Tændernes hemmelige liv:Evo-devo-modeller for tandudvikling

På tværs af pattedyrenes verden, tænder kommer i alle mulige former og størrelser. Deres særlige størrelse og form er processen med millioner af års evolutionær finjustering for at producere tænder, der effektivt kan nedbryde fødevarerne i et dyrs kost. Som resultat, pattedyr, der er nært beslægtede og har en lignende menu, har tendens til at have tænder, der ligner nogenlunde. Ny forskning tyder på, imidlertid, at disse ligheder måske kun er "huddybe".

Tænderne på bagsiden af ​​vores mund - kindtænderne - har en række knopper, kamme, og riller hen over tyggeoverfladen. Dette komplekse tandlandskab er produktet af det rumlige arrangement af spidser, som er koniske overfladefremspring, der knuser mad før indtagelse. Hvor mange spidser er der, hvordan de er placeret, og hvilken størrelse og form de tager sammen bestemmer vores kindtands overordnede form eller konfiguration.

I løbet af hominin (moderne mennesker og deres fossile forfædre) evolution, kindtænder har ændret sig markant i deres konfiguration, med nogle grupper, der udvikler større cusps og andre udvikler kindtænder med et batteri af mindre ekstra cusps.

Kortlægning af disse ændringer har givet stærk indsigt i vores forståelse af den moderne menneskelige befolknings historie. Det har endda givet os mulighed for at identificere nye fossile homininarter, nogle gange kun fra fragmentariske tandrester, og at rekonstruere hvilken art der er tættere beslægtet med hvem. Præcis hvordan nogle populationer af moderne mennesker, og nogle fossile homininarter, udviklede komplekse kindtænder med mange spidser af varierende størrelse, mens andre udviklede mere forenklede molære konfigurationer, imidlertid, er ukendt.

I en undersøgelse offentliggjort i denne uge i Videnskabens fremskridt , et internationalt team af forskere fra Arizona State University's Institute of Human Origins og School of Human Evolution and Social Change, New York University, University of Kent, og Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology fandt, at en simpel, ligetil udviklingsregel - "mønsterkaskaden" - er kraftfuld nok til at forklare den massive variation i kindtandkronens konfiguration gennem de sidste 15 millioner år med abe og menneskelig udvikling.

"I stedet for at påberåbe sig store, komplicerede scenarier til at forklare de store skift i molær udvikling i løbet af hominin-oprindelsen, vi fandt ud af, at simple justeringer og ændringer af denne ene udviklingsregel kan tage højde for de fleste af disse ændringer, " siger Alejandra Ortiz, en postdoc-forsker ved Arizona State University's Institute of Human Origins og hovedforfatter af undersøgelsen.

I det seneste årti, Forskernes forståelse af udviklingen af ​​molar cusp er blevet hundrededoblet. De ved nu, at dannelsen af ​​disse cusps styres af en molekylær proces, der starter på et tidligt embryonalt stadium. Baseret på eksperimentelt arbejde på mus, mønsterkaskademodellen forudsiger, at molær konfiguration primært bestemmes af den rumlige og tidsmæssige fordeling af et sæt signalceller.

Klumper af signalceller (og deres resulterende spidser), der udvikler sig tidligere, påvirker i høj grad ekspressionen af ​​spidser, der udvikler sig senere. Denne kaskadeeffekt kan resultere i enten at favorisere en stigning i størrelsen og antallet af yderligere spidser eller begrænse deres udvikling til at producere mindre, færre cusps. Hvorvidt denne form for simple udviklingsmæssige skraldefænomen kunne forklare det store udvalg af molære konfigurationer, der findes på tværs af aber og menneskelige aner, var ukendt.

Ved hjælp af topmoderne mikro-computertomografi og digital billeddannelsesteknologi anvendt på hundredvis af fossile og nyere molarer, Ortiz og kollegaer skabte virtuelle kort over tandlandskabet med udviklende tænder for at kortlægge den præcise placering af embryonale signalceller, hvorfra molar cusps udvikler sig. Til forskerholdets store overraskelse, modellens forudsigelser holdt stand, ikke kun for moderne mennesker, men for over 17 abe- og homininarter spredt ud over millioner af år med højere primaterevolution og diversificering.

"Ikke kun virker modellen til at forklare forskelle i grundlæggende molar design, men den er også stærk nok til præcist at forudsige rækkevidden af ​​varianter i størrelse, form, og yderligere spidstilstedeværelse, fra det mest subtile til det mest ekstreme, for de fleste aber, fossile homininer, og moderne mennesker, " siger Ortiz.

Disse resultater passer til en voksende mængde arbejde inden for evolutionær udviklingsbiologi, der meget enkel, ligefremme udviklingsregler er ansvarlige for genereringen af ​​de utallige kompleksitet af tandtræk, der findes i pattedyrtænder.

"Det mest spændende resultat var, hvor godt vores resultater passede med en ny opfattelse af, at udviklingen af ​​kompleks anatomi fortsætter med små, subtile tweaks til det underliggende udviklingsværktøjssæt frem for ved store spring, " siger Gary Schwartz, en palæoantropolog ved ASU's Institute of Human Origins og en undersøgelsesmedforfatter.

Denne nye undersøgelse er i tråd med den opfattelse, at enkel, subtile ændringer i måder, hvorpå gener koder for komplekse funktioner, kan resultere i en lang række forskellige tandkonfigurationer, som vi ser på tværs af homininer og vores abekusiner. Det er en del af et skift i vores forståelse af, hvordan naturlig selektion let og hurtigt kan generere ny anatomi, der passer til en bestemt funktion.

"At alt dette præcise, detaljerede oplysninger er indeholdt dybt inde i tænderne, " fortsatte Schwartz, "selv tænder fra vores længe uddøde fossile slægtninge, er simpelthen bemærkelsesværdigt."

"Vores forskning, demonstrerer, at en enkelt udviklingsregel kan forklare den utallige variation, vi observerer på tværs af pattedyr, betyder også, at vi skal være forsigtige med at udlede forhold mellem uddøde arter baseret på fælles form, " sagde Shara Bailey, en medforfatter og paleoanthropolog ved New York University. "Det bliver mere og mere tydeligt, at ligheder i tandform ikke nødvendigvis indikerer nyere fælles herkomst, " tilføjede Bailey.