Загадка челюсти: почему у млекопитающих жесткая нижняя челюсть?
Нижние челюсти млекопитающих демонстрируют огромное разнообразие — от 6-метровых челюстей синего кита до костедробящих челюстей гиены. Однако их ключевая особенность — наличие всего одной кости с каждой стороны головы (нижнечелюстной кости, или мандибулы), что делает челюсть жесткой. На первый взгляд, это не дает явных преимуществ перед другими позвоночными, у которых в каждой половине нижней челюсти от 2 до 11 костей.
- Крокодилы (около 5 костей с каждой стороны) превосходят гиен по относительной силе укуса.
- Змеи (около 4 костей) могут шире открывать пасть и заглатывать добычу крупнее головы.
- Вымершие гадрозавры (6 костей) имели более сложные жевательные движения, чем у коров.
Так какое же преимущество дала млекопитающим одиночная кость в нижней челюсти?
Палеонтолог Джек Цзэн из Калифорнийского университета в Беркли создал базу данных более чем 1000 челюстей позвоночных и провел их механический анализ. Результат оказался неожиданным: одиночная кость не дает огромного преимущества перед челюстью с несколькими костями.
«Следует ли нам интерпретировать инновацию челюсти млекопитающих как чисто адаптацию, которая позволила им быть успешнее после вымирания динозавров? Я думаю, ответ — нет», — заявил Цзэн.
Несколько костей в челюсти обеспечивают гибкость и скорость. Одна кость у млекопитающих, наоборот, ограничивает эволюционные варианты. Парадоксально, но это ограничение не помешало млекопитающим адаптироваться к разнообразной пище, соперничая в этом с другими позвоночными.
«Существует идея компромисса между дополнительной гибкостью и скоростью при нескольких костях и повышенной жесткостью или силой укуса при одной кости», — пояснил Цзэн.
Исследование показало, что строение челюсти меньше связано с ее функцией, чем можно было ожидать.
«Челюсти млекопитающих более разнообразны по форме, но более ограничены в своих биомеханических характеристиках по сравнению с челюстями немлекопитающих... Разные формы челюстей млекопитающих имеют более узкий диапазон механических свойств», — отметил Цзэн.
Ключевой вывод: «Млекопитающие, учитывая их односоставную нижнюю челюсть, имеют значительно более высокую прочность или жесткость в среднем по сравнению с любой челюстью немлекопитающих... Жесткость — это не признак хищника или травоядного, это признак млекопитающего, сигнатура челюсти млекопитающего».
Исследование опубликовано в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society B.
От челюсти к уху
Почему же млекопитающие «потеряли» лишние кости в нижней челюсти? Они не потеряли их. Дополнительные кости, которые были у предков вокруг челюстного сустава, эволюционировали в сложное среднее ухо млекопитающих, возможно, обеспечив им лучший слух.
«Считается, что твердая, жесткая челюсть у млекопитающих — это побочный эффект установления уникальной слуховой системы», — сказал Цзэн.
Это преобразование оставило млекопитающих с одной костью в нижней челюсти, обеспечив жесткость (например, для раскалывания костей), но ограничив их потомков вариациями на основе одной кости, даже когда жесткость не была нужна (как у муравьедов).
Цзэн подошел к вопросу с инженерной точки зрения, оцифровав 2D-формы челюстей и смоделировав их механические свойства. Он обнаружил, что обе группы (млекопитающие и немлекопитающие) охватывают сходный диапазон адаптации к силе и функции, однако челюсти млекопитающих тяготеют к более жестким формам.
В планах — расширение базы данных, использование 3D-сканирования и призыв к другим ученым исследовать генетические основы этого перехода.
«Мы надеемся, что наши выводы побудят некоторых людей искать генетические основы того, почему это улица с односторонним движением», — сказал Цзэн.