Пасть и порядок. Медведи и эволюция

Учёные из Баварского государственного собрания естественной истории (SNSB) исследовали пасти медведей из разных эпох. В процессе и обнаружили нечто поистине необычное для млекопитающих. Древние медведи не просто обзавелись новыми зубами – они переписали одно из базовых правил роста коренных зубов млекопитающих. Более того, они дважды меняли этот механизм в ответ на изменения в рационе питания, вызванные изменениями климата. А последствия этих изменений прослеживаются вплоть до современных видов медведей.

Строение челюсти и особенности зубов – одна из самых недооцененных «библиотек» в биологии. Содержимое ротовой полости способно поведать о самой эволюции, экологии того времени, поведенческих практиках, рационе питания и даже климате. Именно по этой причине, а также потому, что они такие прочные, зубы и челюсть считаются черным ящиком природы.

У млекопитающих строение зубов и челюсти следует предсказуемой схеме, когда речь заходит про моляры (жевательные зубы). Когда каждый новый жевательный зуб формируется, он высвобождает химические сигналы. Эти сигналы частично подавляют рост следующего зуба. Это задает четкий градиент вдоль челюсти.

Такая «модель ингибирующего каскада» (ICM) достаточно надежна, чтобы достоверно разграничить плотоядных, травоядных и всеядных, причем исключительно на основе сравнения их зубов. А именно: у плотоядных млекопитающих первый моляр больше третьего, в то время как у травоядных все наоборот.

Предполагаемый механизм развития изменений в одонтогенезе Древнейших Медведей (A) по сравнению с Доисторическими седведями (B) и Ursus deningeri (предки пещерного медведя) (C). Интенсивность цвета указывает на соответствующую концентрацию ингибитора.

Однако медведи не вписываются в эту концепцию. Их средний (второй) коренной зуб непропорционально огромен, и-за чего всё семейство традиционно противоречило законам природы

Сверхадаптация медведей

В новом исследовании учёные изучили челюсти медведей на протяжении всей истории, от древних окаменелостей возрастом в 13 миллионов лет, относящихся к миоцену, до современных видов, чтобы выяснить, почему эти млекопитающие нарушили эволюционные законы в два разных периода истории, которые также были периодами экстремальных экологических потрясений.

Первое крупное нарушение правил произошло около 3,6 миллионов лет назад у Ursus minimus, медведя позднего плиоцена. Это общий предок большинства современных видов — чей увеличенный средний коренной зуб ознаменовал большой сдвиг в развитии по сравнению с его предшественником Ursus boeckhi.

Оба вида жили в период климатических потрясений в раннем и позднем плиоцене, на территории современной Европы, где в то время только развивалось генеалогическое древо медведей. Среда обитания сместилась с теплых, влажных субтропических лесов на более прохладные, сухие ландшафты, где преобладают лесные массивы и луга. Популяция мелких позвоночных, лазающих млекопитающих, птиц и рептилий, которые составляли большую часть рациона U. boeckhi, сократилась. А крупные травоядные млекопитающие, которые обосновались на новых открытых ареалах, были слишком велики для охоты.

Однако растительная пища, корни, луковицы, семена, орехи и беспозвоночные, такие как личинки жуков, стали доступнее. Это привело к резкому переходу медведей на всеядный рацион питания. Изменения в рационе повлекли изменения в наборе биологических инструментов.

Адаптируйся, размножайся, ешь

Эволюция обеспечила этот переход. У медведей снизилось количество молекулярных ингибиторов, которые вырабатывал первый моляр (m1). Это привело к тому, что второй моляр (m2) мог свободно расти до необычайно больших размеров – и даже больше, чем это позволяют стандартные правила развития моляров. Исследователи называют эту новую конфигурацию «частичным ингибирующим каскадом», поскольку общая схема по-прежнему соответствует общему направлению роста моляров. Также сохраняется внутренняя клеточная масса (ВКМ) в сравнении с другими млекопитающими. Но вся система смещается из-за увеличенного среднего зуба. Таким образом, U. minimus появился с увеличенным m2, что ознаменовало собой существенный прорыв в правилах развития млекопитающих.

Затем, примерно от 1,25 до 0,7 миллиона лет назад, во время раннего и среднего плейстоценового перехода, произошёл второй прорыв, когда по всей Европе распространились луга, а климат похолодал. В этот период предки Ursus spelaeus доисторических пещерных медведей, такие как тот же Ursus deningeri, радикально изменили рацион в пользу растений. И это снова привело к произменению паттернов в росте моляров. А именно, снизились ингибиторы от зуба m2, что привело к увеличению третьего моляра (m3). Благодаря этому, медведи развили перетирающую способность, что позволило перерабатывать больше растительной пищи.

По всей видимости, баланс химических соединений, ингибирующих или активирующих рост различных коренных зубов, в эти периоды менялся. Эти изменения, вероятно, связаны с адаптацией медведей к питанию в ходе эволюции. На пути от плотоядности к всеядности или травоядности медведи адаптировались к изменившемуся спектру питания, но не следовали модели внутриклеточного цистернального питания (ICM). Их спектр по-прежнему варьируется от чистой плотоядности до чистой травоядности, причём большинство современных медведей остаются всеядными.
Аннеке ван Хетерен, ответственная за коллекцию млекопитающих в SNSB.

Действительно, миллион лет спустя современные медведи всё ещё хранят эти древние модификации. Бурые медведи (Ursus arctos) и чёрные медведи (Ursus americanus) живут с увеличенными вторыми молярами, что связано с плиоценовой всеядностью. Белые медведи (Ursus maritimus) несмотря на то, что являются плотоядными, также сохраняют всё ту же форму челюсти с увеличенными молярами, хотя эти зубы не нужны им для перетирания растений. Даже большие панды (Ailuropoda melanoleuca) сохраняют базовую структуру. Но их путь сильно отклонился — у них укреплённая вся челюсть и выступают премоляры, а не увеличенные моляры, чтобы справляться со стеблями жесткого бамбука.

Слом эволюции

Если читать статью, то формируется вполне логическая цепочка причинно-следственных связей. Мол, это же нормальная эволюционная реакция на меняющийся мир, а внутриклеточная матрица зубов (ВКМ) — это строго контролируемое правило развития, которое управляет ростом моляров у большей части млекопитающих. Однако медведи нашли способы обойти эти ограничения дважды, взломав саму программу, что до сих пор заметно по строению пасти их потомков.

Исследователи также отмечают южноамериканского очкового медведя (Tremarctos ornatus) как вид, который выбивается из этой истории. Он обладает характерным отличием с большим m2, унаследованным от древних медведей-биохакеров, но поскольку ни один из его вымерших короткомордых родственников не был обнаружен как ископаемое, учёные до сих пор не знают, как эволюционировало это необычное расположение зубов.

Что это значит для нас с вами? Во-первых, правила эволюции – это не жесткие запреты, а скорее рекомендации, для удобства в ориентации какие виды куда идут. Во-вторых, это наглядная демонстрация того, как образ жизни и адаптивность способны буквально раздвигать привычные границы нормы. В-третьих, нет жесткой необходимости «затачиваться» на конкретный вид пищи, без явных на то рекомендаций. Можно быть веганом, мясоедом, искать баланс и подбирать рацион питания как угодно. Лишь бы добирать питательные вещества, получать калории и не вредить микробиому, а еще лучше помогать ему.

Вопросы эволюции, возможности нарушать её или обходить правила, использовать технологии или поведенческие практики – обсуждаем в сообществе Neural Hack. Заглядывайте, чтобы знать больше о своих возможностях!