PMC

Discussion

Powtarzane znakowanie fluorochromem osobników z formującymi się zębami umożliwia szczegółową analizę procesów wzrostu zębów w oparciu o ograniczoną liczbę okazów. Stosując to podejście, zrekonstruowaliśmy formowanie się koron zębów trzonowych u owiec rasy Soay na podstawie 147 stadiów rozwojowych z próby 27 wyznakowanych trzonowców 11 osobników. Pozwoliło nam to na ocenę okresów formowania się różnych części koron trzonowców. O ile niektóre etykiety precyzyjnie (w zakresie kilku dni) oznaczały osiągnięcie charakterystycznego stadium rozwojowego, o tyle dla innych stadiów wzorzec znakowania nie pozwalał na tak precyzyjne określenie. W tych przypadkach musieliśmy zrekonstruować osiągnięcie danego stadium rozwojowego na drodze interpolacji. Niezależnie od tych ograniczeń, analiza fluorochromowo znakowanych zębów osobników w znanym wieku jest wartościowym podejściem do rekonstrukcji rozwoju uzębienia. Podejście to może być postrzegane jako retrospektywne, podłużne badanie wzrostu. Badania o podobnej konstrukcji zostały wcześniej przeprowadzone w celu scharakteryzowania tempa wzrostu korony i przyrostowych wzorców w szkliwie i zębinie różnych gatunków ssaków .

Głównym wnioskiem z naszego badania jest to, że tworzenie koron trzonowych u owiec Soay trwa przez długi czas po utworzeniu infundibular podłogi, a także po rozpoczęciu zużycia okluzyjnego. Formowanie korony zęba trzonowego obejmuje okres od późnego rozwoju płodowego (początek mineralizacji w M1) do ponad 900 dni po urodzeniu (zakończenie tworzenia korony w M3). Zużycie okluzyjne wystąpiło najpierw w trzonowcach, w których dno infundibularne zostało ukończone, a podstawa korony była już uformowana w niewielkim stopniu (3-5 mm). Dlatego też, ukończenie dna infundibulum w trzonowcach żuchwy może być postrzegane jako wskaźnik początku erupcji zęba (wyrzynania się dziąseł) u owiec.

Przy użyciu metod zastosowanych w tym badaniu, nie było możliwe dokładne określenie prenatalnego początku formowania szkliwa w badanym M1. Jednakże na podstawie wskaźników apozycji minerałów w zębinie udało nam się wcześniej zrekonstruować początek prenatalnego formowania się tkanki twardej w tych zębach jako mający miejsce pomiędzy 20 a 40 dniem przed urodzeniem. Zgadza się to dość dobrze z okresem 49 dni dla prenatalnego formowania korony w M1 odnotowanym u owcy (rasa Dorset) na podstawie liczby laminacji w szkliwie prenatalnym i obliczenia EER . Badanie przeprowadzone na płodach owiec wykazało, że zarodek zęba M1 osiągnął stadium dzwonka w 53 dniu ciąży. Tworzenie tkanki twardej nie rozpoczęło się jeszcze u najstarszego płodu (wiek ciążowy 56 dni) w tym badaniu. Biorąc pod uwagę długość ciąży u owiec, która wynosi około 150 dni, sugeruje to okres co najmniej 50 dni pomiędzy osiągnięciem stadium dzwonu a początkiem mineralizacji korony w M1. Z naszych danych wynika, że pomiędzy początkiem mineralizacji korony a zakończeniem budowy dna infundibulum w M1 upływa od 80 do 100 dni.

W przednim płacie M1 owcy Soay, po zakończeniu budowy dna infundibulum następuje dalszy okres wzrostu trwający około 220 dni. U M2, u której mineralizacja korony rozpoczyna się w wieku postnatalnym około trzech miesięcy, między początkiem mineralizacji korony a ukończeniem dna infundibulum upływa około 210 dni, a kolejne 260 dni do momentu przejścia korona-korzeń-przerwa policzkowa w płacie przednim. W przednim płacie M3 między początkiem mineralizacji korony (w 12-13 miesiącu życia) a wytworzeniem dna infundibularnego upływa około 210 dni, po czym następuje kolejne 300 dni wydłużania się korony przed przejściem korona-korzeń. W tylnych płatach M1 i M2 oraz środkowych i tylnych płatach M3 mineralizacja korony rozpoczyna się nieco później, a formowanie korony trwa nieco dłużej niż w płatach przednich.

Przedłużony okres wzrostu korony w zębach hypsodontycznych wymaga większej inwestycji w porównaniu do formowania zębów brachydont. Dodatkowe inwestycje wynikają częściowo ze zwiększonej liczby ameloblastów i wydłużonego okresu czynnościowego narządu szkliwnego. Ponadto, większa liczba odontoblastów musi zostać zrekrutowana i musi powstać więcej zębiny.

Zwiększenie wysokości korony wymaga przedłużonego utrzymywania się niszy komórek macierzystych pochodzących z nabłonka w pętli szyjkowej zarodka zęba. Wykazano, że żadne nowe cząsteczki sygnalizacyjne ani szlaki nie muszą ewoluować, aby zmienić kształt korony zęba lub względne proporcje części zęba. Zmiany wielkości i kształtu zęba są raczej osiągane poprzez zmianę czasowych wzorców ekspresji genów kodujących istniejące cząsteczki sygnalizacyjne (BMP2 i 4, SHH, IGF, FGF10, follistatyna i aktywina). W zębach stale rosnących (hipselodontycznych) utrzymywanie się niszy komórek macierzystych nabłonka jest również związane z działaniem różnych cząsteczek sygnalizacyjnych (BMP4, FGF3, 9, i 10, aktywina i NOTCH). Można postawić hipotezę, że te same lub podobne cząsteczki są zaangażowane w wydłużenie okresu wzrostu korony zębów trzonowych owiec.

Daniel (Dama dama) jest gatunkiem jeleniowatych o masie ciała (samice 35-50 kg, samce 50-80 kg) w zakresie nieulepszonych ras owiec domowych. Masy ciała owiec rasy Soay są nieco poniżej tego zakresu. Czas formowania się trzonowców mezodontycznych danieli jest tylko o połowę krótszy niż trzonowców hipsodontycznych owiec rasy Soay (CFT M1: Dama ok. 150 dni – Soay ok. 300 dni; CFT M2: Dama ok. 220 dni – Soay ok. 470 dni; CFT M3: Dama ok. 260 dni – Soay ok. 500 dni) . Dane dotyczące rozwoju zębów Dama nie pozwalają na rozróżnienie czasu formowania się poszczególnych części korony w M1. Jednakże dla M2 i M3 można wykazać, że czas formowania się części koronowej położonej cuspal do dna infundibulum różni się znacznie mniej między danielami a owcami Soay (M2: Dama ok. 130 dni – Soay ok. 200 dni; M3: Dama ok. 180 dni – Soay ok. 210 dni) niż czas formowania się części podstawy korony (M2: Dama ok. 90 dni – Soay ok. 260 dni; M3: Dama ok. 80 dni – Soay ok. 300 dni).

Określone w naszych badaniach okresy formowania przednich płatów trzonowców żuchwy owiec rasy Soay są o kilka miesięcy dłuższe niż całkowite okresy formowania koron podawane dla współczesnych ras owiec na podstawie badań radiograficznych i/lub makroskopowych . W badaniach tych odnotowano również wcześniejszy początek mineralizacji w zębach M2 (w 1 miesiącu życia) i M3 (w wieku od 9 do < 12 miesięcy) w porównaniu z naszymi badaniami u owiec rasy Soay. Powodem tej rozbieżności może być fakt, że w tych badaniach najmłodsze analizowane owce miały już od 3 do 6 , 5 lub 6 miesięcy, tak więc początek mineralizacji M2 musiał być ekstrapolowany. W ostatnim badaniu przeprowadzonym na owcach rasy Dorset, początek mineralizacji M2 odnotowano po raz pierwszy u zwierząt w wieku 88 dni. Wartość ta dobrze zgadza się z naszymi ustaleniami dotyczącymi początku mineralizacji M2 u owiec rasy Soay (w wieku około 90 dni). Podobnie, przybliżone okresy formowania przednich płatów koron zębów trzonowych żuchwy u owiec rasy Soay (300 dni dla M1, 460 dni dla M2 i 500 dni dla M3) są tylko nieznacznie wyższe niż maksymalne wartości podane dla formowania koron tych zębów u owiec szetlandzkich .

Różnice w zgłoszonych CFT pomiędzy badaniami można przypisać dwóm głównym przyczynom. Po pierwsze, badanie radiograficzne jest mniej odpowiednie do określania zakończenia formowania korony niż analiza histologiczna oznaczonych zębów lub makroskopowa inspekcja usuniętych zębów, co zostało wcześniej odnotowane dla zębów ludzkich. Po drugie, formowanie korony zęba trzonowego u nieulepszonych ras z Europy Północnej trwa dłużej niż u bardziej ulepszonych ras owiec, które rosną w szybszym tempie. Ponadto, wyraźne różnice w położeniu CRB w różnych obszarach korony zęba podkreślają ostrożne uwagi Upexa i Dobneya dotyczące braku jasności w wielu badaniach w odniesieniu do kryteriów stosowanych w celu określenia etapu rozwoju „korony kompletnej”. Wyraźnie widać, że formowanie korony jest zakończone tylko wtedy, gdy rozrost szkliwa ustał na wszystkich bokach zęba.

Zanotowane wyraźne zmniejszenie EER od cuspal do cervical wskazuje na postępujący spadek rekrutacji ameloblastów do frontu wydzielniczego. Nasze wyniki potwierdzają wcześniejsze obserwacje u owiec, innych gatunków bydła i koniowatych. Ponieważ ścieranie zębów u owiec następuje równocześnie z formowaniem się części przyszyjkowej korony, wyraźne obniżenie EER w późniejszych etapach formowania się korony przyczynia się do zrównoważonej relacji erupcja/zużycie, co opisywano jako cechę charakterystyczną dla zębów, które kontynuują wzrost po osiągnięciu kontaktu okluzyjnego. Jednak biorąc pod uwagę rozbieżność między zrekonstruowanym współczynnikiem ścierania wynoszącym ok. 8,5 μm/dzień w M1 a zarejestrowanym EER wynoszącym ok. 40 μm/dzień w przyszyjkowej ćwiartce korony zęba trzonowego, w osiągnięcie zrównoważonej relacji między erupcją a zużyciem muszą być zaangażowane dalsze procesy. Sugeruje się, że podczas tak zwanej penetracyjnej fazy wyrzynania zęby stają się głębiej osadzone w szczęce w wyniku procesu obejmującego przebudowę wyrostka zębodołowego. Szacowany wskaźnik zużycia M1 wynoszący 8,5 μm/dzień u owiec rasy Soay mieści się w zakresie wskaźników zużycia zębów trzonowych odnotowanych u różnych zwierząt pastwiskowych (5,6-10,0 μm/dzień). Równoczesny wzrost korony i ścieranie zębów wpływają na odnotowane wartości HWR, które były najwyższe u owiec, które nie zakończyły jeszcze formowania korony. Ponieważ HWR dla M3 jest powszechnie używany jako HI w porównaniach taksonów, należy wziąć pod uwagę, że wartości HI dla zębów z jednoczesnym tworzeniem korony i funkcjonalnym zużyciem nie są bezpośrednio porównywalne z wartościami dla zębów, które zakończyły tworzenie korony przed osiągnięciem kontaktu okluzyjnego. Odnotowany przez nas HI wynoszący 4,6 dla owiec rasy Soay jest nieco niższy od progu definiującego stan wysoce hipsodontyczny (> 4,75; sensu Janis ), ale nieco wyższy od wartości podanych dla Ovis dalli (4,08) i Ovis canadensis (4,11) . Zakładając jednak, że pewna redukcja korony (~ 5-10% całkowitej wysokości korony) miała już miejsce w M3 nieoznakowanej owcy rasy Soay w przybliżonym wieku 900 dni, można zrekonstruować wysokość zęba wynoszącą około 39 mm dla nieuszkodzonego M3. Dzieląc tę wysokość korony przez zmierzoną szerokość zęba u tego osobnika (7,84 mm) otrzymano wskaźnik HI równy 4,97, co charakteryzuje owce rasy Soay jako wysoce hipsodontyczne.

Wartość adaptacyjna wydłużonego czasu formowania korony u trzonowców owiec rasy Soay polega na wydłużeniu ich okresu funkcjonalnego. Pierwszą próbę ilościowego określenia zależności między względną wysokością zębów a okresem czynnościowym trzonowców różnych ssaków roślinożernych podjął Kovalevky w 1874 roku. Ukuł on termin „Zahnkapital” (kapitał zęba), aby opisać ilość korony zęba dostępnej do zużycia i powiązał ten parametr z długowiecznością danego gatunku.

W badaniu dotyczącym etapów zużycia trzonowców żuchwy owiec w znanym wieku, Moran i O’Connor wykazali wyraźny wzór w progresji zużycia zarejestrowany za pomocą kodów referencyjnych Payne’a (PRC). Ciągła zewnętrzna warstwa szkliwa jako część reliefu powierzchni okluzyjnej zostaje osiągnięta w PRC 9A w pierwszym i drugim trzonowcu oraz w PRC 11G w trzecim trzonowcu. W tych stadiach oba płaty pierwszego i drugiego trzonowca oraz przedni i środkowy płat trzeciego trzonowca posiadają jeszcze infundibula. Po osiągnięciu tego stadium zużycia (PRC 9A u M1 w wieku 12 miesięcy i u M2 w wieku 26 miesięcy, PRC 11G u M3 w wieku od 32 do 42 miesięcy) przez znaczny okres czasu nie dochodzi do dalszych zmian w morfologii zgryzu. Świadczy o tym fakt, że do tych stadiów zużycia, które Moran i O’Connor nazwali „persisting stages”, należą osobniki w bardzo różnym wieku. Oczywiście ta „trwałość” jest tylko pozorna, ponieważ wysokość korony zmniejsza się stopniowo wraz z wiekiem. Przejście do kolejnego etapu zużycia następuje, gdy infundibulum na przednim płacie zaczyna się tracić (PRC 12 A w M1/2 i PRC 14G w M3). Po tym jak ścieranie zęba postępuje poniżej poziomu dna infundibulum, obecność szkliwa ogranicza się do obwodu korony zęba.

Wzorce ścierania zębów podobne do tych opisanych przez Morana i O’Connora odnotowano również u owiec rasy Soay w znanym wieku. Wiek owiec rasy Soay wykazujących stopień zużycia 9A w M1 wynosił od 12 do 60 miesięcy, a w przypadku osobników wykazujących ten stopień zużycia w M2 – od 36 do 108 miesięcy. Dla osobników wykazujących stopień zużycia 11G w M3 ustalono przedział wiekowy 60-132 miesięcy. W badaniu żywych owiec w znanym wieku (do 7 lat) należących do różnych ras, Jones podał przedział wiekowy od 10 do 84 miesięcy dla utrzymywania się stopnia zużycia 9A w M1. Najwcześniejsze osiągnięcie tego stadium u M2 odnotowano w wieku 20 miesięcy, a u M3 w wieku 42 miesięcy (stadium ścieralności 11G).

Behr badał ścieralność zębów u żyjących owiec rasy Karakul w znanym wieku (przedział wiekowy od 3 do 13 lat), stosując technikę repliki dentystycznej. Jego szczegółowy opis etapów zużycia pozwala na przyporządkowanie PRC do zębów. Utrata infundibulum w płacie przednim (PRC 12A) nastąpiła najpierw w wieku 60 miesięcy w M1, w wieku 84 miesięcy w M2 i w wieku 108 miesięcy w M3 (PRC 14G). O wcześniejszej utracie infundibuli donoszą Milhaud i Nezit dla płatów przednich M1 (36 miesięcy) i M2 (72 miesiące) u owiec Pre d’Alp du Sud. Według Behra całkowita utrata korony u owiec rasy Karakul, tj. odsłonięcie tkanki korzeniowej na powierzchni okluzyjnej, została po raz pierwszy odnotowana w wieku 8 lat u M1 i 10 lat u M2. U najstarszych osobników w jego badaniach (13 lat) w M3 nie osiągnięto jeszcze tego stadium.

Na podstawie powyższych wyników można wnioskować o okresach charakteryzujących się różnymi morfologiami okluzyjnymi dla owczych trzonowców. Maksymalnie funkcjonalna morfologia okluzyjna z obecnością grzbietów szkliwa na policzkowych i językowych powierzchniach bocznych korony oraz wokół infundibulum jest obecna na przednim płacie M1 przez okres od 24 do 48 miesięcy, w M2 przez 36 do 54 miesięcy, a w M3 przez 54 do 60 miesięcy. Dłuższe utrzymywanie się infundibulum w M3 w porównaniu z M1 i M2 jest prawdopodobnie związane z większą wysokością korony w tym pierwszym przypadku. Ponadto, mniej intensywne ścieranie M3 w porównaniu z M1 i M2 może być spowodowane większą względną objętością szkliwa w trzecim w porównaniu z pierwszym i drugim trzonowcem, co zostało odnotowane przez Winklera i Kaisera u różnych ssaków roślinożernych.

W owcach rasy Soay, okluzyjna morfologia korony obecna po przejściu płaszczyzny ścierania poniżej poziomu dna infundibulum utrzymuje się przez co najmniej około 4 lata w M1, 5 lat w M2 i 6 lat w M3. Obecność wydłużonej części koronowo-podstawnej w owczych trzonowcach powoduje zatem wyraźne wydłużenie okresu czynnościowego we wszystkich trzonowcach, a w konsekwencji wydłużenie maksymalnej długości życia osobnika. Należy przy tym pamiętać, że tworzenie szkliwa w obszarze infundibularnym jest ograniczone do przederupcyjnego okresu wzrostu korony, ponieważ organ szkliwa w obszarze infundibularnym jest tracony w procesie erupcji zęba. W przeciwieństwie do tego, tworzenie szkliwa u podstawy korony może być kontynuowane również w okresie po wyrżnięciu.

Zwiększenie wysokości zęba, a tym samym ilości tkanek zęba, zwłaszcza szkliwa, jest jednym z kilku możliwych sposobów na zwiększenie funkcjonalnej żywotności zęba w reżimie żywności abrazyjnej . Inne możliwe środki to zwiększona twardość szkliwa i zwiększona złożoność okluzyjnych grzbietów szkliwa. W odniesieniu do cech zębowych, brak przebudowy szkliwa i zębiny ogranicza ewolucyjne modyfikacje morfologii zębów do okresu odontogenezy. Inwestycja dodatkowych zasobów we wzrost zębów, skutkująca wydłużeniem ich funkcji, następuje więc przed okresem funkcjonalnym zębów lub częściowo się z nim pokrywa. Wykazano, że u poszczególnych gatunków tempo zużycia zębów jest skorelowane ze składem diety, czynnikami środowiskowymi i twardością szkliwa. Różnice te wpływają również na długowieczność, jak wykazano w przypadku jelenia Sika (Cervus nippon, ) oraz jelenia szlachetnego (Cervus elaphus) i wapiti (Cervus canadensis) wykazujących fluorozę zębów. Zwiększona długowieczność w populacjach o większej średniej wysokości zębów trzonowych zaobserwowano u sarny (Capreolus capreolus) .

Dla Myotragus balearicus, porównanie mezo- i makroskopowych wzorców z tymi z extantant kontynentalnych parzystokopytnych sugerowało dietę zdominowaną przez przeglądanie i umiarkowane tempo zużycia zębów . Odkrycie to zostało zinterpretowane jako wskazujące, że ścieralność pokarmu nie była jedyną siłą napędową wzrostu wysokości korony, ale że wyjątkowo długi okres formowania się zębów u tego gatunku stanowi specyficzne przystosowanie do warunków wyspiarskiego życia. Ograniczenia zasobów, niska presja drapieżników i przyswajanie nowych nisz pokarmowych są dyskutowane jako związane z ogólnym spowolnieniem procesów rozwojowych u Myotragus. Nie ma dowodów na zwiększoną długowieczność owiec Soay w porównaniu z innymi (kontynentalnymi) rasami owiec. Ponadto, wzór wzrostu korony udokumentowany tutaj dla owiec Soay nie różni się znacząco od wzoru wzrostu owiec kontynentalnych lub innych kóz (koza domowa, muflon, kozica, Witzel et al., niepublikowane obserwacje).

.