Исследование саблевидных зубов смилодона

Международная команда исследователей под руководством Нариман Шатар, докторанта лаборатории EDDyLab Университета Льежа (Бельгия), проанализировала эффективность укуса вымершего хищника Smilodon, близкого к современным кошачьим. С помощью высокоточного 3D-сканирования и методов компьютерного моделирования ученые выяснили, как эти животные использовали свои чрезвычайно длинные клыки.

Хищные млекопитающие прошлого демонстрировали большое разнообразие форм черепа и зубов. Однако немногие эволюционные адаптации могут сравниться с таковыми у знаменитого саблезубого кота Smilodon. Схожую морфологию независимо развили и другие группы, например, вымершие нимравиды — у них были как виды с саблевидными клыками, так и с более короткими, похожими на клыки современных львов, тигров, каракалов и домашних кошек.

Это явление — появление сходных морфологий у разных групп организмов — известно как конвергентная эволюция; кошачьи и нимравиды являются её ярким примером. Поскольку сегодня нет животных с такими саблевидными зубами, метод охоты Smilodon и подобных видов оставался неясным и вызывал споры.

Первоначально предполагалось, что все саблезубые виды охотились одинаково, независимо от длины клыков, но эта гипотеза сейчас оспаривается. Оставался открытым вопрос: как же охотилось это разнообразие «саблезубых кошек»?

«Огромные клыки вымершего Smilodon подразумевают, что это животное должно было чрезвычайно широко раскрывать пасть — до 110°, по мнению некоторых авторов, — чтобы эффективно их использовать, — объясняет профессор Валентен Фишер, директор лаборатории EDDyLab. — Однако механическая возможность и эффективность укуса под таким большим углом у Smilodon и его родственников была неизвестна».

Используя методы инженерного анализа и 3D-модели, ученые смоделировали укус. Нариман Шатар отсканировала и смоделировала черепа, нижние челюсти и мышцы множества вымерших и современных видов кошачьих и нимравид.

«Каждый вид был проанализирован в нескольких сценариях: укус моделировался для каждого зуба под тремя разными углами: 30° (как у современных кошачьих), 60° и 90°. Всего мы провели 1074 симуляции укуса, чтобы охватить все возможности», — поясняет Нариман Шатар. Для этого использовался метод конечных элементов.

«Это захватывающее применение подхода конечных элементов, который позволяет палеонтологам изменять и моделировать различные углы укуса, подвергая 3D-модели черепов виртуальным нагрузкам, не повреждая драгоценные окаменелости», — говорит соавтор работы профессор Джек Ценг из Калифорнийского университета в Беркли.

Ключевые результаты:

• Распределение напряжения (давления) на нижнюю челюсть во время укуса показало континуум среди проанализированных животных. Наибольшие значения напряжения были у видов с самыми короткими верхними клыками, а самые низкие — у видов с наиболее экстремальными саблевидными зубами.
• Напряжение уменьшалось с увеличением угла укуса, но только у саблезубых видов.
• Способ передачи силы к точке укуса и деформация челюсти были remarkably схожими во всей выборке. Это указывает на сопоставимую эффективность укуса независимо от длины клыка.

«Результаты демонстрируют как возможности, так и пределы эволюции. Животные, сталкивающиеся со схожими проблемами в своих экосистемах, часто в итоге выглядят похоже благодаря конвергенции. Однако результаты Нариман также показывают, что может быть несколько способов быть эффективным убийцей, независимо от того, саблезубый ты или нет», — заключает Валентен Фишер.

Это явление, называемое системами «многие к одному», означает, что разные морфологии могут приводить к сходной функции (как медведи и кошки — оба эффективные рыболовы). Множественность морфологий указывает на то, что не существует единственной оптимальной формы саблезубого хищника.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences.