Ученые раскрыли эволюционные компромиссы в строении зубов млекопитающих

L’ESSENTIEL - Les dents sont l’interface primordiale entre un animal et sa nourriture. - La molaire « tribosphénique » permet de trancher et de broyer. Comment allier ces deux fonctions opposées ? - Une nouvelle étude nous apprend comment ces dents ont évolué pour trouver le bon équilibre selon le régime alimentaire de chaque animal. Pourriez-vous découper un steak et casser une noix avec un seul et même outil ? Une lame fine pénètre facilement dans une matière souple, mais résiste mal à une forte charge. Un broyeur doit au contraire être large et robuste, mais coupe peu. Au cours de leur évolution, la grande majorité des mammifères actuels ont pourtant réuni ces deux fonctions en une seule structure : une molaire spécialisée. Mais jusqu’où une même dent peut-elle concilier deux fonctions opposées ? Pour le découvrir, notre équipe a comparé ces molaires chez des mammifères actuels et fossiles, puis testé la capacité à broyer et à découper de leurs reproductions imprimées en 3D. En combinant des scans de haute précision, l’impression 3D et des essais mécaniques, notre nouvelle étude, récemment publiée dans la revue Science, met en lumière les contraintes qui pèsent sur la dentition des mammifères. Une dent à double fonction Les dents constituent une interface primordiale entre un animal et sa nourriture. Leur forme conditionne ainsi en partie la manière dont les aliments peuvent être traités avant d’être avalés ainsi que les forces physiques qu’elles peuvent supporter. Comme elles se fossilisent très bien, ces structures documentent aussi le régime et la biomécanique des espèces disparues permettant notamment de retracer certaines étapes majeures de l’évolution des mammifères, parmi lesquelles l’apparition de la molaire « tribosphénique ». Cette dent à la morphologie particulière réunit une région haute et coupante, le trigonide, et une zone plus basse servant au broyage, le talonide. Lors de la fermeture de la mâchoire, ces régions travaillent avec les dents supérieures pour cisailler et écraser les aliments en un seul mouvement. En permettant de trancher et de broyer les aliments au cours d’une même morsure, cette architecture a élargi la gamme de ressources accessibles aux mammifères et aurait ainsi favorisé leur diversification écologique. Pourtant, ces deux fonctions sont favorisées par des morphologies dentaires en grande partie contradictoires : trancher favorise des pointes hautes et aiguës ainsi que des crêtes bien alignées, tandis que broyer demande une large surface de contact et une structure résistante. Reste alors à comprendre comment cette incompatibilité géométrique a orienté l’évolution des molaires chez les mammifères. La carnassière sous toutes ses formes Toutes les molaires des mammifères ne sont pas identiques. Au cours des 66 derniers millions d’années, les carnassières, des molaires spécialisées dans la découpe de la chair, sont apparues indépendamment dans plusieurs groupes de mammifères. À l’heure actuelle, les Carnivora (groupe incluant les félins, les chiens et les ours, entre autres) représentent les seuls véritables détenteurs de dents carnassières. Malgré leur nom, les Carnivora rassemblent aussi bien des prédateurs spécialisés que des espèces omnivores et même des espèces strictement herbivores, comme le panda géant. Cette diversité alimentaire s’accompagne d’une remarquable variété de formes dentaires. Chez les félins, la carnassière est une lame pure, au talonide réduit ou absent. Chiens, ours et ratons laveurs, eux, gardent au contraire des surfaces de broyage utiles à un régime varié, jusqu’au bambou du panda géant. Notre équipe a ainsi numérisé en 3D la carnassière inférieure de 250 espèces actuelles et fossiles. Deux grandes formes récurrentes se dégagent : des dents hautes à deux cuspides, au talonide réduit ou absent, typiques des prédateurs spécialisés comme les félins ; et des dents au talonide développé, associées à une plus grande diversité alimentaire. À vos marques. Prêts ? Mordez ! Une sélection de dents a été reproduite par impression 3D, puis testée dans deux dispositifs reposant sur des matériaux conçus pour imiter les propriétés de tissus biologiques. Pour évaluer le tranchage, les modèles ont été enfoncés dans des couches de gélatine imitant les tissus souples, comme la peau et les muscles. Nous avons ainsi mesuré la force nécessaire pour pénétrer le gel ainsi que la taille des lacérations selon la morphologie de chaque dent. Pour le broyage, les mêmes formes ont été soumises à un matériau imprimé, spécialement conçu pour avoir des propriétés et une résistance proches de celles de l’os. Nos tests montrent que peu de morphologies découpent efficacement les tissus mous, et toutes partagent la même morphologie : deux cuspides hautes reliées par des crêtes acérées, double lame qui concentre la pression sur une surface minime et pénètre profondément la gélatine à faible force. Chez les hypercarnivores (qui se nourrissent quasi exclusivement de viande), la carnassière frôle même l’optimum théorique, signe que la marge de variation est étroite : pour couper efficacement, la hauteur et l’orientation des cuspides ainsi que l’alignement des crêtes doivent être combinés avec précision. À l’inverse, de nombreuses morphologies dentaires permettent de broyer efficacement. Un talonide développé aide généralement la dent à supporter de fortes charges, mais ce n’est pas la seule solution possible. Chez certaines dents en forme de lame, une petite encoche située entre les deux cuspides répartit les contraintes et limite le risque de fracture, exactement comme les ouvertures présentes sur une lame de scie circulaire. Les formes qui concilient au mieux ces deux performances restent cependant exceptionnelles : moins de 1 % des formes étudiées se rapprochent du meilleur compromis entre les deux performances. Le compromis n’oppose donc pas deux fonctions à parts égales. Il met en regard une fonction très exigeante, le tranchage, qui n’admet qu’un petit nombre de formes optimales, à une fonction plus flexible, le broyage, que plusieurs architectures peuvent assurer. Il existe ainsi beaucoup plus de façons de fabriquer un bon broyeur qu’un bon trancheur. Quand la spécialisation referme certaines portes À l’échelle de millions d’années, ce déséquilibre pourrait avoir des conséquences profondes. Le développement d’un talonide plus important multiplie les possibilités de broyage et peut permettre l’exploitation d’aliments plus variés. À l’inverse, l’évolution d’une carnassière en forme de lame est associée à une spécialisation plus étroite. Cette spécialisation peut ainsi produire un « effet de cliquet évolutif » : une fois le talonide fortement réduit et la dent spécialisée dans la découpe de la chair, le retour vers une dent plus polyvalente devient difficile. Ainsi, les hyaenodontes et les oxyaenodontes, proches parents des mammifères Carnivora, qui ont des dents très spécialisées, ont fini par disparaître. Sans y voir la cause de leur extinction, notre étude suggère qu’une spécialisation poussée peut limiter l’accès à de nouvelles ressources. L’évolution ne cherche pas l’outil parfait Alors, peut-on découper un steak et casser une noix avec un seul outil ? Chez les mammifères, la réponse est oui, mais rarement avec la même efficacité. La molaire tribosphénique a rendu possible ces deux fonctions, tout en favorisant la spécialisation vers l’une ou l’autre. Ce résultat nous rappelle ainsi que, en évolution, une innovation n’est jamais synonyme de perfection : elle ouvre de nouvelles possibilités tout en imposant certaines contraintes, et les compromis qui en découlent contribuent à façonner la diversité du vivant.