PMC

Discussion

Pakované fluorochromové značení jedinců s formujícími se zuby umožňuje detailní analýzu růstových procesů zubů na základě omezeného počtu vzorků. Pomocí tohoto přístupu jsme rekonstruovali tvorbu korunky molárů u ovcí plemene Soay na základě 147 vývojových stadií ze vzorku 27 značených molárů 11 jedinců. To nám umožnilo posoudit období formování různých částí korunek stoliček. Zatímco některá označení přesně (v rozmezí několika dnů) označovala dosažení charakteristického vývojového stadia, u jiných stadií vzor označení neumožňoval tak přesné určení. V těchto případech jsme museli dosažení určitého vývojového stadia rekonstruovat interpolací. Bez ohledu na tato omezení je analýza fluorochromem značených zubů jedinců známého věku cenným přístupem k rekonstrukci vývoje zubů. Tento přístup lze považovat za retrospektivní longitudinální růstovou studii. Studie s podobným designem byly již dříve provedeny za účelem charakterizace rychlosti růstu korunky a přírůstkových vzorců ve sklovině a dentinu různých druhů savců .

Hlavním zjištěním naší studie je, že tvorba korunky moláru u ovce Soay pokračuje ještě dlouhou dobu po vytvoření infundibulárního patra a také po začátku okluzního opotřebení. Tvorba molární korunky zahrnuje období od pozdního fetálního vývoje (začátek mineralizace u M1) do více než 900 dnů po narození (dokončení korunky u M3). K okluznímu opotřebení docházelo nejprve u molárů, u nichž bylo dokončeno infundibulární patro a bylo již vytvořeno malé množství (3-5 mm) báze korunky. Proto lze dokončení patra infundibula u mandibulárních molárů považovat za zástupný ukazatel začátku erupce zubu (vynoření dásně) u ovcí.

Při metodách použitých v této studii nebylo možné přesně určit prenatální začátek tvorby skloviny u studovaného M1. Na základě rychlosti apozice minerálů v dentinu jsme však již dříve rekonstruovali počátek prenatální tvorby tvrdých tkání u těchto zubů na dobu mezi 20 a 40 dny před narozením . To se docela dobře shoduje s obdobím 49 dnů pro prenatální tvorbu korunky v M1 zaznamenaným u ovcí (plemeno Dorset) na základě počtu laminací v prenatální sklovině a výpočtu EER . Studie na fetálních ovcích uvádí dosažení stadia zvonu zárodku zubu M1 v 53. den březosti . U nejstaršího plodu (56. den gestačního věku) z této studie se tvrdé tkáně ještě nezačaly tvořit. Vzhledem k délce březosti u ovcí přibližně 150 dní to naznačuje dobu nejméně 50 dní mezi dosažením stadia zvonku a začátkem mineralizace korunky v M1. Z našich údajů vyplývá, že mezi začátkem mineralizace korunky a dokončením dna infundibula v M1 uplyne 80 až 100 dní.

V předním laloku M1 ovce Soay po dokončení dna infundibula následuje další růstové období v délce přibližně 220 dní. U ovce M2, u níž mineralizace korunky začíná přibližně ve třech měsících postnatálního věku, uplyne mezi začátkem mineralizace korunky a dokončením patra infundibula přibližně 210 dní a dalších 260 dní, než dojde k přechodu korunka-kořen v předním laloku bukálně. V předním laloku M3 uplyne mezi začátkem mineralizace korunky (ve věku 12 až 13 měsíců) a dokončením infundibulárního patra přibližně 210 dní, po nichž následuje dalších 300 dní prodlužování korunky před přechodem korunka-kořen. V zadních lalocích M1 a M2 a ve středním a zadním laloku M3 začíná mineralizace korunky o něco později a tvorba korunky trvá o něco déle než v předních lalocích.

Převažující časový vztah mezi dokončením tvorby korunky a začátkem opotřebení u stoliček artiodaktylů, jak schematicky znázornil Hillson pro rody Cervus (mezodontní stav) a Bos (hypsodontní stav), je takový, že tvorba korunky je již dokončena a tvorba kořene je v plném proudu, když se zuby začnou opotřebovávat. Prodloužená část báze korunky ovčích stoliček je hlavním rozdílem oproti situaci u Cervus a Bos, kde se dno infundibula nachází v blízkosti nejvyšších apikálních bodů CRB (Witzel et al., nepublikované pozorování). Růstový vzorec stoliček ovcí se liší od růstu mnoha jiných druhů sudokopytníků tím, že prodlužování korunky pokračuje ještě značnou dobu po dosažení okluzního kontaktu zubů, což je stav označovaný jako počínající hypselodoncie . Kromě ovcí ( a této studie) se tento vzorec vyskytuje také u pronghornů , Myotragus balearicus, fosilního druhu ostrovní kozy (X. Jordana, osobní sdělení 2015), a u existujících i vymřelých druhů koňovitých .

Prodloužené období růstu korunky u hypsodontních zubů vyžaduje vyšší investice ve srovnání s tvorbou brachydontních zubů. Dodatečná investice je částečně způsobena zvýšeným počtem ameloblastů a prodlouženým funkčním obdobím sklovinného orgánu. Také musí být rekrutován vyšší počet odontoblastů a musí se vytvořit více dentinu.

Zvýšení výšky korunky vyžaduje prodloužené přetrvávání niky kmenových buněk odvozených od epitelu v cervikální kličce zubního zárodku . Bylo prokázáno, že ke změně tvaru zubní korunky nebo relativních proporcí částí zubu se nemusí vyvinout žádné nové signální molekuly nebo dráhy. Změny velikosti a tvaru zubu se dosahuje spíše změnou časových vzorců exprese genů kódujících stávající signální molekuly (BMP2 a 4, SHH, IGF, FGF10, follistatin a aktivin) . U stále rostoucích (hypselodontních) zubů je přetrvávání niky epiteliálních kmenových buněk podobně spojeno s působením různých signálních molekul (BMP4, FGF3, 9 a 10, Activin a NOTCH) . Lze předpokládat, že stejné nebo podobné molekuly se podílejí na prodloužení doby růstu korunky ovčích molárů.

Daňa (Dama dama) je jelenovitý druh s tělesnou hmotností (samice 35-50 kg, samci 50-80 kg ) v rozmezí neošlechtěných plemen domácích ovcí . Tělesná hmotnost ovcí plemene Soay je mírně pod tímto rozmezím . Doba tvorby mezodontních molárů daňků je jen asi poloviční ve srovnání s hypsodontními moláry soayských ovcí (CFT M1: Dama cca 150 dní – Soay cca 300 dní; CFT M2: Dama cca 220 dní – Soay cca 470 dní; CFT M3: Dama cca 260 dní – Soay cca 500 dní) . Údaje uváděné pro vývoj zubu Dama neumožňují rozlišit dobu tvorby jednotlivých částí korunky u M1. U M2 a M3 však lze prokázat, že doba tvorby korunkové části umístěné cuspalem ke dnu infundibula se u daňků a soayských ovcí liší mnohem méně (M2: Dama cca 130 dní – Soay cca 200 dní; M3: Dama cca 180 dní – Soay cca 210 dní) než doba tvorby základní části korunky (M2: Dama cca 90 dní – Soay cca 260 dní; M3: Dama cca 80 dní – Soay cca 300 dní).

Doby tvorby předních laloků čelistních molárů ovcí plemene Soay stanovené v naší studii jsou o několik měsíců delší než celkové doby tvorby korunky uváděné u moderních plemen ovcí na základě radiografických a/nebo makroskopických vyšetření . Tyto studie také uvádějí dřívější nástup mineralizace u M2 (ve věku jednoho měsíce) a M3 (ve věku 9 až < 12 měsíců) ve srovnání s naší studií u soayských ovcí. Důvodem tohoto rozporu může být skutečnost, že v těchto studiích byly nejmladší analyzované ovce staré již 3 až 6 , 5 nebo 6 měsíců, takže počátek mineralizace M2 musel být extrapolován. V nedávné studii na dorsetských ovcích byl nástup mineralizace M2 poprvé zaznamenán u zvířat ve věku 88 dní . Tato hodnota se dobře shoduje s našimi zjištěními pro počátek mineralizace M2 u ovcí plemene Soay (přibližně v 90 dnech). Stejně tak přibližné doby formování předních korunkových laloků čelistních molárů soayských ovcí (300 dní pro M1, 460 dní pro M2 a 500 dní pro M3) jsou jen o málo vyšší než maximální hodnoty udávané pro formování korunky těchto zubů u shetlandských ovcí .

Rozdíly v uváděných hodnotách CFT mezi studiemi lze přičíst dvěma hlavním příčinám. Zaprvé, radiografické vyšetření je pro určení dokončení tvorby korunky méně vhodné než histologická analýza označených zubů nebo makroskopická kontrola extrahovaných zubů, jak bylo dříve uvedeno u lidských zubů . Za druhé, tvorba korunky stoliček u neušlechtěných plemen ze severní Evropy trvá déle než u ušlechtilejších plemen ovcí, která rostou rychleji . Výrazné rozdíly v poloze CRB mezi různými oblastmi korunky zubu navíc podtrhují varovné poznámky Upexe a Dobneyho o nejasnosti v mnoha studiích, pokud jde o kritéria použitá k definování vývojového stadia „kompletní korunka“. Je zřejmé, že tvorba korunky je kompletní teprve tehdy, když se prodloužení skloviny zastaví na všech stranách zubu.

Zaznamenaný výrazný pokles EER od cuspalu ke krčku naznačuje postupný pokles náboru ameloblastů do sekreční fronty. Naše výsledky potvrzují předchozí nálezy u ovcí , jiných druhů skotu a koňovitých. Vzhledem k tomu, že k opotřebení zubu u ovcí dochází současně s tvorbou cervikální části korunky, přispívá výrazný pokles EER v pozdějších fázích tvorby korunky k vyrovnanému vztahu erupce/opotřebení, který byl popsán jako charakteristický rys zubů, které pokračují v růstu po dosažení okluzního kontaktu . Avšak vzhledem k rozporu mezi rekonstruovanou rychlostí opotřebení přibližně 8,5 μm/den v M1 a zaznamenaným EER přibližně 40 μm/den v cervikální části korunky moláru se na dosažení vyváženého vztahu mezi erupcí a opotřebením musí podílet další procesy. Předpokládá se, že během tzv. penetrační fáze erupce zubů dochází k jejich hlubšímu zasunutí do čelisti v důsledku procesu zahrnujícího přestavbu alveolárního výběžku .

Odhadovaná rychlost opotřebení M1 8,5 μm/den u soayských ovcí spadá do rozmezí rychlosti opotřebení molárů uváděné u různých pastevců (5,6-10,0 μm/den) . Současný růst korunky a opotřebení zubu ovlivňuje zjištěné hodnoty HWR, které byly nejvyšší u ovcí, které ještě nedokončily tvorbu korunky. Vzhledem k tomu, že HWR M3 se běžně používá jako HI při srovnávání taxonů, je třeba vzít v úvahu, že hodnoty HI u zubů se současným výskytem tvorby korunky a funkčního opotřebení nejsou přímo srovnatelné s hodnotami u zubů, které dokončují tvorbu korunky před dosažením okluzního kontaktu . Námi zjištěná hodnota HI 4,6 pro ovce Soay je o něco nižší než hranice definující vysoce hypsodontní stav (> 4,75; sensu Janis ), ale o něco vyšší než hodnoty uvedené pro Ovis dalli (4,08) a Ovis canadensis (4,11) . Nicméně za předpokladu, že u M3 neoznačené ovce plemene Soay s přibližným stářím 900 dní již došlo k určité redukci korunky (~ 5-10 % celkové výšky korunky), lze pro neoznačený M3 rekonstruovat výšku zubu přibližně 39 mm. Vydělením této výšky korunky naměřenou šířkou zubu tohoto jedince (7,84 mm) získáme HI 4,97, což charakterizuje soayské ovce jako vysoce hypsodontní.

Adaptační hodnota prodloužené doby tvorby korunky u molárů soayských ovcí spočívá v prodloužení jejich funkčního období. První pokus o kvantifikaci vztahu mezi relativní výškou zubu a funkční periodou stoliček různých savčích býložravců podnikl Kovalevky v roce 1874 . Zavedl termín „Zahnkapital“ (zubní kapitál) pro označení velikosti korunky zubu, která je k dispozici pro opotřebení, a dal tento parametr do souvislosti s délkou života příslušného druhu.

Ve studii o fázích opotřebení mandibulárních molárů ovcí známého věku prokázali Moran a O’Connor zřetelný vzorec v průběhu opotřebení zaznamenaný pomocí Paynových referenčních kódů (PRC) . Souvislé vnější vrstvy skloviny jako součásti reliéfu okluzní plochy je dosaženo při PRC 9A u prvních a druhých molárů a při PRC 11G u třetích molárů . V těchto stadiích mají oba laloky prvního a druhého moláru a přední a střední lalok třetího moláru ještě infundibula. Po dosažení tohoto stupně opotřebení (PRC 9A u M1 ve věku 12 měsíců a u M2 ve věku 26 měsíců, PRC 11G u M3 ve věku 32 až 42 měsíců) nedochází po značnou dobu k dalším změnám v morfologii okluze. To se odráží ve skutečnosti, že do těchto stadií opotřebení, která proto Moran a O’Connor označili jako „přetrvávající stadia“, jsou zahrnuti jedinci velmi různého věku . Tato „perzistence“ je samozřejmě pouze zdánlivá, protože výška korunky se s věkem postupně snižuje. K přechodu do dalšího stadia opotřebení dochází, když se začne ztrácet infundibulum na předním laloku (PRC 12 A u M1/2 a PRC 14G u M3). Poté, co opotřebení zubu postoupí pod úroveň infundibulárního patra, je přítomnost skloviny omezena na obvod korunky zubu.

Způsoby opotřebení zubů podobné těm, které uvádějí Moran a O’Connor, byly zaznamenány také u soayských ovcí známého věku . Věk ovcí Soay vykazujících stupeň opotřebení 9A v M1 se pohyboval mezi 12 a 60 měsíci a mezi 36 a 108 měsíci u ovcí vykazujících tento stupeň opotřebení v M2. U jedinců vykazujících stupeň opotřebení 11G v M3 bylo zjištěno věkové rozmezí 60-132 měsíců. Ve studii na živých ovcích různých plemen ve známém věku (do 7 let) Jones uvedl věkové rozmezí od 10 do 84 měsíců pro přetrvávající stupeň opotřebení 9A v M1. Nejčasnější dosažení tohoto stupně u M2 bylo zaznamenáno ve 20 měsících a u M3 ve 42 měsících (stupeň opotřebení 11G).

Behr studoval opotřebení zubů u živých, věkově známých karakulských ovcí (věkové rozmezí 3 až 13 let) pomocí techniky zubních replik. Jeho podrobný popis stadií opotřebení umožňuje přiřazení PRC k zubům. Ke ztrátě infundibula v předním laloku (PRC 12A) došlo nejprve v 60 měsících u M1, v 84 měsících u M2 a ve 108 měsících u M3 (PRC 14G). Dřívější ztrátu infundibula uvádějí Milhaud a Nezit pro přední laloky M1 (36 měsíců) a M2 (72 měsíců) u ovcí Pre d’Alp du Sud. Podle Behra byla úplná ztráta korunky u karakulských ovcí, tj. obnažení kořenové tkáně na okluzní ploše, poprvé zaznamenána ve věku 8 let u M1 a v 10 letech u M2. U nejstarších exemplářů jeho studie (13 let) nebylo tohoto stadia dosaženo u M3.

Na základě výše uvedených zjištění lze u ovčích stoliček odvodit období charakterizovaná různou okluzní morfologií. Maximálně funkční okluzní morfologie s přítomností hřebenů skloviny na bukálních a lingválních stranách korunky a kolem infundibula je přítomna na předním laloku M1 po dobu 24 až 48 měsíců, u M2 po dobu 36 až 54 měsíců a u M3 po dobu 54 až 60 měsíců. Delší přetrvávání infundibula u M3 ve srovnání s M1 a M2 pravděpodobně souvisí s větší výškou korunky prvního z nich. Kromě toho se může jednat o méně intenzivní opotřebení M3 ve srovnání s M1 a M2, které je způsobeno větším relativním objemem skloviny u třetího ve srovnání s prvním a druhým molárem, který zaznamenali Winkler a Kaiser u různých savčích býložravců.

U ovcí plemene Soay přetrvává morfologie okluzní korunky přítomná poté, co rovina opotřebení postoupila pod úroveň infundibulárního patra, nejméně po dobu přibližně 4 let u M1, 5 let u M2 a 6 let u M3. Přítomnost prodloužené části báze korunky u ovčích molárů má tedy za následek výrazně prodloužené funkční období u všech molárů a v důsledku toho prodlouženou maximální dobu života jedince. V této souvislosti je důležité si uvědomit, že tvorba skloviny v infundibulární oblasti je omezena na přederupční období růstu korunky, protože sklovinný orgán v infundibulární oblasti se ztrácí v procesu prořezávání zubu. Naproti tomu tvorba skloviny na bázi korunky může pokračovat i v posterupčním období.

Zvětšení výšky zubu, a tím i množství zubních tkání, zejména skloviny, je jedním z několika možných způsobů, jak prodloužit funkční životnost zubu v režimu abrazivní výživy . Dalšími možnými prostředky jsou zvýšení tvrdosti skloviny a zvýšení složitosti okluzních hřebenů skloviny . Pokud jde o zubní znaky, nedostatek remodelace skloviny a dentinu omezuje evoluční modifikace morfologie zubů na období odontogeneze . Investice dodatečných zdrojů do růstu zubů, které vedou k prodloužení funkce zubů, tak probíhá v předstihu nebo se částečně překrývá s funkčním obdobím zubů. Bylo prokázáno, že v rámci druhů souvisí rychlost opotřebení zubů se složením stravy , faktory prostředí a tvrdostí skloviny . Tyto rozdíly také ovlivňují délku života, jak bylo prokázáno u jelena siky (Cervus nippon, ) a u jelena lesního (Cervus elaphus) a wapiti (Cervus canadensis) vykazujících zubní fluorózu . U srnce obecného (Capreolus capreolus) byla pozorována zvýšená dlouhověkost v populacích s větší průměrnou výškou stoliček .

U srnce obecného (Myotragus balearicus) porovnání mezo- a makrozubních vzorců se vzorci přežívajících pevninských sudokopytníků naznačilo, že v potravě převažuje browse a míra opotřebení zubů je mírná . Toto zjištění bylo interpretováno tak, že abrazivita potravy nebyla jedinou hnací silou nárůstu výšky korunky, ale že výjimečně dlouhá doba tvorby zubů u tohoto druhu představuje specifickou adaptaci na podmínky ostrovního života . Omezení zdrojů, nízký predační tlak a osvojení nových potravních nik jsou diskutovány jako faktory související s celkovým zpomalením vývojových procesů u druhu Myotragus. Neexistují žádné důkazy o zvýšené délce života u soayských ovcí ve srovnání s jinými (pevninskými) plemeny ovcí . Navíc se zde zdokumentovaný vzorec růstu koruny u soayských ovcí nijak výrazně neliší od růstu pevninských ovcí nebo jiných kaprovitých šelem (koza domácí, muflon, kamzík, Witzel et al., nepublikované pozorování).