Uudet fossiilitutkimukset osoittavat, että hampaat kehittyivät alun perin aistinvaraisena kudoksena, joka oli integroitu muinaisten kalojen panssaroituun ulkokuoreen.
Sisällysluettelo
Jokainen, joka on joskus vääntynyt hampaita harjatessaan, tietää, kuinka herkät hampaat voivat olla. Tämä herkkyys tarjoaa tärkeää palautetta lämpötilasta, paineesta ja kivusta, kun puremme ja pureskelemme. Herkät kudokset kovan emalin sisällä kehittyivät kuitenkin alun perin aivan eri tarkoitukseen.
Chicagon yliopiston uusi tutkimus osoittaa, että dentiini – hampaiden sisempi kerros, joka välittää aistimuksia hermoihin hampaan ytimessä – kehittyi alun perin aistivana kudoksena muinaisten kalojen panssaroiduissa exoskeletissa.
Paleontologit ovat pitkään uskoneet, että hampaat kehittyivät näistä panssarista löydetyistä kuoppaisista rakenteista, mutta näiden rakenteiden tarkoitus on ollut epäselvä. Uusi tutkimus, joka on julkaistu Nature -lehdessä, vahvistaa, että nämä piirteet varhaisilla selkärankaisilla kaloilla ordovikikaudella, noin 465 miljoonaa vuotta sitten, sisälsivät dentiiniä ja auttoivat todennäköisesti eläimiä määrittämään ympäröivän veden olosuhteita.
Tutkimus osoitti myös, että rakenteet, jotka aiemmin tunnistettiin hampaiksi kambrikauden (485–540 miljoonaa vuotta sitten) fossiilijäännöksissä, ovat hyvin samankaltaisia kuin selkärangattomien fossiilien panssareiden piirteet sekä aistinelimet, joita on löydetty nykyisten niveljalkaisten, kuten rapuissa ja katkaravuissa.
Nämä samankaltaisuudet viittaavat siihen, että sekä selkärankaisten että selkärangattomien kuorissa olevat aistinelimet ovat kehittyneet toisistaan riippumatta auttaakseen eläimiä aistimaan ympäristöään.
”Kun ajattelee niin varhaista eläintä, joka ui panssarissa, sen on aistittava maailma. Se oli melko intensiivinen saalistajien ympäristö, ja kyky aistia ympäröivän veden ominaisuudet olisi ollut erittäin tärkeää”, sanoi Neil Shubin, filosofian tohtori, Robert R. Bensley -professori biologian ja anatomian alalla Chicagon yliopistossa ja uuden tutkimuksen vanhempi kirjoittaja. ”Joten tässä näemme, että panssaroidut selkärangattomat, kuten piikkikäärmeet, myös tarvitsevat tuntea ympäristönsä, ja sattumalta ne ovat päätyneet samaan ratkaisuun.”
Yara Haridi ja Neil Shubin keskustelevat uudesta tutkimuksestaan Nature-lehdessä selkärankaisten herkistä hampaista. Kirjoittaja: Julian Romano
Yö hiukkaskiihdyttimessä
Yara Haridi, filosofian tohtori ja tutkija Shubin laboratoriosta, joka johti tutkimusta, ei asettanut tavoitteekseen tutkia hampaiden alkuperää. Sen sijaan hän keskittyi vastaamaan toiseen paleontologian ikivanhaan kysymykseen: mikä selkärankaista on paleontologisen historian varhaisin?
Tutkiakseen tätä kysymystä Haridi otti yhteyttä museoihin ympäri maata ja pyysi kambriumikauden (485–540 miljoonaa vuotta sitten) fossiilinäytteitä, jotta hän voisi tehdä niille tietokonetomografiakuvauksia etsiäkseen merkkejä selkärankaisten ominaisuuksista.
Kuva CT-skannauksesta, jossa näkyy kissahain hampaita muistuttavia dermaalihampaita. Nämä hampaan kaltaiset rakenteet ovat yhteydessä hermostoon, mikä viittaa siihen, että ne tuottavat tuntemuksia. Tekijä: Yara Haridy
Yksi tällainen merkki, ainakin myöhemmissä kaloissa, on dentiinin esiintyminen ulkoisen panssarin kohoumissä, joita kutsutaan odontoodeiksi. Haridy keräsi satoja näytteitä, joista osa oli vain pieniä palasia, jotka mahtuivat hammastikun päähän.
Sitten hän vei ne Argonin kansalliseen laboratorioon yöskannaukseen Advanced Photon Source -laitteella, joka tallensi erittäin tarkkoja CT-kuvia fossiileista. ”Se oli yö hiukkaskiihdyttimellä; se oli hauskaa”, Haridy sanoi.
Segmentoitunut konfokaalinen skannaus soma-imukuppien hammasmaisen odontoidirakenteen, joka näyttää hermot (vihreät), jotka mahdollistavat sensorisen tiedon siirtämisen hammasmaisesta odontoidista hermostoon. Tekijä: Yara Haridi
Kun he alkoivat tarkastella skannauskuvia, yksi kambrikauden fossiilinäytteistä, nimeltään Anatolepis, näytti siltä kuin siinä olisi selkärankaisen kalan piirteitä. Siinä oli rivi putkia tai huokosia odontoidien alla, jotka olivat täynnä materiaalia, jolla oli dentiinin kemialliset tunnusmerkit. Jos se todella olisi selkärankaista, tämä näyte olisi pidentänyt fossiilisen historian kymmeniä miljoonia vuosia taaksepäin.
”Annoimme toisillemme viitoset, tyyliin: ‘Voi luoja, me teimme sen vihdoin’”, Haridi kertoi. ”Se olisi ollut ensimmäinen hampaan kaltainen rakenne selkärankaisten kudoksissa kambriumikaudelta. Siksi olimme erittäin innoissamme, kun näimme selviä merkkejä siitä, että se näytti dentiiniltä.”
Tietenkin se piti vahvistaa, joten he alkoivat analysoida muita Haridin skannattuja kuvia. Tämä kuori- ja luukirjasto sisälsi kaikkea muista muinaisista fossiileista nykyisiin rapuihin, etanoihin, kovakuoriaisiin, merisiiliin, haikaloihin ja rauskuhin sekä Haridin itse akvaariossa kasvattamiin pieniin imukuppikaloihin.
Astrapsis-lajin hampaan kaltaisen odontodisen rakenteen CT-kuva. Kanavat (vihreällä) ovat täynnä dentiiniä, samaa materiaalia, josta nykyisten hampaiden herkkä sisäkerros koostuu. Punaisella on merkitty verisuonisto, joka elinaikanaan olisi voinut sisältää hermoja, jotka olisivat mahdollistaneet aistien välittymisen. Tekijä: Yara Haridy
Vertaamalla mahdollista selkärankaista Anatolepis -lajia tunnettuun niveljalkaiseen fossiiliin Milwaukeen julkisen taidemuseosta, he tajusivat, että selkärangan dentiinillä vuoratut kanavat muistuttivat enemmän krabien kuoressa olevia aistielimiä, joita kutsutaan sensilleiksi.
Tämä tarkoittaa, että Anatolepis, joka julistettiin selkärankaiseksi Nature-lehdessä vuonna 1996, on muinainen selkärangaton niveljalkaisten. Toisen ordovikikauden selkärankaisen, Eriptychius, suuret putket olivat rakenteeltaan samanlaisia kuin nämä sensillat, mutta sisälsivät dentiiniä.
Etupään CT-kuva, joka näyttää kiinteät, hampaisiin muistuttavat piikit sen iholla (oranssilla). Tekijä: Yara Haridi
”Tämä osoittaa meille, että ‘hampaat’ voivat olla myös aistivia, vaikka ne eivät sijaitse suussa”, Haridi sanoi. ”Joten näillä kaloilla on herkkä panssari. Näillä niveljalkaisilla on herkkä panssari. Tämä selittää sekaannuksen näiden varhaisten kambriumeläinten kanssa. Ihmiset luulivat, että se oli varhaisin selkärankaislaji, mutta itse asiassa se oli niveljalkaislaji.”
Hampaan kaltaiset rakenteet, jotka ovat hajallaan koko fossiiliaineistossa
Hait, rauskuilla ja monneilla on myös hampaan kaltaisia rakenteita, joita kutsutaan dentikuloiksi ja jotka tekevät niiden ihon hiekkapaperin kaltaiseksi. Kun Haridi tutki monninsa kudoksia, hän huomasi, että dentikulat olivat yhteydessä hermoihin, kuten hampaat. Hän sanoi, että samankaltaisuus hampaiden, panssarikalojen muinaisten odontodien ja niveljalkaisten sensillien kanssa oli hämmästyttävä.
”Uskomme, että varhaisimmat selkärankaiset, nämä suuret, panssaroidut kalat, olivat rakenteeltaan hyvin samankaltaisia, ainakin morfologisesti. Ne näyttävät samanlaisilta muinaisissa ja nykyisissä niveljalkaisissa, koska ne kaikki muodostavat tämän mineralisoituneen kerroksen, joka peittää niiden pehmeät kudokset ja auttaa niitä aistimaan ympäristöään”, hän sanoi.
Koko bambuhain CT-kuvaus, joka näyttää sen iholla olevat kovat, hampaisiin muistuttavat piikit (punaisella). Tekijä: Yara Haridi
On olemassa kaksi koulukuntaa siitä, miten nämä rakenteet lopulta muuttuivat hampaiksi. Yksi niistä, ”sisältä ulos” -hypoteesi, väittää, että hampaat syntyivät ensin ja myöhemmin sopeutuivat eksoskeletteihin. Tämä artikkeli tukee toista hypoteesia, ”ulkopuolelta sisään”, joka väittää, että herkät rakenteet kehittyivät ensin eksoskeletissa, ja jossain vaiheessa eläimet käyttivät samaa geneettistä työkalupakkia herkän hampaiston luomiseen.
Shubin totesi, että vaikka he eivät onnistuneet määrittämään tarkasti varhaisimpien selkärankaisten kalojen lajia, löytö oli vaivannäköönsä arvoinen.
”Joidenkin näiden fossiilien, joiden oletettiin olevan varhaisia selkärankaisia, osoitimme, että ne eivät ole sellaisia. Mutta se oli pieni erehdys”, Shubin sanoi. ”Emme löytäneet varhaisinta, mutta tavallaan löysimme jotain paljon hienompaa.”
