Nieuw onderzoek van Princeton toont aan dat prehistorische megatooth-haaien - de grootste haaien die ooit hebben geleefd - toproofdieren waren op het hoogste niveau ooit gemeten.

Megatooth-haaien danken hun naam aan hun enorme tanden, die elk groter kunnen zijn dan een menselijke hand. De groep omvat Megalodon, de grootste haai die ooit heeft geleefd, evenals verschillende verwante soorten.

Hoewel er al een of andere soort haaien bestonden lang voordat de dinosauriërs bestonden - meer dan 400 miljoen jaar - zijn deze megatooth-haaien geëvolueerd nadat de dinosauriërs uitstierven en tot slechts 3 miljoen jaar geleden over de zeeën regeerden.

"We zijn gewend om de grootste soorten - blauwe vinvissen, walvishaaien, zelfs olifanten en diplodocussen - te zien als filtervoeders of herbivoren, niet als roofdieren", zegt Emma Kast, een Ph.D. afgestudeerd in geowetenschappen die de eerste auteur is van een nieuwe studie in het huidige nummer van Science Advances . "Maar Megalodon en de andere megatooth-haaien waren echt enorme carnivoren die andere roofdieren aten, en Meg stierf slechts een paar miljoen jaar geleden uit."

Haar adviseur Danny Sigman, Princetons hoogleraar geologische en geofysische wetenschappen in Dusenbury, voegde toe:"Als Megalodon in de moderne oceaan zou bestaan, zou het de interactie van de mens met het mariene milieu grondig veranderen."

Een team van Princeton-onderzoekers heeft nu duidelijk bewijs gevonden dat Megalodon en enkele van zijn voorouders zich op de allerhoogste trede van de prehistorische voedselketen bevonden - wat wetenschappers het hoogste 'trofische niveau' noemen. Hun trofische signatuur is zelfs zo hoog dat ze andere roofdieren en roofdieren in een ingewikkeld voedselweb moeten hebben opgegeten, zeggen de onderzoekers.

"Zee voedselwebben zijn meestal langer dan de gras-hert-wolf voedselketen van landdieren, omdat je begint met zulke kleine organismen", zei Kast, nu aan de Universiteit van Cambridge, die de eerste iteratie van dit onderzoek schreef als een hoofdstuk in haar proefschrift. "Om de trofische niveaus te bereiken die we in deze megatooth-haaien meten, hoeven we niet slechts één trofisch niveau toe te voegen - één toproofdier bovenop de mariene voedselketen - we moeten er meerdere toevoegen aan het moderne zeevoedsel internet."

Megalodon is conservatief geschat op 15 meter lang - 50 voet - terwijl moderne grote witte haaien meestal rond de vijf meter (15 voet) uitkomen.

Om tot hun conclusies te komen over het prehistorische mariene voedselweb, gebruikten Kast, Sigman en hun collega's een nieuwe techniek om de stikstofisotopen in de tanden van de haaien te meten. Ecologen weten al lang dat hoe meer stikstof-15 een organisme heeft, hoe hoger het trofische niveau, maar wetenschappers hebben nooit eerder de kleine hoeveelheden stikstof kunnen meten die in de glazuurlaag van de tanden van deze uitgestorven roofdieren zijn bewaard.

"We hebben een reeks haaientanden uit verschillende tijdsperioden en we waren in staat om hun trofisch niveau te traceren ten opzichte van hun grootte", zegt Zixuan (Crystal) Rao, een afgestudeerde student in de onderzoeksgroep van Sigman en een co-auteur van het huidige artikel .

Een manier om een ​​of twee extra trofische niveaus in te stoppen, is kannibalisme, en verschillende bewijzen wijzen daarop bij zowel megatooth-haaien als andere prehistorische mariene roofdieren.

De stikstof-tijdmachine

Zonder een tijdmachine is er geen gemakkelijke manier om de voedselwebben van uitgestorven wezens na te bootsen; zeer weinig botten hebben het overleefd met tandafdrukken die zeggen:"Ik werd gekauwd door een enorme haai."

Gelukkig hebben Sigman en zijn team tientallen jaren besteed aan het ontwikkelen van andere methoden, gebaseerd op de wetenschap dat de stikstofisotoopniveaus in de cellen van een wezen onthullen of het zich bovenaan, in het midden of onderaan een voedselketen bevindt.

"De hele richting van mijn onderzoeksteam is om te zoeken naar chemisch verse, maar fysiek beschermde, organische materie - inclusief stikstof - in organismen uit het verre geologische verleden," zei Sigman.

Een paar planten, algen en andere soorten op de bodem van het voedselweb hebben de kunst onder de knie om stikstof uit de lucht of water in hun weefsels om te zetten in stikstof. Organismen die ze eten, nemen die stikstof vervolgens op in hun eigen lichaam, en van cruciaal belang, ze scheiden bij voorkeur (soms via de urine) meer van de lichtere isotoop van stikstof, N-14, uit dan zijn zwaardere neef, N-15.

Met andere woorden, N-15 bouwt zich op, ten opzichte van N-14, terwijl je omhoog klimt in de voedselketen.

Andere onderzoekers hebben deze benadering toegepast op wezens uit het recente verleden - de meest recente 10-15 duizend jaar - maar er was tot nu toe niet genoeg stikstof in oudere dieren om te meten.

Waarom? Zacht weefsel zoals spieren en huid worden bijna nooit bewaard. Om de zaken nog ingewikkelder te maken, hebben haaien geen botten - hun skeletten zijn gemaakt van kraakbeen.

Maar haaien hebben één gouden toegangsbewijs voor het fossielenbestand:tanden. Tanden worden gemakkelijker geconserveerd dan botten omdat ze zijn ingekapseld in glazuur, een keihard materiaal dat vrijwel immuun is voor de meeste ontbindende bacteriën.

"Tanden zijn ontworpen om chemisch en fysiek resistent te zijn, zodat ze kunnen overleven in de zeer chemisch reactieve omgeving van de mond en voedsel dat harde delen kan uit elkaar halen", legt Sigman uit. En bovendien zijn haaien niet beperkt tot de ongeveer 30 parelwitte blanken die mensen hebben. Ze groeien voortdurend en verliezen tanden - moderne zandhaaien verliezen gemiddeld elke dag een tand van hun decennialange leven - wat betekent dat elke haai tijdens zijn leven duizenden tanden produceert.

"Als je in het geologische archief kijkt, zijn haaientanden een van de meest voorkomende fossielen", zei Sigman. "En in de tanden zit een kleine hoeveelheid organisch materiaal dat werd gebruikt om het glazuur van de tanden op te bouwen - en zit nu gevangen in dat glazuur."

Omdat haaientanden zo talrijk zijn en zo goed bewaard worden, bieden de stikstofkenmerken in het glazuur een manier om de status in het voedselweb te meten, of de tand nu miljoenen jaren geleden of gisteren uit de mond van een haai is gevallen.

Zelfs de grootste tand heeft slechts een dun omhulsel van glazuur, waarvan de stikstofcomponent slechts een klein spoor is. Maar het team van Sigman heeft steeds meer verfijnde technieken ontwikkeld om deze stikstofisotoopverhoudingen te extraheren en te meten, en met een beetje hulp van tandartsboren, reinigingschemicaliën en microben die uiteindelijk de stikstof uit het glazuur omzetten in lachgas, zijn ze nu in staat om de N15-N14-verhouding nauwkeurig te meten in deze oude tanden.

"We zijn een beetje zoals een brouwerij," zei hij. "We kweken microben en voeren onze monsters aan hen. Ze produceren lachgas voor ons, en dan analyseren we het lachgas dat ze produceerden."

De analyse vereist een op maat gemaakt, geautomatiseerd voorbereidingssysteem voor lachgas dat het gas extraheert, zuivert, concentreert en aflevert aan een gespecialiseerde massaspectrometer met stabiele isotopenverhouding.

"Dit is een zoektocht van meerdere decennia die ik heb gedaan om een ​​kernmethode te ontwikkelen om deze sporen van stikstof te meten," zei Sigman. Van microfossielen in sedimenten gingen ze over naar andere soorten fossielen, zoals koralen, vissenoorbeenderen en haaientanden. "Vervolgens passen wij en onze medewerkers dit toe op zoogdiertanden en dinosaurustanden."

Een diepe duik in de literatuur tijdens lockdown

Vroeg in de pandemie, terwijl haar vrienden zuurdesemstarters maakten en Netflix dronken, bladerde Kast door de ecologische literatuur op zoek naar stikstofisotoopmetingen van moderne zeedieren.

"Een van de coole dingen die Emma deed, was echt in de literatuur graven - alle gegevens die in de loop van tientallen jaren zijn gepubliceerd - en dat relateren aan het fossielenbestand", zei Michael (Mick) Griffiths, een paleoklimatoloog en geochemicus aan de William Patterson University en een co-auteur op het papier.

Terwijl Kast thuis in quarantaine ging, bouwde ze nauwgezet een record op met meer dan 20.000 zeezoogdieren en meer dan 5.000 haaien. Ze wil veel verder gaan. "Onze tool heeft het potentieel om oude voedselwebben te decoderen; wat we nu nodig hebben, zijn monsters", zei Kast. "Ik zou graag een museum of ander archief vinden met een momentopname van een ecosysteem - een verzameling van verschillende soorten fossielen van een bepaalde tijd en plaats, van forams in de buurt van de basis van het voedselweb, tot otolieten - botten van het binnenoor - van verschillende soorten vissen tot tanden van zeezoogdieren, plus haaientanden. We zouden dezelfde stikstofisotopenanalyse kunnen doen en het hele verhaal van een oud ecosysteem kunnen samenstellen."

Naast het literatuuronderzoek bevat hun database hun eigen monsters van haaientanden. Co-auteur Kenshu Shimada van DePaul University verbonden aan aquaria en musea, terwijl co-auteurs Martin Becker van William Patterson University en Harry Maisch van Florida Gulf Coast University megatooth-exemplaren verzamelden op de zeebodem.

"Het is echt gevaarlijk; Harry is een duikmeester en je moet echt een expert zijn om deze te krijgen", zei Griffiths. "Je kunt kleine haaientanden op het strand vinden, maar om de best bewaarde monsters te krijgen, moet je naar de bodem van de oceaan gaan. Marty en Harry hebben overal tanden verzameld."

Hij voegde eraan toe:"Het is echt een gezamenlijke inspanning geweest om de monsters te verkrijgen om dit samen te brengen. Over het algemeen is de samenwerking met Princeton en andere regionale universiteiten echt opwindend omdat de studenten geweldig zijn en mijn collega's daar echt geweldig zijn om mee samen te werken."

Alliya Akhtar, een Ph.D. afgestudeerd aan Princeton, is nu een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Griffiths.

"Het werk dat ik deed voor mijn proefschrift (kijkend naar de isotopensamenstelling van zeewater) stelde zoveel vragen als het beantwoordde, en ik was ongelooflijk dankbaar dat ik de kans kreeg om aan een aantal hiervan te blijven werken met een medewerker/mentor die ik respecteer," Akhtar schreef in een e-mail. "Ik ben het meest enthousiast over al het werk dat nog moet worden gedaan, alle mysteries die nog moeten worden opgelost!"