У большинства позвоночных зубы, как правило, расположены в челюсти и имеют схожее строение. Однако недавнее открытие бросает вызов этому давнему убеждению: учёные обнаружили ряды зубов, растущие прямо на голове у самцов пятнистой химеры. Эта акулоподобная рыба, обитающая в северо-восточной части Тихого океана, обладает хрящевым придатком на лбу, известным как тенакулум, который теперь оказался усеян зубами.
Открытие зубов на тенакулуме вновь разожгло научные споры о происхождении этих структур – критически важных для питания и выживания. Долгое время дискуссии фокусировались исключительно на ротовых зубах, игнорируя возможность их эволюции в других частях тела. Как отмечает Карли Коэн, постдокторант Вашингтонского университета при лабораториях Фрайдей-Харбор, «эта безумная, абсолютно невероятная особенность переворачивает давнее предположение в эволюционной биологии о том, что зубы являются исключительно ротовыми структурами». Учёная подчёркивает, что тенакулум – это не единичный курьёз, а «первый чёткий пример зубастой структуры за пределами челюсти».
Пятнистые химеры – одни из самых распространённых рыб в заливе Пьюджет-Саунд. Они относятся к группе хрящевых рыб, разошедшихся с акулами миллионы лет назад. Эти рыбы, достигающие около 60 сантиметров в длину, примечательны своими длинными, тонкими хвостами, составляющими примерно половину размера их тела. Только у взрослых самцов на лбу развивается тенакулум. В спокойном состоянии он выглядит как небольшой белый бугорок между глаз, но при возбуждении превращается в крючковатый, зазубренный орган, покрытый зубами.
Самцы используют тенакулум как для демонстрации, так и для выполнения определённых функций. Они поднимают его, чтобы отпугивать соперников, а во время спаривания используют для захвата самок за грудной плавник, удерживая пару вместе в воде. «У акул нет рук, но им нужно спариваться под водой, – объясняет Коэн. – Поэтому многие из них развили хватательные структуры, чтобы прикрепляться к партнёру во время размножения». Пятнистые химеры также используют тазовые птеригоподии для спаривания, подобно многим другим хрящевым рыбам.
В отличие от большинства акул, скатов и ромбовых скатов, чьи тела покрыты мелкими, зубоподобными чешуйками, называемыми дермальными дентикулами, пятнистые химеры в значительной степени гладкокожие, за исключением дентикул на тазовых птеригоподиях. Это необычное отсутствие дентикул навело учёных на мысль, что зубы на тенакулуме могут быть их эволюционными рудиментами. До начала исследования рассматривались две основные гипотезы: либо эти «зубы» были модифицированными дентикулами, остатками древних предков, либо это были настоящие зубы, подобные тем, что находятся во рту.
Чтобы проверить эти теории, исследователи отловили и проанализировали сотни рыб, используя микро–КТ сканирование и образцы тканей для документирования развития тенакулума. Хотя акул довольно сложно изучать, пятнистые химеры в изобилии водятся в заливе Пьюджет-Саунд, часто посещая мелководье вокруг исследовательского центра Университета Вашингтона – лабораторий Фрайдей-Харбор. Учёные также сравнили современные химеры с ископаемыми предками.
Сканирование показало, что как самцы, так и самки химер начинают формировать тенакулум на ранних стадиях развития. У самцов он вырастает из небольшого скопления клеток в маленький белый бугорок, который удлиняется между глаз, прикрепляется к мышцам, контролирующим челюсть, и, наконец, прорывается сквозь поверхность кожи, обрастая зубами. У самок эта структура никогда не формируется до конца или не минерализуется, но свидетельства её раннего развития остаются. Новые зубы укоренены в полоске ткани, называемой зубной пластинкой (dental lamina), которая обычно присутствует в челюсти, но никогда ранее не была задокументирована в других местах. «Когда мы впервые увидели зубную пластинку, мы были поражены, – делится Коэн. – Было так волнительно обнаружить эту важнейшую структуру за пределами челюсти».
У людей зубная пластинка распадается после формирования постоянных зубов, но многие позвоночные сохраняют способность заменять зубы. Акулы, например, имеют «постоянный конвейер» новых зубов, говорит Коэн. Дермальные дентикулы, включая те, что на тазовых птеригоподиях пятнистой химеры, не имеют зубной пластинки. Выявление этой структуры стало убедительным доказательством того, что зубы на тенакулуме действительно являются зубами, а не оставшимися дентикулами. Генетические данные также подтвердили этот вывод. «Зубы позвоночных очень тесно связаны одним и тем же генетическим инструментарием», – отмечает Коэн.
Анализ образцов тканей показал, что гены, связанные с зубами у всех позвоночных, экспрессировались в тенакулуме, но не в дентикулах. Изучение ископаемых также выявило аналогичные зубы на тенакулуме у родственных видов. «У нас есть комбинация экспериментальных данных и палеонтологических свидетельств, показывающих, как эти рыбы заимствовали уже существующую программу производства зубов для создания нового приспособления, необходимого для размножения», – объясняет Майкл Коутс, профессор и заведующий кафедрой биологии и анатомии организмов в Чикагском университете и соавтор работы.
Современные взрослые самцы пятнистой химеры могут иметь семь или восемь рядов крючковатых зубов на своем тенакулуме. Эти зубы втягиваются и сгибаются больше, чем обычные клыки, позволяя рыбе крепко держаться за партнёра во время плавания. Размер тенакулума, по всей видимости, не связан с длиной рыбы; его развитие, скорее, соотносится с тазовыми птеригоподиями, что предполагает регуляцию мигрировавших тканей другими механизмами. «Если эти странные химеры располагают зубы на передней части головы, это заставляет задуматься о динамичности развития зубов в более общем смысле», – рассуждает Гарет Фрейзер, профессор биологии Флоридского университета и старший автор исследования. Акулы часто служат моделью для изучения зубов и их развития, поскольку у них много ротовых зубов и они покрыты дентикулами. Однако, по словам Коэн, акулы представляют лишь малую часть всего зубного разнообразия, существовавшего в истории. «Химеры дают редкую возможность заглянуть в прошлое, – заключает она. – Думаю, чем больше мы будем изучать колючие структуры у позвоночных, тем больше зубов будем находить за пределами челюсти».
Результаты этого новаторского исследования были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Финансирование работы осуществлялось Национальным научным фондом, фондом Save Our Seas Foundation и внутренними грантами лабораторий Фрайдей-Харбор, поддерживающими инновационные исследования на ранних этапах карьеры.
