Över hela däggdjurens värld, tänder finns i alla möjliga former och storlekar. Deras speciella storlek och form är processen av miljontals år av evolutionär finjustering för att producera tänder som effektivt kan bryta ner maten i ett djurs diet. Som ett resultat, däggdjur som är nära släkt och har en liknande meny tenderar att ha tänder som ser ganska lika ut. Ny forskning tyder på, dock, att dessa likheter kanske bara är "huddjupa".

Tänderna på baksidan av våra munnar - kindtänderna - har en serie knölar, åsar, och spår över tuggytan. Detta komplexa tandlandskap är produkten av det rumsliga arrangemanget av cusps, som är koniska ytutsprång som krossar mat innan de sväljs. Hur många spetsar finns det, hur de är placerade, och vilken storlek och form de tar tillsammans bestämmer vår molars övergripande form eller konfiguration.

Under loppet av hominin (moderna människor och deras fossila förfäder) evolution, molarer har förändrats markant i sin konfiguration, med vissa grupper som utvecklar större kuspar och andra utvecklar molarer med ett batteri av mindre extra cusps.

Att kartlägga dessa förändringar har gett kraftfulla insikter i vår förståelse av den moderna mänskliga befolkningens historia. Det har till och med tillåtit oss att identifiera nya fossila homininarter, ibland från bara fragmentariska tandrester, och att rekonstruera vilken art som är närmare besläktad med vem. Exakt hur vissa populationer av moderna människor, och några fossila homininarter, utvecklade komplexa molarer med många spetsar av varierande storlek, medan andra utvecklade mer förenklade molarkonfigurationer, dock, är okänd.

I en studie publicerad denna vecka i Vetenskapens framsteg , ett internationellt team av forskare från Arizona State Universitys Institute of Human Origins och School of Human Evolution and Social Change, New York University, University of Kent, och Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology fann att en enkel, enkla utvecklingsregel - "mönsterkaskaden" - är tillräckligt kraftfull för att förklara den enorma variationen i molarkronans konfiguration under de senaste 15 miljoner åren av apa och mänsklig evolution.

"Istället för att åberopa stora, komplicerade scenarier för att förklara de stora förändringarna i molar evolution under loppet av hominin ursprung, vi fann att enkla justeringar och ändringar av denna utvecklingsregel kan stå för de flesta av dessa förändringar, " säger Alejandra Ortiz, en postdoktor vid Arizona State Universitys Institute of Human Origins och huvudförfattare till studien.

Under det senaste decenniet, forskarnas förståelse för utveckling av molar cusp har ökat hundra gånger. De vet nu att bildandet av dessa spetsar styrs av en molekylär process som börjar i ett tidigt embryonalt skede. Baserat på experimentellt arbete på möss, mönstringskaskadmodellen förutspår att molarkonfigurationen primärt bestäms av den rumsliga och tidsmässiga fördelningen av en uppsättning signalceller.

Klumpar av signalceller (och deras resulterande cusps) som utvecklas tidigare påverkar starkt uttrycket av cusps som utvecklas senare. Denna kaskadeffekt kan resultera i att antingen gynna en ökning av storleken och antalet ytterligare spetsar eller begränsa deras utveckling till att producera mindre, färre spetsar. Huruvida denna typ av enkla utvecklingsfenomen kunde förklara det stora utbudet av molarkonfigurationer som finns över apa och mänskliga härkomster var okänt.

Med hjälp av toppmodern mikrodatortomografi och digital bildteknik tillämpad på hundratals fossila och nya molarer, Ortiz och kollegor skapade virtuella kartor över tandlandskapet med utvecklande tänder för att kartlägga den exakta platsen för embryonala signalceller från vilka molar cusps utvecklas. Till forskargruppens stora förvåning, modellens förutsägelser höll i sig, inte bara för moderna människor, men för över 17 arter av apor och homininer spridda över miljontals år av högre primatutveckling och diversifiering.

"Modellen fungerar inte bara för att förklara skillnader i grundläggande molardesign, men den är också tillräckligt kraftfull för att exakt förutsäga utbudet av varianter i storlek, form, och ytterligare cusp-närvaro, från det mest subtila till det mest extrema, för de flesta apor, fossila homininer, och moderna människor, säger Ortiz.

Dessa resultat passar ihop med ett växande arbete inom evolutionär utvecklingsbiologi som mycket enkelt, enkla utvecklingsregler är ansvariga för genereringen av den otaliga komplexiteten av tandegenskaper som finns i däggdjurständer.

"Det mest spännande resultatet var hur väl våra resultat passade med en framväxande uppfattning att utvecklingen av komplex anatomi fortskrider med små, subtila justeringar av den underliggande utvecklingsverktygslådan snarare än genom stora språng, " säger Gary Schwartz, en paleoantropolog vid ASU:s Institute of Human Origins och en studiemedförfattare.

Denna nya studie är i linje med uppfattningen att enkel, subtila förändringar i hur gener kodar för komplexa egenskaper kan resultera i det stora utbudet av olika dentala konfigurationer som vi ser över homininer och våra apor kusiner. Det är en del av en förändring i vår förståelse av hur naturligt urval lätt och snabbt kan generera ny anatomi som passar en viss funktion.

"Allt detta exakta, detaljerad information finns djupt inne i tänderna, " fortsatte Schwartz, "även tänder från våra sedan länge utdöda fossila släktingar, är helt enkelt anmärkningsvärt."

"Vår forskning, visar att en enda utvecklingsregel kan förklara den otaliga variationen vi observerar mellan däggdjur, betyder också att vi måste vara försiktiga med att sluta sig till relationer mellan utdöda arter baserat på delad form, sa Shara Bailey, en medförfattare och paleoantropolog vid New York University. "Det blir allt tydligare att likheter i tandform inte nödvändigtvis indikerar nyligen delad härkomst, " tillade Bailey.