Paleontologové si nevěděli rady, kam podivnou pilu umístit. Zuby Helicopriona rostly do spirály

Když ruští horníci na konci 19. století narazili na podivnou zkamenělinu stočenou do pravidelné spirály, nebylo vůbec jasné, na co se dívají. Z kamene vystupovala řada velkých trojúhelníkových zubů, které se směrem ke středu postupně zmenšovaly. Celý nález připomínal napůl rozvinutou ulitu, ozubené kolo nebo kotoučovou pilu. Žádnou známou čelist však nepřipomínal.

Fosilie dostala jméno Helicoprion a brzy se stala jednou z největších paleontologických hádanek své doby. Bylo zřejmé, že ozubená spirála patřila nějaké velké chrupavčité rybě. Jenže kam na jejím těle vlastně zapadala? Někteří badatelé ji umísťovali na čenich, jiní na hřbet, ocas nebo prsní ploutve. Objevily se dokonce rekonstrukce, na nichž se spirála vysouvala z tlamy jako ozubený bič.

Paleontologové přitom měli před sebou skutečné zuby. Potíž spočívala v tom, že se téměř nikdy nedochovalo nic dalšího.

Kostra Helicopriona byla tvořena převážně chrupavkou, která se po smrti snadno rozpadá a fosilizuje mnohem hůře než kost. Po zvířeti tak zpravidla zůstala pouze jeho nejtvrdší část - podivuhodná zubní spirála. Z ní se vědci pokoušeli složit podobu celého živočicha, aniž znali tvar jeho hlavy, čelistí, ploutví nebo ocasu.

Trvalo déle než sto let, než jeden starý nález a moderní výpočetní technika ukázaly, jak se zuby do tlamy skutečně vešly. Výsledek byl možná méně výstřední než některé starší představy, přesto však odhalil čelistní aparát, který nemá mezi dnešními obratlovci obdoby.

První fosilie později spojované s Helicoprionem byly objeveny už před jeho pojmenováním. Badatelé je zprvu řadili k jiným prvohorním chrupavčitým rybám, protože měli k dispozici pouze části ozubených útvarů. Teprve ruský geolog Alexandr Petrovič Karpinskij si uvědomil, že nálezy z oblasti Uralu představují něco dosud neznámého.

V roce 1899 popsal nový rod Helicoprion. Jméno je odvozeno z řeckých slov pro spirálu a pilu, což vzhled fosilie vystihovalo až překvapivě dobře. Karpinskij správně poznal, že jednotlivé trojúhelníkové útvary jsou zuby. Ani on si však nebyl jistý, kam celý kruh na těle patřil.

Jeho první rekonstrukce umístila spirálu na horní část čenichu. Měla snad fungovat jako stočená obranná zbraň, případně jako nástroj, kterým ryba zasahovala kořist. Později Karpinskij uvažoval také o tom, že se ozubený útvar nacházel na hřbetě.

Dnes mohou podobné představy působit naivně, jenže tehdejší badatelé neměli k dispozici úplnou kostru ani přesný protějšek mezi živými rybami. Zubní spirála navíc nevypadala jako obvyklá řada zubů. Jednotlivé korunky nevypadávaly, ale zůstávaly spojeny s dlouhým společným základem, který se při růstu stáčel dovnitř.

Kdyby vědci našli pouze jediný samostatný zub, nejspíš by jej bez velkých potíží zařadili do tlamy. Celá spirála však působila jako zvláštní samostatný orgán.

V průběhu 20. století proto vznikla řada rekonstrukcí, které se od sebe lišily téměř ve všem. Spirálovitá pila se objevovala na horní i dolní čelisti, před tlamou, hluboko v hrdle nebo na pružném výběžku. Často byla zobrazována jako zcela odkrytý kotouč, který se při zavírání tlamy otáčel nebo řezal do masa.

Jediné, na čem se badatelé postupně shodovali, bylo, že zuby nejspíš nějak souvisely s příjmem potravy.

Helicoprion bývá téměř vždy označován za pravěkého žraloka. Tělem se žralokovi patrně podobal a patřil mezi chrupavčité ryby, jeho přesné příbuzenství však bylo jiné.

Řadil se mezi eugeneodonty, dávno vymřelou skupinu paryb, která se objevila už v prvohorách. Její zástupci měli nápadné zubní útvary vyrůstající uprostřed čelistí. U některých tvořily kratší řady nebo oblouky, zatímco u Helicopriona vznikla dokonale stočená spirála.

Moderní výzkum ukazuje, že eugeneodonti byli pravděpodobně bližší příbuzní dnešních chimér než skutečných žraloků. Chiméry jsou zvláštní hlubokomořské chrupavčité ryby s velkou hlavou, dlouhým ocasem a zubními deskami. Společný předek Helicopriona a dnešních chimér však žil velmi dávno a jejich těla se od sebe mezitím výrazně vzdálila.

Označení „žralok s kotoučovou pilou“ je tedy trochu zavádějící. Helicoprion nebyl žralok, kterému evoluce jednoduše vyměnila obyčejné zuby za ozubené kolo. Patřil k samostatné větvi chrupavčitých ryb, která s uspořádáním chrupu experimentovala způsobem, jaký se už nikdy neopakoval.

Jak přesně vypadalo celé tělo, stále nevíme. Žádná skutečně úplná kostra Helicopriona nebyla nalezena. Rekonstrukce se proto opírají o příbuzné eugeneodonty, u nichž se zachovaly i obrysy trupu a ploutví.

Nejspíš šlo o štíhlou, dobře plovoucí rybu s proudnicovým tělem. Neměla pravděpodobně typickou žraločí siluetu se dvěma výraznými hřbetními ploutvemi. Někteří její příbuzní měli tělo připomínající spíše tuňáka nebo rychlou pelagickou rybu než žraloka z pobřežních vod.

Přesná velikost Helicopriona je stejně nejistá jako jeho vzhled. Menší jedinci mohli měřit několik metrů, největší zubní spirály však ukazují na zvířata dlouhá možná šest až osm metrů. Občas se objevují ještě vyšší odhady, ty už ale závisejí na poměrně nejistém přepočítávání velikosti čelistí na délku neznámého těla.

Jisté je, že dospělý Helicoprion nebyl žádnou drobnou rybou. Ve svém prostředí patřil k větším mořským predátorům.

Na čelisti dnešního žraloka se zuby průběžně vyměňují. Staré vypadávají a ze zadních řad se dopředu posouvají nové. Žralok tak během života spotřebuje tisíce zubů.

Helicoprion zvolil úplně jinou cestu. Jeho zuby nevypadávaly. Nové vyrůstaly v zadní části čelisti a vytlačovaly starší směrem dopředu a dovnitř. Protože všechny zůstávaly připojené ke společnému kořenu, celá řada se postupně stáčela do spirály.

Nejmenší a nejstarší zuby tak ležely uprostřed. Helicoprion si v sobě uchovával chrup z mládí, přestože už jej dávno nepoužíval. Vnější část spirály naopak tvořily největší a nejmladší zuby, které se právě účastnily kousání.

Zubní kotouč nebyl volným kolem a při lovu se neotáčel jako kotoučová pila. Šlo o pevnou součást dolní čelisti. Viditelná a funkční byla pouze část největších zubů, zatímco starší závity zůstávaly ukryté hlouběji v chrupavce.

Spirála se řídila téměř pravidelným matematickým růstem. S každým novým zubem se její průměr zvětšoval, přičemž si zachovávala stejný základní tvar. Fosilie proto působí tak pravidelně, že bývají zaměňovány za schránky hlavonožců nebo jiné spirálovitě rostoucí přírodní útvary.

Jedna spirála mohla obsahovat více než stovku zubů. U některých exemplářů měřily největší korunky přes deset centimetrů. Nešlo tedy o jemné zoubky ukryté v hrdle, ale o mohutný aparát schopný hluboce proniknout do kořisti.

Na první pohled se zdá zvláštní, že zvíře uchovávalo i nejstarší, už nepotřebné zuby. Jejich stočení však mohlo být elegantním řešením problému, kam s nimi. Místo aby se uvolňovaly a vypadávaly, skládaly se uvnitř čelisti do stále těsnějšího závitu.

Zásadní fosilie byla objevena roku 1950 v oblasti dnešního amerického státu Idaho. Pocházela z fosfátového dolu a na první pohled nevypadala tak působivě jako dokonale zachované samostatné spirály. Kromě zubů se však kolem ní nacházely také zbytky mineralizované chrupavky.

Exemplář byl popsán už v 60. letech. Tehdejší možnosti výzkumu ale neumožňovaly nahlédnout do kamene bez jeho rozřezání a nikdo přesně nevěděl, které části chrupavky představují čelisti a jak jsou navzájem spojeny.

Fosilie pak desítky let odpočívala ve sbírce Idaho Museum of Natural History. Teprve v novém tisíciletí se k ní paleontologové vrátili a prozkoumali ji pomocí počítačové tomografie.

CT skenování funguje podobně jako v medicíně. Rentgenové paprsky pronikají materiálem a počítač z naměřených hodnot sestaví řezy vnitřní strukturou. Jednotlivé vrstvy lze následně spojit do trojrozměrného modelu. Vědci tak mohli odstranit okolní horninu alespoň digitálně a sledovat, co se v ní skutečně zachovalo.

Výzkum zveřejněný v roce 2013 ukázal nejen zubní spirálu, ale také části horní a dolní čelisti. Ozubený útvar ležel přesně uprostřed dolní čelisti a zabíral téměř celou její délku. Nebyl připojen k nosu, hřbetu ani vysouvacímu chapadlu. Starší závity spirály se stáčely dozadu a byly pevně uzavřeny uvnitř chrupavčité opory.

Tím skončil spor o umístění, který trval déle než století.

Výsledná podoba se lišila i od dlouho oblíbených rekonstrukcí, na nichž celý kruh vyčníval z tlamy dolů. Ve skutečnosti by velká část spirály nebyla zvenčí vůbec vidět. Při zavřené tlamě mohly být patrné jen přední části největších zubů.

CT snímky současně ukázaly, že horní čelist nebyla vybavena druhým ozubeným kotoučem. Nacházely se na ní menší zaoblené zuby či zubní plošky, proti nimž se dolní spirála při skousnutí pohybovala.

Helicoprion tedy neměl dvě protiběžné pily. Měl jedinou středovou řadu velkých zubů v dolní čelisti a mnohem méně nápadnou horní protilehlou plochu.

Jakmile bylo jasné, kam spirála patřila, přišla další otázka: co s ní Helicoprion dělal?

Zuby byly úzké, vysoké a po stranách zploštělé. Takový tvar se příliš nehodí k drcení pevných schránek. Při sevření tvrdého krunýře by vysoké korunky mohly praskat nebo by kořist vyklouzla z úzké čelisti. Mnohem lépe dokázaly pronikat do měkkého těla a řezat jej.

Biomechanická studie zveřejněná v roce 2015 se pokusila rekonstruovat čelistní svaly a pohyb celé soustavy. Podle výsledného modelu nepracovaly všechny zuby stejně. Přední zachytily kořist a táhly ji dovnitř. Zuby ležící dále vzadu pronikaly hlouběji do těla a při pokračujícím sevření je posouvaly směrem k hrdlu.

Pohyb lze přirovnat spíše ke kombinaci háku a kráječe než k rotující pile. Když Helicoprion zavřel tlamu, zuby neprocházely pouze vzhůru. Kvůli zakřivení čelisti a spirály opisovaly zároveň pohyb dozadu. Zakousnutá kořist se tak při každém sevření posunula hlouběji do úst.

Velkou výhodu to mohlo představovat při lovu hlavonožců. Permská moře obývalo množství amonoidů, nautiloidů a měkkých příbuzných dnešních olihní. Některé druhy měly vnější schránku, samotné tělo však bylo měkké a dalo se vytáhnout nebo rozříznout.

Často se proto předpokládá, že Helicoprion lovil především hlavonožce a ryby bez těžkého pancíře. Přímý důkaz v podobě zachovaného obsahu žaludku ovšem nemáme. Z potravy můžeme usuzovat jen podle tvaru zubů, opotřebení a mechaniky čelistí.

Zajímavé je, že zuby nenesou výrazné známky lámání. To rovněž odpovídá lovu měkčí kořisti. Kdyby Helicoprion pravidelně drtil silné lastury a tvrdé krunýře, na korunkách bychom patrně nacházeli mnohem více poškození.

Nemusel přitom kořist porcovat jako dnešní žralok bílý, který vytrhává sousta bočním pohybem hlavy. Úzká čelist Helicopriona se lépe hodila k uchopení celého zvířete. Opakovaným otevíráním a zavíráním tlamy je mohl postupně vtahovat dovnitř.

Představa, že ve vodě plavala ryba s nepřetržitě roztočenou pilou, je tedy mylná. Skutečný způsob lovu byl méně drsný, ale dobře promyšlený. Kořist jednou zachycená mezi zuby měla s každým dalším skousnutím menší šanci uniknout.

Tak velké zuby ukryté uvnitř tlamy přinášely také problém. Kdyby Helicoprion sevřel čelisti příliš silně nebo pod nesprávným úhlem, mohl si největšími korunkami poranit vlastní horní čelist či lebku.

Anatomie proto obsahovala zvláštní pojistku. Na chrupavkách dolní čelisti se nacházely výběžky, které při zavírání omezovaly rozsah pohybu. Čelist se mohla sevřít dostatečně k zachycení a rozříznutí kořisti, ale ne tak daleko, aby zuby pronikly do vlastní hlavy.

Boční chrupavky zároveň spirálu podpíraly a bránily jejímu vychýlení. Zubní kotouč totiž neležel v široké řadě jako chrup běžného žraloka. Byl úzký a soustředěný v ose tlamy. Bez pevné opory by se při zápasu s kořistí mohl naklonit nebo poškodit.

Celá konstrukce byla velmi specializovaná. Jednotlivé části čelistí, zuby i svaly spolu musely pracovat přesně. Nešlo o jednoduchou pilu přidanou k běžné žraločí hlavě, ale o lebku přestavěnou kolem jediného neobvyklého zubního aparátu.

Tato specializace také naznačuje, že Helicoprion nebyl náhodným evolučním experimentem, který krátce vznikl a ihned zmizel. Jeho rod přežíval miliony let a jeho fosilie známe z rozsáhlého území. Podivná čelist tedy zřejmě fungovala velmi dobře.

Paleontologové dnes nejčastěji rozlišují tři druhy Helicopriona: Helicoprion bessonowi, Helicoprion davisii a Helicoprion ergassaminon. Jejich těla neznáme, a proto se rozdělení opírá téměř výhradně o tvar zubů a uspořádání spirály.

U druhu Helicoprion bessonowi byly zuby poměrně nízké a těsně naskládané. Jejich hroty se stáčely dozadu a základna spirály byla užší. Helicoprion davisii měl vyšší, řidčeji rozmístěné korunky, jejichž vrcholy mířily více dopředu. Helicoprion ergassaminon ležel v některých znacích mezi nimi.

Rozdíly se navíc plně projevovaly až u starších jedinců. Mladí helicoprioni měli zuby podobnější a spolehlivé určení druhu může být obtížné. I proto se v minulosti popisovalo více druhů, které byly později spojeny nebo přehodnoceny.

Zubní spirála umožňuje odhadnout také věk a růst jedince. Nové korunky přibývaly postupně a zvětšovaly se spolu se zvířetem. Nejde ovšem o přesný kalendář. Nevíme, jak rychle zuby vznikaly ani zda se tempo růstu měnilo podle věku, potravy nebo prostředí.

Velké spirály každopádně patřily dospělým jedincům, kteří za sebou měli dlouhou dobu růstu. Největší známé nálezy dosahují průměru přes půl metru. Čelist nesoucí takový útvar musela patřit skutečně mohutné rybě.

Fosilie Helicopriona byly objeveny na několika kontinentech. Známe je z Ruska, Kazachstánu, Spojených států, Kanady, Číny, Japonska i Austrálie. V permu však byly kontinenty uspořádány jinak než dnes a většina pevniny byla spojena do superkontinentu Pangea.

Rozsáhlé oceánské oblasti kolem Pangey nabízely Helicoprionovi vhodné prostředí. Fosilie pocházejí hlavně z mořských usazenin a ukazují, že nebyl omezen na jedinou malou zátoku nebo pobřeží.

Jeho široké rozšíření mohlo souviset s aktivním způsobem života. Pokud měl tělo podobné lépe známým eugeneodontům, mohl být vytrvalým plavcem schopným překonávat značné vzdálenosti. Nejspíš se pohyboval ve volné vodě a sledoval hejna ryb nebo hlavonožců.

Zároveň není jisté, zda se držel blízko hladiny, v pobřežních mořích, nebo sestupoval do větších hloubek. Zubní spirály byly nalézány v horninách vzniklých v různých mořských podmínkách. Jednotlivé druhy mohly mít odlišné nároky a během života se přesouvat za potravou.

Permská moře nebyla prázdným prostorem ovládaným jedním predátorem. Vedle Helicopriona zde žili další eugeneodonti, raní žraloci, kostnaté ryby, mořští obojživelníci a ke konci období také první mořští plazi. Dna obývali ramenonožci, mlži, ostnokožci a další bezobratlí, zatímco ve volné vodě se pohybovali početní hlavonožci.

Helicoprion v tomto světě získal vlastní způsob lovu. Nesnažil se drtit kořist širokými zubními deskami ani ji porcovat několika řadami ostrých zubů. Využíval jedinou řadu, která kořist zachytila, prořízla a vtáhla hlouběji do tlamy.

Rod Helicoprion se objevil na začátku permu, přibližně před 290 miliony let. V této době už jeho skupina existovala miliony let a prošla předchozími proměnami mořských ekosystémů.

V průběhu permu se podmínky na Zemi výrazně měnily. Vnitrozemí Pangey vysychalo, hladina moří kolísala a mělké mořské oblasti se zmenšovaly. Helicoprion však přežíval značnou část období a rozšířil se do mnoha oceánských oblastí.

Jeho fosilní záznam končí ještě před úplným závěrem permu nebo v jeho blízkosti, podle toho, které nálezy jsou do rodu skutečně zahrnovány. Eugeneodonti jako celek přežili déle a někteří se dostali až do raného triasu. Ani oni však nakonec nepřečkali důsledky největšího známého hromadného vymírání.

Na rozhraní permu a triasu, přibližně před 252 miliony let, zmizela naprostá většina mořských druhů. Oceány se oteplovaly, na mnoha místech v nich ubýval kyslík a měnila se jejich chemie. Potravní řetězce se rozpadaly od dna až k velkým predátorům.

Specializovaná čelist Helicopriona mu dlouho poskytovala výhodu. Zároveň jej však pravděpodobně vázala na určitý druh potravy. Jakmile z oceánů zmizela velká část kořisti a prostředí se rychle proměnilo, takto úzce zaměřený lovec mohl mít jen malou možnost přejít na jiný způsob obživy.

Nemůžeme tvrdit, že jej zahubila právě jeho zubní spirála. Z fosilií tak podrobný příběh nevyčteme. Je však příznačné, že s koncem prvohor zmizely také mnohé další podivně specializované paryby. Do nového světa triasových moří vstoupily jiné skupiny s jinými čelistmi a jiným způsobem života.

Zdroje:

https://www.extinctanimals.org/helicoprion.htm

https://phys.org/news/2013-02-helicoprion-scientists-mysteries-ancient-shark.html

https://australian.museum/learn/animals/fishes/helicoprion/

https://vesmir.cz/cz/casopis/archiv-casopisu/2014/cislo-7/definitivni-podoba-vyhynuleho-zraloka-rodu-helicoprion.html

https://visit.museum.wa.gov.au/learn/news-stories/fossil-so-weird-it-stumped-scientists-decades-huge

https://www.nationalgeographic.com/science/article/buzzsaw-jaw-helicoprion-was-a-freaky-ratfish