Обед древних млекопитающих воспроизвели на 3D-принтере

Группа биологов и инженеров из Университета Массачусетса в Амхерсте использовала трехмерные модели зубов ранних млекопитающих и полимерные гели, имитирующие насекомых, чтобы экспериментально проверить, какие характеристики зубов наиболее важны для успешного поедания добычи. Оказалось, что самым важным фактором, определяющим эволюцию формы зубов, является их способность перемалывать добычу, а вовсе не силовые и энергетические характеристики. Статья опубликована в Journal of the Royal Society Interface.

Исследователи решили выяснить, какие характеристики зубов млекопитающих — сила укуса, энергетическая эффективность или способность перемалывать добычу — были решающими факторами, определяющими их эволюцию. Несмотря на то, что эволюции зубов млекопитающих посвящено множество исследований, в основном все они ограничиваются описаниями их формы и попытками представить, как они могли бы работать. Авторы решили пойти дальше и экспериментально протестировать работу зубов.

Для этого исследователи напечатали на 3D-принтере реплики моляров (коренных зубов) двух ранних насекомоядных млекопитающих, живших в триасе (около 200 миллионов лет назад) в тени динозавров: примитивного Morganucodon и более продвинутого Kuehneotherium. Для имитации насекомых, которыми питались эти звери, авторы сконструировали наполненные гелем бруски, покрытые полимерным «панцирем», имитирующим экзоскелет насекомых. Таких псевдонасекомых они сделали в двух разных вариантах: с мягким и жестким панцирем. Для каждого из вариантов они провели по 10 экспериментов с использованием реплик моляров Morganucodon и Kuehneotherium. В этих экспериментах, имитируя процесс пережевывания псевдонасекомых репликами зубов, ученые измеряли силу, время, энергию и ущерб, нанесенный насекомым.

Оказалось, что примитивные зубы Morganucodon требовали меньше силы и энергии для повреждения насекомых с твердым панцирем и достижения пикового усилия по сравнению с более продвинутыми зубами Kuehneotherium. Зуба Kuehneotherium требовали такого же времени, силы и энергии для повреждения насекомых с мягким панцирем, что и зубы Morganucodon, но при этом затрачивали меньше времени, силы и энергии для достижения пикового усилия. Однако главный результат заключался в том, что зубы Kuehneotherium наносили заметно больше повреждений (трещин и разрывов в полимерном покрытии) насекомым как с мягким, так и с твердым панцирем.

Результаты, как заключают ученые, говорят о том, что эволюция формы зубов у ранних млекопитающих определялась в первую очередь отбором на способность наносить максимальные повреждения добыче. Оптимизация же биомеханических параметров, таких как сила и энергия, была второстепенным, хотя тоже важным, фактором.

Как отмечают авторы, результаты оказались для них неожиданными, поскольку до сих пор основными факторами, определяющими эволюцию зубов, было принято считать параметры, позволяющие оптимизировать силу и энергию.

Это уже не первая работа, посвященная экспериментальнмоу моделированию зубов различных животных. Так, недавно ученые смоделировали укус акулы с помощью лезвий электролобзика с приклеенными на него акульими зубами. А моделирование зубов трицератопса показало, что они сделаны из «композитных материалов».

Софья Долотовская