新しい研究は、典型的な哺乳類のように見えるクマが、長い進化の歴史の中で臼歯の発達において2つの「不規則な操作」を行い、哺乳類の普遍的な歯の成長の青写真と考えられているものを破ったことを示しています。これらの古代の改変は、生きているクマの口腔構造に今でもはっきりと保存されています。
この研究は、バイエルン州立自然科学コレクション（SNSB）の科学者によって実施されました。彼らは、少なくとも1,300万年にわたるクマの顎と臼歯の化石を体系的に分析し、それらを現生種と比較しました。彼らは、古代のクマが新しい形態の臼歯を進化させただけでなく、哺乳類の臼歯の生成における「抑制カスケードモデル」（ICM）の規則を分子シグナルレベルで再プログラムしたことを発見した。この「プログラム修正」は、2つの大きな気候変動と環境変動の際にも実施された。
従来の哺乳類では、臼歯の発達は非常に安定したプログラムに従っています。つまり、第一大臼歯は形成時に化学シグナルを放出し、次の臼歯の成長を部分的に阻害し、下顎に沿って前から後ろに規則的な体積勾配を形成します。そのため、奥歯の大きさの組み合わせだけで、肉食か草食か雑食かが大まかに判断できます。しかし、研究により、ウルシ科動物は本質的に「分類が難しい」ことが判明しました。彼らの第二大臼歯 (m2) は非常に大きく、この古典的なモデルには決して一致しません。この奇妙な特徴は進化の初期に現れました。
最初の重要な「書き換え」は約 360 万年前に起こりました。主人公は鮮新世後期に生息し、現存するほとんどのクマの共通の祖先とみなされているウルスス・ミニムスです。研究によると、その前任者であるウルスス・ボエキと比較して、この時期のクマの中臼歯は著しく肥大しており、これはヨーロッパが温暖湿潤な亜熱帯森林から森林と新たに出現した草原が支配する冷涼で乾燥した環境へ移行した時期と一致しており、もともと豊富に存在していた小型の脊椎動物や木登り動物の数が減少し、大型の草食動物が増加したものの、それらを狩ることは困難であった。植物性の食物、地下根、種子、ナッツ、さまざまな無脊椎動物が入手しやすくなり、これらの小型クマは肉食動物から典型的な雑食動物への切り替えを余儀なくされました。
この食構造の変化に適応するために、U. boeckhi と U. minimus の間のクマは臼歯の発育シグナルに重要な調整を受けています。つまり、第 1 大臼歯 (m1) によって放出される抑制シグナルが弱まり、第 2 臼歯が「仕様を突破」して非常に大きくなる機会が与えられます。研究チームは、この新しい構成を「部分抑制カスケード」と呼んでいます。つまり、全体のシーケンスは依然として哺乳類の臼歯の勾配方向に一般的に従うものの、全体としては拡大されたm2によって全体のシーケンスが「持ち上げられ」、それによって元のモデルを完全に覆すことなく、より強力な研削能力が得られます。したがって、U. minimus は、哺乳類の進化の歴史において「臼歯プログラムの変更」を明確に記録した最初のクマの代表者となります。
2番目の「例外」は、約125万年前から70万年前の前期から中期更新世の移行期に起こり、ヨーロッパの草原が拡大し続け、気候が寒冷化し続け、ホラアナグマの祖先であるウルスス・デニンゲリの出現とほぼ同時に発生した。この時期のクマはさらに草食化を進めた。研究によると、臼歯の発達プログラムが再び調整されたことが示されています。今回は、第2大臼歯（m2）の抑制シグナルが弱まったため、第3大臼歯（m3）が拡大し、後節の咀嚼面が増加し、植物性食品の「粉砕能力」が大幅に強化されました。 U. デニンゲリなどの初期のホラアナグマの化石では、m3 対 m2 の体積比が古典的なモデルの予想を大幅に上回っています。
SNSB哺乳類コレクションの責任者であるアネケ・ファン・ヘテレン氏は、これら2つの調整はクマの進化の過程で、各臼歯の成長を制御する抑制信号と活性化信号の比率が大きく変化したことを示しており、これらの変化は肉食から雑食、さらには高度な草食への食性の変化と大きく関係していると指摘した。つまり、クマは急激に変化する気候や生態環境に直面したとき、単に頭冠の形状や噛み方を調整するだけで対応するのではなく、直接「ソースコードに触れ」、歯が生成される際の化学信号のバランスを変化させているのです。
さらに興味深いのは、これらの古代の「プログラムパッチ」が今日でも生きているクマに大きな影響を与えているということです。ヒグマ (Ursus arctos) とアメリカツキノワグマ (Ursus americanus) は、鮮新世の雑食時代を反映した大きな第二大臼歯を今でも保持しており、その規則破りを明らかに受け継いでいます。ほぼ完全に肉食であるホッキョクグマ (Ursus maritimus) でさえ、口の中の臼歯の配置に関してこの古い計画を今でも使用していますが、植物を効率的に粉砕するためにこれらの歯に頼る必要はもうありません。
もう 1 つの「異端者」の部門は、ジャイアント パンダ (Ailuropoda melanoleuca) です。研究によると、ジャイアントパンダはその基本的なパターンに古代のルールを突破した影が依然として残っているが、その後の進化の道はより急進的だ。肥大した臼歯に頼る代わりに、顎の構造を強化し、頬の歯を厚くし、一部の小臼歯に激しい研磨作業を行えるようにすることで、高繊維の竹食専用の「頑丈な咀嚼機械」を構築するほうがよい。
しかし、南アメリカのメガネクマ（Tremarctos ornatus）は、この研究枠組みでは一時的に「未解決の謎」となっています。この種も巨大な第二大臼歯の典型的なパターンを示していますが、近縁種の短鼻クマの化石サンプルがこの分析には含まれていなかったため、科学者たちはこのシステムがいつ、どのような信号調整を通じて独特の歯の進化の軌跡をたどったのかをまだ特定できていません。研究チームは、メガネグマも同様の「抑制カスケード」再プログラミングプロセスを経験したかどうかを判断するために、アルクトテリーニグループに関するさらなる化石研究を呼びかけた。
著者らは、抑制性カスケードモデルは広範囲の哺乳動物分類群にわたって極めて堅牢であるため、クマにおけるこの規則からの2つの明らかな逸脱の記録は特に顕著であることを強調している。彼らは歯の形態を変えることで食事の変化に適応しただけでなく、発生生物学のレベルでの厳しい内部制限を「回避」し、臼歯の成長プログラムを直接「書き換え」ました。この大胆な進化の試みは今でも彼らの歯列に刻まれています。
関連する研究はジャーナル「Boreas」に掲載されており、バイエルン州立自然科学コレクションが主導しました。さらに、「自然のブラックボックス」である歯は、環境の変化と種の進化の物語を再構成するという点で、見た目よりもはるかに「雄弁」であることを示しています。