Bulten op oude, gepantserde vissen kunnen bij dieren aan de hand hebben gegeven, onderzoeks vinden

Meld u aan voor CNN’s Wonder Theory Science -nieuwsbrief. Verken het universum met nieuws over fascinerende ontdekkingen, wetenschappelijke vooruitgang en meer.

CNN
–

Het gevoelige interieur van menselijke tanden zou kunnen zijn afkomstig van een schijnbaar onwaarschijnlijke plek: zintuiglijke weefsel in vissen die 465 miljoen jaar geleden in de aarde zwemmen.

Terwijl onze tanden bedekt zijn met hard email, is het dentine – de binnenste laag van de tand die verantwoordelijk is voor het dragen van sensorische informatie naar de zenuwen – die reageert op de druk van een harde beet, pijn of veranderingen zoals extreme kou of zoetheid.

Bij het proberen de oorsprong van tanden te bepalen, was een van de vele mogelijkheden die onderzoekers in de loop der jaren overwogen, dat tanden zijn geëvolueerd uit hobbels op de gepantserde exoskeletten op oude vissen. Maar het ware doel van de structuren, Odontodes genoemd, was onduidelijk.

Nu hebben een nieuwe studie en 3D -scans van fossielen het bewijs opgeleverd dat de externe hobbels Dentine bevatten, die waarschijnlijk hebben geholpen vissen hun omgeving te voelen. Wetenschappers meldden de bevindingen woensdag in het tijdschrift Natuur.

“Bedekt in deze gevoelige weefsels, misschien als het tegen iets botste, zou het die druk kunnen voelen, of misschien kon het voelen wanneer het water te koud werd en het elders moest zwemmen,” zei hoofdonderzoek auteur Dr. Yara Haridy, postdoctorale onderzoeker in de afdeling Organisrische biologie en anatomie aan de Universiteit van Chicago, in een e -mail.

Tijdens zijn analyse ontdekte het team ook overeenkomsten tussen de odontodes en kenmerken die sensilla worden genoemd, die bestaan ​​als sensorische organen in de schelpen van moderne dieren zoals krabben en garnalen, en kan worden gevonden in gefossiliseerde ongewervelde geleedpotigen. De ontwikkeling van odontodes bij vissen, die gewervelde dieren zijn, en sensilla in geleedpotigen, die ongewervelde dieren zijn, is een goed voorbeeld van evolutionaire convergentie – wanneer vergelijkbare kenmerken onafhankelijk in verschillende diergroepen evolueren, zei Haridy.

“Deze kaakloze vissen en aglaspidid -geleedpotigen (uitgestorven mariene geleedpotigen) hebben een extreem verre gedeelde gemeenschappelijke voorouder die waarschijnlijk helemaal geen harde delen had,” zei Haridy. “We weten dat gewervelde dieren en geleedpotigen onafhankelijk en ongelooflijk harde onderdelen ontwikkelden, ze ontwikkelden vergelijkbare sensorische mechanismen geïntegreerd in hun harde skelet onafhankelijk.”

Hoewel geleedpotigen hun sensilla hebben behouden, lijken odontodes de directe voorlopers van tanden bij dieren te zijn.

Terwijl de onderzoekers sensilla en Odontodes vergeleken, kwamen ze ook bij een andere bevinding: de ene soort, ooit beschouwd als een oude vis, was eigenlijk een geleedpotige.

Het oorspronkelijke doel van Haridy was om het mysterie van het oudste gewervelde dier dat in het fossiele record bestaat op te lossen. Ze benaderde musea in het hele land en vroeg of ze fossiele exemplaren kon scannen die ze hadden uit de Cambrische periode, 540 miljoen jaar tot 485 miljoen jaar geleden.

Vervolgens vestigde ze zich voor een alles-lucht in het Argonne National Laboratory, waar ze hun geavanceerde fotonbron gebruikte om computertomografie met hoge resolutie of CT te vangen.

“Het was een nacht in de deeltjesversneller; dat was leuk,” zei Haridy.

Op het eerste gezicht leek een fossiel van een wezen genaamd Anatolepis als een gewervelde vis – en inderdaad, Eerder onderzoek uit 1996 had het als één geïdentificeerd. Haridy en haar collega’s merkten op dat er een reeks poriën was gevuld met een materiaal dat Dentine leek te zijn.

“We hadden elkaar high, zoals ‘Oh mijn god, we hebben het eindelijk gedaan’, zei Haridy. “Dat zou de allereerste tandachtige structuur in gewervelde weefsels uit het Cambriaan zijn geweest. Dus we waren behoorlijk opgewonden toen we de veelbetekenende tekenen zagen van wat op Dentine leek.”

Om hun ontdekking te bevestigen, vergeleek het team de scans met die van andere oude fossielen, evenals moderne krabben, slakken, kevers, haaien, zeefjes en zelfs miniatuur Suckermouth -meerval die Haridy zelf had opgevoed.

Die vergelijkingen toonden aan dat Anatolepis meer leek op geleedpotige fossielen, waaronder een van het Milwaukee Public Museum. En wat het team dacht dat tubuli met Dentine waren, leken eigenlijk meer op Sensilla.

Maar ze vonden wel Dentine-bevattende odontodes in oude vissen zoals Eriptychius en Astraspis tijdens de scans.

De verwarring over de ware aard van Anatolepis was voortgekomen uit de fragmentarische aard van de fossielen. De meest complete stukken zijn slechts ongeveer 3 millimeter (0,1 inch) groot, zei Haridy, wat een uitdaging bleek te zijn voor vergelijkend onderzoek dat afhankelijk was van externe beeldvorming.

Maar de nieuwe scans die ze heeft uitgevoerd, maakte een 3D -blik op de fossielen mogelijk, waardoor hun interne anatomie werd onthuld.

“Dit laat ons zien dat ‘tanden’ ook zintuiglijk kunnen zijn, zelfs als ze niet in de mond zijn,” zei Haridy. “Dus er is een gevoelig pantser in deze vissen. Er is een gevoelig pantser in deze geleedpotigen. Dit verklaart de verwarring met deze vroege Cambrische dieren. Mensen dachten dat dit de vroegste gewervelde dieren was, maar het was eigenlijk een geleedpotige.”

De geavanceerde moderne beeldvorming die in de studie wordt gebruikt, is het oplossen van het debat over Anatolepis, zei Dr. Richard Dearden, een postdoctoraal onderzoeker bij het Naturalis Biodiversity Center in Leiden, Nederland. Dearden was niet betrokken bij het nieuwe onderzoek.

“(De auteurs van de studie) gebruik geavanceerde moderne beeldvormingsbenaderingen om te proberen deze vraag te regelen, een indrukwekkende strook vergelijkende gegevens samen te stellen om overtuigend vast te stellen dat Anatolepis inderdaad geen gewervelde dieren is,” zei Dearden in een e -mail.

Gepantserde kaakloze vissen zoals Astraspis en Eriptychius en oude geleedpotigen zoals Anatolepis bestaan ​​naast elkaar in de modderige ondiepe zeeën van de Ordovicische periode, die plaatsvonden tussen 485,4 miljoen en 443,8 miljoen jaar geleden.

Andere tijdgenoten van deze dieren waren grote cefalopoden zoals gigantische inktvis, evenals enorme zeeschorpioenen. Kenmerken zoals Odontodes en Sensilla zouden vissen en geleedpotigen helpen, het onderscheiden van roofdieren van prooi.

“Als je denkt aan een vroeg dier als dit, rondzwemmen met pantser erop, moet het de wereld voelen. Dit was een vrij intense roofomgeving en in staat zijn om de eigendommen van het water om hen heen te voelen, zou erg belangrijk zijn geweest,” zei senior studie -auteur Dr. Neil Shubin, de Robert R. Bensley Distinguished Service Professor of Organical Biology en Anatomy At the University of Chicago, in een verklaring. “Dus hier zien we dat ongewervelde dieren met pantser zoals hoefijzerkrabben de wereld ook moeten voelen, en het gebeurt gewoon zo dat ze op dezelfde oplossing raken.”

Verschillende moderne vissen hebben odontodes, terwijl haaien, schaatsen en sommige meervallen bedekt zijn met kleine tandzaken die denticles worden genoemd, waardoor hun huid als schuurpapier aanvoelt, zei Haridy.

Haridy bestudeerde de weefsels van de meerval die ze hief en realiseerde zich dat hun denticles op dezelfde manier met zenuwen waren verbonden als tanden bij dieren. Bij het vergelijken van tanden, odontodes en sensilla waren ze allemaal ongelooflijk vergelijkbaar, zei ze.

“We denken dat de vroegste gewervelde dieren, deze grote, gepantserde vissen, zeer vergelijkbare structuren hadden, althans morfologisch. Ze zien er hetzelfde uit in oude en moderne geleedpotigen, omdat ze allemaal deze gemineraliseerde laag maken die hun zachte weefsel duikt en hen helpt de omgeving te voelen,” zei Haridy.

Het is waarschijnlijk dat de genen die nodig zijn om odontodes te vormen ook gevoelige tanden produceerden bij dieren – inclusief mensen – later, volgens de auteurs van de studie.

De bevindingen ondersteunen het idee dat sensorische structuren eerst op exoskeletten verschenen, die vervolgens de genetische informatie boden die vervolgens kon worden gebruikt om tanden te maken omdat ze een noodzakelijk onderdeel van het leven werden, merkten de auteurs van de studie op.

“Na verloop van tijd ontwikkelden vissen kaken en het werd voordelig om puntige structuren rond en in de mond te hebben,” zei Haridy. “Kijn bij beetje had sommige vissen met kaken puntige odontodes aan de rand van de mond en uiteindelijk waren sommigen direct in de mond en vervolgens verloren over het lichaam. De relatie tussen odontodes en tanden wordt continu opgehelderd door nieuwe fossielen en moderne genetica.”

Het nieuwe onderzoek verfijnt de tijdlijn voor de eerste verschijning van harde weefsels en de vroegste voorouders van kaakvissen door Anatolepis uit de visboom van het leven te verwijderen, zei Dr. Lauren Sallan, universitair docent en hoofd van de macro -evolutie -eenheid in het Okinawa Institute of Science and Technology in Japan. Sallan, die niet betrokken was bij de nieuwe studie, zei dat het ook een intrigerende nieuwe hypothese oproept dat de schaalachtige voorlopers van tanden evolueerden om prooi, vrienden of roofdieren in het water te detecteren.

“Dit is een reële uitdaging voor schijnbaar voor de hand liggende veronderstellingen dat harde weefsels zoals dentine en structuren zoals schalen en tanden (voornamelijk) zijn geëvolueerd voor bescherming op het lichaam of in de keel voeden,” zei Sallan. “In plaats daarvan kunnen ze voor dit gebruik zijn ‘uitgeroepen’ (vervolgens gewijzigd), net zoals hoe ledematen evolueerden voordat ze werden gebruikt om op het land te lopen. Het is ook interessant om de mate van convergentie te zien tussen vroege gepantserde geleedpotigen en vissen, en roept vragen op over hoeveel ecologische overlapping tussen deze twee groepen.”

Haridy wil doorgaan met de zoektocht naar fossielen die kunnen leiden tot de oudste gewervelde dieren, gezien het feit dat onderzoekers verwachten dat er eerdere gewervelde dieren zijn dan Astraspis en Eriptychius. En hoewel ze het niet ontdekten door dit onderzoek, hebben ze de moeite waard gemaakt, zei Shubin in een e -mail.

“We waren teleurgesteld dat (Anatolepis) geen gewervelde dieren was, maar we waren verbaasd over de nieuwe ideeën die zich voordeden,” zei Shubin. “En dat kostte ons in een geheel nieuwe richting. Dat is wetenschap.”