新的研究表明，牙本质，牙齿的内层，向牙髓内的神经传递感官信息，最初是在古代鱼类的盔甲外骨骼中作为感官组织进化而来的。
任何曾在牙科清洁中扭动的人都能告诉你牙齿是多么敏感。这种敏感性提供了关于温度、压力——以及是的，疼痛——的重要反馈，因为我们在咬和咀嚼食物时。然而，硬琺瑯质内部的敏感部分最初是为其他目的进化的。
来自芝加哥大学的新研究表明，牙本质，牙齿的内层，向牙髓内的神经传递感官信息，最初是在古代鱼类的盔甲外骨骼中作为感官组织进化而来的。
古生物学家长期以来认为，牙齿是由这种盔甲上的隆起结构演变而来的，但其目的并不明确。这个星期发表在Nature上的新研究确认，这些结构出现在约4.65亿年前的奥陶纪早期脊椎动物鱼中，包含牙本质，并可能帮助该生物感知其周围水域的条件。
研究还表明，来自寒武纪（4.85-5.4亿年前）的化石中被认为是牙齿的结构与化石无脊椎动物的盔甲特征相似，以及现代节肢动物如螃蟹和虾的壳上的感官器官。这些相似性暗示，功能多样的动物盔甲中的感官器官在脊椎动物和无脊椎动物中是独立进化的，以帮助它们感知周围的更大世界。
“当你想到这样一只早期动物时，它在盔甲中游动，需要感知这个世界。这是一个相当激烈的捕食环境，能够感知周围水的特性将非常重要，”芝加哥大学的博士Neil Shubin说，他是这种新研究的高级作者。“所以，在这里我们看到，像马蹄蟹这样的无脊椎动物也需要感知这个世界，而恰好它们采用了相同的解决方案。”
粒子加速器之夜
领导这一研究的Yara Haridy博士，是Shubin实验室的博士后研究员，她在开始项目时并不是在寻找牙齿的起源。相反，她希望回答另一个长期存在的古生物学问题：化石记录中最早的脊椎动物是什么？Haridy向全国的博物馆询问寒武纪（4.85-5.4亿年前）的化石标本，以便进行CT扫描，寻找脊椎动物特征的明显迹象。
在后来的鱼类中，至少其中一个标志是外部盔甲上肿起部分的牙本质的存在，称为齿微突。Haridy收集了数百个标本，其中一些只是可以适应牙签尖的小碎片。然后她将它们带到阿贡国家实验室进行一整夜的扫描会话，使用先进的光子源，捕获化石的超高分辨率CT图像。“在粒子加速器的夜晚，那感觉很有趣，”Haridy说。
他们开始看到扫描图像时，从一个名为Anatolepis的寒武纪化石样本中，似乎显示出脊椎动物鱼的特征。它在齿微突下方有一系列的管道或孔，充满了带有牙本质化学特征的物质。如果它确实是一个脊椎动物，这个标本将把化石记录向前推进十几百万年。
“我们互相击掌，像‘哦我的天，我们终于做到了’，”Haridy说。“那将是寒武纪中脊椎动物组织中的第一个类似牙齿的结构。因此，当我们看到看起来像牙本质的明显迹象时，我们非常兴奋。”
当然，他们需要确认这一点，因此他们开始分析Haridy扫描的其他标本的图像。这些壳和骨骼的图书馆包括从其他古代化石到现代螃蟹、蜗牛、甲虫、藤壶、鲨鱼和鳐鱼，以及Haridy自己在水族馆养的小型吸口鲶鱼。
一旦他们将可能的脊椎动物Anatolepis与密尔沃基公共博物馆已知的节肢动物化石进行比较，他们意识到，看起来像脊椎动物的牙本质的管道，更像是螃蟹壳上的感官器官，称为感受器。 这意味着，被声称为脊椎动物的Anatolepis，实际上是一种古代无脊椎节肢动物。在另一个奥陶纪脊椎动物Eriptychius中，大的管道结构与这些感受器相似，但确实包含牙本质。
“这向我们表明，‘牙齿’即使不在口中时也可以是感官的，”Haridy说。“因此，这些鱼的盔甲中有敏感的部分。这些节肢动物中有敏感的盔甲。这解释了早期寒武纪动物的混淆。人们认为这是最早的脊椎动物，但它实际上是一个节肢动物。”
化石记录中散布的类牙结构
鲨鱼、鳐鱼和鲶鱼也有称为牙鳞的类牙结构，使它们的皮肤感觉像砂纸。当Haridy研究她的鲶鱼组织时，她看到牙鳞与神经连接，就像牙齿一样。她说，这与古代盔甲鱼类的牙齿和节肢动物的感受器的相似性令人瞩目。
“我们认为，最早的脊椎动物，这些大型装甲鱼，至少在形态学上有非常相似的结构。它们在古代和现代节肢动物中看起来相同，因为它们都制作这种矿化层，覆盖其软组织并帮助它们感知环境，”她说。
关于这些结构如何最终成为牙齿有两种观点。一种，“由内而外”假说认为，牙齿最初产生，后来被适应用于外骨骼。本文将支持第二种“由外而内”假说，该假说认为，敏感结构最初在外骨骼上发展，在某个时刻，动物利用相同的基因工具来产生敏感牙齿。
虽然他们没有确切找到最早的脊椎动物鱼，但Shubin表示，这一发现是绝对值得的。
“对于一些被认为是早期脊椎动物的化石，我们证明它们不是。但那是一种误导，”Shubin说。“我们没有找到最早的，但在某种意义上，我们发现了一些更酷的东西。”
这项研究《脊椎动物牙齿的起源与感官外骨骼的发展》，得到了国家科学基金会、美国能源部和布林森家族基金会的支持。其他作者包括来自芝加哥大学的Sam C.P. Norris、Matteo Fabbri、Neelima Sharma、Mark Rivers、Patrick La Riviere和Phillip Vargas；来自哈佛大学的Karma Nanglu和Javier Ortega-Hernández；以及来自密苏里州立大学的James F Miller。
