Kaliforniens statsfossil – är bekant för alla som någonsin har besökt Los Angeles La Brea Tar Pits, en klibbig fälla från vilken mer än 2 000 sabeltandade kattskallar har grävts ut under mer än ett sekel.

Även om få av de återvunna skallarna hade sablar fästa, uppvisade en handfull ett märkligt drag:tandhålet för sabeln var upptaget av två tänder, med den permanenta tanden slitsad i ett spår i mjölktanden.

Paleontologen Jack Tseng, docent i integrativ biologi vid University of California, Berkeley, tror inte att de dubbla huggtänderna var en lyckträff.

För nio år sedan spekulerade han tillsammans med några kollegor om att mjölktanden hjälpte till att stabilisera den permanenta tanden mot sidledsbrott när den bröt ut. Forskarna tolkade tillväxtdata för den sabeltandade katten för att antyda att de två tänderna existerade sida vid sida i upp till 30 månader under djurets tonår, varefter mjölktanden föll ut.

I en ny artikel publicerad i tidskriften The Anatomical Record , ger Tseng det första beviset på att sabeltanden ensam skulle ha blivit allt mer sårbar för sidobrott under utbrott, men att en barn- eller mjölktand bredvid den skulle ha gjort den mycket mer stabil.

Bevisen består av datormodellering av sabeltands styrka och styvhet mot sidledsböjning, och faktiska tester och brott av plastmodeller av sabeltänder.

"Denna nya studie är en bekräftelse - ett fysiskt och simuleringstest - på en idé som några medarbetare och jag publicerade för ett par år sedan:att tidpunkten för sabelns utbrott har justerats för att tillåta ett steg med två huggar," sade Tseng, som är curator vid UC Museum of Paleontology.

"Föreställ dig en tidslinje där du har mjölkhunden som kommer ut, och när de slutar att få utbrott kommer den permanenta hunden ut och kör om mjölkhunden, och så småningom trycker ut den. Tänk om den här mjölktanden, under de 30 eller så månader som det var inne i munnen precis bredvid den här permanenta tanden, fanns det en mekanisk stötta?"

Han spekulerar i att den ovanliga närvaron av hundungen – en av mjölktänderna som alla däggdjur växer och förlorar i vuxen ålder – långt efter att den permanenta sabeltanden brast ut skyddade sabeln medan de mogna katterna lärde sig att jaga utan att skada dem.

Så småningom skulle mjölktanden falla ut och den vuxne skulle tappa sabelstödet, förmodligen ha lärt sig att vara försiktig med sin sabel. Paleontologer vet fortfarande inte hur sabeltandade djur som Smilodon jagade byte utan att bryta sina otympliga sablar.

"Dubbel-huggar-stadiet är förmodligen värt att tänka om nu när jag har visat att det finns den här potentiella försäkringen, detta större utbud av skydd", sa han.

"Det tillåter motsvarigheten till våra tonåringar att experimentera, att ta risker, i huvudsak för att lära sig att vara en fullvuxen, fullfjädrad rovdjur. Jag tror att detta förfinar, även om det inte löser, att tänka på tillväxten av sabeltand använda och jaga genom en mekanisk lins."

Studien har också konsekvenser för hur sabeltandade katter och andra sabeltandade djur jagade som vuxna, antagligen med hjälp av sina rovförmåga och starka muskler för att kompensera för sårbara hundar.

Strålteori

Tack vare rikedomen av sabeltandade kattfossiler, som inkluderar tusentals skelettdelar förutom skallar, grävda upp från La Brea Tar Pits, vet forskare mycket mer om Smilodon fatalis än om något annat sabeltandat djur, även om minst fem separata linjer av sabeltandade djur utvecklades runt om i världen. Smilodon strövade brett över Nordamerika och in i Centralamerika och dog ut för cirka 10 000 år sedan.

Ändå är paleontologer fortfarande förvirrade av det faktum att vuxna djur med tunnbladiga knivar för hundar uppenbarligen undvek att bryta dem ofta trots de sidledskrafter som troligen genererades under bitning. En studie av rovdjursfossilerna La Brea fann att sabeltandade katter under perioder med djurbrist bröt sina tänder oftare än i tider av överflöd, kanske på grund av ändrade matstrategier.

De dubbeltända exemplaren från La Brea, som har ansetts vara sällsynta fall av individer med fördröjd förlust av mjölktanden, gav Tseng en annan idé – att de hade ett evolutionärt syfte.

För att testa sin hypotes använde han strålteori - en typ av teknisk analys som används brett för att modellera strukturer från broar till byggmaterial - för att modellera verkliga sabeltänder. Detta kombineras med finita elementanalys, som använder datormodeller för att simulera de krafter i sidled som en sabeltand skulle kunna motstå innan den går sönder.

"Enligt strålteorin, när du böjer en bladliknande struktur i sidled i riktning mot deras smalare dimension, är de ganska mycket svagare jämfört med den huvudsakliga styrkan", sa Tseng. "Tidigare tolkningar av hur sabeltänder kan ha jagat använder detta som en begränsning. Oavsett hur de använder sina tänder, kunde de inte ha böjt dem mycket i sidled."

Han fann att medan sabelns böjstyrka – hur mycket kraft den tål innan den går av – förblev ungefär densamma under hela dess förlängning, minskade sabelns styvhet – dess nedböjning under en given kraft – med ökande längd. I grund och botten, när tanden blev längre, var den lättare att böja, vilket ökade risken för brott.

Genom att lägga till en stödjande mjölktand i strålteorimodellen höll dock den permanenta sabelns styvhet jämna steg med böjstyrkan, vilket minskade risken att gå sönder.

"Under den tidsperiod när den permanenta tanden bryter ut tillsammans med mjölken, är det runt tiden när du byter från maximal bredd till den relativt smalare bredden, när den tanden kommer att bli svagare," sa Tseng. "När du lägger till en extra bredd tillbaka i strålteoriekvationen för att ta hänsyn till babysabeln, blir den totala styvheten mer i linje med den teoretiska optimala."

Även om det inte rapporterades i tidningen, 3D-printade han också hartsrepliker av sabeltänder och testade deras böjhållfasthet och styvhet på en maskin utformad för att mäta draghållfasthet. Resultaten av dessa tester speglade slutsatserna från datorsimuleringarna. Han hoppas kunna 3D-printa repliker från mer verklighetstrogna dentalt material för att mer exakt simulera styrkan hos riktiga tänder.

Tseng noterade att samma hundstabiliseringssystem kan ha utvecklats hos andra sabeltandade djur. Även om inga exempel på dubbla huggtänder hos andra arter har hittats i fossilregistret, har vissa dödskallar hittats med vuxna tänder på andra ställen i käkarna men mjölktänder där sabeln skulle brista.

"Vad vi ser är mjölktänder bevarade på prover med annars vuxen dentition, vilket tyder på en långvarig kvarhållning av dessa mjölkhundar medan den vuxna tanden, sablarna, antingen håller på att brista ut eller bryter ut", sa han.

Mer information: Z. Jack Tseng, Böjningsprestandaförändringar under långvarigt hundutbrott hos sabeltandade köttätare:En fallstudie av Smilodon fatalis, The Anatomical Record (2024). DOI:10.1002/ar.25447

Tillhandahålls av University of California - Berkeley