PMC

Discussion

Muodostuvia hampaita omaavien yksilöiden toistuva fluorokromimerkintä mahdollistaa hampaiden kasvuprosessien yksityiskohtaisen analyysin rajoitetun näytemäärän perusteella. Tätä lähestymistapaa käyttäen rekonstruoimme soay-lampaiden molaarikruunun muodostumisen 147 kehitysvaiheen perusteella 11 yksilön 27 leimatun molaarin näytteestä. Näin pystyimme arvioimaan molaarikruunujen eri osien muodostumisajat. Jotkin merkinnät merkitsivät täsmällisesti (muutaman päivän tarkkuudella) tyypillisen kehitysvaiheen saavuttamista, mutta toisten vaiheiden kohdalla merkintämalli ei mahdollistanut yhtä tarkkaa määrittelyä. Näissä tapauksissa jouduimme rekonstruoimaan tietyn kehitysvaiheen saavuttamisen interpoloimalla. Näistä rajoituksista huolimatta tunnetun ikäisten yksilöiden fluorokromimerkittyjen hampaiden analyysi on arvokas menetelmä hampaiden kehityksen rekonstruoimiseksi. Tätä lähestymistapaa voidaan pitää retrospektiivisenä pitkittäisenä kasvututkimuksena. Aiemmin on tehty samankaltaisia tutkimuksia kruunun kasvunopeuden ja eri nisäkäslajien kiilteen ja dentiinin inkrementaalisten mallien luonnehtimiseksi .

Tutkimuksemme tärkein havainto on, että soai-lampaiden molaarikruunun muodostuminen jatkuu pitkään infundibulaarisen lattian muodostumisen jälkeen ja myös okklusiivisen kulumisen alkamisen jälkeen. Molarikruunun muodostuminen kattaa ajanjakson sikiön myöhäiskehityksestä (mineralisaation alkaminen M1:ssä) yli 900 päivää syntymän jälkeen (kruunun valmistuminen M3:ssa). Okklusaalinen kuluminen ilmeni ensin molaareissa, joissa infundibulaarinen pohja oli valmistunut ja pieni määrä (3-5 mm) kruunupohjaa oli jo muodostunut. Näin ollen infundibulumin lattian valmistumista mandibulaarimolaareissa voidaan pitää lampaiden hampaiden puhkeamisen alkamisajankohdan (gingival emergens) välittäjänä.

Tässä tutkimuksessa käytetyillä menetelmillä ei ollut mahdollista määrittää tarkasti kiilteenmuodostuksen prenataalista alkamisajankohtaa tutkitussa M1:ssä. Dentiinin mineraalien kiinnittymisnopeuden perusteella olemme kuitenkin aiemmin rekonstruoineet näiden hampaiden prenataalisen kovakudoksen muodostumisen alkamisen tapahtuvan 20-40 päivää ennen syntymää . Tämä vastaa melko hyvin 49 päivän ajanjaksoa, jonka kuluessa kruunun muodostuminen M1:ssä on alkanut (Dorset-rotuisella) lampaalla, joka on todettu syntymää edeltävän kiilteen laminointiluvun ja EER:n laskennan perusteella. Eräässä sikiöaikaisia lampaita koskevassa tutkimuksessa raportoitiin, että M1-hammaskiiman kellovaihe saavutettiin 53. tiineyspäivänä . Kovakudoksen muodostuminen ei ollut vielä alkanut kyseisen tutkimuksen vanhimmalla sikiöllä (56 päivän tiineysikä). Kun otetaan huomioon, että lampaiden tiineyden pituus on noin 150 päivää, tämä viittaa siihen, että kellovaiheen saavuttamisen ja M1-hampaan kruunun mineralisaation alkamisen välillä on vähintään 50 päivää. Tietojemme perusteella kruunun mineralisaation alkamisen ja infundibulumin lattian valmistumisen välillä M1:ssä kuluu 80-100 päivää.

Soija-lampaan M1:n etulohkossa infundibulumin lattian valmistumista seuraa noin 220 päivän pituinen kasvujakso. M2:ssa, jossa kruunun mineralisaatio alkaa noin kolmen kuukauden postnataalisessa iässä, kruunun mineralisaation alkamisen ja infundibulumin lattian valmistumisen välillä kuluu noin 210 päivää ja vielä 260 päivää, kunnes kruunun ja juuren välinen siirtymä tapahtuu etulohkossa bukkaalisesti. M3:n etulohkossa kruunun mineralisaation alkamisen (12-13 kuukauden iässä) ja infundibulaarisen lattian valmistumisen välillä kuluu noin 210 päivää, minkä jälkeen kruunu pitenee vielä 300 päivää ennen kruunun ja juuren välistä siirtymää. M1:n ja M2:n takimmaisissa lohkoissa sekä M3:n keski- ja takimmaisissa lohkoissa kruunun mineralisaatio alkaa hieman myöhemmin ja kruununmuodostus kestää hieman kauemmin kuin etummaisissa lohkoissa.

Vallitseva ajallinen suhde kruunun valmistumisen ja kulumisen alkamisen välillä artiodaktyylien poskihampaissa, kuten Hillson kaavamaisesti havainnollistaa sukujen Cervus (mesodonttinen tila) ja Bos (hypsodonttinen tila) osalta, on se, että kruununmuodostus on jo päättynyt ja juurenmuodostus pitkällä hampaiden tullessa kulumaan. Lampaan poskihampaiden pitkänomainen kruunun tyviosa on tärkein ero Cervuksen ja Bosin tilanteeseen, jossa infundibulumin lattia sijaitsee lähellä CRB:n apikaalisinta kohtaa (Witzel ym., julkaisematon havainto). Lampaan poskihampaiden kasvumalli eroaa monien muiden niveljalkaisten lajien kasvumallista siinä, että kruunun pidentyminen jatkuu huomattavan kauan sen jälkeen, kun hampaat ovat saavuttaneet okklusaalikontaktin, ja tätä tilaa kutsutaan alkavaksi hypselodontiksi . Lampaiden ( ja tämän tutkimuksen ) lisäksi tätä mallia esiintyy myös pronshorneilla , Myotragus balearicuksella, fossiilisella saaristovuohilajilla (X. Jordana, henkilökohtainen tiedonanto 2015) sekä olemassa olevilla ja sukupuuttoon kuolleilla hevoseläinlajeilla .

Hypselodonttihampaiden pidennetty kruunun kasvun jakso edellyttää suurempaa panostusta verrattuna brakydonttihampaiden muodostumiseen. Lisäinvestointi johtuu osittain lisääntyneestä ameloblastien määrästä ja kiille-elimen pidennetystä toiminta-ajasta. Lisäksi on rekrytoitava suurempi määrä odontoblasteja ja muodostettava enemmän dentiiniä.

Kruunun pituuskasvun lisääntyminen edellyttää epiteelistä peräisin olevan kantasolunicheen pitkittynyttä pysyvyyttä hampaan idun kaulan silmukassa . On osoitettu, että hampaan kruunun muodon tai hampaan osien suhteellisten mittasuhteiden muuttamiseksi ei tarvitse kehittyä uusia signalointimolekyylejä tai -reittejä. Pikemminkin hampaan koon ja muodon muutokset saavutetaan vaihtelemalla olemassa olevia signaalimolekyylejä (BMP2 ja 4, SHH, IGF, FGF10, Follistatin ja Activin) koodaavien geenien ajallisia ilmentymismalleja. Jatkuvasti kasvavissa (hypselodontti-) hampaissa epiteelin kantasolujen kapeikon pysyvyys liittyy niin ikään erilaisten signaalimolekyylien (BMP4, FGF3, FGF3, FGF9, FGF9 ja FGF10, Activin ja NOTCH) toimintaan. Voidaan olettaa, että samat tai samankaltaiset molekyylit ovat osallisina lampaan poskihampaiden kruunun kasvujakson pidentymisessä.

Hirvieläin (Dama dama) on hirvieläinlaji, jonka ruumiinpaino (naaraat 35-50 kg, urokset 50-80 kg ) on kotieläiminä pidettävien kotieläinrotujen luokkaa . Soay-lampaiden ruumiinpainot ovat hieman alle tämän vaihteluvälin . Metsäkauriin mesodonttimolaarien muodostumisaika on vain noin puolet Soay-lampaan hypsodonttimolaarien muodostumisajasta (CFT M1: Dama noin 150 päivää – Soay noin 300 päivää; CFT M2: Dama noin 220 päivää – Soay noin 470 päivää; CFT M3: Dama noin 260 päivää – Soay noin 500 päivää) . Dama-hampaiden kehityksestä ilmoitettujen tietojen perusteella ei voida tehdä eroa kruunun eri osien muodostumisajankohtien välillä M1:ssä. M2:n ja M3:n osalta voidaan kuitenkin osoittaa, että kruununosan, joka sijaitsee kuspinaalisesti infundibulumin pohjaan nähden, muodostumisaika eroaa paljon vähemmän metsäkauriin ja soijalampaan välillä (M2: Dama noin 130 päivää – Soay noin 200 päivää; M3: Dama n. 180 päivää – Soay n. 210 päivää) kuin kruunun tyviosan muodostumisaika (M2: Dama noin 90 päivää – Soay noin 260 päivää; M3: Dama n. 80 päivää – Soay n. 300 päivää).

Tutkimuksessamme määritetyt Soay-lampaiden mandibulaarimolaarien etulohkojen muodostumisajat ovat useita kuukausia pidempiä kuin nykyaikaisille lammasroduille röntgen- ja/tai makroskooppisten tutkimusten perusteella ilmoitetut kruunun kokonaismuodostumisajat . Näissä tutkimuksissa raportoitiin myös varhaisemmasta mineralisaation alkamisesta M2:ssa (kuukauden iässä) ja M3:ssa (9 – < 12 kuukauden iässä) verrattuna tutkimukseemme Soay-lampailla. Syynä tähän eroavaisuuteen voi olla se, että näissä tutkimuksissa nuorimmat analysoidut lampaat olivat jo 3-6 , 5 tai 6 kuukauden ikäisiä, joten M2-mineralisaation alkaminen oli ekstrapoloitava. Dorset-lampailla hiljattain tehdyssä tutkimuksessa M2-mineralisaation alkaminen todettiin ensimmäisen kerran 88 päivän ikäisillä eläimillä. Tämä arvo vastaa hyvin havaintojamme M2-mineralisaation alkamisesta soay-lampailla (noin 90 päivän iässä). Samoin Soay-lampaiden mandibulaarimolaarien etummaisten kruunulohkojen likimääräiset muodostumisajat (300 päivää M1:lle, 460 päivää M2:lle ja 500 päivää M3:lle) ovat vain hieman korkeammat kuin näiden hampaiden kruununmuodostuksen enimmäisarvot, jotka on annettu Shetlanninlampaiden hampaiden kruununmuodostumiselle.

Tutkimusten väliset erot raportoiduissa kruununmuodostumisaikoissa johtuvat kahdesta pääsyystä. Ensinnäkin röntgentutkimus soveltuu huonommin kruununmuodostuksen loppuunsaattamisen määrittämiseen kuin leimattujen hampaiden histologinen analyysi tai poistettujen hampaiden makroskooppinen tarkastelu, kuten aiemmin on raportoitu ihmisen hampaiden osalta . Toiseksi molaarikruunun muodostuminen kestää Pohjois-Euroopasta peräisin olevilla kehittymättömillä roduilla kauemmin kuin nopeammin kasvavilla, kehittyneemmillä lammasroduilla . Lisäksi CRB:n sijainnin huomattava vaihtelu hampaan kruunun eri alueiden välillä korostaa Upexin ja Dobneyn varoittavia huomautuksia siitä, että monissa tutkimuksissa on epäselvyyttä kriteereistä, joita käytetään määriteltäessä kehitysvaihetta ”kruunu valmis”. On selvää, että kruunun muodostuminen on päättynyt vasta, kun kiilteen laajeneminen on loppunut kaikilla hampaan sivuilla.

Havaittu EER:n selvä pieneneminen hampaan kärkiosasta kohdunkaulaan viittaa siihen, että ameloblastien rekrytoituminen erittävään rintamaan vähenee asteittain. Tuloksemme vahvistavat aiemmat havainnot lampailla , muilla nautaeläimillä ja hevoseläimillä . Koska lampaiden hampaiden kuluminen tapahtuu samanaikaisesti kervikaalisen kruununosan muodostumisen kanssa, EER:n huomattava väheneminen kruunun muodostumisen myöhemmissä vaiheissa edistää tasapainoista purkautumisen ja kulumisen suhdetta, joka on kuvattu ominaispiirteeksi hampaille, jotka jatkavat kasvuaan sen jälkeen, kun ne ovat saavuttaneet okklusaalikontaktin . Kun kuitenkin otetaan huomioon, että rekonstruoidun kulumisnopeuden, joka on noin 8,5 μm/vrk M1:ssä, ja todetun EER:n, joka on noin 40 μm/vrk molaarikruunun kohdunkaulan neljänneksessä, välillä on ristiriita, eruption ja kulumisen välisen tasapainoisen suhteen saavuttamiseen on liityttävä muita prosesseja. On ehdotettu, että hampaiden puhkeamisen niin sanotun penetratiivisen vaiheen aikana hampaat asettuvat syvemmälle leukaan prosessin vuoksi, johon liittyy alveoliproteesin uudelleenmuotoilu.

Soay-lampaiden arvioitu M1:n kulumisnopeus 8,5 μm/vrk kuuluu eri laiduneläimillä raportoitujen molaarien kulumisnopeuksien vaihteluväliin (5,6-10,0 μm/vrk). Samanaikainen kruunun kasvu ja hampaiden kuluminen vaikuttavat HWR:n kirjattuihin arvoihin, jotka olivat korkeimmat lampailla, joilla kruununmuodostus oli vielä kesken. Koska M3:n HWR-arvoa käytetään yleisesti HI-arvona taksonivertailuissa, on otettava huomioon, että sellaisten hampaiden HI-arvot, joissa kruununmuodostus ja toiminnallinen kuluminen tapahtuvat samanaikaisesti, eivät ole suoraan vertailukelpoisia sellaisten hampaiden arvojen kanssa, joissa kruununmuodostus on päättynyt ennen oklusaalikontaktin saavuttamista . Soay-lampaille havaitsemamme HI-arvo 4,6 on hieman alhaisempi kuin kynnysarvo, joka määrittelee erittäin hypsodonttisen tilan (> 4,75; sensu Janis ), mutta hieman korkeampi kuin Ovis dallille (4,08) ja Ovis canadensikselle (4,11) annetut arvot. Jos kuitenkin oletetaan, että tietty määrä kruunun pienenemistä (~ 5-10 % kruunun kokonaiskorkeudesta) oli jo tapahtunut merkitsemättömän Soay-lampaan M3:ssa, jonka ikä oli noin 900 päivää, hampaiden korkeudeksi voidaan rekonstruoida noin 39 mm kulumattoman M3:n osalta. Kun tämä kruunun korkeus jaetaan tämän yksilön mitatulla hampaan leveydellä (7,84 mm), saadaan HI-arvoksi 4,97, mikä luonnehtii soai-lampaita erittäin hypsodonttisiksi.

Soai-lampaiden poskihampaiden pidennetyn kruununmuodostusaikojen adaptiivinen arvo piilee niiden toiminnallisen kauden pidentymisessä. Ensimmäisen yrityksen kvantifioida eri nisäkkäiden kasvinsyöjien poskihampaiden suhteellisen hammaskorkeuden ja toiminnallisen keston välistä suhdetta teki Kovalevky vuonna 1874 . Hän keksi termin ”hammaspääoma” kuvaamaan kulumiseen käytettävissä olevan hammaskruunun määrää ja yhdisti tämän parametrin kyseisen lajin pitkäikäisyyteen.

Tutkimuksessaan, joka käsitteli tunnetun ikäisten lampaiden mandibulaaristen poskihampaiden kulumisvaiheita, Moran ja O’Connor osoittivat selvän mallin kulumisen etenemisessä, joka kirjattiin Paynen referenssikoodeilla (PRC) . Jatkuva ulompi kiilteen kerros, joka on osa okklusaalista pintareliefiä, saavutetaan PRC 9A:ssa ensimmäisissä ja toisissa poskihampaissa ja PRC 11G:ssä kolmansissa poskihampaissa . Näissä vaiheissa ensimmäisen ja toisen poskihampaan molemmissa lohkoissa ja kolmannen poskihampaan etu- ja keskilohkoissa on vielä infundibula. Kun tämä kulumisvaihe on saavutettu (PRC 9A M1:llä 12 kuukauden iässä ja M2:lla 26 kuukauden iässä, PRC 11G M3:lla 32-42 kuukauden iässä), okklusaalimorfologiassa ei tapahdu muita muutoksia huomattavan pitkään aikaan. Tämä näkyy siinä, että hyvin eri-ikäiset yksilöt kuuluvat näihin kulumisvaiheisiin, joita Moran ja O’Connor kutsuivat siksi ”pysyviksi vaiheiksi”. Tämä ”pysyvyys” on tietenkin vain näennäinen, koska kruunun korkeus vähenee asteittain iän myötä. Siirtyminen seuraavaan kulumisvaiheeseen tapahtuu, kun etulohkon infundibulum alkaa hävitä (PRC 12 A M1/2:ssa ja PRC 14G M3:ssa). Kun hampaan kuluminen on edennyt infundibulaarisen lattian tason alapuolelle, kiilteen esiintyminen rajoittuu hampaan kruunun kehälle.

Moranin ja O’Connorin raportoimien kaltaisia hampaiden kulumismalleja havaittiin myös tunnetun iän omaavilla soay-lampailla . Niiden soai-lampaiden ikä, joilla oli M1:ssä kulumisvaihe 9A, vaihteli 12 ja 60 kuukauden välillä, ja niiden, joilla oli M2:ssa tämä kulumisvaihe, ikä vaihteli 36 ja 108 kuukauden välillä. Yksilöiden, joilla oli kulumisvaihe 11G M3:ssa, ikä vaihteli 60-132 kuukauden välillä. Jones raportoi tutkimuksessaan, jossa tutkittiin eläviä, tunnetun ikäisiä (enintään 7-vuotiaita) lampaita eri roduista, että M1:n kulumisvaiheen 9A pysyvyys vaihteli 10 ja 84 kuukauden välillä. M2:ssa tämä vaihe saavutettiin aikaisintaan 20 kuukauden iässä ja M3:ssa 42 kuukauden iässä (kulumisvaihe 11G).

Behr tutki hampaiden kulumista elävillä, tunnetussa iässä olevilla karakul-lampailla (ikähaarukka 3-13 vuotta) käyttämällä hammasjäljennöstekniikkaa. Hänen yksityiskohtainen kuvauksensa kulumisvaiheista mahdollistaa PRC:n osoittamisen hampaille. Etulohkon infundibulumin häviäminen (PRC 12A) tapahtui ensimmäisenä 60 kuukauden iässä M1-hampaassa, 84 kuukauden iässä M2-hampaassa ja 108 kuukauden iässä M3-hampaassa (PRC 14G). Milhaud ja Nezit raportoivat varhaisemmasta infundibulan häviämisestä M1:n (36 kuukautta) ja M2:n (72 kuukautta) etulohkoissa Pre d’Alp du Sud -lampailla. Behrin mukaan karakul-lampailla kruunun täydellinen katoaminen eli juurikudoksen paljastuminen okklusaalipinnalla todettiin ensimmäisen kerran 8 vuoden iässä M1:llä ja 10 vuoden iässä M2:lla. Hänen tutkimuksensa vanhimmissa yksilöissä (13 vuotta) tätä vaihetta ei ollut saavutettu M3:ssa.

Edellä esitettyjen havaintojen perusteella voidaan päätellä, että lampaan poskihampaille on ominaista erilaiset okklusaalimorfologiat. Maksimaalisesti toimiva okklusaalinen morfologia, jossa emaliharjanteita on bukkaalisilla ja linguaalisilla kruunun sivuilla ja infundibulumin ympärillä, on M1:n etulohkossa 24-48 kuukauden ajan, M2:ssa 36-54 kuukauden ajan ja M3:ssa 54-60 kuukauden ajan. Infundibulumin pidempi pysyvyys M3:ssa verrattuna M1:ään ja M2:een liittyy todennäköisesti ensin mainitun suurempaan kruunun korkeuteen. Lisäksi kyse voi olla M3:n vähäisemmästä kulumisesta M1:ään ja M2:een verrattuna, mikä johtuu Winklerin ja Kaiserin eri nisäkkäiden kasvinsyöjillä havaitsemasta suuremmasta suhteellisesta kiilteen tilavuudesta kolmannessa poskihampaassa verrattuna ensimmäiseen ja toiseen poskihampaaseen.

Soay-lampailla okklusiivinen kruunun morfologia, joka on olemassa sen jälkeen, kun kulumistaso on edennyt infundibulan lattian tason alapuolelle, säilyy M1:ssä vähintään noin neljä vuotta, M2:ssa viisi vuotta ja M3:ssa kuusi vuotta. Lampaan poskihampaiden pidennetyn kruunun tyviosuuden esiintyminen johtaa näin ollen kaikkien poskihampaiden toiminnallisen keston huomattavaan pidentymiseen ja näin ollen yksilön maksimaalisen eliniän pidentymiseen. Tältä osin on tärkeää ymmärtää, että kiilteen muodostuminen infundibulaarisella alueella rajoittuu kruunun kasvua edeltävään kauteen, koska infundibulaarisella alueella oleva kiilteen elin menetetään hampaan puhkeamisen yhteydessä. Sitä vastoin kiilteen muodostuminen kruunun tyvessä voi jatkua myös hampaan puhkeamisen jälkeisenä aikana.

Hampaan korkeuden ja siten hammaskudosten, erityisesti kiilteen, määrän lisääminen on yksi monista mahdollisista keinoista, joilla voidaan pidentää hampaan toiminnallista käyttöikää abrasiivisessa ruokaohjelmassa . Muita mahdollisia keinoja ovat kiilteen kovuuden lisääminen ja okklusaalisten kiilteen harjanteiden monimutkaisuuden lisääminen . Hammasominaisuuksien osalta voidaan todeta, että hammaskiilteen ja dentiinin uudelleenmuodostuksen puuttuminen rajoittaa hampaan morfologian evolutiiviset muutokset odontogeneesin vaiheeseen . Lisäresurssien sijoittaminen hampaiden kasvuun, mikä johtaa hampaiden toiminnan pidentymiseen, tapahtuu siten etukäteen tai osittain päällekkäin hampaiden toiminnallisen kauden kanssa. Lajien sisällä hampaiden kulumisnopeuden on osoitettu korreloivan ruokavalion koostumuksen , ympäristötekijöiden ja kiilteen kovuuden kanssa. Nämä erot vaikuttavat myös pitkäikäisyyteen, kuten on osoitettu sika-peuroilla (Cervus nippon, ) ja punahirvillä (Cervus elaphus) ja wapiteilla (Cervus canadensis), joilla on hammasfluoroosia . Metsäkauriilla (Capreolus capreolus) on havaittu lisääntynyttä pitkäikäisyyttä populaatioissa, joissa hampaiden keskikorkeus on suurempi .

Myotragus balearicus -lajin meso- ja makrokulutusmallien vertailu mantereella elävien niveljalkaisten malleihin viittasi siihen, että ruokavalio painottuu karjanhoitoon ja hampaiden kuluminen on kohtalaista . Tämän havainnon tulkittiin osoittavan, että ravinnon kuluttavuus ei ollut ainoa kruunun korkeuden kasvua edistävä tekijä, vaan että tämän lajin poikkeuksellisen pitkä hampaiden muodostumisaika on erityinen sopeutuminen saaristolaiselämän olosuhteisiin . Resurssien rajallisuuden, alhaisen saalistuspaineen ja uusien ravintokohteiden omaksumisen katsotaan liittyvän Myotraguksen kehitysprosessien yleiseen hidastumiseen. Soay-lampaiden pidemmästä eliniästä muihin (mannermaan) lammasrotuihin verrattuna ei ole näyttöä. Lisäksi tässä dokumentoitu Soay-lampaiden kruunun kasvumalli ei poikkea merkittävästi mantereen lampaiden tai muiden vuohien (kotieläinvuohi, mufloni, säämiskä, Witzel ym., julkaisematon havainto) kruunun kasvumallista.