剑齿猫的双牙青春期 - 美国大学新闻

two colorful renderings of saber-toothed cats with open jaws showing fangs

可怕的、像军刀一样的牙齿 Smilodon fatalis ——加利福尼亚州的州化石——对于任何曾经访问过洛杉矶拉布雷亚焦油坑的人来说都很熟悉，这是一个粘稠的陷阱，一个多世纪以来，已经从中挖掘出 2,000 多个剑齿猫头骨。

虽然很少有被发现的头骨附有军刀，但少数表现出一个奇特的特征：军刀的牙槽被两颗牙齿占据，恒牙入乳牙的凹槽中。

加州大学伯克利分校（University of California， Berkeley）综合生物学副教授、古生物学家杰克·曾（Jack Tseng）并不认为双牙是侥幸。

九年前，他和几位同事一起推测，乳牙有助于稳定恒牙，防止恒牙在萌出时侧向断裂。研究人员对剑齿猫的生长数据进行了解释，暗示在动物的青春期，两颗牙齿并排存在长达30个月，之后乳牙脱落。

在《 解剖学记录》（The Anatomical Record）杂志上发表的一篇新论文中，Tseng提供了第一个证据，证明剑齿本身在萌发过程中越来越容易受到侧向断裂的影响，但旁边的婴儿牙或乳牙会使其更加稳定。证据包括剑齿强度和刚度对侧向弯曲的计算机建模，以及剑齿塑料模型的实际测试和断裂。

dark brown fossil jaw with teeth and a saber tooth attached, next to card with identifying information — 剑齿猫 *Smilodon fatalis* 右上颌骨的一部分，显示完全萌出的幼崽剑齿，成年牙齿刚刚萌出。根据曾国藩的牙齿萌出时间表，他估计这只动物在死亡时年龄在12至19个月之间。化石来自拉布雷亚焦油坑，现藏于洛杉矶县自然历史博物馆。

“这项新研究证实了我和一些合作者几年前发表的一个想法，即军刀喷发的时间已经调整为允许双牙阶段，”曾说，他是加州大学古生物学博物馆的策展人。想象一个时间线，你让牛奶犬出来，当它们完成喷发时，永久性犬会出来并超越牛奶犬，最终把它推出去。如果这颗乳牙，在口腔内紧挨着这颗恒牙的30个月左右的时间里，是一个机械支撑呢？

他推测，在恒牙爆发很久之后，幼犬——所有哺乳动物成年后都会生长和失去的乳牙之一——的不寻常存在保护了军刀，而成熟的猫学会了如何在不伤害它们的情况下捕猎。最终，乳牙会脱落，成年人会失去军刀的支撑，大概已经学会了如何小心使用军刀。古生物学家仍然不知道像 斯米洛登 这样的剑齿动物是如何在不折断笨拙的军刀的情况下捕猎猎物的。

“现在我已经证明有这种潜在的保险政策，这种更大的保护范围，双重方阶段可能值得重新考虑，”他说。“它允许相当于我们的青少年进行实验，冒险，本质上是学习如何成为一个成熟的，成熟的捕食者。我认为这提炼了，尽管它没有解决，思考剑齿使用的增长，并通过机械镜头狩猎。

这项研究还对剑齿猫和其他剑齿动物成年后如何狩猎有影响，大概是利用它们的捕食技能和强壮的肌肉来补偿脆弱的犬科动物。

光束理论

由于从拉布雷亚焦油坑出土的大量剑齿猫化石，除了头骨之外，还包括数千个骨骼部分，科学家们对 Smilodon fatalis 的了解比任何其他剑齿动物都要多，尽管世界上至少有五个独立的剑齿动物谱系进化。 Smilodon 在北美和中美洲广泛漫游，大约在 10,000 年前灭绝。

two hands holding a brown-stained skull of an adult sabertooth, with huge canines — 带有完全喷发的军刀的 *Smilodon* 的完整头盖骨。左军刀，从后面看，已经折断了。根据这把成年军刀的状况，曾国藩估计这只动物死亡时至少有3岁。化石来自拉布雷亚焦油坑，现藏于洛杉矶县自然历史博物馆。

然而，古生物学家仍然对这一事实感到困惑，即成年动物使用犬科动物的薄刃刀显然避免经常折断它们，尽管在咬人过程中可能会产生侧向力。一项对拉布雷亚捕食者化石的研究发现，在动物稀缺时期，剑齿猫确实比丰盛时期更频繁地折断牙齿，这可能是因为喂养策略的改变。

来自拉布雷亚（La Brea）的双牙标本被认为是乳牙延迟脱落的罕见病例，这给了Tseng一个不同的想法——它们具有进化目的。为了验证他的假设，他使用了梁理论（一种广泛用于模拟从桥梁到建筑材料等结构的工程分析）来模拟现实生活中的剑齿。这与有限元分析相结合，有限元分析使用计算机模型来模拟剑齿在断裂前可以承受的侧向力。

gray model of sabertooth skull with saber tooth colored green and yellow to indicate stress points — 表示军刀弯曲应力的成年剑齿的有限元模型。颜色越暖，应力越大，牙齿模型的特定区域发生故障的可能性就越大。尖端附近的红点是施加力以测量侧向弯曲应力的地方。

“根据梁理论，当你将叶片状结构横向弯曲到其较窄尺寸的方向时，与主要强度方向相比，它们要弱得多，”Tseng说。“以前对剑齿虎如何狩猎的解释以此为限制。无论他们如何使用牙齿，他们都不可能在横向方向上弯曲很多牙齿。

他发现，虽然军刀的弯曲强度（断裂前可以承受的力）在整个伸长过程中保持不变，但军刀的刚度（在给定力下的偏转）随着长度的增加而降低。从本质上讲，随着牙齿变长，更容易弯曲，增加了断裂的机会。

然而，通过在梁理论模型中增加支撑乳牙，恒牙刀的刚度与弯曲强度保持同步，从而减少了断裂的机会。

“在恒牙与乳牙一起萌出的时间段，大约是你从最大宽度切换到相对较窄宽度的时候，这时牙齿会变弱，”Tseng说。“当你在梁理论方程中增加一个额外的宽度来考虑小军刀时，整体刚度更接近理论上的最优。

woman with goggles adjusting a machine touching the tip of a 6-inch plastic model of a saber tooth — 博士后研究员Narimane Chatar测试了成年剑齿树脂模型的弯曲强度。

虽然论文中没有报道，但他也3D打印了军刀齿的树脂复制品，并在一台旨在测量抗拉强度的机器上测试了它们的弯曲强度和刚度。这些测试的结果反映了计算机模拟的结论。他希望用更逼真的牙科材料3D打印复制品，以更准确地模拟真实牙齿的强度。

Tseng指出，同样的犬类稳定系统可能在其他剑齿动物身上进化出来。虽然在化石记录中没有发现其他物种的双牙的例子，但一些头骨在下颌的其他地方发现了成年牙齿，但在军刀会爆发的地方有乳牙。

“我们确实看到的是，在具有成人牙列的标本上保存的乳犬，这表明这些乳犬在成年牙齿（军刀）即将萌出或萌出时会长期保留，”他说。

Tseng得到了美国国家科学基金会生物基础设施部（2128146）的支持。

光束理论

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