吃嘛嘛香的食人鱼，一次能换掉半口牙

为了维持一口洁白、锋利的好牙，食人鱼演化出了独特的牙齿结构，和与之匹配的奇特换牙策略：一次换掉半口牙。

食人鱼梅氏锯脂鲤（Serrasalmus medinai）的CT扫描图。请注意它腹部消化的鱼鳍。图片来源：华盛顿大学

来源 华盛顿大学

翻译 严冰冰

审校 戚译引

食人鱼的撕咬能力很强，它的牙齿能撕下猎物身上的肉，甚至能把植物从石头上刮下来给自己加餐。

数年前研究者曾发现，食人鱼会同时脱落一整排牙再重新长牙，推测是用锋利的新牙替换磨钝的旧牙，以便撕咬猎物。但是，尚未有研究使用博物馆标本证实这种理论，也未见食人鱼整排换牙的记录。

华盛顿大学的研究团队运用新技术证实了这一点：在食人鱼及其草食性近亲帕库鱼（pacus）的一生中，的确会多次经历整排换牙的过程。理解食人鱼的换牙方式，也许能帮助我们理解它们为什么要如此费力地替换牙齿。

这项发现于 8 月 26 日发表于 Evolution & Development 杂志上。

“从某种意义上来说，我们解决了一个显而易见却无人关心的问题，” Adam Summers 说道，他是论文的资深作者、华盛顿大学星期五港实验室（Friday Harbor Laboratories）的生物学教授、水产和渔业科学教授。

“食人鱼的牙齿形成一个相互锁定的整体结构，头部一侧的整排牙齿会同时全部脱落。旧牙就像新牙头顶戴着的礼帽，直到新牙要长出时，旧牙才脱落。因此，尽管食人鱼时常换牙，但它从不缺牙。”

左侧为红腹锯脂鲤（Pygocentrus nattereri）CT 扫描图片，显示现有的牙齿下方还有一排牙齿。右侧对同一样本使用了更加先进的成像技术，可以看到鱼的上颌和下颌中都有一副替换牙齿。图片来源：University of Washington/George Washington University

研究团队综合了鱼类演化史、生物力学性能方面的专业知识，运用强有力的成像技术，拼凑食人鱼与帕库鱼换牙的相关线索，讲述出这个令人难以置信的故事。使用这种策略，新牙整装待发，食人鱼永远都有一口完整的白牙。

当研究者确定了换牙的过程，他们开始思考食人鱼运用该策略的原因。使用先进的成像技术，研究者清楚地观察到不同鱼类牙齿的轮廓与形态，发现位于同侧的牙齿相互紧紧固定在一起，在嘴部形成两块坚固的整体区域。

扫描电子显微镜成像展示了食人鱼牙齿相互锁定的结构。图片来源：Frances Irish/Moravian College

“这样的话，当一颗牙出现磨损，就很难仅仅替换那一颗。” 论文的首席作者 Matthew Kolmann 说道，他是华盛顿大学博士后研究员，作为星期五刚实验室的研究员与 Summers 共同开始了这项研究，“一旦牙齿之间相互连接，那么当其中一颗牙磨损严重，它就成了流水线上缺失的一环。所有牙齿需要协调配合、步调一致地完成工作。”

连锁的整排牙齿很可能有利于鱼类的生存，因为这种机制让咀嚼食物时产生的压力均匀地分布在每颗牙齿上。研究人员解释道，从食人鱼的一生看来，一次更换一整副牙齿很可能是值得的，是一种利于生存的权衡。

“有了连锁的整排牙齿，食人鱼就从拥有锋利的单个牙齿——可以咬开一颗坚果或咬穿一块肉——进阶为拥有强劲的一整套牙齿，”论文的共同作者、华盛顿大学生物学博士生 Karly Cohen 说道，“在食人鱼和帕库鱼中，牙齿的连接方式具有丰富的多样性，看起来与牙齿的使用方式有关。”

研究者充分利用最先进的分析技术研究食人鱼和帕库鱼的标本。他们总共对 40 个不同物种的 93 例标本进行 CT 扫描，将骨头和连接组织的图像数字化，进行高分辨率的 3D 分析。他们还将组织染色，以研究牙齿的发育方式，并结合各个物种的遗传信息，理解它们在演化上的关系。

“综合以上信息，我们对真实情况有了更全面的认识，” Cohen 表示。

这些技术手段向我们展示了食人鱼换牙的清晰场景。在几乎所有经分析的标本中，研究人员利用成像工具，观察到原先肉眼不可见的部分——一排排等待萌发的牙齿，位于已经长出的牙齿之下。

此外，这个项目还利用几十例来自全国各个自然历史博物馆的鱼类标本，从中梳理得到新信息。“这项工作的初衷是试图从这些收藏品中找到研究鱼类生物学的新方法，”Kolmann 说。

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论文信息

【论文标题】Tooth and consequences: Heterodonty and dental replacement in piranhas and pacus (Serrasalmidae)

【论文作者】Matthew A. Kolmann， Karly E. Cohen， Katherine E. Bemis， Adam P. Summers， Frances J. Irish， L. Patricia Hernandez

【发表时间】26 August 2019

【发表期刊】Evolution & Development

【论文编号】10.1111/ede.12306

【论文链接】

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/ede.12306 

【论文摘要】Tooth replacement in piranhas is unusual: all teeth on one side of the head are lost as a unit, then replaced simultaneously. We used histology and microCT to examine tooth‐replacement modes across carnivorous piranhas and their herbivorous pacu cousins (Serrasalmidae) and then mapped replacement patterns onto a molecular phylogeny. Pacu teeth develop and are replaced in a manner like piranhas. For serrasalmids, unilateral tooth replacement is not an “all or nothing” phenomenon; we demonstrate that both sides of the jaws have developing tooth rows within them, albeit with one side more mineralized than the other. All serrasalmids (except one) share unilateral tooth replacement, so this is not an adaptation for carnivory. All serrasalmids have interlocking teeth; piranhas interdigitate lateral tooth cusps with adjacent teeth, forming a singular saw‐like blade, whereas lateral cusps in pacus clasp together. For serrasalmids to have an interlocking dentition, their teeth need to develop and erupt at the same time. We propose that interlocking mechanisms prevent tooth loss and ensure continued functionality of the feeding apparatus. Serrasalmid dentitions are ubiquitously heterodont, having incisiform and molariform dentitions reminiscent of mammals. Finally, we propose that simultaneous tooth replacement be considered as a synapomorphy for the family.

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