Pourquoi les mammifères ont-ils la mâchoire inférieure raide ?

Des mâchoires de 20 pieds de long d’un rorqual bleu filtreur aux mâchoires d’une hyène et aux mentonnières fines mais croustillantes d’un humain, la paire de mandibules distinctive du mammifère a évolué dans une diversité étonnante.

Mais à première vue, avoir un seul os de chaque côté de la tête – ce qui conduit à 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 composant de chaque côté de la mâchoire.

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 des mâchoires inférieures articulées avec environ quatre os, sont capables d’ouvrir la bouche à une taille plus grande que les baleines à fanons et de disloquer leurs mâchoires pour avaler des proies plus grosses que leur tête. Même les dinosaures éteints, ou les dinosaures à bec de canard avec six os dans leurs mâchoires, pouvaient mâcher des plantes en utilisant des mouvements de la bouche plus sophistiqués que ceux des vaches d’aujourd’hui.

Alors, quel avantage, le cas échéant, les os de la mâchoire unique – qui, chez les humains et les autres primates, fusionnés au menton en une seule mâchoire solide – offrent-ils aux mammifères ?

Cette question a incité le paléontologue Jack Tseng, professeur adjoint de biologie intégrative à l’Université de Californie à Berkeley, à créer 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 étaient Les mâchoires sont une énorme avancée sur les mâchoires des poissons, lézards, serpents et autres mammifères. Il a même imprimé des modèles 3D des mâchoires inférieures de nombreuses personnes pour tester leur durabilité.

Étonnamment, la réponse est non – un seul os mandibulaire de chaque côté n’a pas un avantage significatif sur une mâchoire multi-os.

« Devrions-nous interpréter l’innovation de la mâchoire des mammifères comme une pure adaptation qui a permis, à tous égards, 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 l’animal un avantage pour mordre : les os peuvent travailler ensemble pour fournir flexibilité et rapidité. Inversement, l’os individuel de chaque côté chez les mammifères limite déjà les options disponibles à mesure que les mammifères évoluent. Ironiquement, cette limitation n’a apparemment pas empêché les mammifères de s’adapter à manger et à mâcher une grande 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 pouvez obtenir avec plusieurs os dans la mâchoire – ce qui entraîne essentiellement un mouvement plus ou plus important – et la rigidité accrue ou plus de force de morsure lorsque vous avez un seul os dans ce genre de scission », a déclaré Zeng. entre les mammifères et les non-mammifères, il est présumé avoir permis aux mammifères de devenir essentiellement des omnivores.

Cela n’a pas encore été rigoureusement testé, a déclaré Tseng.

« Personne n’a tenté 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 avait moins à voir avec la fonction de la mâchoire chez les vertébrés que ce à quoi on pourrait s’attendre.

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

« La principale conclusion est, oui, en effet, que les mammifères, compte tenu de leur mâchoire inférieure à un seul os, ont en moyenne une résistance ou une rigidité beaucoup plus élevée que n’importe quelle mâchoire non mammifère », a-t-il déclaré. « C’est généralement vrai, peu importe ce que fait un mammifère en particulier, peu importe si vous êtes un carnivore ou un herbivore. La ténacité n’est pas un trait prédateur ou un trait herbivore, c’est un trait mammifère, une signature d’un mâchoire de mammifère.

L’étude de Zeng 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 l’os supplémentaire 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 l’articulation entre les mâchoires inférieure et supérieure, ont évolué dans l’oreille interne des mammifères, donnant peut-être aux mammifères une meilleure audition que leurs cousins ​​vertébrés.

« La mâchoire rigide et durcie chez les mammifères est considérée comme un effet secondaire de la création d’un système auditif unique pour les mammifères », a déclaré Tseng.

L’utilisation de ces mâchoires dans l’oreille gauche des mammifères avec un seul os mandibulaire de chaque côté a donné une mâchoire dure qui a donné aux mammifères certains avantages en termes de ténacité – assez pour casser des os, par exemple – mais a limité leurs descendants à des variations sur un seul os, même Lorsque la mâchoire inférieure durcie n’est pas nécessaire pour manger des aliments mous. Par exemple, les fourmiliers ont développé une mâchoire incurvée vers le bas qui sert d’ouverture 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.

Zeng, qui dans le passé avait étudié des animaux broyeurs d’os comme l’hyène, voulait examiner la question à la fois du point de vue de la mâchoire et du point de vue de l’ingénierie. Pour ce faire, il a numérisé les formes bidimensionnelles des mâchoires de plus de 1 000 espèces de vertébrés, identifié les principales caractéristiques de la mâchoire des vertébrés, puis simulé les performances mécaniques de différentes formes de mâchoires, y compris des formes plausibles non vues dans la nature, pour déterminer comment les mammifères et les non-mammifères se comparent sur un ensemble de toutes les mâchoires possibles en termes de force et de fonction.

Il a été constaté que les deux groupes avaient une portée étendue et semblaient donc capables de s’adapter à une gamme similaire de force et de fonction. Cependant, les mâchoires des mammifères sont regroupées autour de formes plus rigides que les mâchoires des non-mammifères. Tseng prévoit d’élargir sa base de données pour inclure davantage d’espèces de vertébrés et également d’incorporer des scans 3D des os de la mâchoire pour une meilleure évaluation biomécanique de la rigidité et de la résistance.

Il espère également que d’autres étudieront le rôle que les gènes ont joué dans la transition des mammifères vers une structure d’oreille complexe mais une structure osseuse mandibulaire simple, quelles seraient les conséquences de cette transition pour l’évolution des mammifères et pourquoi l’évolution semble s’être verrouillée sur ce trait de mâchoire dans mammifères.

« Nous espérons que nos découvertes inciteront certaines personnes à rechercher des bases génétiques pour découvrir pourquoi il s’agit d’une rue à sens unique », a-t-il déclaré. « La prochaine étape consiste à comprendre comment la séparation distincte de la structure et de la fonction a aidé les mammifères à s’adapter à de nouveaux environnements au cours d’ères géologiques clés, telles que l’extinction des dinosaures non aviaires, ainsi que l’émergence de ponts terrestres reliant les 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’Université de Californie à Berkeley, John Flynn de l’American Museum of Natural History à New York, Timothy Rowe de l’Université du Texas à Austin et Blake Dixon de l’Université Duke à North Caroline.