Зъбната фея тук не работи: структурата на емайла на зъбите на крокодилите и техните предисторически предци

Влизате в коридор с приглушена светлина, където ви срещат обезправени души, терзани от болка и страдания. Но тук няма да получат покой, защото зад всяка от вратите ги очакват още повече мъки и страх, изпълващи всичките клетки на тялото и попълващи всички мисли. Приближавате се до една от вратите, зад която се чува адски скрежет и жужене, което пронизва до костите. Събирайки остатъците от смелостта си в юмрук, протягате студената от ужас ръка към дръжката на вратата, когато изведнъж някой ви докосва по рамото отзад и вие, потръпвайки от изненада, се обръщате. „Докторът ще свърши след няколко минути. Седнете, ние ще ви повикаме“, съобщава ви нежният глас на медицинската сестра. Явно точно така си представят похода при зъболекаря някои хора, които изключително негативно възприемат тези „садисти“ в бели халати. Но днес няма да говорим за дентобоа, а ще говорим за крокодили. Да-да, именно за тях, а по-точно за техните зъбки, които не се нуждаят от зъболечение.

Учени от университета Мисури (САЩ) проведоха изследване на зъбите на крокодили, което показа интересни особености на емайла на тези безупречни хищници, които разчитат точно на челюстите си. Какво установиха учените, с какво се различават зъбите на съвременните крокодили от техните предисторически роднини и каква полза имаме от това изследване? За това ще разберем от доклада на изследователската група.

Основи на изследването

За повечето гръбначни зъбите са неотменима част от получаването и консумацията на храна (муравяди не се броят). Някои хищници разчитат по време на лов на скорост (гепарди), други - на колектив (лъвове), а за някои огромната роля играе силата на захапката им. Това важи и за крокодилите, които се подкрадват към жертвите си във водата и ги хващат с мощните си челюсти. За да не може жертвата да се изплъзне, захватът трябва да бъде мощен, а това води до големи натоварвания на костната структура. За да неутрализира отрицателния ефект от мощните си захапки, крокодилите имат вторично костно небце, което е неподвижно свързано с черепа.

Нагледна демонстрация на затваряне и отваряне на челюстта на крокодил.

Една от основните особености на крокодилските зъби е постоянната им замяна с нови, когато старите се износват. Факт е, че крокодилските зъби наподобяват матрьошка, в която се развиват нови зъби. Приблизително на всеки 2 години всеки от зъбите в челюстта се заменя с нов.

Обърнете внимание колко плътно се затваря този "зъбен капан".

Зъбите на крокодилите се разделят на няколко категории според формата и съответната им функция. В началото на челюстта има по 4 големи клыка, които са необходими за ефективно захващане на плячката. В средата са разположени по-дебели зъбки, които се увеличават по дължина в челюстта. Тази част е необходима за нарязване на плячката. В основата зъбите се разширяват и стават по-плоски, което позволява на крокодилите да чупят черупките на мекотелите и панцирите на черепахите, като семки.

Колко силна е челюстта на крокодила? Разбира се, това зависи от размера и вида му. Например, през 2003 година беше установено, че 272-килограмовият мисисипски аллигатор хапе с сила около 9500 Н (Н — Нютон, 1 Н = 1 кг·м/с2). А 1308-килограмовият гребнест крокодил демонстрира потресаващи 34500 Н. Стойността на силата на ухапване при човека е около 1498 Н.

Силата на ухапването зависи не толкова от зъбите, колкото от челюстните мускули. При крокодилите тези мускули са много плътни и в голям брой. Обаче съществува голяма разлика между много развитите мускули, отговорни за затваряне на устата (което дава такава сила на ухапването), и слабите мускули, отговорни за отваряне на устата. Това обяснява защо затворената уста на крокодила може да се задържи с обикновен тиксо.

Хайде, покажи ми, кой те нарече малявка.

Но челюстта на крокодилите не служи само за безмилостни убийства в името на оцеляването, но и за грижа за потомството им. Женските крокодили често пренасят малките си именно в челюстите си (трудно е да се намери по-безопасно място за тях, тъй като никой не би искал да влиза там). Челюстите на крокодилите са оборудвани с много чувствителни рецептори, което им позволява да регулират силата на хапането, така че да задържат плячката по-добре или внимателно да пренасят малките.

Зъбите на човека, за съжаление, не израстват отново след падането на старите, но има нещо общо с крокодилите — емайл.

Снимка №1: каудален зъб на мисисипски алигатор (Alligator mississippiensis).

Емайлът е външната обвивка на коронковата част на зъба. Това е най-здравата част от тялото на човека, както и на много други гръбначни животни. Обаче, както знаем, нашите зъби не се заменят с нови, затова нашият емайл трябва да бъде по-дебел. Докато при крокодилите износените зъби се заменят с нови, така че дебелият емайл не е необходим. Звучи логично, но дали всичко е наистина така?

Учените твърдят, че разбирането на промените в емайла в рамките на един таксон ще позволи по-добре да се помни как се променя структурата на емайла в зависимост от биомеханиката и диетата на животното.

Крокодилите, а именно Alligator mississippiensis, са отлични за това проучване по редица причини. Първо, техните зъби, сила на захапка и структура на емайла се променят в зависимост от възрастта и размерите на индивида, което е обусловено и от смяната на диетата. Второ, зъбите на крокодилите имат различна морфология в зависимост от положението си в челюстта.

Снимка №2: a и b показват разликата между зъбите на големи и малки индивиди, c и e показват зъбите на изкопаемите предци на съвременните крокодили.

Ростралните зъби са тънки и се използват за захващане на плячката, докато каудалните зъби са тъпи и се използват за натрошаване с по-високи сили на захапка. С други думи, натоварването на зъба зависи от неговото положение в челюстта и от размерите на притежателя на тази челюст.

В настоящото изследване са представени резултатите от анализа и измерванията на абсолютната дебелина на емайла (AET) и стандартизирана по размер (относителна) дебелина на емайла (RET) на зъбите на крокодила.

AET представлява оценка на средното разстояние от меко-емайловия преход до външната повърхност на емайла и представлява линейно измерение. А RET е безразмерна величина, която позволява да се сравнява относителната дебелина на емайла в различни мащаби.

Учените проведоха оценка на AET и RET на ростралните (в "носа" на челюстта), междинните (в средата на реда) и каудалните (в основата на челюстта) зъби на седем индивида от вида. Alligator mississippiensis.

Важно също така да се отбележи, че структурата на емайла може да зависи от диетата на индивида и на целия вид. При крокодилите диетата е доста обширна (каквото хващат, това ще бъде за обяд), но тя се различава от тази, която е имала техните родственици, които вече отдавна са изчезнали. За да проверят това от гледна точка на емайла, учените извършиха анализ на AET и RET на вкаменелостите. Protosuchidae (UCMP 97638), Iharkutosuchus (MTM VER 2018.837) и Allognathosuchus (YPM-PU 16989). Protosuchidae е представител на юрския период, Iharkutosuchus — кредовия период, а Allognathosuchus от еоцена.

Преди започването на фактическите измервания изследователите проведоха мозъчна атака и предложиха няколко теоретични хипотези:

• хипотеза 1а — тъй като AET е линейна мярка и трябва да зависи от размера, се предполага, че дисперсията в AET най-добре ще се обясни с размера на черепа;
• хипотеза 1b — тъй като RET е стандартизиран по размер, се предполага, че дисперсията в RET най-добре ще се обясни с положението на зъба;
• хипотеза 2а — тъй като AET и дължината на черепа са линейни мерки за размер, те трябва да се мащабират с изометричен наклон;
• хипотеза 2b — тъй като каудалните зъби изпитват най-големи сили на ухапване в зъбната редица, следователно RET ще бъде по-висок при каудалните зъби.

В таблиците по-долу са представени данните на пробите (черепи на крокодили от вида Alligator mississippiensis, взети от резервата Рокфелер в Гранд Шенье, Луизиана, и вкаменелостите).

Таблица №1: данни за сканиране на зъбите на крокодилите (рострални, междинни и каудални).

Таблица №2: данни за зъбите (LSkull — дължина на черепа, hCrown — височина на короната, VE — обем на емайла, VD — обем на дентината, SAEDJ — площ на интерфейса емайл-дентин, AET — абсолютна дебелина на емайла, RET — относителна дебелина на емайла).

Резултати от изследването

В съответствие с денталните данни, представени в таблица №2, учените достигнаха до заключението, че дебелината на емайла се мащабира изометрично с дължината на черепа независимо от положението на зъба.

Таблица №3: стойности на AET и RET в зависимост от променливите.

Изображение №3: мащабиране на AET/RET спрямо дължината на черепа.

В същото време, дебелината на емайла на каудалните зъби е значително по-голяма, отколкото на другите, но това също не зависи от дължината на черепа.

Таблица №4: средните стойности на дебелината на емайла при висшите гръбначни (Crocodyliform – нетаксономна група крокодили, Dinosaur – динозаври, Artiodactyl – четирикраки, Odontocete – подреда на китовете, Perissodactyl – нечетирикраки, Primate – примати, Rodent – гризачи).

Изображение №4: дебелината на емайла на каудалните зъби е по-голяма от тази на другите.

Данните относно мащабирането (таб. №3) потвърдиха хипотезата 1а, обясняваща зависимостта на стойността AET от дължината на черепа, а не от положението на зъба. А стойностите RET напротив, зависят от положението на зъба в реда, а не от дължината на черепа, което потвърджава хипотезата 1b.

Останалите хипотези (2а и 2b) също бяха потвърдени, което следва от данните на анализа на средната дебелина на емайла на зъбите с различно разположение в реда.

Сравнението на дебелината на емайла между съвременния мисиципски алигатор и неговите древни предшественици показа много общо, но имаше и разлики. Например, при Allognathosuchus дебелината на емайла е приблизително с 33% по-голяма, отколкото при съвременните крокодили (изображение по-долу).

Изображение №5: сравнение на средната дебелина на емайла между алигатор и изкопаеми крокодили по височината на зъбната коронка.

Обобщавайки всичките горепосочени данни, учените стигнаха до извода, че дебелината на емайла директно зависи от, така да се каже, ролята на зъбите. Ако тези зъби са необходими за смилане, то емайлът им ще бъде значително по-дебел. По-рано беше установено, че налягането (силата на компресия) на каудалните зъби е по-високо от това на ростралните. Това е свързано точно с тяхната роля – да задържат плячката и да счупят костите. Така че, по-дебелият емайл предотвратяваDamage to the teeth, which, during feeding, are subjected to maximum load. И наистина, данните показват, че каудалните зъби при крокодилите се чупят значително по-рядко, въпреки сериозните натоварвания.

Освен това беше установено, че зъбите Allognathosuchus имат значително по-дебел емайл от останалите изследвани крокодили. Счита се, че този изкопаем вид е предпочитал да се храни с костенурки, а за раздробяване на техните черупки са нужни здрави зъби и дебел емайл.

Учените проведоха също така сравнение на дебелината на емайла между крокодили и някои динозаври, с приблизителен предполагаем тегло и размер. Този анализ показа, че при крокодилите емайлът е бил по-дебел (диаграма по-долу).

Изображение №6: сравнение дебелината на емайла на крокодили и динозаври.

Интересно е, че емайлът на тирозавридите е практически с такава съща дебелина, както и при значително по-малкия Allognathosuchus и дори съвременните крокодили. Логично е, че структурата на крокодилските зъби се обяснява с техните навици в аспектите на ловуването и диетата.

Въпреки своите рекорди, емайлът на архозаврите (крокодили, динозаври, птерозаври и т.н.) е по-тънък от този на бозайниците.

Изображение №7: сравнение на дебелината на емайла (AET) на крокодили и някои видове бозайници.

Защо емайлът на хищниците, които толкова много разчитат на челюстите си, е по-тънък от този на бозайниците? Отговорът на този въпрос беше казан в началото — заменянето на износените зъби с нови. Въпреки че крокодилите имат здрави зъби, не им трябват, така да се каже, свръхздрави, тъй като нов зъб винаги идва да замени счупения. При бозайниците (в по-голямата си част) такъв талант няма.

Изображение №8: сравнение на дебелината на емайла (RET) на крокодили и някои видове бозайници.

По-точно, дебелината на емайла при архозаврите варира в диапазона от 0.01 до 0.314 мм, а при бозайниците от 0.08 до 2.3 мм. Разликата, така да се каже, е очевидна.

За по-подробно запознаване с нюансите на изследването ви препоръчвам да се запознаете с доклад на учените.

Епилог

Зъбите, колкото и странно да звучи, са изключително важен инструмент за набавянето на храна. Да, съвременният човек винаги може да поправи какъвто и да е недостатък, свързан със зъбите, но сред представителите на дивата природа няма стоматолози. Дори и човек не винаги е знаел какво е лечение на зъбите. Поради това някои видове избират здрави и дълготрайни зъби, докато други предпочитат да ги сменят като ръкавици. Крокодилите и техните далечни родственици могат да бъдат отнесени и към двете групи. Емайлът на зъбите, които са необходими за ефективно задържане на плячката и счупване на кости, при крокодилите е достатъчно дебел, но, взимайки предвид сериозните натоварвания, зъбите им все пак се износват и понякога се чупят. В такива случаи на мястото на стария зъб идва нов.

За човека една от отличителните черти е противопоставеният голям палец, който много ни е помагал в много начинания, започвайки от „вземи пръчка и удари досадния съсед по клон“ и завършвайки с „вземи перо и напиши сонет“. За крокодилите обаче такъв инструмент са челюстите им, по-специално зъбите. Именно тази част от тялото прави крокодилите толкова опасни и смъртоносни ловци, от които е добре да се пазиш.

Петъчен офф-топ:

Благодаря за вниманието, останете любопитни и желая на всички отлични уикенди, приятели! 🙂

Благодарим, че останахте с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да виждате повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или ни препоръчате на познати, 30% отстъпка за потребителите на Хабра за уникален аналог на entry-level сървъри, създаден от нас за вас: Всичко за VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ядра) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как да делим сървъра правилно? (налични опции с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).

Dell R730xd два пъти по-евтин? Само при нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100TB от $199 в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Четете за това Как да изградим инфраструктура от корпоративен клас с прилагане на сървъри Dell R730xd Е5-2650 v4 на стойност 9000 евро за копейки?

Източник: habr.com