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河北省青龙县中晚侏罗世燕辽生物群的贼兽类化石破解哺乳动物听觉演化谜题

河北省青龙县中晚侏罗世燕辽生物群的贼兽类化石破解哺乳动物听觉演化谜题

河北省青龙县中晚侏罗世燕辽生物群的贼兽类化石破解哺乳动物听觉演化谜题

河北省青龙县中晚侏罗世燕辽生物群的贼兽类化石破解哺乳动物听觉演化谜题

(神秘的地球uux.cn报道)据新华每日电讯(记者 岳冉冉):风声、雨声、读书声,声声入“中耳”。“听”是生物演化进程中最美妙的事情之一。但是敏锐的听觉并非“天赋”,而靠演化,更需漫长历史长河的“打磨”。

哺乳动物的听力演化是古生物学研究之谜。我国古生物学家通过研究1.6亿年前的化石,解开了这一谜题,证实与恐龙同时代的“贼兽”已长有哺乳动物中耳。该成果于1月28日在线发表在国际期刊《自然》上。今天,我们就来解读下这项具有颠覆性意义的成果。

人类耳朵是从爬行动物进化而来

“哺乳动物的耳朵,是从爬行动物的耳朵进化而来。”论文的通讯作者、云南大学教授毕顺东说,“这是生命演化大戏中最精彩的章节,也是脊椎动物演化史上,身体结构由一种功能变为另一种功能的经典范例。”

哺乳动物中耳有三块听小骨——镫骨、砧骨和锤骨,它们是哺乳动物骨骼系统中最小的骨头,是听觉链上的重要结构,也是哺乳动物听到声音的关键。

“听见”的过程极其神奇。声波从外耳进入,通过窄窄的耳道,穿越鼓膜,到达中耳区,就会遇到锤骨、砧骨及镫骨,这“三兄弟”在耳膜与充满液体的内耳间,能把声波放大,再将声音有效地传递到内耳。我们的耳朵之所以能“听见”,就与这三块听小骨有关。

而爬行动物的中耳仅有一块听小骨——镫骨。因此,哺乳动物比爬行动物的听觉更敏锐,能感知到更细微的声音。

爬行动物的中耳是怎么演化为人的中耳的呢?这是一个复杂的过程,毕顺东尝试进行通俗的解释——

爬行动物的下颌与头部相连,它们的中耳虽只有一块镫骨,但它们头骨中的“方骨”和下颌中的“关节骨”形成的颌关节,却具有咀嚼和听觉的双重功能。

“简单来说,爬行动物的嘴不仅能‘吃’,还能‘听’,它们在吃东西时,下颌上下运动,会影响到听力,因此它们几乎是嚼几下就咽了,像鳄鱼和蛇不能撕咬和咀嚼,只能囫囵吞下去。”毕顺东说。

在进化为哺乳动物的漫长岁月中,爬行动物的“方骨”和“关节骨”逐渐演变成了砧骨和锤骨,位置也从嘴部向上、向后移到了头部,最终与镫骨一起,形成了哺乳动物“三骨鼎立”的听觉。

其实,人类也留下了爬行动物这一特征。人类的锤骨与砧骨也是由爬行动物的关节骨和方骨演化而来,位于中耳腔,通过耳咽管与鼻咽部相连。举例来说,当人类嚼硬东西,像豌豆、蚕豆、薯片时,听力是会受影响的。再比如,人类感冒咳嗽、咽喉发炎时,有时也会导致中耳炎。而中耳炎产生的积液,可能会堵塞耳咽管,影响听力,严重时甚至会暂时性失聪。

“贼兽”揭开中耳演化之谜

那么,生物演化研究的难题来了——爬行动物的“方骨”和“关节骨”是如何演化成哺乳动物听小骨的呢?我国古生物学家通过研究河北省出土的距今约1.6亿年的一件“双钵翔齿兽”化石,解开了生物演化这一难题。

双钵翔齿兽是一种贼兽类动物,与恐龙生活在同一时代,是早期哺乳动物,样子很像今天的松鼠。“它不仅有大尾巴,还有可以滑翔的双翼。”该成果的第一作者、内蒙古自然博物馆馆长王军有说,“非常罕见的是,这一标本的两侧保存了完整的听小骨和关节结构,其中,砧骨仅长约1毫米。”

王军有还原出了这样一幅图景——这只双钵翔齿兽生活在有大量湖泊和森林的辽西地区,突然有一天,一场火山爆发把它的家全覆盖了,这只双钵翔齿兽被完好地“封印”在了岩层中,甚至连1毫米的听小骨也保存了下来。1.6亿年后,古生物学家在研究这些被大自然完好留存的细微结构后发现,双钵翔齿兽的听小骨已明显与下颌分离,属于典型的哺乳动物中耳。其中,砧骨、锤骨这两块听小骨,与现生鸭嘴兽类一样,是上下叠覆的关系。

听力,躲过大灭绝的关键

关于爬行动物中耳演化为哺乳动物中耳,学界一直存在两种假说。

一种是“脑颅膨胀”说,即哺乳动物生长过程中,脑颅增大,致中耳位置后移,最终中耳脱离下颌。第二种是“负向异速生长”说,即在哺乳动物胚胎发育早期,中耳骨骼形态相对于下颌较大,中耳骨化时间更早,因此在胚胎发育后期,随着头骨、下颌的长大,中耳听小骨最终脱离下颌。

而毕顺东等人对双钵翔齿兽的研究成果,推翻了以上假说。

“正是砧骨和锤骨上下叠覆的连接方式,允许这两块听小骨间能发生微小运动,从而为哺乳动物下颌的运动提供了空间。”毕顺东解释说,简单理解,这两块叠覆的骨头为哺乳动物前后、左右、上下咀嚼提供了可能。

之后的漫长岁月里,这两块听小骨与下颌完全分离,并不断缩小,进入到中耳,专职听力,真正演化为哺乳动物的听小骨。

“听小骨,终于从具有咀嚼和听觉双重功能,过渡到单一听觉功能。而强大的听力,也为哺乳动物躲避天敌提供了预警保护。可以说,哺乳动物中耳的演化,完全是自然选择的结果。”毕顺东说。

听小骨虽小,却让人类获得了更为敏锐的听力,以及对更大声阈范围的感应力。毕顺东说:“听力的提高、听觉的敏锐,可能正是哺乳动物能躲过中生代大灭绝、繁衍至今的一个关键原因。”

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(神秘的地球uux.cn报道)据科普时报(记者 陆成宽)哺乳动物听小骨“三骨鼎立”的听觉结构是怎么形成的?1月28日,《自然》在线发表了一项哺乳动物听觉和中耳演化机制的研究成果。基于对哺乳动物中耳听小骨连接关系的新发现,来自云南大学等单位的研究人员提出,叠覆型砧骨—锤骨关节是中耳听小骨与下颌脱离的关键一步,解决了哺乳动物中耳和听觉演化研究中存在已久的难题。

哺乳动物的中耳有3块听小骨,即镫骨、砧骨和锤骨。听小骨是现生哺乳动物骨骼系统中最小的骨头,形成了从鼓膜到内耳之间传递声波和增强声波频率的听觉链。与哺乳动物不同,爬行动物的中耳只有一块镫骨,而它们下颌中的关节骨和头骨中的方骨形成颌关节,连接下颌和头骨,具有咀嚼和听觉的双重功能。

爬行动物演化为哺乳动物过程中,方骨和关节骨逐渐演变成了砧骨和锤骨,才形成了我们哺乳动物现在“三骨鼎立”的敏锐听觉结构。但是,“爬行动物的方骨和关节骨究竟是如何与下颌发生分离,从而演化成精细复杂的哺乳动物的听小骨,则在过去两百年里一直被认为是生物演化研究中的中心难题。”云南大学古生物研究院教授毕顺东说。

传统中耳演化模型认为哺乳动物祖先的下颌通过麦氏软骨和关节骨与头骨相连,哺乳动物演化过程中脑颅的增大导致中耳位置后移,最终脱离下颌。近期一些研究则提出了“运动功能驱动学说”,认为多瘤齿兽咀嚼时下颌向后运动的行为才是导致中耳逐渐与下颌脱离,最终进入头骨的主要原因。但是,通过麦氏软骨和关节骨与头骨相连的下颌并不能向后运动,并且鸭嘴兽等基干哺乳动物支系在咀嚼时下颌并不向后运动,与运动功能驱动学说相矛盾。

此次研究的标本来自河北省青龙县距今约1.6亿年的中晚侏罗世的燕辽生物群,归属于双钵翔齿兽,具有滑翔的翼膜,是贼兽的一种。标本的两侧非常罕见地原位保存了完整的听小骨和关节结构,?其中砧骨仅长约1毫米。

通过对听骨细微形态和关节结构的研究发现,贼兽类的听小骨明显已与下颌分离,没有麦氏软骨相连,属于典型的哺乳动物中耳。两块听小骨,砧骨、锤骨与现生鸭嘴兽类一样,为上下叠覆关系。正是这种叠覆型的连接方式,允许砧骨、锤骨之间发生微小运动,从而为下颌相对于头骨的运动提供了空间,才最终促成了听小骨与下颌的完全分离。

“我们研究发现了砧骨—锤骨叠覆关系理论,从而解决了下颌运动机制的难题。”毕顺东说,使我们更清楚地理解哺乳动物独特听觉器官的演化过程。哺乳动物中耳的演化蕴含了复杂的细节过程,是砧骨和锤骨扩展适应和再作用的最佳范例。




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