг него.

Исследование также показало, что структуры, которые считаются зубами в ископаемых из кембрийского периода (485–540 миллионов лет назад), были похожи на особенности в панцире ископаемых беспозвоночных, а также на органы чувств в панцирях современных членистоногих, таких как крабы и креветки. Эти сходства подразумевают, что органы чувств в панцире разных животных развивались отдельно как у позвоночных, так и у беспозвоночных, чтобы помочь им ощущать более крупный мир вокруг них.

«Когда вы думаете о таком раннем животном, плавающем в броне, вы понимаете, что ему необходимо ощущать мир. Это была довольно интенсивная хищная среда, и возможность ощущать свойства воды вокруг них была бы очень важна», — сказал соавтор нового исследования Нил Шубин из Чикагского университета. «Итак, здесь мы видим, что беспозвоночные с панцирем, такие как мечехвосты, тоже должны ощущать мир, и так уж получилось, что они пришли к тому же решению».

Яра Хариди, научный сотрудник в лаборатории Шубина, которая руководила исследованием, не искала происхождение зубов, когда начинала проект. Вместо этого она надеялась ответить на другой давний палеонтологический вопрос: какое позвоночное является самым ранним в ископаемой летописи?

Хариди обратилась в музеи по всей стране с просьбой предоставить ей образцы ископаемых кембрийского периода, 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 были всего лишь крошечными фрагментами, которые могли поместиться на конце зубочистки. Затем она отвезла их в Аргоннскую национальную лабораторию для ночного сеанса сканирования с использованием усовершенствованного источника фотонов, который захватил чрезвычайно высокое разрешение КТ-изображений окаменелостей.

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

Когда они начали просматривать изображения со сканов, один из образцов кембрийской окаменелости под названием Anatolepis выглядел так, будто демонстрировал признаки позвоночной рыбы. У него был ряд трубочек или пор под одонтодами, заполненных материалом, который имел химические сигнатуры дентина. Если бы это действительно было позвоночное, этот образец продлил бы ископаемую летопись на десятки миллионов лет назад.

«Мы давали друг другу пять, типа: «О, боже, мы наконец-то это сделали», — сказал Хариди. «Это была бы самая первая зубоподобная структура в тканях позвоночных из кембрийского периода. Поэтому мы были очень взволнованы, когда увидели явные признаки того, что выглядело как дентин».

Конечно, им нужно было это подтвердить, поэтому они начали анализировать изображения других образцов, которые сканировала Хариди. Эта библиотека раковин и скелетов включала все: от других древних окаменелостей до современных крабов, улиток, жуков, морских желудей, акул и скатов, а также миниатюрных сомов-присосок, которых Хариди вырастила сама в аквариуме.

Сравнив возможное позвоночное Anatolepis с известным ископаемым членистоногим из Музея общественного наследия Милуоки, они поняли, что то, что выглядело как выстланные дентином трубочки позвоночного, было больше похоже на сенсорные органы на панцирях крабов, называемые сенсиллами. Это означает, что Anatolepis, который был заявлен как позвоночное на страницах Nature в 1996 году, является древним беспозвоночным членистоногим. Большие трубочки у другого ордовикского позвоночного, называемого Eriptychius, были похожи по структуре на эти сенсиллы, но содержали дентин.

«Это показывает нам, что «зубы» также могут быть сенсорными, даже если они не находятся во рту», — сказал 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 было самое раннее позвоночное, но на самом деле это было членистоногое».

У акул, скатов и сомов также есть зубоподобные структуры, называемые дентикулами, которые делают их кожу похожей на наждачную бумагу. Когда Хариди изучала ткани своего сома, она увидела, что дентикулы соединены с нервами, как и зуб. Она сказала, что сходство с зубами, древними одонтодами панцирных рыб и сенсиллами членистоногих было поразительным.

«Мы считаем, что самые ранние 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 создают этот минерализованный слой, который покрывает их мягкие ткани и помогает им ощущать окружающую среду», — сказала она.

Существует две школы мысли о том, как эти структуры в конечном итоге стали зубами. Одна из них, гипотеза «изнутри-наружу», утверждает, что зубы возникли первыми и позднее были адаптированы для экзоскелетов. Эта статья поддержит вторую гипотезу «снаружи-внутрь», которая утверждает, что чувствительные структуры сначала развились на экзоскелетах, и в какой-то момент животные использовали тот же генетический набор инструментов для создания 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 ископаемых, которые предположительно были ранними позвоночными, мы показали, что они таковыми не являются. Но это было небольшое заблуждение», — сказал Шубин. «Мы не нашли самого раннего, но в каком-то смысле мы нашли что-то гораздо более крутое».