Reconstruction de la vie du dicynodonte Dicynodon. Mis à part les défenses de la mâchoire supérieure, la plupart des dicynodontes possédaient un bec en forme de tortue qu’ils utilisaient pour mâcher leur nourriture. Image de Marlene Hill Donnelly. Crédit : Marlene Hill Donnelly
La plupart des gens imaginent un éléphant lorsqu’ils imaginent des animaux avec des défenses. Mais de nombreux autres animaux ont des défenses, notamment des phacochères, des hippopotames, des morses de l’Arctique et même un animal ressemblant à un cobaye de cinq livres appelé hyrax. Bien que la taille de l’animal et de ses défenses puisse varier, ils ont tous une chose en commun : ils ne se trouvent que sur les mammifères : il n’y a pas de poissons, de reptiles ou d’oiseaux connus avec des défenses. Bien qu’il s’agisse d’une caractéristique emblématique des mammifères modernes et fossiles, le mystère demeure de savoir quelles étapes de l’évolution ont conduit au développement de ce phénomène dentaire et pourquoi les mammifères sont-ils aujourd’hui les seuls animaux dotés de défenses ?
Dans un nouvel article publié le 27 octobre 2021 dans le Actes de la Royal Society B les chercheurs font remonter les premières défenses à d’anciens mammifères apparentés qui vivaient avant les dinosaures et font la lumière sur l’évolution des défenses de mammifères en définissant d’abord ce qui fait d’une défense une défense.
“Les défenses sont cette anatomie très célèbre, mais jusqu’à ce que je commence à travailler sur cette étude, je n’ai jamais vraiment pensé à la façon dont les défenses sont limitées aux mammifères”, a déclaré l’auteur principal Megan Whitney, boursière postdoctorale au Département de biologie organique et évolutive de l’Université Harvard.
“Nous avons pu montrer que les premières défenses appartenaient à des animaux antérieurs aux mammifères modernes, appelés dicynodontes”, a déclaré Kenneth Angielczyk, co-auteur et conservateur au Field Museum de Chicago. “Ce sont des animaux très étranges.”
Côté gauche du crâne du dicynodonte Dolichuranus (NMT RB554) de Tanzanie. La grande défense est visible en bas à gauche du spécimen. Crédit : Ken Angielczyk
Les dicynodontes, bien qu’ils ne soient pas des mammifères, sont des parents éloignés et sont plus étroitement liés aux mammifères que les dinosaures et autres reptiles. Les dicynodontes vivaient il y a entre 270 et 201 millions d’années et comprenaient une gamme variée d’animaux allant de minuscules dicynodontes ressemblant à des rats à d’énormes dicynodontes de la taille d’un éléphant. Ils sont connus pour avoir une disposition très particulière des dents. Une caractéristique déterminante de ces animaux, découverts pour la première fois il y a 176 ans, sont les défenses saillantes de leurs mâchoires supérieures. La plupart avaient deux défenses supérieures qui descendaient de la position canine, mais ils avaient rarement des dents supplémentaires. Au lieu de cela, les dicynodontes avaient un bec à l’avant de la bouche qui était fait de kératine et ressemblait à un bec de tortue.
Les chercheurs prenaient une pause déjeuner lors d’une fouille paléontologique lorsqu’ils ont eu l’idée de l’étude. « Nous étions assis sur le terrain en Zambie et il y avait des dents de dicynodonte partout », se souvient Whitney. “Je me souviens que Ken les avait ramassés et lui avait demandé pourquoi on les appelait des défenses, parce qu’elles avaient des caractéristiques que les défenses n’ont pas.”
Un crâne de dicynodonte encore dans le sol qui est cassé pour révéler les racines de leurs défenses/dents (les structures circulaires blanches). Crédit : Photo de K. Angielczyk
Toutes les dents saillantes ne sont pas techniquement des défenses. “Pour cet article, nous avons dû définir une défense, car c’est un terme étonnamment ambigu”, a déclaré Whitney. Les chercheurs ont déterminé que pour qu’une dent soit une défense, elle doit s’étendre à partir de la bouche, être entièrement constituée de dentine – dépourvue d’émail que l’on trouve sur la plupart des dents de mammifères, et qu’elle ne cesse de croître.
Les chercheurs ont effectué de la paléohistologie (l’étude des tissus fossiles) sur des tranches de dents fossilisées aussi fines que du papier à partir de 19 spécimens de dicynodontes, représentant dix espèces différentes. Ils ont utilisé la micro-CT pour examiner comment les dents se fixaient au crâne et pour voir s’il y avait des signes de croissance continue.
Certaines des défenses de dicynodontes que l’équipe a observées en Zambie ne semblaient pas non plus correspondre à la définition d’une défense – elles étaient recouvertes d’émail au lieu de dentine. “Il existe de nombreux types de dicynodontes et ils semblent avoir pour la plupart des défenses”, a déclaré Whitney, “cependant, lorsque vous regardez les détails microstructuraux, ils sont très différents dans ces groupes.” Les dents en émail sont plus résistantes que la dentine, mais en raison de la géométrie de la croissance des dents dans la mâchoire, si vous voulez des dents qui continuent de pousser tout au long de votre vie, vous ne pouvez pas avoir un revêtement d’émail complet. Les animaux comme les humains ont développé des dents durables mais difficiles à réparer – rien ne remplace la perte d’une dent adulte. Les défenses sont moins durables que les dents recouvertes d’émail, mais elles poussent continuellement, même si elles sont endommagées. « Les dents recouvertes d’émail représentent une stratégie d’évolution différente de celle des défenses recouvertes de dentine, c’est un compromis », explique Whitney.
Les caniniformes agrandis de Diictodon ont un émail qui les rend plus semblables à des dents qu’à des défenses. La coupe transversale révèle un anneau d’émail autour de l’extérieur de la défense qui est éclairé par une lumière polarisée. Crédit : Image de M. Whitney
En analysant les coupes histologiques minces de spécimens de dicynodontes d’Afrique du Sud, d’Antarctique, de Zambie et de Tanzanie, les chercheurs ont découvert que, tout comme les dents humaines, ces animaux semblaient réduire le nombre de dents de remplacement à la position canine et avaient un attachement des tissus mous au mâchoire. Il est intéressant de noter qu’il s’agit d’une combinaison de caractéristiques propres aux mammifères. Les mammifères, comme les humains, ne remplacent les dents de lait par des dents d’adulte qu’une seule fois, contrairement à la plupart des autres vertébrés – par exemple, les requins ont une production de dents continue. Les dents de mammifères sont attachées à la mâchoire par gomphose qui est un attachement des tissus mous ou ligaments. Cependant, la plupart des dents des vertébrés sont attachées à la mâchoire par ankylose, qui est une fusion des tissus durs de l’os à la dent.
« Si vous avez ces deux choses, une quantité réduite de remplacement dentaire et une attache de tissus mous, une dent en constante croissance permet à l’animal de contourner le fait qu’il ne peut pas remplacer la dent. Au lieu de cela, il évolue pour déposer en continu les mêmes tissus dentaires », a déclaré Whitney. “Et alors que l’animal continue de déposer le tissu, la dent commence à sortir de la bouche pour devenir fonctionnelle.”
Un exemple de véritable défense en croissance constante chez le dicynodont Lystrosaurus. Lorsque les chercheurs ont coupé le visage du Lystrosaurus, la racine des défenses est composée d’une cavité pulpaire largement ouverte qui suggère que la dentine se déposait continuellement. Crédit : Image de M. Whitney
Les chercheurs ont découvert que la véritable évolution des défenses ne s’est produite qu’à un stade ultérieur de l’évolution dans ce groupe – les premiers membres de ce groupe avaient une grosse dent plutôt qu’une vraie défense. À la fin de leur histoire évolutive, les dicynodontes ont développé une véritable défense qui ne cessait de croître, et, étonnamment, de manière convergente dans plusieurs types différents de dicynodontes. “Je m’attendais en quelque sorte à ce qu’il y ait un point dans l’arbre généalogique où tous les dicynodontes ont commencé à avoir des défenses, alors j’ai pensé qu’il était assez choquant de voir les défenses évoluer de manière convergente”, a déclaré Whitney. “C’est une histoire similaire à ce que nous voyons dans l’évolution des éléphants en ce sens qu’elle reflète de nombreux modèles qui ont été étudiés sur la façon dont les éléphants ont obtenu leurs défenses.”
« Les dicynodontes étaient les vertébrés les plus abondants et les plus diversifiés sur terre juste avant l’époque des dinosaures, et ils sont célèbres pour leurs « défenses ». Le fait qu’en réalité, seuls quelques-uns aient de vraies défenses, et que le reste ait de grandes dents, est un bel exemple d’évolution que nous pouvons documenter. Nous pouvons voir comment construire une défense ! » a déclaré le co-auteur Brandon Peecook, conservateur au Musée d’histoire naturelle de l’Idaho.
Coupe transversale d’un canin dicynodonte sous lumière polarisée. Le noyau dentinaire de la dent est en gris et l’émail coiffant est représenté en bleu/violet. Ce revêtement en émail suggère que cette dent caniniforme ressemble plus à une dent ordinaire qu’à une véritable défense en constante croissance. Crédit : Photo par M. Whitney
Les chercheurs disent que l’étude, qui montre le premier exemple connu de vraies défenses, pourrait aider les scientifiques à mieux comprendre comment fonctionne l’évolution.
« Les défenses ont évolué plusieurs fois, ce qui vous amène à vous demander comment et pourquoi ? Nous avons maintenant de bonnes données sur les changements anatomiques qui devaient se produire pour que les dicynodontes développent des défenses. Pour d’autres groupes, comme les phacochères ou les morses, le jury est toujours absent », a déclaré le co-auteur Christian Sidor, conservateur à la Université de Washington Musée Burke.
Les différents types de dents que les animaux ont évolués peuvent renseigner les scientifiques sur les pressions auxquelles ces animaux ont été confrontés et qui auraient pu produire ces dents. Par exemple, les défenses peuvent fonctionner de diverses manières, notamment la défense, la compétition, l’enfouissement, la sélection sexuelle et même l’aide à la locomotion – comme chez le morse qui utilise ses défenses pour se hisser sur la glace depuis l’eau. Une défense en croissance continue a peut-être permis à ces dicynodontes de surmonter les défis de n’avoir qu’un seul jeu de dents de remplacement tout au long de leur vie.
“Nous ne savons pas vraiment quelles fonctions les défenses des dicynodontes ont pu avoir parce que nous ne pouvons pas les observer et voir ce qu’elles faisaient avec elles”, a déclaré Whitney. “C’est une question persistante sur les dicynodontes, encore plus maintenant.”
“Les défenses de Dicynodont peuvent nous en dire beaucoup sur l’évolution des défenses des mammifères en général”, explique Angielczyk. « Par exemple, cette étude montre que des taux réduits de remplacement des dents et un ligament flexible fixant la dent à la mâchoire sont nécessaires pour que les vraies défenses évoluent. Tout cela nous permet de mieux comprendre les défenses que nous voyons chez les mammifères aujourd’hui. »
Référence : « L’évolution de la défense synapside : insights from dicynodont therapside tusk histology » 27 octobre 2021, Actes de la Royal Society B.
DOI : 10.1098/rspb.2021.1670
