Dos maxilares de 20 pés de comprimento da baleia azul que se alimenta por filtro até os maxilares curtos, mas esmagadores, da hiena e os delicados ossos do queixo de um ser humano, o par de maxilares inferiores característicos dos mamíferos evoluiu com uma variação incrível. 

Mas, à primeira vista, ter um único osso em cada lado da cabeça – o que cria uma mandíbula rígida – não parece dar aos mamíferos uma vantagem sobre outros vertebrados, que têm pelo menos dois e até 11 ossos. compreendendo cada lado da mandíbula inferior.

Os crocodilos, por exemplo, têm uma vantagem sobre as hienas quando se trata de força de mordida em relação ao tamanho, apesar de terem cerca de cinco ossos em cada lado da mandíbula. As cobras, que têm uma mandíbula articulada com cerca de quatro ossos, são capazes de abrir a boca maior para seu tamanho do que as baleias de barbatanas e realmente deslocar suas mandíbulas para ingerir presas maiores que suas cabeças. Mesmo os extintos hadrossauros, ou dinossauros bico de pato, com seis ossos na mandíbula, podiam mastigar plantas usando movimentos orais mais complexos do que os das vacas de hoje.

Então, que vantagem, se houver, dois maxilares únicos – que em humanos e outros primatas são fundidos no queixo em uma mandíbula sólida – dão aos mamíferos?

Essa questão motivou o paleontólogo Jack Tseng, professor assistente de biologia integrativa na Universidade da Califórnia, Berkeley, a construir um banco de dados de mais de 1.000 mandíbulas de vertebrados – uma pequena fração das aproximadamente 66.000 espécies de vertebrados com mandíbulas vivas na Terra – para estudar sistematicamente se os mamíferos mandíbulas foram um grande avanço sobre as mandíbulas de ossos múltiplos de peixes, lagartos, cobras e outros não mamíferos. Ele até imprimiu modelos 3D das mandíbulas inferiores de muitos para testar sua robustez.

Surpreendentemente, a resposta parece ser não – um maxilar inferior solitário de cada lado não tem uma grande vantagem sobre um maxilar com vários ossos.

"Devemos interpretar a inovação da mandíbula dos mamíferos como uma adaptação pura que permitiu, de todas as formas, que os mamíferos tivessem mais sucesso depois que os dinossauros foram extintos? Acho que a resposta é não", disse Tseng.

Na verdade, ter vários ossos na mandíbula dá ao animal uma vantagem na mordida: os ossos podem trabalhar juntos para fornecer flexibilidade e velocidade. Por outro lado, o único osso de cada lado nos mamíferos, na verdade, restringe as opções disponíveis à medida que os mamíferos evoluem. Paradoxalmente, essa limitação aparentemente não impediu que os mamíferos se adaptassem para comer e mastigar uma variedade de alimentos, rivalizando com a diversidade alimentar dos vertebrados que possuem mais de um osso na mandíbula.

"Existe a ideia de uma compensação entre a flexibilidade adicional e talvez a velocidade adicional que você pode alcançar com vários ossos em uma mandíbula - o que essencialmente combina ou aumenta o movimento - e o aumento da rigidez ou força de mordida quando você tem um único osso na mandíbula. a mandíbula", disse Tseng. “Esse tipo de dicotomia entre mamíferos e não mamíferos supostamente permitiu que os mamíferos se tornassem essencialmente comedores de todas as coisas”.

Mas isso nunca foi rigorosamente testado até agora, disse Tseng.

“Ninguém tentou combinar informações de todos esses grupos de vertebrados com mandíbula para fazer perguntas gerais sobre como a forma e a função da mandíbula estão relacionadas”, disse ele.

No final, ele concluiu, a estrutura da mandíbula tem menos a ver com a função da mandíbula nos vertebrados do que se poderia esperar.

"Mandíbulas de mamíferos são mais diversificadas em forma, ainda mais restritas em suas características biomecânicas, em comparação com não mamíferos. propriedades mecânicas do que não-mamíferos", disse Tseng. “Esta é uma nova observação que poderia potencialmente abrir diferentes maneiras de olhar para a biomecânica da mandíbula dos mamíferos”.

“A principal descoberta foi que, sim, de fato, os mamíferos, devido à sua mandíbula inferior de osso único, têm força ou rigidez significativamente maior em média em comparação com qualquer mandíbula não mamífera”, disse ele. "Isso é verdade em geral, independentemente do que mamíferos específicos estão fazendo - não importa se você é carnívoro ou herbívoro. A rigidez não é uma característica de predador ou herbívoro, é uma característica de mamífero, uma assinatura da mandíbula do mamífero . "

O estudo de Tseng apareceu na revista Philosophical Transactions of the Royal Society B como parte de uma série sobre a evolução do crânio dos mamíferos.

Então, por que os mamíferos perderam os ossos extras em sua mandíbula inferior? Bem, eles não o fizeram. Em vez disso, os ossos extras que os vertebrados tinham na mandíbula inferior, agrupados em torno da dobradiça entre a mandíbula inferior e a superior, evoluíram para o ouvido interno dos mamíferos, talvez dando aos mamíferos uma audição melhor do que seus primos vertebrados.

“Acredita-se que uma mandíbula sólida e rígida em mamíferos seja um efeito colateral do estabelecimento de um sistema auditivo exclusivamente mamífero”, disse Tseng.

Cooptar esses ossos da mandíbula no ouvido deixou os mamíferos com apenas um maxilar inferior de cada lado, criando uma mandíbula rígida que deu aos mamíferos alguma vantagem em termos de rigidez - o suficiente para quebrar ossos, por exemplo - mas limitou seus descendentes a variações em um osso único, mesmo quando uma mandíbula inferior rígida não era necessária para comer alimentos macios. Os tamanduás, por exemplo, desenvolveram uma mandíbula curvada para baixo que serve como uma abertura para a longa língua deslizar.

Até o momento, essa importante transição evolutiva em mamíferos - para um ouvido interno complexo, mas mandíbula simples - foi estudada principalmente no que se refere ao ouvido.

Tseng, que no passado estudou animais esmagadores de ossos como a hiena, queria ver a questão do ponto de vista da mandíbula e de uma perspectiva de engenharia. Para fazer isso, ele digitalizou formas bidimensionais de mandíbulas de mais de 1.000 tipos de vertebrados, estabeleceu as principais características das mandíbulas de vertebrados e então simulou o desempenho mecânico de diferentes formas de mandíbulas – incluindo formas plausíveis não vistas na natureza – para determinar como mamíferos e não-mamíferos comparados em toda a gama de todas as mandíbulas possíveis em termos de força e função.

Ele descobriu que ambos os grupos abrangeram o intervalo e, portanto, parecem capazes de se adaptar a um intervalo semelhante de força e função. No entanto, as mandíbulas dos mamíferos se agrupam mais em torno de formas mais rígidas do que as mandíbulas dos não mamíferos. Tseng planeja expandir seu banco de dados para mais espécies de vertebrados e também incorporar varreduras 3D de mandíbulas para uma melhor avaliação biomecânica de rigidez e força.

Ele também espera que outros investiguem o papel que a genética desempenha na transição dos mamíferos para uma estrutura complexa da orelha, mas uma estrutura óssea simples na mandíbula inferior, quais foram as consequências dessa transição para a evolução dos mamíferos e por que a evolução parece ter travado isso. característica da mandíbula em mamíferos.

"Esperamos que nossas descobertas levem algumas pessoas a procurar bases genéticas para explicar por que essa é uma via de mão única", disse ele. “O próximo passo é entender de que maneira essa dissociação característica de estrutura e função nos mamíferos os ajudou a se adaptar a novos ambientes durante os principais tempos geológicos, como a extinção de dinossauros não aviários, bem como o aparecimento de pontes terrestres conectando continentes que permitiu uma maior mistura de diferentes comunidades ecológicas."

Os coautores de Tseng são Sergio Garcia-Lara e Emily Holmes da UC Berkeley, John Flynn do Museu Americano de História Natural de Nova York, Timothy Rowe da Universidade do Texas em Austin e Blake Dickson da Duke University na Carolina do Norte.