Een nieuwe studie toont aan dat beren, die op typische zoogdieren lijken, in hun lange evolutionaire geschiedenis twee ‘onregelmatige operaties’ hebben uitgevoerd in de ontwikkeling van kiezen, waarmee ze breken met wat wordt beschouwd als een universele blauwdruk voor tandgroei voor zoogdieren. Deze oude wijzigingen zijn nog steeds duidelijk bewaard gebleven in de orale structuren van levende beren.

Het onderzoek werd uitgevoerd door wetenschappers van de Beierse Natuurwetenschappelijke Collectie (SNSB). Ze analyseerden systematisch berenkaak- en kiesfossielen over een periode van minstens 13 miljoen jaar, en vergeleken deze met levende soorten. Ze ontdekten dat oude beren niet alleen nieuwe vormen van kiezen ontwikkelden, maar ook de regels van het ‘inhibitory cascade model’ (ICM) herprogrammeerden bij de productie van zoogdierkiezen op moleculair signaalniveau. Deze ‘programmawijziging’ werd ook uitgevoerd tijdens twee grote klimaat- en milieuomwentelingen.

Bij conventionele zoogdieren volgt de ontwikkeling van de kiezen een zeer stabiel programma: de eerste kies geeft een chemisch signaal af wanneer deze wordt gevormd, waardoor de groei van de volgende kies gedeeltelijk wordt geremd en een ordelijke volumegradiënt van voor naar achter langs de onderkaak wordt gevormd. Daarom kan men, alleen op basis van de groottecombinatie van de maaltanden, grofweg bepalen of men vleesetend, herbivoor of omnivoor is. Uit onderzoek is echter gebleken dat ursids inherent "moeilijk te classificeren" zijn: hun tweede kiezen (m2) zijn extreem groot en komen nooit overeen met dit klassieke model. Deze vreemde eigenschap verscheen al vroeg in hun evolutie.

De eerste belangrijke ‘herschrijving’ vond ongeveer 3,6 miljoen jaar geleden plaats. De hoofdpersoon was Ursus minimus, die in het late Plioceen leefde en wordt beschouwd als de gemeenschappelijke voorouder van de meeste levende beren. Onderzoek toont aan dat vergeleken met zijn voorganger Ursus boeckhi de middelste kiezen van beren in deze periode aanzienlijk vergroot waren, wat samenviel met de overgang van Europa van warme en vochtige subtropische bossen naar een koelere en drogere omgeving gedomineerd door bossen en opkomende graslanden: het aantal oorspronkelijk overvloedige kleine gewervelde dieren en boomklimmers nam af, en hoewel grote herbivoren toenamen, was het moeilijk om op ze te jagen. Plantaardig voedsel, ondergrondse wortels, zaden, noten en verschillende ongewervelde dieren werden gemakkelijker te verkrijgen, waardoor deze kleine beren gedwongen werden over te schakelen van carnivoren naar typische alleseters.

Om zich aan deze verandering in de dieetstructuur aan te passen, hebben beren tussen U. boeckhi en U. minimus essentiële aanpassingen ondergaan in de signalen van de molaire ontwikkeling: het remmende signaal dat wordt afgegeven door de eerste kies (m1) is verzwakt, waardoor de tweede kies de kans krijgt om "de specificatie te doorbreken" en extreem groot te worden. Het onderzoeksteam noemt deze nieuwe configuratie een ‘gedeeltelijke remmingscascade’, dat wil zeggen dat de hele reeks nog steeds over het algemeen de gradiëntrichting van zoogdierkiezen volgt, maar de hele reeks wordt ‘verhoogd’ door de vergrote m2 als geheel, waardoor een sterker slijpvermogen wordt verkregen zonder het originele model volledig omver te werpen. U. minimus wordt daarmee de eerste berenvertegenwoordiger in de geschiedenis van de evolutie van zoogdieren die duidelijk de "wijziging van het maaltandprogramma" vastlegt.

De tweede "uitzondering" vond plaats tijdens de overgangsperiode van het Vroeg-Midden-Pleistoceen, ongeveer 1,25 miljoen tot 700.000 jaar geleden, toen de Europese graslanden zich bleven uitbreiden en het klimaat bleef afkoelen, wat nauw samenviel met de opkomst van de voorvader van de holenbeer, Ursus deningeri. Beren verschoven in deze periode verder naar herbivorie. Uit onderzoek blijkt dat het programma voor de ontwikkeling van de kiezen opnieuw werd aangepast: deze keer werd het remmende signaal van de tweede kies (m2) verzwakt, waardoor de derde kies (m3) werd vergroot, waardoor het kauwoppervlak van het achterste segment werd vergroot en het "maalvermogen" voor plantaardig voedsel aanzienlijk werd versterkt. Bij vroege fossielen van holenberen, zoals U. deningeri, heeft de volumeverhouding van m3 tot m2 de verwachtingen van het klassieke model aanzienlijk overtroffen.

Anneke van Heteren, hoofd van de SNSB Mammalia Collectie, wees erop dat deze twee aanpassingen erop duiden dat tijdens de evolutie van beren de verhouding tussen remmende en activerende signalen die de groei van elke kies controleren aanzienlijk is verschoven, en deze verschuivingen houden sterk verband met de verandering in het dieet van vleesetend naar omnivoor en zelfs zeer herbivoor. Met andere woorden, wanneer beren worden geconfronteerd met het snel veranderende klimaat en de ecologische omgeving, reageren ze niet alleen door de vorm van hun kronen of bijtmethoden aan te passen, maar raken ze rechtstreeks de broncode aan en veranderen ze de balans van chemische signalen wanneer tanden worden geproduceerd.

Wat zelfs nog intrigerender is, is dat deze eeuwenoude ‘programmapatches’ nog steeds een diepgaande impact hebben op levende beren. Bruine beren (Ursus arctos) en Amerikaanse zwarte beren (Ursus americanus) hebben nog steeds grote tweede kiezen die hun omnivore fase in het Plioceen weerspiegelen en duidelijk die regelovertreding hebben geërfd. Zelfs de ijsbeer (Ursus maritimus), die bijna uitsluitend vleesetend is, gebruikt nog steeds dit oude plan voor de configuratie van kiezen in zijn mond, maar ze hoeven niet langer op deze tanden te vertrouwen om planten efficiënt te vermalen.

Een andere "buitenbeentje" -tak is de reuzenpanda (Ailuropoda melanoleuca). Onderzoek wijst uit dat reuzenpanda's nog steeds de schaduw van doorbraken in oude regels kunnen zien in hun basispatronen, maar hun daaropvolgende evolutiepad is radicaler: in plaats van te vertrouwen op vergrote kiezen, is het beter om een ​​'zware kauwmachine' te bouwen, specifiek voor een vezelrijk bamboedieet, door de kaakstructuur te versterken, de wangtanden dikker te maken en sommige premolaren zware slijptaken te laten uitvoeren.

De brilbeer (Tremarctos ornatus) in Zuid-Amerika is in dit onderzoekskader echter tijdelijk een "onopgelost mysterie" geworden. Deze soort vertoont ook een typisch patroon van gigantische tweede kiezen, maar omdat de fossiele monsters van zijn nauw verwante kortsnuitberen niet in deze analyse zijn opgenomen, hebben wetenschappers nog niet kunnen bepalen wanneer en door welke signaalaanpassing dit systeem aan een uniek tandevolutietraject is begonnen. Het onderzoeksteam riep op tot verder fossielonderzoek naar de Arctotheriini-groep om te helpen bepalen of brilberen ook een soortgelijk herprogrammeringsproces van "remmende cascade" hebben ervaren.

De auteurs benadrukken dat het remmende cascademodel extreem robuust is voor een breed scala aan zoogdiertaxa, dus het record van twee duidelijke afwijkingen van deze regel bij beren is bijzonder opvallend. Ze pasten zich niet alleen aan aan veranderingen in het dieet door de morfologie van hun tanden te veranderen, ze 'omzeilden' ook de strikte interne beperkingen op het niveau van de ontwikkelingsbiologie en 'herschreven' direct het groeiprogramma van hun kiezen. Deze gewaagde evolutionaire poging is nog steeds in hun gebit gegraveerd.

Relevant onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift "Boreas" en werd geleid door de Beierse Staatscollectie voor Natuurwetenschappen. Het laat verder zien dat tanden, de ‘zwarte doos van de natuur’, veel ‘welsprekender’ zijn dan ze lijken in termen van het reconstrueren van het verhaal van veranderingen in het milieu en de evolutie van soorten.