Ny forskning från Princeton visar att förhistoriska megatandshajar – de största hajarna som någonsin levt – var apex-rovdjur på den högsta nivå som någonsin uppmätts.

Megatooth-hajar får sitt namn från sina massiva tänder, som var och en kan vara större än en mänsklig hand. I gruppen ingår Megalodon, den största hajen som någonsin levt, samt flera besläktade arter.

Medan hajar av ett eller annat slag har funnits sedan långt före dinosaurierna – i mer än 400 miljoner år – utvecklades dessa megatandshajar efter att dinosaurierna dog ut och härskade över haven tills för bara 3 miljoner år sedan.

"Vi är vana vid att tänka på de största arterna - blåvalar, valhajar, till och med elefanter och diplodocuses - som filtermatare eller växtätare, inte rovdjur", säger Emma Kast, en Ph.D. examen i geovetenskap som är den första författaren på en ny studie i det aktuella numret av Science Advances . "Men Megalodon och de andra megatandshajarna var genuint enorma köttätare som åt andra rovdjur, och Meg dog ut för bara några miljoner år sedan."

Hennes rådgivare Danny Sigman, Princetons Dusenbury-professor i geologiska och geofysiska vetenskaper, tillade:"Om Megalodon fanns i det moderna havet, skulle det grundligt förändra människors interaktion med den marina miljön."

Ett team av Princeton-forskare har nu upptäckt tydliga bevis för att Megalodon och några av dess förfäder var på det allra högsta steget i den förhistoriska näringskedjan – det som forskare kallar den högsta "trofiska nivån". Deras trofiska signatur är faktiskt så hög att de måste ha ätit andra rovdjur och rovdjur i ett komplicerat näringsnät, säger forskarna.

"Havens näringsnät tenderar att vara längre än näringskedjan gräs-hjort-varg av landdjur, eftersom du börjar med så små organismer", säger Kast, nu vid University of Cambridge, som skrev den första iterationen av denna forskning som ett kapitel i hennes avhandling. "För att nå de trofiska nivåerna vi mäter i dessa megatandhajar behöver vi inte bara lägga till en trofisk nivå - ett apex rovdjur ovanpå den marina näringskedjan - vi måste lägga till flera på toppen av den moderna marina maten webb."

Megalodon har försiktigt uppskattats till 15 meter lång – 50 fot – medan moderna vithajar vanligtvis toppar omkring fem meter (15 fot).

För att nå sina slutsatser om det förhistoriska marina näringsnätet använde Kast, Sigman och deras kollegor en ny teknik för att mäta kväveisotoperna i hajarnas tänder. Ekologer har länge vetat att ju mer kväve-15 en organism har, desto högre är dess trofiska nivå, men forskare har aldrig tidigare kunnat mäta de små mängderna kväve som bevaras i emaljlagret på dessa utdöda rovdjurs tänder.

"Vi har en serie hajtänder från olika tidsperioder, och vi kunde spåra deras trofiska nivå kontra deras storlek", säger Zixuan (Crystal) Rao, doktorand i Sigmans forskargrupp och medförfattare på den aktuella artikeln .

Ett sätt att stoppa in en extra trofisk nivå eller två är kannibalism, och flera bevis pekar på det hos både megatandshajar och andra förhistoriska marina rovdjur.

Kvävetidsmaskinen

Utan en tidsmaskin finns det inget enkelt sätt att återskapa näringsnäten av utdöda varelser; väldigt få ben har överlevt med tandmärken som säger:"Jag tuggades på av en massiv haj."

Lyckligtvis har Sigman och hans team ägnat decennier åt att utveckla andra metoder, baserade på kunskapen om att kväveisotopnivåerna i en varelse celler avslöjar om den är överst, mitten eller längst ner i en näringskedja.

"Hela inriktningen för mitt forskarlag är att leta efter kemiskt färskt, men fysiskt skyddat, organiskt material – inklusive kväve - i organismer från det avlägsna geologiska förflutna", säger Sigman.

Ett fåtal växter, alger och andra arter på botten av näringsväven har bemästrat förmågan att förvandla kväve från luften eller vattnet till kväve i sina vävnader. Organismer som äter dem införlivar sedan det kvävet i sina egna kroppar, och kritiskt utsöndrar de företrädesvis (ibland via urin) mer av kvävets lättare isotop, N-14, än dess tyngre kusin, N-15.

Med andra ord, N-15 byggs upp, i förhållande till N-14, när du klättrar upp i näringskedjan.

Andra forskare har använt denna metod på varelser från det senaste förflutna – de senaste 10-15 tusen åren – men det har inte funnits tillräckligt med kväve kvar i äldre djur för att mäta, förrän nu.

Varför? Mjuk vävnad som muskler och hud bevaras nästan aldrig. För att komplicera saken, har hajar inga ben – deras skelett är gjorda av brosk.

Men hajar har en gyllene biljett till fossilregistret:tänder. Tänderna bevaras lättare än ben eftersom de är inneslutna i emalj, ett stenhårt material som är praktiskt taget immun mot de flesta sönderfallande bakterier.

"Tänder är designade för att vara kemiskt och fysiskt resistenta så att de kan överleva i den mycket kemiskt reaktiva miljön i munnen och bryta isär mat som kan ha hårda delar," förklarade Sigman. Och dessutom är hajar inte begränsade till de 30 eller så pärlvita som människor har. De växer ständigt och tappar tänder – moderna sandhajar tappar i genomsnitt en tand varje dag under sina decennier långa liv – vilket innebär att varje haj producerar tusentals tänder under sin livstid.

"När du tittar i det geologiska rekordet, är en av de vanligaste fossiltyperna hajtänder," sa Sigman. "Och inuti tänderna finns det en liten mängd organiskt material som användes för att bygga upp tändernas emalj - och som nu är fångat i den emaljen."

Eftersom hajtänder är så rikliga och bevaras så väl, ger kvävesignaturerna i emaljen ett sätt att mäta status i näringsväven, oavsett om tanden föll från en hajs mun för miljoner år sedan eller igår.

Även den största tanden har bara ett tunt hölje av emalj, varav kvävekomponenten bara är ett litet spår. Men Sigmans team har utvecklat mer och mer förfinade tekniker för att extrahera och mäta dessa kväveisotopförhållanden, och med lite hjälp från tandläkarborrar, rengöringskemikalier och mikrober som i slutändan omvandlar kvävet inifrån emaljen till dikväveoxid, är de nu kunna mäta N15-N14-förhållandet exakt i dessa gamla tänder.

"Vi är lite som ett bryggeri", sa han. "Vi odlar mikrober och matar våra prover till dem. De producerar lustgas åt oss och sedan analyserar vi lustgasen de producerade."

Analysen kräver ett specialbyggt, automatiserat dikväveoxidberedningssystem som extraherar, renar, koncentrerar och levererar gasen till en specialiserad masspektrometer för stabilt isotopförhållande.

"Detta har varit en flera decennier lång strävan som jag har varit på, att utveckla en kärnmetod för att mäta dessa spårmängder av kväve," sa Sigman. Från mikrofossiler i sediment, gick de vidare till andra typer av fossiler, som koraller, fisköronben och hajtänder. "Närnäst tillämpar vi och våra medarbetare detta på däggdjurständer och dinosaurietänder."

En djupdykning i litteraturen under lockdown

Tidigt i pandemin, medan hennes vänner gjorde surdegsförrätter och hetsade Netflix, letade Kast igenom den ekologiska litteraturen för att leta efter mätningar av kväveisotop hos moderna marina djur.

"En av de häftiga sakerna som Emma gjorde var att verkligen gräva i litteraturen - all data som har publicerats under decennier - och relatera det till fossilregistret", säger Michael (Mick) Griffiths, paleoklimatolog och geokemist vid William Patterson University och en medförfattare på tidningen.

När Kast satt i karantän hemma byggde hon mödosamt upp ett rekord med mer än 20 000 marina däggdjursindivider och mer än 5 000 hajar. Hon vill ta saker mycket längre. "Vårt verktyg har potential att avkoda uråldriga matnät; vad vi behöver nu är prover," sa Kast. "Jag skulle älska att hitta ett museum eller annat arkiv med en ögonblicksbild av ett ekosystem - en samling av olika typer av fossiler från en tid och plats, från foram nära själva basen av näringsväven, till otoliter - ben i inre örat - från olika sorters fiskar, till tänder från marina däggdjur, plus hajtänder. Vi skulle kunna göra samma kväveisotopanalys och sätta ihop hela historien om ett uråldrigt ekosystem."

Förutom litteratursökningen innehåller deras databas egna prover av hajtänder. Medförfattare Kenshu Shimada från DePaul University kopplade till akvarier och museer, medan medförfattarna Martin Becker från William Patterson University och Harry Maisch från Florida Gulf Coast University samlade megatandexemplar på havsbotten.

"Det är verkligen farligt; Harry är en dykmästare, och du måste verkligen vara en expert för att få tag på dessa," sa Griffiths. "Du kan hitta små hajtänder på stranden, men för att få de bäst bevarade proverna måste du gå ner till havets botten. Marty och Harry har samlat tänder från hela platsen."

Han tillade, "Det har varit ett verkligt samarbete för att få tag på proverna för att få ihop detta. I allmänhet är det verkligen spännande att samarbeta med Princeton och andra regionala universitet eftersom studenterna är fantastiska och mina kollegor där har varit riktigt bra att arbeta med."

Alliya Akhtar, en Ph.D. examen från Princeton, är nu postdoktor i Griffiths labb.

"Arbetet jag gjorde för min avhandling (som tittade på isotopsammansättningen av havsvatten) ställde lika många frågor som det besvarade, och jag var otroligt tacksam över att få möjligheten att fortsätta arbeta med några av dessa med en samarbetspartner/mentor som jag respekterar," Akhtar skrev i ett mejl. "Jag är mest exalterad över allt arbete som fortfarande måste göras, alla mysterier som ännu inte är lösta!"