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O interior sensível dos dentes humanos pode ter se originado de um lugar aparentemente improvável: tecido sensorial em peixes que estavam nadando nos oceanos da Terra há 465 milhões de anos.
Enquanto nossos dentes estão cobertos de esmalte duro, é dentina – a camada interna do dente responsável por transportar informações sensoriais aos nervos – que reage à pressão de uma mordida dura, dor ou mudanças como frio ou doçura extrema.
Ao tentar determinar as origens dos dentes, uma das muitas possibilidades consideradas pelos pesquisadores ao longo dos anos foi que os dentes podem ter evoluído de solavancos nos exoesqueletos blindados em peixes antigos. Mas o verdadeiro objetivo das estruturas, chamado Odontodes, não era claro.
Agora, um novo estudo e varreduras em 3D de fósseis produziram evidências de que os inchaços externos continham dentina, o que provavelmente ajudou os peixes a detectar seus arredores. Os cientistas relataram as descobertas na quarta -feira no diário Natureza.
“Coberto nesses tecidos sensíveis, talvez quando se bateu contra algo, poderia sentir essa pressão, ou talvez pudesse sentir quando a água ficou muito fria e precisava nadar em outro lugar”, disse o autor do estudo, Dr. Yara Haridy, pesquisador de pós -doutorado do Departamento de Biologia Organismal e Anatomia da Universidade de Chicago, em um email.
Durante sua análise, a equipe também descobriu semelhanças entre os odontodos e os recursos chamados Sensilla, que existem como órgãos sensoriais nas conchas de animais modernos, como caranguejos e camarões, e podem ser encontrados em artrópodes de invertebrados fossilizados. O desenvolvimento de odontodos em peixes, que são vertebrados e sensilas nos artrópodes, que são invertebrados, é um excelente exemplo de convergência evolutiva – quando características semelhantes evoluem independentemente em diferentes grupos de animais, disse Haridy.
“Esses peixes sem mandíbulas e artrópodes aglaspídicos (artrópodes marinhos extintos) têm um ancestral comum compartilhado extremamente distante que provavelmente não tinha partes difíceis”, disse Haridy. “Sabemos que vertebrados e artrópodes evoluíram partes difíceis de forma independente e surpreendentemente evoluíram mecanismos sensoriais semelhantes integrados ao seu esqueleto duro de forma independente”.
Enquanto os artrópodes mantiveram sua sensilla, os odontodes parecem ser os precursores diretos dos dentes nos animais.
Enquanto os pesquisadores compararam sensilla e odontodes, eles também chegaram a outra descoberta: uma espécie, uma vez considerada um peixe antigo, era na verdade um artrópode.
A busca pelos vertebrados mais antigos
O objetivo original de Haridy era resolver o mistério do animal de vertebrado mais antigo que existe no registro fóssil. Ela se aproximou de museus em todo o país e perguntou se poderia escanear qualquer espécimes fósseis que eles tivessem do período cambriano, 540 milhões para 485 milhões de anos atrás.
Então, ela se estabeleceu para uma noite toda no Laboratório Nacional de Argonne, onde usou sua fonte avançada de fótons para capturar tomografia computadorizada de alta resolução, ou CT, digitalizações.
“Foi uma noite no acelerador de partículas; isso foi divertido”, disse Haridy.
Uma varredura de uma estrutura de odontodo semelhante a um dente a partir de peixes de peixe-gato suckermouth mostra nervos (em verde) que permitem a transmissão de informações sensoriais do odontode para o sistema nervoso. – Yara Haridy/Universidade de Chicago
À primeira vista, um fóssil de uma criatura chamado anatolepis parecia um peixe vertebrado – e de fato, Pesquisas anteriores de 1996 o identificou como um. Haridy e seus colegas notaram que havia uma série de poros cheios de um material que parecia ser dentina.
“Estávamos no alto, como ‘Oh meu Deus, finalmente fizemos'”, disse Haridy. “Essa teria sido a primeira estrutura semelhante a um dente nos tecidos dos vertebrados do Cambriano. Então, ficamos muito animados quando vimos os sinais reveladores do que parecia dentino.”
Para confirmar sua descoberta, a equipe comparou as varreduras com as de outros fósseis antigos, bem como caranguejos, caracóis, besouros, tubarões, cracas e até miniatura de peixe -gato que Haridy se levantou.
Essas comparações mostraram que Anatolepis se assemelhava mais a fósseis de artrópodes, incluindo um do Museu Público de Milwaukee. E o que a equipe pensava eram túbulos revestidos com dentina eram realmente mais semelhantes à sensilla.
Mas eles encontraram odontodos contendo dentina em peixes antigos como Eriptychius e Astraespis durante as varreduras.
A confusão sobre a verdadeira natureza de Anatolepis se originou da natureza fragmentária dos fósseis. As peças mais completas têm apenas cerca de 3 milímetros (0,1 polegadas) de tamanho, disse Haridy, o que provou ser um desafio para a pesquisa comparativa dependente de imagens externas.
Uma tomografia computadorizada mostra dentículos em um Catshark. Essas estruturas semelhantes a dentes são conectadas ao sistema nervoso. – Yara Haridy/Universidade de Chicago
Mas as novas varreduras que ela conduziu permitiram uma olhada em 3D nos fósseis, revelando sua anatomia interna.
“Isso nos mostra que ‘dentes’ também pode ser sensorial, mesmo quando não estão na boca”, disse Haridy. “Então, há uma armadura sensível nesses peixes. Há uma armadura sensível nesses artrópodes. Isso explica a confusão com esses primeiros animais cambrianos. As pessoas pensavam que esse era o vertebrado mais antigo, mas na verdade era um artrópode”.
A imagem moderna de ponta usada no estudo está resolvendo o debate sobre Anatolepis, disse o Dr. Richard Dearden, bolsista de pesquisa de pós -doutorado no Naturalis Biodiversity Center, em Leiden, na Holanda. Dearden não estava envolvido na nova pesquisa.
“(Os autores do estudo) usam abordagens de imagens modernas de ponta para tentar resolver essa questão, reunindo uma faixa impressionante de dados comparativos para estabelecer de forma convincente que Anatolepis realmente não é um vertebrado”, disse Dearden em um email.
Armadura contra os elementos
Peixes sem queixo blindados como Astraespis e Eriptychius e artrópodes antigos, como Anatolepis, coexistiram nos mares rasos e lamacentos do período ordoviciano, que ocorreram entre 485,4 milhões e 443,8 milhões de anos atrás.
Outros contemporâneos desses animais incluíam grandes cefalópodes, como lulas gigantes, além de enormes escorpiões marinhos. Recursos como Odontodes e Sensilla ajudariam peixes e artrópodes a distinguir predadores de presas.
A ilustração deste artista mostra Astaspis sendo atacada pelo megalograpto de escorpião marítima em águas rasas escuras. O brilho dos exoesqueletos que interagem dos animais representam como os dois teriam sentido o mundo ao seu redor. – Brian Engh/Reproduções de vida
“Quando você pensa em um animal antigo como esse, nadando com armadura, ele precisa sentir o mundo. Esse era um ambiente predatório bastante intenso e ser capaz de sentir as propriedades da água ao seu redor, teria sido muito importante”, disse o autor de estudo sênior Dr. Neil Shubin, Robert R. Bensley, um professor distinto. “Então, aqui vemos que os invertebrados com armaduras como os caranguejos Horseshoe também precisam sentir o mundo, e isso acontece que eles atingem a mesma solução.”
Vários peixes modernos têm odontodes, enquanto tubarões, patins e alguns peixes -gatos são cobertos de pequenos dentes chamados dentículos, o que faz com que sua pele pareça como lixa, disse Haridy.
Haridy estudou os tecidos do peixe -gato que ela levantou e percebeu que seus dentículos estavam conectados aos nervos da mesma maneira que os dentes estão em animais. Ao comparar dentes, Odontodes e Sensilla, todos eram incrivelmente semelhantes, disse ela.
“Pensamos que os primeiros vertebrados, esses peixes grandes e blindados, tinham estruturas muito semelhantes, pelo menos morfologicamente. Eles parecem iguais nos artrópodes antigos e modernos, porque todos estão fazendo essa camada mineralizada que limita seu tecido mole e os ajuda a detectar o meio ambiente”, disse Haridy.
É provável que os genes necessários para formar odontodes também produzissem dentes sensíveis em animais – incluindo seres humanos – mais tarde, de acordo com os autores do estudo.
As descobertas apóiam a idéia de que as estruturas sensoriais apareceram primeiro em exoesqueletos, o que forneceu as informações genéticas que poderiam ser usadas para criar dentes à medida que se tornaram uma parte necessária da vida, observou os autores do estudo.
“Com o tempo, os peixes evoluíram as mandíbulas, e ficou vantajoso ter estruturas pontudas ao redor e na boca”, disse Haridy. “Pouco a pouco alguns peixes com mandíbulas tinham odontodos pontudos na beira da boca e, eventualmente, alguns estavam diretamente na boca e depois perdidos pelo corpo. A relação entre odontodes e dentes está sendo continuamente esclarecida por novos fósseis e genética moderna.”
Uma tomografia computadorizada da frente de um skate mostra os dentículos duros e de dente na pele (mostrados em laranja). – Yara Haridy/Universidade de Chicago
A nova pesquisa refina a linha do tempo para a primeira aparição de tecidos duros e os primeiros ancestrais de peixes com mandíbulas, removendo Anatolepis da Árvore da Vida, disse a Dra. Lauren Sallan, professora assistente e chefe da unidade de macroevolução do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa no Japão. Sallan, que não estava envolvido no novo estudo, disse que também levanta uma nova hipótese intrigante de que os precursores escalonos dos dentes evoluíram para detectar presas, amigos ou predadores na água.
“Este é um verdadeiro desafio para suposições aparentemente óbvias de que tecidos duros, como dentina e estruturas como escalas e dentes, evoluíram (principalmente) para proteção no corpo ou alimentação na garganta”, disse Sallan. “Em vez disso, eles podem ter sido ‘exaptados’ (subsequentemente modificados) para esses usos, assim como os membros evoluíram antes de serem usados para andar em terra. Também é interessante ver o grau de convergência entre os primeiros artrópodes blindados e peixes e levanta questões sobre a quantidade de sobreposição ecológica entre esses dois grupos.
Haridy quer continuar a busca de fósseis que possam levar aos vertebrados mais antigos, já que os pesquisadores esperam que existam vertebrados anteriores do que Astraespis e Eriptychius. E mesmo que eles não o tenham descoberto através desta pesquisa, eles fizeram descobertas valiosas, disse Shubin em um email.
“Ficamos desapontados por (Anatolepis não ser um vertebrado, mas ficamos impressionados com as novas idéias que surgiram”, disse Shubin. “E isso nos levou em uma direção totalmente nova. Isso é ciência.”
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