Mystère évolutif : Pourquoi les mammifères sont-ils les seuls vertébrés à n’avoir qu’une seule mâchoire inférieure ?

Lorsque vous regardez les mâchoires d’une baleine bleue, d’une hyène ou même d’un humain, vous remarquerez quelque chose d’intéressant. Chacun, quelle que soit sa taille ou son objectif, consiste en une paire de mâchoires inférieures.

Cette structure est une caractéristique des mammifères. Il nous donne tout, de la mâchoire filtrante de 20 pieds de long de la baleine bleue, aux prouesses de broyage des os de la hyène, et nos propres mentons humains délicats.

Pourtant, cela peut sembler un inconvénient au premier abord. Après tout, pourquoi avoir un seul os de chaque côté de la tête, formant une mâchoire inférieure ou mandibule raide, serait une bonne chose ?

Y a-t-il un avantage à n’avoir qu’une seule mâchoire inférieure ?

D’autres vertébrés tels que les crocodiles et les serpents ont entre deux et 11 os dans leurs mâchoires inférieures. Cela montre qu’une mâchoire avec plusieurs os peut être avantageuse.

Par exemple, bien qu’ils aient environ cinq os de chaque côté de leur mâchoire, les crocodiles ont une force de morsure par rapport à leur taille qui est plus puissante que celle d’une hyène.

Les serpents, en revanche, peuvent ouvrir la bouche plus largement que les baleines à fanons par rapport à leur taille. Cela est dû à la structure unique de leurs mâchoires inférieures avec environ quatre os. Cette caractéristique permet même aux serpents de disloquer leurs mâchoires pour avaler des proies plus grosses que leur tête.

Alors quel est l’avantage d’avoir deux mâchoires simples. Ceux-ci sont fusionnés au menton en une mandibule solide chez les humains et les autres primates ?

C’est la question à laquelle le paléontologue Jack Tseng, professeur adjoint de biologie intégrative à l’Université de Californie à Berkeley, a cherché à répondre.

Comment l’étude sur la mâchoire a été menée

Il a construit une base de données de plus de 1 000 mâchoires de vertébrés. Cela ne représentait qu’une petite fraction des quelque 66 000 espèces de vertébrés à mâchoires sur Terre.

Son objectif? Déterminer si la structure de la mâchoire des mammifères était une amélioration évolutive par rapport aux mâchoires à plusieurs os des poissons, des lézards, des serpents et d’autres non-mammifères. Pour ce faire, Tseng a même créé des modèles 3D de nombreuses mâchoires inférieures pour tester leur durabilité.

Ce que l’équipe de recherche a appris sur les mâchoires inférieures

La réponse qu’il trouva fut surprenante. Il s’avère que le fait d’avoir une seule mâchoire inférieure de chaque côté n’offre pas un avantage significatif par rapport à une mâchoire à plusieurs os.

« Doit-on 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 la disparition des dinosaures ? Je pense que la réponse est non », a déclaré Tseng.

Au lieu de cela, il a découvert que plusieurs mâchoires donnaient aux animaux un avantage lorsqu’il s’agissait de mordre. Ces os travaillent ensemble, offrant plus de flexibilité et de vitesse. D’autre part, le seul os de chaque côté chez les mammifères limite en fait leurs options évolutives.

Fait intéressant, malgré cette limitation, les mammifères ont réussi à s’adapter et à consommer une grande variété d’aliments. Ils rivalisent avec la diversité alimentaire des vertébrés avec 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 expliqué Tseng.

« Ce genre de dichotomie entre mammifères et non-mammifères aurait permis aux mammifères de devenir essentiellement des mangeurs de toutes choses. »

Les recherches de Tseng sur les mâchoires sont révolutionnaires

« 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 noté.

Il a conclu que la structure de la mâchoire n’est pas aussi liée à sa fonction chez les vertébrés qu’on pourrait le supposer. Les mâchoires des mammifères, malgré leur forme plus diversifiée, sont 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 propriétés mécaniques différentes que les non-mammifères », a observé 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 résistance ou une rigidité significativement plus élevée par rapport à toute mâchoire non mammifère », a déclaré Tseng.

« C’est vrai dans l’ensemble, indépendamment de ce que font les mammifères spécifiques – peu importe que vous soyez 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.

Alors, pourquoi les mammifères ont-ils moins d’os dans leur mâchoire inférieure ? Ils ne les ont pas perdus. Ces os supplémentaires ont évolué pour devenir l’oreille interne des mammifères. Cela a potentiellement donné aux mammifères une audition supérieure à celle de leurs parents vertébrés.

« On pense qu’une mâchoire solide et raide chez les mammifères est un effet secondaire de l’établissement d’un système auditif unique pour les mammifères », a ajouté Tseng.

Examen de la mâchoire à travers une lentille d’ingénierie

Ce passage d’une mâchoire complexe à une mâchoire plus simple, mais avec une oreille interne complexe, a été principalement étudié au niveau de l’oreille.

Tseng a une formation dans l’étude des animaux broyeurs d’os comme les hyènes. Il voulait explorer cette transition du point de vue de la mâchoire et à travers une lentille d’ingénierie.

Il a numérisé les formes bidimensionnelles des mâchoires de plus de 1 000 espèces de vertébrés. Ensuite, il a établi les principales caractéristiques de ces mâchoires. Enfin, il a simulé leurs performances mécaniques, y compris des formes inconnues dans la nature.

Cette recherche a révélé comment les mâchoires des mammifères et des non-mammifères se comparent en termes de force et de fonction. Les deux groupes couvraient la gamme.

Cela indiquait un potentiel similaire d’adaptation. Cependant, les mâchoires des mammifères ont tendance à être plus rigides que les mâchoires des non-mammifères.

Plus de recherche prévue pour l’évolution de la mâchoire inférieure

Tseng prévoit d’étendre ses recherches en ajoutant plus d’espèces de vertébrés à sa base de données et en incorporant des scans 3D des mâchoires pour une évaluation biomécanique plus précise de la rigidité et de la force.

Il espère que d’autres chercheurs étudieront plus avant le rôle de la génétique dans l’évolution de la structure complexe de l’oreille et de la structure simple de la mâchoire des mammifères.

Il souhaite comprendre les conséquences de cette transition pour l’évolution des mammifères et pourquoi ce trait semble s’être définitivement fixé 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 conclu Tseng.

Cette étude a été publiée le mois dernier dans la revue Philosophical Transactions de la Royal Society B. Elle pourrait permettre de mieux comprendre comment cette séparation caractéristique de la structure et de la fonction chez les mammifères les a aidés à s’adapter à de nouveaux environnements à des époques géologiques clés.

Il s’agit notamment de l’extinction des dinosaures non aviaires et de l’émergence de ponts terrestres reliant les continents. Les deux ont permis le mélange de différentes communautés écologiques.

Avec Tseng, les co-auteurs de l’étude incluent 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.

En savoir plus sur les mâchoires

Les mâchoires, également connues sous le nom de mandibules, jouent un rôle essentiel dans une variété de créatures, des mammifères et des reptiles aux oiseaux et aux poissons. Ils font partie de la structure squelettique du corps. Ainsi, ils jouent un rôle déterminant dans l’alimentation et la communication. Voici quelques aspects clés sur les mâchoires :

La structure et la fonction

Chez l’homme et de nombreux autres animaux, la mâchoire est un os en forme de fer à cheval. C’est le seul os du crâne humain qui peut bouger et qui est responsable du mouvement de haut en bas de la bouche. La mâchoire maintient les dents inférieures en place et travaille avec la mâchoire supérieure pour aider à la mastication des aliments et à l’articulation de la parole.

Chez les mammifères, la mandibule est généralement constituée d’un seul os de chaque côté, ce qui est une caractéristique unique chez les vertébrés. D’autres vertébrés, comme les poissons, les reptiles et les oiseaux, ont généralement des mâchoires complexes en plusieurs parties.

Évolution

L’évolution de la mâchoire est un sujet fascinant dans le domaine de la biologie évolutive. Les mâchoires ont considérablement évolué au cours de millions d’années.

Les premiers animaux à mâchoires sont apparus au cours de la période silurienne (il y a environ 440 millions d’années). Ces premiers vertébrés à mâchoires, ou gnathostomes, comprenaient à la fois des poissons et des amphibiens.

L’évolution des mâchoires chez les mammifères est particulièrement intéressante. Les premiers ancêtres des mammifères, ou synapsides, ont commencé avec une mâchoire composée de plusieurs os.

Cependant, au fil du temps, ces os se sont simplifiés et finalement, les mammifères se sont retrouvés avec un seul os de chaque côté de la mâchoire. Certains des autres os ont migré vers l’oreille, formant les osselets auditifs. Il s’agit d’un changement évolutif important qui a peut-être amélioré l’audition chez les mammifères.

Variation entre les espèces

Les mâchoires diffèrent considérablement d’une espèce animale à l’autre, non seulement en taille et en forme, mais aussi en termes de résistance et de nombre d’os constitutifs.

Par exemple, la baleine bleue, la plus grande créature sur Terre, a des mâchoires massives qui permettent une alimentation par filtre. Les crocodiles ont des mâchoires incroyablement fortes et puissantes, et les serpents ont des mâchoires très flexibles qui peuvent se disloquer pour avaler de grosses proies.

Santé et maladie

La mâchoire peut également être affectée par divers problèmes de santé. Des troubles comme le trouble de l’articulation temporo-mandibulaire (ATM) peuvent provoquer des douleurs dans la mâchoire et les muscles contrôlant le mouvement de la mâchoire.

D’autres conditions, comme l’ostéonécrose, peuvent endommager la mâchoire elle-même. En dentisterie, le maintien de la santé de l’os de la mâchoire est crucial.

Cela est particulièrement vrai pour les procédures telles que les implants dentaires, où l’implant doit fusionner avec l’os de la mâchoire pour fournir une base solide aux dents artificielles.

Archives fossiles et anthropologie

Les mâchoires sont cruciales dans le domaine de l’anthropologie et de la paléontologie. Ils peuvent fournir une mine d’informations sur les espèces disparues, notamment leur régime alimentaire, leur âge et leur taille.

Les mâchoires peuvent même offrir des indices sur les structures sociales et les habitudes d’accouplement. Dans l’évolution humaine, les changements dans la taille et la structure de la mâchoire sont liés aux changements alimentaires. Il s’agit notamment de la transition des aliments crus aux aliments cuits et de l’avènement de l’agriculture.

En résumé, les mâchoires sont fascinantes à bien des égards, notamment la biologie, l’évolution, la santé et l’anthropologie. Ils sont essentiels pour diverses fonctions de la vie et détiennent de nombreux secrets sur notre passé évolutif et la diversité de la vie sur Terre.