Eine neue Studie zeigt, dass Bären, die wie typische Säugetiere aussehen, in ihrer langen Evolutionsgeschichte zwei „unregelmäßige Eingriffe“ in der Entwicklung der Backenzähne vorgenommen haben und damit das gebrochen haben, was als universeller Bauplan für das Zahnwachstum bei Säugetieren gilt. Diese alten Modifikationen sind in den oralen Strukturen lebender Bären noch deutlich erhalten.
Die Studie wurde von Wissenschaftlern der Bayerischen Staatssammlung für Naturwissenschaften (SNSB) durchgeführt. Sie analysierten systematisch Kiefer- und Backenzahnfossilien von Bären aus mindestens 13 Millionen Jahren und verglichen sie mit lebenden Arten. Sie fanden heraus, dass alte Bären nicht nur neue Formen von Backenzähnen entwickelten, sondern auch die Regeln des „inhibitorischen Kaskadenmodells“ (ICM) bei der Produktion von Säugetier-Backenzähnen auf molekularer Signalebene umprogrammierten. Diese „Programmmodifikation“ wurde auch während zweier großer Klima- und Umweltverwerfungen durchgeführt.
Bei herkömmlichen Säugetieren folgt die Backenzahnentwicklung einem äußerst stabilen Programm: Der erste Backenzahn gibt bei seiner Bildung ein chemisches Signal ab, das das Wachstum des folgenden Backenzahns teilweise hemmt und einen geordneten Volumengradienten von vorne nach hinten entlang des Unterkiefers bildet. Daher kann man allein anhand der Größenkombination der Backenzähne grob feststellen, ob man Fleischfresser, Pflanzenfresser oder Allesfresser ist. Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass Ursiden von Natur aus „schwer zu klassifizieren“ sind: Ihre zweiten Backenzähne (m2) sind extrem groß und entsprechen nie diesem klassischen Modell. Dieses seltsame Merkmal trat schon früh in ihrer Entwicklung auf.
Die erste Schlüsselumschreibung erfolgte vor etwa 3,6 Millionen Jahren. Der Protagonist war Ursus minimus, der im späten Pliozän lebte und als gemeinsamer Vorfahre der meisten lebenden Bären gilt. Untersuchungen zeigen, dass die mittleren Backenzähne der Bären in dieser Zeit im Vergleich zu seinem Vorgänger Ursus boeckhi erheblich vergrößert waren, was mit dem Übergang Europas von warmen und feuchten subtropischen Wäldern zu einer kühleren und trockeneren Umgebung, die von Wäldern und aufstrebenden Graslandschaften dominiert wird, zusammenfiel: Die Zahl der ursprünglich häufig vorkommenden kleinen Wirbeltiere und Baumkletterer ging zurück, und obwohl große Pflanzenfresser zunahmen, war es schwierig, sie zu jagen. Pflanzennahrung, unterirdische Wurzeln, Samen, Nüsse und verschiedene Wirbellose wurden leichter zu bekommen, was diese kleinen Bären dazu zwang, von Fleischfressern zu typischen Allesfressern zu wechseln.
Um sich an diese veränderte Ernährungsstruktur anzupassen, wurden bei Bären zwischen U. boeckhi und U. minimus wesentliche Anpassungen der Molarenentwicklungssignale vorgenommen: Das vom ersten Molaren (m1) ausgesendete Hemmsignal wird abgeschwächt, was dem zweiten Molaren die Möglichkeit gibt, „die Spezifikation zu durchbrechen“ und extrem groß zu werden. Das Forschungsteam nennt diese neue Konfiguration eine „partielle Hemmungskaskade“, d. h. die gesamte Sequenz folgt im Allgemeinen immer noch der Gradientenrichtung der Molaren von Säugetieren, die gesamte Sequenz wird jedoch durch das vergrößerte m2 als Ganzes „angehoben“, wodurch eine stärkere Schleiffähigkeit erzielt wird, ohne das ursprüngliche Modell vollständig umzuwerfen. U. minimus ist damit der erste Bärenvertreter in der Geschichte der Säugetierevolution, der die „Modifikation des Backenzahnprogramms“ eindeutig dokumentiert.
Die zweite „Ausnahme“ ereignete sich während der Übergangszeit vom frühen zum mittleren Pleistozän vor etwa 1,25 Millionen bis 700.000 Jahren, als sich das europäische Grasland weiter ausdehnte und das Klima weiter abkühlte, was eng mit dem Auftauchen des Höhlenbären-Vorfahren Ursus deningeri zusammenfiel. Bären verlagerten sich in dieser Zeit weiter auf Pflanzenfresser. Untersuchungen zeigen, dass das Programm der Molarenentwicklung erneut angepasst wurde: Diesmal wurde das Hemmsignal des zweiten Molaren (m2) abgeschwächt, sodass der dritte Molar (m3) vergrößert wurde, wodurch die Kaufläche des hinteren Segments vergrößert und die „Mahlkapazität“ für pflanzliche Nahrung deutlich gestärkt wurde. Bei frühen Höhlenbärenfossilien wie U. deningeri hat das Volumenverhältnis von m3 zu m2 die Erwartungen des klassischen Modells deutlich übertroffen.
Anneke van Heteren, Leiterin der Mammalia-Sammlung des SNSB, wies darauf hin, dass diese beiden Anpassungen darauf hindeuten, dass sich im Laufe der Evolution der Bären das Verhältnis von hemmenden und aktivierenden Signalen, die das Wachstum jedes Backenzahns steuern, erheblich verschoben hat, und diese Verschiebungen stehen in engem Zusammenhang mit der Ernährungsumstellung von Fleischfressern zu Allesfressern und sogar zu starken Pflanzenfressern. Mit anderen Worten: Wenn Bären mit dem sich schnell ändernden Klima und der Umwelt konfrontiert werden, reagieren sie nicht nur mit einer Anpassung der Form ihrer Kronen oder Beißmethoden, sondern „greifen direkt auf den Quellcode ein“ und verändern das Gleichgewicht der chemischen Signale, wenn Zähne produziert werden.
Noch faszinierender ist, dass diese alten „Programmpatches“ noch immer einen tiefgreifenden Einfluss auf die heute lebenden Bären haben. Braunbären (Ursus arctos) und Amerikanische Schwarzbären (Ursus americanus) haben immer noch große zweite Backenzähne, die an ihre Allesfresserphase im Pliozän erinnern und diesen Regelverstoß eindeutig geerbt haben. Sogar der Eisbär (Ursus maritimus), der fast ausschließlich Fleischfresser ist, verwendet noch immer diesen alten Plan für die Konfiguration der Backenzähne in seinem Maul, ist aber nicht mehr auf diese Zähne angewiesen, um Pflanzen effizient zu zermahlen.
Ein weiterer „Außenseiter“-Zweig ist der Große Panda (Ailuropoda melanoleuca). Untersuchungen weisen darauf hin, dass Große Pandas in ihren Grundmustern immer noch den Schatten von Durchbrüchen in alten Regeln erkennen können, ihr weiterer Evolutionspfad jedoch radikaler ist: Anstatt sich auf vergrößerte Backenzähne zu verlassen, ist es besser, eine „Hochleistungs-Kaumaschine“ speziell für eine ballaststoffreiche Bambusdiät zu bauen, indem die Kieferstruktur gestärkt, die Backenzähne verdickt und einigen Prämolaren schwere Schleifaufgaben ermöglicht werden.
Allerdings ist der Brillenbär (Tremarctos ornatus) in Südamerika in diesem Forschungsrahmen vorübergehend zu einem „ungelösten Rätsel“ geworden. Auch diese Art weist ein typisches Muster riesiger zweiter Backenzähne auf, aber da die Fossilien ihrer eng verwandten Kurzschnauzenbären nicht in diese Analyse einbezogen wurden, konnten Wissenschaftler noch nicht bestimmen, wann und durch welche Signalanpassung dieses System eine einzigartige Zahnentwicklungsbahn eingeschlagen hat. Das Forschungsteam forderte weitere Fossilienforschung zur Arctotheriini-Gruppe, um herauszufinden, ob auch Brillenbären einen ähnlichen Umprogrammierungsprozess durch eine „hemmende Kaskade“ erlebten.
Die Autoren betonen, dass das Modell der Hemmkaskade bei einem breiten Spektrum von Säugetierarten äußerst robust ist. Daher ist die Aufzeichnung zweier deutlicher Abweichungen von dieser Regel bei Bären besonders auffällig. Sie passten sich nicht nur durch eine Änderung ihrer Zahnmorphologie an veränderte Ernährungsgewohnheiten an, sondern „umgingen“ auch die strengen inneren Beschränkungen auf der Ebene der Entwicklungsbiologie und „umschrieben“ direkt das Wachstumsprogramm ihrer Backenzähne. Dieser kühne Evolutionsversuch ist noch immer in ihrem Gebiss verankert.
Relevante Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift „Boreas“ veröffentlicht und von der Bayerischen Staatssammlung für Naturwissenschaften geleitet. Darüber hinaus zeigt sich, dass Zähne, die „Black Box der Natur“, viel „eloquenter“ sind, als es den Anschein macht, wenn es um die Rekonstruktion der Geschichte von Umweltveränderungen und Artenentwicklung geht.