Как зубы хеликоприона сворачивались в спираль и оставались в челюсти

Окаменевшая спираль хеликоприона напоминает туго свёрнутую пилу. По её краю идут острые зубцы, причём к наружному витку они становятся всё крупнее. Долгое время палеонтологи находили такие спирали почти без остального скелета и пытались понять, как животное ими пользовалось. Ответ пришлось искать внутри камня: редкий образец сохранил хрящи челюстей, которые удалось изучить с помощью компьютерной томографии.

Находка без остального животного

Хеликоприоны жили в морях пермского периода, задолго до появления первых динозавров. Их зубные спирали находят в разных частях света, в том числе в породах Урала, Японии и Северной Америки. Много образцов дали фосфатные месторождения Айдахо. В пермское время на месте этих участков суши находилось море.

Сохранность зубов объясняется их строением. Минерализованная зубная ткань могла пережить разрушение мягких частей и превращение осадка в породу. Хрящевой скелет сохранялся гораздо хуже, поэтому обычная находка представляла собой зубной аппарат без тела. По нему можно было описать форму и размеры зубцов, но определить внешний вид их владельца было значительно труднее.

В 1899 году Александр Карпинский описал хеликоприона, однако положение спирали ещё долго оставалось предметом споров. В разных реконструкциях её размещали на голове, у плавников или в челюсти. Особенно необычно выглядели варианты с открытым зубным завитком, выступающим перед пастью. Каждую такую версию требовалось проверить по остаткам самого животного, а подходящих находок было мало.

Челюсти проявились на томограммах

Ключевым оказался экземпляр IMNH 37899 из коллекции Музея естественной истории Айдахо. У него рядом со спиралью сохранились хрящевые части челюстного аппарата. Диаметр зубного завитка составлял около 23 сантиметров, на нём насчитали 117 зубных коронок. Значительная часть зубов была видна в виде отпечатков, а хрящи скрывались в окружающей породе.

В исследовании, опубликованном в 2013 году, учёные использовали компьютерную томографию. Различия в плотности позволили отделить на изображениях камень от сохранившихся элементов скелета и собрать объёмную модель. Так удалось проверить взаимное расположение зубного аппарата и челюстей, не разрушая образец ради доступа к каждому скрытому участку.

Спираль занимала середину нижней челюсти и тянулась вдоль её дуги. По бокам её поддерживали хрящевые структуры, удерживавшие зубной аппарат в нужном положении. Сохранившиеся элементы показали, что завиток находился внутри челюстей, а его рабочая часть выходила в ротовую полость. На реконструкции он оказался гораздо глубже в пасти, чем на многих прежних изображениях.

Новые зубы росли, старые оставались

У многих современных акул зубы постоянно сменяются: новые ряды продвигаются к рабочему краю, а старые зубы выпадают. У хеликоприона зубные коронки сохранялись на общем непрерывном корне. Внутренние витки содержали маленькие старые зубы, наружные — более крупные, появившиеся позднее. Спираль постепенно росла вместе с животным.

Новые коронки формировались в задней части челюсти, возле её сочленения. По мере роста общий зубной комплекс продвигался вперёд по изогнутой траектории и сворачивался в следующие обороты. Старые участки оказывались внутри завитка, где их окружали хрящевые ткани. Так в одном аппарате накапливались зубы, сформированные на разных этапах жизни.

Сходство с циркулярной пилой относится прежде всего к внешнему виду. Спираль не была отдельным диском, свободно вращавшимся на оси. Её положение ограничивали челюсти и поддерживающие хрящи. При укусе зубы перемещались вместе с нижней челюстью, а увеличение числа витков происходило за счёт роста зубного аппарата.

Как зубная спираль могла разрезать добычу

После восстановления формы челюстей появилась возможность исследовать их работу. В биомеханической модели, опубликованной в 2015 году, учёные реконструировали положение мышц и проследили движение зубов при открывании и закрывании пасти. Расчёт показал, что разные участки спирали могли выполнять разные действия. Передние зубы подцепляли добычу, средние прокалывали и разрезали её, задние помогали продвигать пищу глубже в рот.

При закрывании нижней челюсти рабочие зубцы двигались вверх и назад. Мягкая добыча могла деформироваться и застревать между спиралью и двумя половинами верхней челюсти. Последующие движения удерживали и разрезали её, одновременно втягивая дальше. Для такого способа питания спирали хватало движения челюсти; непрерывного вращения, как у механической пилы, не требовалось.

Модель лучше согласуется с питанием мягкотелыми животными, например головоногими. Твёрдый округлый предмет при смыкании такой пасти мог выскальзывать вперёд. С этим выводом согласуется и редкость заметных повреждений зубов на известных образцах. Модель позволяет сравнить способы захвата пищи, но точно установить состав добычи по ней нельзя.

Кого восстанавливают по зубам

Хеликоприона часто называют акулой, но устройство его челюстного подвеса сближает его с древней ветвью хрящевых рыб, к которой относятся родственники современных химер. Это стало ещё одним результатом изучения сохранившихся хрящей. По одним зубам установить такое родство было сложнее: форма зубного аппарата слишком необычна, а многие признаки головы оставались неизвестными.

Восстановление челюстей не означает, что теперь известна каждая деталь животного. Полного скелета и отпечатка всего тела, которые позволили бы непосредственно проверить все плавники и контуры, у исследователей нет. При создании общего облика используют сравнение с родственными формами. Поэтому музейная модель или рисунок могут соединять хорошо подтверждённый зубной аппарат с менее определёнными деталями тела.

Работа с реальными образцами продолжается и после появления эффектных реконструкций. В 2023 году в музей Айдахо вернули из Копенгагена другую важную спираль, отсутствовавшую в коллекции более шестидесяти лет. Она служит типовым образцом вида Helicoprion ergassaminon: с ней сопоставляют новые находки при определении их принадлежности. У зубных завитков измеряют коронки, подсчитывают зубы и сравнивают пропорции — именно такие детали позволяют различать животных, от которых в камне порой осталась только одна спираль.