On cosmine: its origins, biology and implications for sarcopterygian interrelationships

Mondéjar-Fernández J.

Published date: March 2018
Volume: 42
Number: 1
Pagination: 041-065
Notes:

Jorge Mondéjar-Fernández, jorge.mondejar-fernandez@mnhn.fr
ISYEB, UMR 7205 CNRS-MNHN-UPMC-EPHE, Département Origines et Évolution, Muséum national d’Histoire naturelle, Sorbonne Universités, CP 30, 25 rue Cuvier, 75005 Paris, France

Abstract

Cosmine is a combination of tissues (enamel, dentine, and bone) and a structure (pore-canal system) not found in living vertebrates. Long considered a synapomorphy of sarcopterygians (lobe-finned fishes), new discoveries and phylogenetic interpretations have shown that the assembly of cosmine is a deeper evolutionary event than previously thought and that cosmine constitutes a primitive feature of osteichthyans (bony fishes). A precursor of both cosmine and ganoine might have been present in the last common ancestor of sarcopterygians and actinopterygians (ray-finned fishes). However, despite numerous and thorough studies on cosmine since the late 19th century, its role and biological properties are still a mystery. Currently, the most consensual hypothesis considers cosmine as a metabolic regulator of mineral ions through intricated processes of deposition and resorption of dermal tissues. A new ontogenetic and phylogenetic scenario is emerging from microtomographic data revealing that a pore-canal system initially associated with multiple superimposed odontodes in stem osteichthyans and early sarcopterygians was reorganized and simplified in rhipidistians into a uniform cosmine sheet with a single layer of enamel overlying the dentine (eucosmine). In this review, I will summarize the current knowledge of cosmine origins, structure, development, and possible function based on previous research. I will also present new histological data on poorly known early sarcopterygians to highlight the importance of histological studies for upcoming analyses of sarcopterygian interrelationships. Future efforts to unravel the evolution of cosmine will need new virtual and three-dimensional approaches to paleohistology that will change our current framework of studying early vertebrate evolution and certainly revolutionize our understanding of this distinctive feature.

Keywords: Cosmine - Dermal skeleton - Devonian - Paleohistology - Sarcopterygians - Scales
French abstract

La cosmine : origines, biologie et implications phylogénétiques chez les sarcoptérygiens

La cosmine est une combinaison de tissus (émail, dentine et os) et de structure (un système de pores et de canaux) sans équivalent parmi les vertébrés actuels. Longtemps considérée comme une synapomorphie des sarcoptérygiens (poissons à nageoires charnues), de nouvelles découvertes et interprétations phylogénétiques ont montré que la mise en place de la cosmine est un phénomène évolutif plus ancien que l’on ne croyait et qui constitue une caractéristique commune et primitive pour l’ensemble des ostéichtyens (poissons osseux). Les précurseurs de la cosmine et de la ganoine seraient déjà présents chez l’ancêtre commun des sarcoptérygiens et des actinoptérygiens (poisons à nageoires rayonnées). Cependant, malgré de nombreuses études paléoichtyologiques depuis la fin du xixe siècle, le rôle et les propriétés biologiques de la cosmine demeurent un mystère. L’hypothèse la plus consensuelle donne à la cosmine un rôle métabolique dans la gestion des ions minéraux à travers le dépôt et la résorption des tissus dermiques la constituant. L’avènement des techniques de microtomographie et de modélisation virtuelle en 3D permettent désormais de commencer à proposer un scénario ontogénétique et phylogénétique de la formation et l’évolution de la cosmine chez les ostéichtyens, depuis un stade primitif où de nombreux odontodes superposés s’associaient à un système de pores et de canaux chez les premiers ostéichtyens, vers une cosmine plus uniforme formée par une seule couche d’émail recouvrant la dentine (eucosmine) chez les sarcoptérygiens rhipidistiens. Dans cet article de révision, je résumerai l’ensemble des connaissances actuelles sur les origines, la structure, le développement et les possibles fonctions de la cosmine tirées des études passées. Je présenterai également de nouvelles données histologiques de certains sarcoptérygiens anciens méconnus afin de mettre en évidence l’importance des études histologiques pour les futurs travaux s’intéressant à la phylogénie des sarcoptérygiens. Désormais, toute étude s’attaquant à l’origine évolutive de la cosmine nécessitera des nouvelles approches de reconstruction virtuelles, qui sont amenées à révolutionner notre cadre d’étude sur les vertébrés anciens, afin de percer les mystères de cette structure singulière.

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