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阿默斯特研究人员通过3D打印牙齿研究早期哺乳动物的进化

文章来源:网络人气:1002发表时间:2016-11-17 12:08:13

  古今中外的脊椎动物都有牙齿结构,鲨鱼和和其同类的祖先可能是第一个从用于磨碎食物的粗糙结构进化成牙齿结构的。这种进化在诸多物种中非常常见,它们可以帮助研究者研究各种动物的进化过程,所以牙齿和下颌是进化生物学家的一个非常重要的研究对象。

  唯一的问题是,化石不能进行生物功能测试,因此测试各种牙齿结构的作用是相当困难的。但3D打印技术解决了这个问题。来自马萨诸塞阿默斯特大学的研究人员制造了一套3D打印的牙齿,用于测试最早期哺乳动物的下颌能力。通过测试,他们发现,牙齿捕食的能力比咬力或动物的能量消耗对于进化来说是更为重要的原因。

  简而言之,3D打印技术帮进化生物学研究得出了一个新的结论。3D打印牙齿是基于200万年前吃昆虫的哺乳动物的牙齿制作的。牙齿形状与饮食有关,因此早期哺乳动物进化的许多知识源自牙科研究。阿默斯特的研究结果发表在最新版的英国皇家学会杂志。

  这一突破是由进化生物学博士生AndrewJohnConith和他的主管ElizabethDumont在聚合物科学家AlfredCrosby和研究生MichaelImburgia的帮助下实现的。Dumont和Crosby是马萨诸塞阿默斯特大学进化材料中心的成员。

  为了构建3D打印的牙齿模型,研究团队依靠的是两个最早的哺乳动物物种的牙齿数据:原始的Morganucodon物种和更高级的Kuehneotherium物种。这两种长得像鼩鼱的生物被认为是早期哺乳动物进化中的典型物种,并且与恐龙一起生活在2亿年前的三叠纪。

  他们面临的是进化生物学中的一个关键问题。“为什么牙齿会长成这样呢?大多数关于早期哺乳动物牙齿进化的研究已经描述了它们的外观,以及怎么发挥它们的作用,“Conith解释说,“我们进一步地制作工具来测试它们——我们运用了两种现代技术,让3D打印牙齿“咬”聚合物凝胶与它外骨骼般的外壳(为了准确模仿昆虫)。”

  正如这些实验所体现的,嚼碎食物是至关重要的。“我们认为自然选择的条件是分裂食物的能力,而嚼碎的程度决定于牙齿的形状,”Conith说。

  虽然大多数研究到目前为止都集中在狩猎期间的力量和能量使用方面。“但我认为人们需要重新看待这些典型的参数。这是一个关键点。我们没有完全推翻以前的观点,我们只是新增了一个可能性。”他补充说。

  为了得出实际结论,研究人员构造了两个模拟昆虫的矩形:一个壳硬,一个的壳软;以及Morganucodon和Kuehneotherium臼齿形状模型进行了十个实验。将3D打印牙齿接在力测试机上,研究人员测量了对“昆虫”使用的力和能量(和损伤,通过分析外骨骼中的裂缝来测量损伤)。

  事实证明,较原始的Morganucodon模型使用较少的力和能量就能破坏硬壳;而Kuehneotherium牙齿更容易破坏软壳。“更重要的是,Kuehneotherium对硬和软凝胶造成的伤害都比Morganucodon多。这些结果表明,一些早期哺乳动物牙齿形状的变化主要是由于它们选择最大化损伤,其次是才是最大化生物力学参数,如力或能量。“Conith解释,“在作科学的学问时,虽然你的想法可能正确,但是要证明你的想法相当复杂。”

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