Зубная фея тут не работает: структура эмали зубов крокодилов и их доисторических предков

Вы заходите в коридор с приглушенным светом, в нем вам встречаются обездоленные души, терзаемые болью и страданиями. Но им не будет тут покоя, ибо за каждой из дверей их ждет еще больше мук и страха, наполняющие все клеточки тела и заполоняющие все мысли. Вы подходите к одной из дверей, за которой слышится адский скрежет и жужжание, пробирающие до костей. Собрав остатки смелости в кулак, вы протягиваете холодную от ужаса руку к ручке двери, как вдруг кто-то сзади касается вашего плеча, и вы, вздрогнув от неожиданности, оборачиваетесь. «Доктор освободится через несколько минут. Присядьте пока, мы вас позовем», — сообщает вам нежный голос медсестры. Видимо именно так себе представляют поход к стоматологу некоторые люди, которые к этим «садистам» в белых халатах относятся крайне отрицательно. Но мы сегодня не будем говорить о дентофобии, мы будем говорить о крокодилах. Да-да, именно о них, а точнее об их зубках, которые в стоматологическом лечении не нуждаются.

Ученые из университета Миссури (США) провели исследование зубов крокодилов, которое показало занятные особенности эмали этих безупречных охотников, полагающихся как раз на свои челюсти. Что выяснили ученые, чем отличаются зубы современных крокодилов от их доисторических родственников и какая от этого исследования польза? Об этом мы узнаем из доклада исследовательской группы.

Основа исследования

Для большинства позвоночных зубы являются неотъемлемым атрибутом получения и употребления пищи (муравьеды не в счет). Некоторые из хищников полагаются во время охоты на скорость (гепарды), некоторые — на коллектив (львы), а для некоторых огромную роль играет сила их укуса. Это относится и к крокодилам, которые подкрадываются к своим жертвам в воде и хватают их своими мощными челюстями. Чтобы жертва не смогла вырваться, захват должен быть мощный, а это выливается в большие нагрузки на костную структуру. Чтобы нивелировать отрицательный эффект своих мощных укусов у крокодилов имеется вторичное костное нёбо, которое неподвижно соединено с черепом.


Наглядная демонстрация закрытия и открытия челюсти крокодила.

Одной из основных особенностью крокодильих зубов является их постоянная замена на новые, когда старые изнашиваются. Дело в том, что зубы крокодилов напоминают матрешку, внутри которой развиваются новые зубы. Примерно раз в 2 года каждый из зубов в челюсти меняется на новые.


Обратите внимание, насколько плотно замыкается этот «зубной капкан».

Зубы крокодилов разделяются на несколько категорий по форме и соответствующему функционалу. В начале челюсти есть по 4 больших клыка, которые нужны для эффективного захвата добычи. В середине расположены более толстые зубки, которые увеличиваются вдоль челюсти. Эта часть нужна для разрезания добычи. У основания зубы расширяются и становятся более плоскими, что позволяет крокодилам раскусывать раковины моллюсков и панцири черепах, как семечки.

Насколько же сильна челюсть крокодила? Естественно, это зависит от его размеров и вида. К примеру, в 2003 году выяснили, что 272-килограммовый миссисипский аллигатор кусает с силой ～9500 Н (Н — Ньютон, 1 Н = 1 кг·м/с2). А вот 1308-килограммовый гребнистый крокодил продемонстрировал умопомрачительные ～34500 Н. К слову, абсолютная сила укуса у человека составляет примерно 1498 Н.

Сила укуса зависит не столько от зубов, сколько от челюстных мышц. У крокодилов эти мышцы очень плотные и их много. Однако существует сильная разница между очень развитыми мышцами, отвечающими за закрытие пасти (что и дает такую силу укуса), и слабыми мышцами, отвечающими за открытие пасти. Это объясняет почему закрытую пасть крокодила можно удержать с помощью простого скотча.


А ну-ка, покажи, кто тебя малявкой назвал.

Но челюсть крокодилам нужна не только для безжалостных убийств ради пропитания, но и для заботы о своем потомстве. Самки крокодилов часто переносят своих детенышей именно в челюсти (сложно найти более безопасное для них место, ибо кто вздумает туда лезть). Пасть крокодилов оснащена очень чувствительными рецепторами, благодаря которым они могут регулировать силу прикуса, что позволяет им лучше удерживать добычу или аккуратненько переносить деток.

Зубы человека, к сожалению, не отрастают после выпадения старых, но имеется нечто общее с крокодилами — эмаль.


Изображение №1: каудальный зуб миссисипского аллигатора (Alligator mississippiensis).

Эмаль это внешняя оболочка коронковой части зуба. Это самая прочная часть тела человека, как и многих других позвоночных. Однако у нас, как мы знаем, зубы не меняются на новые, потому наша эмаль должна быть толще. А вот у крокодилов изношенные зубы меняются на новые, потому в толстой эмали нет необходимости. Звучит вполне логично, то так ли все на самом деле?

Ученые говорят, что понимание изменений эмали внутри одного таксона позволят в дальнейшем лучше помнить как изменяется структура эмали в зависимости от биомеханики и диеты животного.

Крокодилы, а именно Alligator mississippiensis, отлично подходят для этого исследования по ряду причин. Во-первых, их зубы, сила укуса и структура эмали меняются в зависимости от возраста и размеров особи, что обусловлено еще и сменой диеты. Во-вторых, зубы крокодилов имеют разную морфологию в зависимости от положения в челюсти.


Изображение №2: а и b показывают разницу зубов между крупными и мелкими особями, с-е показывают зубы ископаемых предков современных крокодилов.

Ростральные зубы тонкие и используются для захвата добычи, в то время как каудальные зубы тупые и используются для дробления с более высокими силами укуса. Другими словами нагрузка на зуб зависит от его положения в челюсти и от размеров владельца этой челюсти.

В данном исследовании представлены результаты анализа и измерений абсолютной толщины эмали (AET) и стандартизированной по размеру (относительной) толщины эмали (RET) зубов крокодила.

AET представляет собой оценку среднего расстояния от эмали-дентинового перехода до внешней поверхности эмали и представляет собой линейное измерение. А RET — это безразмерная величина, которая позволяет сравнивать относительную толщину эмали в разных масштабах.

Ученые провели оценку AET и RET рострального (в «носу» челюсти), промежуточного (в середине ряда) и каудального (у основания челюсти) зубов у семи особей вида Alligator mississippiensis.

Важно также отметить, что структура эмали может зависеть от диеты особи и всего вида в целом. У крокодилов диета весьма обширная (что поймали, то и будет обедом), но она отличается от той, что была у их родственников, которые уже давно вымерли. Чтобы проверить это с точки зрения эмали, ученые провели анализ AET и RET ископаемых Protosuchidae (UCMP 97638), Iharkutosuchus (MTM VER 2018.837) и Allognathosuchus (YPM-PU 16989). Protosuchidae является представителем юрского периода, Iharkutosuchus — мелового периода, а Allognathosuchus из эоцена.

Перед началом фактических измерений исследователи провели мозговой штурм и предложили несколько теоретических гипотез:

• гипотеза 1а — поскольку AET является линейной мерой и должна зависеть от размера, предполагается, что дисперсия в AET будет лучше всего объясняться размером черепа;
• гипотеза 1b — поскольку RET стандартизирован по размеру, предполагается, что дисперсия в RET будет лучше всего объяснена положением зуба;
• гипотеза 2а — поскольку AET и длина черепа являются линейными мерами размера, они должны масштабироваться с изометрическим наклоном;
• гипотеза 2b — поскольку каудальные зубы испытывают наибольшие силы прикуса в зубном ряду, следовательно RET будет выше у каудальных зубов.

В таблицах ниже представлены данные образцов (черепа крокодилов вида Alligator mississippiensis, взятые из заповедника Рокфеллера в Гранд Шенье, Луизиана, и ископаемых).


Таблица №1: данные сканирования зубов крокодилов (ростральные, промежуточные и каудальные).


Таблица №2: данные зубов (L_Skull — длина черепа, h_Crown — высота коронки, V_E — объем эмали, V_D — объем дентина, SA_EDJ — площадь интерфейса эмаль-дентин, AET — абсолютная толщина эмали, RET — относительная толщина эмали).

Результаты исследования

В соответствии с дентальными данными, представленными в таблице №2, ученые пришли к выводу, что толщина эмали масштабируется изометрически с длиной черепа независимо от положения зуба.


Таблица №3: значения AET и RET в зависимости от переменных.


Изображение №3: масштабирование AET/RET по отношению к длине черепа.

В то же время, толщина эмали на каудальных зубах значительно больше, чем на других, но это также не зависит от длины черепа.


Таблица №4: средние значения толщины эмали у высших позвоночных (Crocodyliform — внетаксоновая группа крокодилов, Dinosaur — динозавры, Artiodactyl — парнокопытные, Odontocete — подотряд китообразных, Perissodactyl — непарнокопытные, Primate — приматы, Rodent — грызуны).


Изображение №4: толщина эмали каудальных зубов больше, чем других.

Данные касательно масштабирования (таб. №3) подтвердили гипотезу 1а, поясняющая зависимость значения AET от длины черепа, а не от положения зуба. А вот значения RET, наоборот, зависят от положения зуба в ряду, а не от длины черепа, что подтверждает гипотезу 1b.

Остальные гипотезы (2а и 2b) также были подтверждены, что следует из данных анализа средней толщины эмали зубов с разным расположением в ряду.

Сравнение толщины эмали у современного миссисипского аллигатора и его древних прародителей показало много общего, но были и отличия. Так, у Allognathosuchus толщина эмали примерно на 33% больше, чем у современных крокодилов (изображение ниже).


Изображение №5: сравнение средней толщины эмали у аллигатора и ископаемых крокодиловых по высоте зубной коронки.

Суммируя все вышеперечисленные данные, ученые пришли к выводу, что толщина эмали напрямую зависит от, так сказать, роли зубов. Если эти зубы необходимы для дробления, то их эмаль будет значительно толще. Ранее было установлено, что давление (сила сжатия) каудальных зубов выше, чем ростральных. Это связано именно с их ролью — удерживать добычу и дробить кости. Таким образом, более толстая эмаль предотвращает повреждение зубов, которые во время питания подвергаются максимальной нагрузке. И действительно, данные говорят о том, что каудальные зубы у крокодилов ломаются значительно реже, несмотря на серьезные нагрузки.

Кроме того, было обнаружено, что у зубов Allognathosuchus эмаль значительно толще, чем у остальных исследованных крокодиловых. Считается, что этот ископаемый вид предпочитал питаться черепахами, а для дробления их панцирей нужны прочные зубки и толстая эмаль.

Ученые также провели сравнение толщины эмали крокодиловых и некоторых динозавров, соответствующего предположительного веса и размера. Этот анализ показал, что у крокодиловых эмаль была толще (диаграмма ниже).


Изображение №6: сравнение толщины эмали крокодиловых и динозавров.

Любопытно, что эмаль у тираннозаврида была практически такой же толщины, что и у значительно меньшего по размерам Allognathosuchus и даже современных крокодилов. Логично, что структура зуба крокодилов объясняется их повадками в аспектах охоты и диеты.

Однако, несмотря на свои рекорды, эмаль у архозавров (крокодилы, динозавры, птерозавры и т.д.) тоньше, чем у млекопитающих.


Изображение №7: сравнение толщины эмали (AET) крокодилов и некоторых видов млекопитающих.

Почему же эмаль охотников, так сильно полагающихся на свои челюсти, тоньше, чем у млекопитающих? Ответ на этот вопрос был еще в начале — замена изношенных зубов на новые. Хоть у крокодилов и прочные зубки, но им не нужны, так сказать, сверхпрочные, ввиду того, что новый зуб всегда придет на замену сломанному. У млекопитающих (по большей степени) такого таланта нет.


Изображение №8: сравнение толщины эмали (RET) крокодилов и некоторых видов млекопитающих.

Если точнее, то толщина эмали у архозавров варьируется в диапазоне от 0.01 до 0.314 мм, а у млекопитающих от 0.08 до 2.3 мм. Разница, как говорится, на лицо.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Зубы, как бы странно это не звучало, являются крайне важным инструментом в добыче пищи. Да, современный человек всегда может исправить какой-либо дефект, связанный с зубами, но среди представителей дикой природы стоматологов нет. Даже человек не всегда знал, что такое лечение зубов. Потому одни виды выбирают крепкие и долговечные зубы, другие же предпочитают менять, их как перчатки. Крокодилов и их дальних родственников можно отнести к обеим группам. Эмаль на зубах, которые необходимы для эффективного удержания добычи и дробления костей, у крокодилов достаточно толстая, но, учитывая серьезные нагрузки, их зубы все равно изнашиваются и иногда ломаются. В таких на место старого зуба приходит новый.

Для человека одной из отличительных черт является противопоставленный большой палец, который очень сильно помогал нам во многих начинаниях, начиная от «взять палку и долбануть надоедливого соседа по ветке» и заканчивая «взять перо и написать сонет». Для крокодилов же таким инструментом являются их челюсти, в частности зубы. Именно эта часть тела делает из крокодилов столь опасных и смертоносных охотников, которых стоит обходить стороной.



Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?