Pourquoi les mammifères ont-ils la mâchoire inférieure raide ?

Des mâchoires de 20 pieds de long de la baleine bleue filtreuse aux mâchoires courtes mais écrasantes de l’hyène et aux os délicats du menton d’un humain, la paire de mâchoires inférieures caractéristiques des mammifères a évolué avec des variations étonnantes. .

Mais à première vue, avoir un seul os de chaque côté de la tête, ce qui crée une raideur de la mâchoire inférieure ou de la mandibule, ne semble pas donner aux mammifères un avantage sur les autres vertébrés, qui ont au moins deux et jusqu’à 11 os. comprenant chaque côté de la mâchoire inférieure.

Les crocodiles, par exemple, ont un avantage sur les hyènes en ce qui concerne leur force de morsure par rapport à leur taille, bien qu’ils aient environ cinq os de chaque côté de la mâchoire. Les serpents, qui ont une mâchoire inférieure articulée avec environ quatre os, sont capables d’ouvrir la bouche plus grande pour leur taille que les baleines à fanons et de disloquer leurs mâchoires pour ingérer des proies plus grosses que leur tête. Même les hadrosaures éteints, ou les dinosaures à bec de canard, avec six os dans leur mâchoire, pouvaient mastiquer les plantes en utilisant des mouvements oraux plus complexes que ceux des vaches d’aujourd’hui.

Alors, quel avantage, le cas échéant, deux mâchoires simples – qui, chez les humains et les autres primates, sont fusionnées au menton en une seule mandibule solide – ont-elles donné aux mammifères ?

Cette question a motivé le paléontologue Jack Tseng, professeur adjoint de biologie intégrative à l’Université de Californie à Berkeley, à construire une base de données de plus de 1 000 mâchoires de vertébrés – une petite fraction des quelque 66 000 espèces de vertébrés à mâchoires vivantes sur Terre – pour étudier systématiquement si les mammifères les mâchoires étaient une grande avancée par rapport aux mâchoires à os multiples des poissons, des lézards, des serpents et d’autres non-mammifères. Il a même imprimé des modèles 3D des mâchoires inférieures de nombreuses personnes pour tester leur solidité.

Étonnamment, la réponse semble être non – une mâchoire inférieure isolée de chaque côté n’a pas un énorme avantage sur une mâchoire à plusieurs os.

« Devrions-nous interpréter l’innovation de la mâchoire des mammifères comme une pure adaptation qui a permis, de toutes les manières, aux mammifères d’avoir plus de succès après l’extinction des dinosaures ? Je pense que la réponse est non », a déclaré Tseng.

En fait, avoir plusieurs os dans la mâchoire donne à un animal un avantage pour mordre : les os peuvent travailler ensemble pour fournir flexibilité et vitesse. À l’inverse, le seul os de chaque côté chez les mammifères limite en fait les options disponibles à mesure que les mammifères évoluent. Paradoxalement, cette limitation n’a apparemment pas empêché les mammifères de s’adapter pour manger et mâcher une variété d’aliments, rivalisant avec la diversité alimentaire des vertébrés qui ont plus d’un os dans leur mâchoire.

« Il y a cette idée d’un compromis entre la flexibilité supplémentaire et peut-être la vitesse supplémentaire que vous pourriez obtenir avec plusieurs os dans une mâchoire – ce qui essentiellement compose ou agrandit le mouvement – et la rigidité accrue ou la force de morsure accrue lorsque vous avez un seul os dans la mâchoire », a déclaré Tseng. « Ce genre de dichotomie entre mammifères et non-mammifères aurait permis aux mammifères de devenir essentiellement des mangeurs de toutes choses. »

Mais cela n’a jamais été rigoureusement testé jusqu’à présent, a déclaré Tseng.

« Personne n’a essayé de combiner les informations de tous ces groupes de vertébrés à mâchoires pour poser des questions générales sur la relation entre la forme et la fonction de la mâchoire », a-t-il déclaré.

En fin de compte, a-t-il conclu, la structure de la mâchoire a moins à voir avec la fonction de la mâchoire chez les vertébrés qu’on pourrait s’y attendre.

« Les mâchoires de mammifères sont de formes plus diverses, mais plus limitées dans leurs caractéristiques biomécaniques, par rapport aux non-mammifères. Les mâchoires de mammifères peuvent prendre, en moyenne, des formes plus différentes que les mâchoires de non-mammifères, mais ces différentes formes ont une gamme plus étroite de différents propriétés mécaniques que les non-mammifères », a déclaré Tseng. « Il s’agit d’une nouvelle observation qui pourrait potentiellement ouvrir différentes façons d’examiner la biomécanique de la mâchoire des mammifères. »

« La principale découverte était que, oui, en effet, les mammifères, compte tenu de leur mâchoire inférieure à os unique, ont en moyenne une force ou une rigidité significativement plus élevée par rapport à toute mâchoire non mammifère », a-t-il déclaré. « C’est vrai dans l’ensemble, indépendamment de ce que font des mammifères spécifiques – peu importe si vous êtes un carnivore ou un herbivore. La rigidité n’est pas un trait de prédateur ou un trait d’herbivore, c’est un trait de mammifère, une signature de la mâchoire du mammifère.  »

L’étude de Tseng est parue dans le journal Transactions philosophiques de la Royal Society B dans le cadre d’une série sur l’évolution du crâne des mammifères.

De la mâchoire à l’oreille

Alors pourquoi les mammifères ont-ils perdu les os supplémentaires de leur mâchoire inférieure ? Eh bien, ils ne l’ont pas fait. Au lieu de cela, les os supplémentaires que les vertébrés avaient dans la mâchoire inférieure, qui étaient regroupés autour de la charnière entre la mâchoire inférieure et supérieure, ont évolué dans l’oreille interne des mammifères, donnant peut-être aux mammifères une meilleure audition que leurs cousins ​​vertébrés.

« Une mâchoire solide et raide chez les mammifères est considérée comme un effet secondaire de l’établissement d’un système auditif unique pour les mammifères », a déclaré Tseng.

La cooptation de ces os de la mâchoire dans l’oreille a laissé les mammifères avec une seule mâchoire inférieure de chaque côté, ce qui a donné une mâchoire rigide qui a donné aux mammifères un certain avantage en termes de rigidité – assez pour casser les os, par exemple – mais a limité leurs descendants à des variations sur un os unique, même lorsqu’une mâchoire inférieure raide n’était pas nécessaire pour manger des aliments mous. Les fourmiliers, par exemple, ont développé une mâchoire incurvée vers le bas qui sert de fente pour que leur longue langue puisse glisser.

À ce jour, cette transition évolutive majeure chez les mammifères – vers une oreille interne complexe, mais une mâchoire simple – a été étudiée principalement en ce qui concerne l’oreille.

Tseng, qui dans le passé a étudié les animaux broyeurs d’os comme l’hyène, a voulu examiner la question du point de vue de la mâchoire et d’une perspective d’ingénierie. Pour ce faire, il a numérisé les formes bidimensionnelles des mâchoires de plus de 1 000 types de vertébrés, établi les principales caractéristiques des mâchoires des vertébrés, puis simulé les performances mécaniques de différentes formes de mâchoires, y compris des formes plausibles inconnues dans la nature, pour déterminer comment les mammifères et non-mammifères comparés à travers la gamme de toutes les mâchoires possibles en termes de force et de fonction.

Il a constaté que les deux groupes couvraient la gamme et semblaient donc capables de s’adapter à une gamme similaire de force et de fonction. Cependant, les mâchoires des mammifères se regroupent davantage autour de formes plus rigides que les mâchoires des non-mammifères. Tseng prévoit d’étendre sa base de données à davantage d’espèces de vertébrés et d’incorporer également des scans 3D des mâchoires pour une meilleure évaluation biomécanique de la rigidité et de la résistance.

Il espère également que d’autres étudieront le rôle que joue la génétique dans la transition des mammifères vers une structure d’oreille complexe mais une structure osseuse simple dans la mâchoire inférieure, quelles ont été les conséquences de cette transition pour l’évolution des mammifères et pourquoi l’évolution semble s’être bloquée dans ce trait de la mâchoire chez les mammifères.

« Nous espérons que nos découvertes inciteront certaines personnes à rechercher des bases génétiques pour expliquer pourquoi il s’agit d’une rue à sens unique », a-t-il déclaré. « Une prochaine étape consiste à comprendre de quelle manière ce découplage caractéristique de la structure et de la fonction chez les mammifères les a aidés à s’adapter à de nouveaux environnements au cours de périodes géologiques clés, telles que l’extinction de dinosaures non aviaires, ainsi que l’apparition de ponts terrestres reliant des continents qui a permis un plus grand mélange de différentes communautés écologiques. »

Les co-auteurs de Tseng sont Sergio Garcia-Lara et Emily Holmes de l’UC Berkeley, John Flynn de l’American Museum of Natural History à New York, Timothy Rowe de l’Université du Texas à Austin et Blake Dickson de l’Université Duke en Caroline du Nord.