Crâne de chimpanzé rendu par CT (à gauche) avec une image agrandie d'une molaire pratiquement extraite (au milieu). La couche externe, appelé émail, est rendu transparent révélant le paysage 3D du noyau dentinaire sous-jacent d'une molaire. L'emplacement des cellules de signalisation embryonnaires qui détermineront la future position de la cuspide est indiqué par des sphères jaunes (au milieu). La distribution de ces centres de signalisation à travers le paysage dentinaire est mesurée comme une série de distances intercuspides (flèches rouges à droite, Haut), qui détermine le nombre de cuspides qui finiront par se développer sur une couronne molaire, ainsi que la quantité de terrain tracée par chaque cuspide (lignes pointillées à droite, bas). Crédit :Alejandra Ortiz et Gary Schwartz
Partout dans le monde des mammifères, les dents sont de toutes sortes de formes et de tailles. Leur taille et leur forme particulières sont le résultat de millions d'années de mise au point évolutive pour produire des dents capables de décomposer efficacement les aliments du régime alimentaire d'un animal. Par conséquent, les mammifères qui sont étroitement liés et qui ont un menu similaire ont tendance à avoir des dents assez similaires. De nouvelles recherches suggèrent, cependant, que ces similitudes ne sont peut-être que « superficielles ».
Les dents à l'arrière de la bouche - les molaires - ont une série de bosses, crêtes, et des rainures à travers la surface de mastication. Ce paysage dentaire complexe est le produit de la disposition spatiale des cuspides, qui sont des projections de surface coniques qui écrasent les aliments avant de les avaler. Combien y a-t-il de cuspides, comment ils sont positionnés, et la taille et la forme qu'ils prennent ensemble déterminent la forme ou la configuration globale de notre molaire.
Au cours de l'évolution des hominidés (les humains modernes et leurs ancêtres fossiles), les molaires ont nettement changé de configuration, avec certains groupes développant des cuspides plus grandes et d'autres des molaires évoluant avec une batterie de cuspides supplémentaires plus petites.
La cartographie de ces changements a permis de mieux comprendre notre compréhension de l'histoire de la population humaine moderne. Il nous a même permis d'identifier de nouvelles espèces d'hominidés fossiles, parfois à partir de restes dentaires fragmentaires, et de reconstruire quelle espèce est plus étroitement liée à qui. Exactement comment certaines populations d'humains modernes, et quelques espèces d'hominidés fossiles, molaires complexes évoluées avec de nombreuses cuspides de tailles variables, tandis que d'autres ont évolué vers des configurations molaires plus simplifiées, cependant, est inconnu.
Dans une étude publiée cette semaine dans Avancées scientifiques , une équipe internationale de chercheurs de l'Institute of Human Origins et de la School of Human Evolution and Social Change de l'Arizona State University, L'Université de New York, Université du Kent, et l'Institut Max Planck d'anthropologie évolutive ont découvert qu'un simple La règle de développement simple - la « cascade de motifs » - est suffisamment puissante pour expliquer la variabilité massive de la configuration de la couronne molaire au cours des 15 derniers millions d'années de l'évolution des singes et de l'homme.
"Au lieu d'invoquer grand, des scénarios compliqués pour expliquer les changements majeurs dans l'évolution molaire au cours des origines des hominidés, nous avons constaté que de simples ajustements et modifications à cette seule règle de développement peuvent expliquer la plupart de ces changements, " dit Alejandra Ortiz, chercheur postdoctoral à l'Institute of Human Origins de l'Arizona State University et auteur principal de l'étude.
Dans la dernière décennie, la compréhension des chercheurs du développement de la cuspide molaire a été multipliée par cent. Ils savent maintenant que la formation de ces cuspides est régie par un processus moléculaire qui démarre à un stade embryonnaire précoce. Sur la base de travaux expérimentaux sur des souris, le modèle de cascade de structuration prédit que la configuration molaire est principalement déterminée par la distribution spatiale et temporelle d'un ensemble de cellules de signalisation.
Les amas de cellules de signalisation (et leurs cuspides résultantes) qui se développent plus tôt influencent fortement l'expression des cuspides qui se développent plus tard. Cet effet en cascade peut conduire soit à favoriser une augmentation de la taille et du nombre de cuspides supplémentaires, soit à contraindre leur développement à produire des cuspides plus petites, moins de cuspides. On ne savait pas si ce genre de phénomène de cliquet développemental simple pouvait expliquer la vaste gamme de configurations molaires présentes chez les singes et les ancêtres humains.
En utilisant la tomodensitométrie de pointe et la technologie d'imagerie numérique appliquée à des centaines de molaires fossiles et récentes, Ortiz et ses collègues ont créé des cartes virtuelles du paysage dentaire des dents en développement pour tracer l'emplacement précis des cellules de signalisation embryonnaires à partir desquelles les cuspides molaires se développent. À la grande surprise de l'équipe de recherche, les prédictions du modèle tenues, pas seulement pour les humains modernes, mais pour plus de 17 espèces de singes et d'hominidés répartis sur des millions d'années d'évolution et de diversification des primates supérieurs.
"Non seulement le modèle fonctionne pour expliquer les différences dans la conception molaire de base, mais il est également suffisamment puissant pour prédire avec précision la gamme de variantes de taille, forme, et présence supplémentaire de cuspide, du plus subtil au plus extrême, pour la plupart des singes, les hominidés fossiles, et les humains modernes, " dit Ortiz.
Ces résultats correspondent à un corpus croissant de travaux au sein de la biologie du développement évolutif qui est très simple, des règles de développement simples sont responsables de la génération de la myriade de caractéristiques dentaires que l'on trouve dans les dents des mammifères.
« Le résultat le plus excitant a été de savoir à quel point nos résultats correspondent à une vision émergente selon laquelle l'évolution de l'anatomie complexe procède par petit, des ajustements subtils à la boîte à outils de développement sous-jacente plutôt que par des sauts majeurs, " dit Gary Schwartz, un paléoanthropologue à l'Institut des origines humaines de l'ASU et co-auteur de l'étude.
Cette nouvelle étude est conforme à l'idée que simple, des altérations subtiles dans la façon dont les gènes codent pour des caractéristiques complexes peuvent entraîner la vaste gamme de configurations dentaires différentes que nous voyons chez les hominidés et nos cousins singes. Cela fait partie d'un changement dans notre compréhension de la façon dont la sélection naturelle peut générer facilement et rapidement une nouvelle anatomie adaptée à une fonction particulière.
" Que tout cela est précis, des informations détaillées sont contenues profondément dans les dents, " continua Schwartz, "même les dents de nos parents fossiles disparus depuis longtemps, est tout simplement remarquable."
"Notre recherche, démontrant qu'une seule règle de développement peut expliquer les innombrables variations que nous observons chez les mammifères, signifie également que nous devons faire attention à ne pas déduire des relations d'espèces éteintes basées sur une forme partagée, " a déclaré Shara Bailey, co-auteur et paléoanthropologue à l'Université de New York. "Il devient de plus en plus clair que les similitudes dans la forme des dents n'indiquent pas nécessairement une ascendance partagée récente, " a ajouté Bailey.
