Warum haben Säugetiere einen steifen Unterkiefer?

Von den 20 Fuß langen Kieferknochen des filterfressenden Blauwals über die kurzen, aber knochenbrechenden Kiefer der Hyäne bis hin zu den zarten Kinnknochen eines Menschen hat sich das für Säugetiere charakteristische Unterkieferknochenpaar in erstaunlicher Vielfalt entwickelt .

Aber auf den ersten Blick scheint es, dass Säugetiere keinen Vorteil gegenüber anderen Wirbeltieren haben, die mindestens zwei und sogar elf Knochen haben, wenn auf jeder Seite des Kopfes ein einzelner Knochen vorhanden ist, der zu einem steifen Unterkiefer oder Unterkiefer führt umfasst jede Seite des Unterkiefers.

Krokodile zum Beispiel sind Hyänen in puncto Bissstärke im Verhältnis zur Größe überlegen, obwohl sie auf jeder Seite des Kiefers etwa fünf Knochen haben. Schlangen, die über einen beweglichen Unterkiefer mit etwa vier Knochen verfügen, sind in der Lage, ihr Maul für ihre Größe größer zu öffnen als Bartenwale und tatsächlich ihren Kiefer auszurenken, um Beute zu fressen, die größer als ihr Kopf ist. Sogar ausgestorbene Hadrosaurier oder Entenschnabeldinosaurier mit sechs Knochen im Kiefer konnten Pflanzen mit oralen Bewegungen zerkauen, die komplexer waren als die der heutigen Kühe.

Welchen Vorteil, wenn überhaupt, brachten zwei einzelne Kieferknochen – die bei Menschen und anderen Primaten am Kinn zu einem festen Unterkiefer verschmolzen sind – den Säugetieren?

Diese Frage motivierte den Paläontologen Jack Tseng, Assistenzprofessor für integrative Biologie an der University of California, Berkeley, dazu, eine Datenbank mit mehr als 1.000 Wirbeltierkiefern aufzubauen – einem kleinen Teil der etwa 66.000 lebenden Kieferwirbeltierarten auf der Erde –, um systematisch zu untersuchen, ob es sich um Säugetiere handelt Kiefer stellten einen großen Fortschritt gegenüber den mehrknochenigen Kiefern von Fischen, Eidechsen, Schlangen und anderen Nichtsäugetieren dar. Er druckte sogar 3D-Modelle der Unterkiefer vieler Menschen, um deren Stabilität zu testen.

Überraschenderweise scheint die Antwort nein zu sein – ein einzelner Unterkieferknochen auf jeder Seite hat keinen großen Vorteil gegenüber einem Kiefer mit mehreren Knochen.

„Sollten wir die Innovation des Säugetierkiefers als eine reine Anpassung interpretieren, die es Säugetieren in jeder Hinsicht ermöglichte, nach dem Aussterben der Dinosaurier erfolgreicher zu sein? Ich denke, die Antwort lautet nein“, sagte Tseng.

Tatsächlich verschafft das Vorhandensein mehrerer Knochen im Kiefer einem Tier einen Vorteil beim Beißen: Die Knochen können zusammenarbeiten, um für Flexibilität und Geschwindigkeit zu sorgen. Umgekehrt schränkt der einzelne Knochen pro Seite bei Säugetieren tatsächlich die Möglichkeiten ein, die sich im Laufe der Evolution der Säugetiere ergeben. Paradoxerweise hat diese Einschränkung offenbar Säugetiere nicht daran gehindert, sich an die Ernährung und das Kauen verschiedener Nahrungsmittel anzupassen, die mit der Ernährungsvielfalt von Wirbeltieren mit mehr als einem Knochen im Kiefer mithalten können.

„Es gibt die Idee eines Kompromisses zwischen der zusätzlichen Flexibilität und vielleicht auch der zusätzlichen Geschwindigkeit, die man mit mehreren Knochen in einem Kiefer erreichen könnte – was im Wesentlichen die Bewegung verschärft oder vergrößert – und der erhöhten Steifheit oder erhöhten Bissstärke, wenn man nur einen einzelnen Knochen hat den Kiefer“, sagte Tseng. „Diese Art der Dichotomie zwischen Säugetieren und Nicht-Säugetieren ermöglichte es den Säugetieren angeblich, im Wesentlichen zu Essern aller Dinge zu werden.“

Aber das sei bisher noch nie rigoros getestet worden, sagte Tseng.

„Niemand hat versucht, Informationen aus all diesen Gruppen von Kieferwirbeltieren zu kombinieren, um allgemeine Fragen darüber zu stellen, wie Kieferform und -funktion zusammenhängen“, sagte er.

Letztendlich, so kam er zu dem Schluss, habe die Struktur des Kiefers weniger mit der Funktion des Kiefers bei Wirbeltieren zu tun, als man erwarten könnte.

„Die Kiefer von Säugetieren weisen im Vergleich zu Nicht-Säugetieren eine vielfältigere Form auf, sind jedoch in ihren biomechanischen Eigenschaften stärker eingeschränkt. Die Kiefer von Säugetieren können im Durchschnitt mehr unterschiedliche Formen annehmen als die Kiefer von Nicht-Säugetieren, aber diese unterschiedlichen Formen haben einen geringeren Unterschied mechanische Eigenschaften als Nicht-Säugetiere“, sagte Tseng. „Dies ist eine neue Beobachtung, die möglicherweise neue Sichtweisen auf die Biomechanik des Kiefers von Säugetieren eröffnen könnte.“

„Das wichtigste Ergebnis war, dass Säugetiere aufgrund ihres Unterkiefers mit nur einem Knochen im Durchschnitt tatsächlich eine deutlich höhere Festigkeit oder Steifheit aufweisen als die Kiefer anderer Nicht-Säugetiere“, sagte er. „Dies gilt insgesamt, unabhängig davon, was bestimmte Säugetiere tun – es spielt keine Rolle, ob Sie ein Fleischfresser oder ein Pflanzenfresser sind. Steifheit ist kein Merkmal von Raubtieren oder Pflanzenfressern, es ist ein Merkmal von Säugetieren, eine Signatur des Säugetierkiefers.“ “

Tsengs Studie erschien in der Zeitschrift Philosophische Transaktionen der Royal Society B als Teil einer Serie über die Evolution des Säugetierschädels.

Vom Kiefer bis zum Ohr

Warum haben Säugetiere die zusätzlichen Knochen in ihrem Unterkiefer verloren? Nun, das haben sie nicht getan. Stattdessen entwickelten sich die zusätzlichen Knochen, die Wirbeltiere im Unterkiefer hatten und die sich um das Scharnier zwischen Unter- und Oberkiefer gruppierten, zum Innenohr von Säugetieren, wodurch Säugetiere vielleicht besser hören konnten als ihre Verwandten, Wirbeltiere.

„Es wird angenommen, dass ein fester, steifer Kiefer bei Säugetieren ein Nebeneffekt der Entwicklung eines einzigartigen Säugetierhörsystems ist“, sagte Tseng.

Durch die Eingliederung dieser Kieferknochen in das Ohr hatten Säugetiere nur noch einen Unterkieferknochen pro Seite, was zu einem starren Kiefer führte, der Säugetieren einen gewissen Vorteil in Bezug auf Steifheit verschaffte – genug, um beispielsweise Knochen zu knacken –, ihre Nachkommen jedoch auf Variationen eines beschränkte einzelner Knochen, auch wenn ein steifer Unterkiefer nicht nötig war, um weiche Nahrung zu sich zu nehmen. Ameisenbären zum Beispiel haben einen nach unten gebogenen Kiefer entwickelt, der als Schlitz dient, durch den ihre lange Zunge gleiten kann.

Bisher wurde dieser große evolutionäre Übergang bei Säugetieren – zu einem komplexen Innenohr, aber einem einfachen Kiefer – hauptsächlich in Bezug auf das Ohr untersucht.

Tseng, der in der Vergangenheit knochenbrechende Tiere wie die Hyäne untersucht hat, wollte die Frage aus der Sicht des Kiefers und aus technischer Sicht betrachten. Zu diesem Zweck digitalisierte er zweidimensionale Kieferformen von mehr als 1.000 Wirbeltierarten, ermittelte die Schlüsselmerkmale der Kiefer von Wirbeltieren und simulierte dann die mechanische Leistung verschiedener Kieferformen – einschließlich plausibler Formen, die in der Natur nicht vorkommen –, um zu bestimmen, wie Säugetiere und Nicht-Säugetiere im Vergleich zu allen möglichen Kiefern in Bezug auf Stärke und Funktion.

Er fand heraus, dass beide Gruppen diesen Bereich abdeckten und sich daher offenbar an einen ähnlichen Kraft- und Funktionsbereich anpassen konnten. Allerdings gruppieren sich die Kiefer von Säugetieren eher um steifere Formen als die Kiefer von Nicht-Säugetieren. Tseng plant, seine Datenbank auf weitere Wirbeltierarten zu erweitern und auch 3D-Scans von Kieferknochen einzubeziehen, um eine bessere biomechanische Beurteilung der Steifheit und Festigkeit zu ermöglichen.

Er hofft auch, dass andere untersuchen werden, welche Rolle die Genetik beim Übergang von Säugetieren zu einer komplexen Ohrstruktur, aber einer einfachen Knochenstruktur im Unterkiefer spielt, welche Konsequenzen dieser Übergang für die Evolution der Säugetiere hatte und warum die Evolution dies offenbar blockiert hat Kiefermerkmal bei Säugetieren.

„Wir hoffen, dass unsere Ergebnisse einige Menschen dazu veranlassen, nach genetischen Grundlagen dafür zu suchen, warum dies eine Einbahnstraße ist“, sagte er. „Ein nächster Schritt besteht darin, zu verstehen, auf welche Weise diese charakteristische Entkopplung von Struktur und Funktion bei Säugetieren dazu beigetragen hat, sich in entscheidenden geologischen Zeiten an neue Umgebungen anzupassen, etwa beim Aussterben nichtvogelartiger Dinosaurier oder beim Auftauchen von Landbrücken, die Kontinente miteinander verbinden.“ ermöglichte eine stärkere Vermischung verschiedener ökologischer Gemeinschaften.

Tsengs Co-Autoren sind Sergio Garcia-Lara und Emily Holmes von der UC Berkeley, John Flynn vom American Museum of Natural History in New York, Timothy Rowe von der University of Texas in Austin und Blake Dickson von der Duke University in North Carolina.