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耳朵的起源:最初只为方便呼吸  

2009-10-19 18:01:05|  分类: 封面故事 |  标签: |举报 |字号 订阅

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中美古生物学家发表古兽化石研究结果,揭示哺乳动物听觉演化奥秘

耳朵,最初只为方便呼吸 


 

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亚洲毛兽的骨骼模拟图(上)和复原图(下)。
 
 
 
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辽宁北票又一次成为古生物学的神奇之地,科学家们通过研究发现于此地的一块哺乳动物化石发现,它为早期哺乳动物中耳演化提供了重要线索,揭示了动物听觉演化的秘密,有助于确认哺乳动物是如何在恐龙横行的中生代生存下来的。关于这个发现的文章刊载在10月9日的《科学》杂志上。

 

1化石保存秘密细节

 

2009年的一个夜晚,一个人坐在音乐厅里欣赏巴赫的《第一号小提琴协奏曲》,为听到琴弦上精微的“松香味”感到欣喜;一亿年前的一个夜晚,一只纤小的哺乳动物匍匐在巨大恐龙的脚下,仔细分辨着草丛中昆虫的声音。这两个场景描绘了不同时代的哺乳动物的两个生活片段,它们指向一个重大的科学命题:精细的听觉对哺乳动物的生活方式至关重要。而在北票发现的这件化石正保存着哺乳动物获得听觉演化过程的重要证据。

 

在北票发现的哺乳动物是一个新种。据估计,这种动物有15厘米长,约重70—80克,相当于花栗鼠那么大,是一种地栖动物,主要的生活时间里都是在地面上跑来跑去。它的骨骼表明,它和有袋类哺乳动物和有胎盘哺乳动物的共同祖先有联系。这种动物被命名为“亚洲毛兽”(Maotheriumasiaticus)。属名中的“Mao”就是中文“毛”,“Therion”在希腊语里是“兽”的意思。第一种被发现的毛兽叫中国毛兽(Maotheriumsinensis),当时在化石上有毛发痕迹,故此得名。这种兽属于对称齿兽类,这类动物得名于臼齿上对称的三个齿尖。亚洲毛兽的化石被很好地保存在泥砂岩中。现在这件化石保存于郑州的河南省地质博物馆内。

 

这件化石和其他“印在石头里”的化石不同,它是一个三维的化石,保存得很好。《科学》杂志上发表论文的作者之一、美国匹兹堡市卡内基自然史博物馆馆长罗哲西(Zhe-XiLuo)说:“这个化石让人感到最惊讶的,也是在科学上很有意思的是哺乳动物的中耳。”

 

2三骨成就敏锐听觉

 

罗哲西说:“哺乳动物有着非常敏感的听觉,比其他脊椎动物都要强得多。听觉对哺乳动物的生活方式有着至关重要的作用。”哺乳动物有着动物界最复杂的中耳,它的主要结构是位于鼓室中相连的三块小骨头———锤骨、砧骨和镫骨。空气中声音的振动使鼓膜的振动,鼓膜驱动和它紧紧相连的锤骨,锤骨驱动砧骨,而砧骨驱动镫骨,把能量传到内耳中耳蜗的液体中。这三块小骨头除了由细小的结缔组织和鼓室壁连接之外,基本上是悬空的,就像精巧的电报装置一样传递着振动信号。

 

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(人类中耳结构示意图。)

 

而在爬行动物身上,我们见不到这样的结构。爬行类的中耳只有一块镫骨,结构比哺乳类简单得多。实验表明,哺乳类的听力比爬行类好很多,最重要的表现是它们能听到高频的声音。而高超的听力让哺乳动物的祖先可以避开恐龙活跃的白天,而在宁静的夜晚外出活动,这为日后哺乳动物称霸地球提供了条件。

 

哺乳动物的中耳结构能够大大增强内耳接收声音的能力。第一种方法是“压强增大法”,因为骨膜的面积比镫骨和内耳接触的“踏板”部分要大得多,所以镫骨传递的压强要比骨膜接受的压强大得多;第二个方法是“杠杆放大法”,通过锤骨和砧骨的杠杆作用,可以让镫骨对内耳施加的运动辐度比耳膜的运动辐度大得多。

 

《科学》杂志文章的作者之一、中国地质科学院的袁崇禧博士表示,锤骨和砧骨从下颌骨中分离再来,进入耳区,参与对声波的接纳,这是哺乳动物的一大进步。而亚洲毛兽最令人感兴趣的特征是,它的锤骨和砧骨仍然通过一种叫“麦氏软骨”的结构和下颌骨连在一起。

 

3下颌变成精巧小骨

 

什么,耳朵和下颌有什么关系吗?确实,我们的腭(颌)部披坚执锐冲在最前面,每天都在干着苦活儿累活儿,而中耳三小骨躲在封闭的小室内,从事着精细的信息工作,很难想像两者是同源的。但事实就是如此。这还要从腭的演化说起。

 

腭是口部相互铰接的可以开合的结构。它的出现是生物演化的一大飞跃。脊椎动物的腭可能出现在志留纪,最早出现在盾皮鱼类身上,而在泥盆纪有了进一步分化。

 

那么,腭是如何演化来的呢?原来,原始鱼类为了让鳃部能够水流通畅,长有一种叫“鳃弓”的器官,它是一种弓状的软骨,可以把鳃部撑起来。后来,第一对和第二对鳃弓形成了腭和舌弓,共同履行腭的作用。演化学者认为,开始的时候腭的作用并不是用来捕食或御敌,而是用来提高呼吸的效率:撑大嘴,就可以形成瞬间真空,把水“吸”进嘴里。现在,很多鱼,比如我们熟悉的鲤鱼,都会用张大嘴的方法“吸取”食物。

 

即使只有两对鳃弓演化成的腭,都已经很复杂了,经常包括几十块骨头。这使鱼类的腭有很多奇异的结构。大白鲨是海中霸王,但奇怪的是它的咬力并不大,科学家们发现大白鲨进食的时候会把嘴“伸出体外”,不进食的时候会折叠回去,以免增加阻力,这种结构决定了大白鲨不会有鬣狗那么大的咬力。更奇特的是,海鳝有着两对腭,口腭就是我们看见的那个“嘴”,用来抓住猎物,而在咽喉内还有一对腭,在它张口的时候咽喉里的腭会伸出来,帮助把猎物送入自己的食道,简直就是真实版的“异形”。

 

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(海鳝有两套腭,其中一套平时隐藏在咽喉,在捕食时才显露出来。)

 

而到了四足动物阶段,因为在陆地上没有“吸水”的必要,所以腭的结构大大简化。包括前颌骨、小腭骨、颧骨、方轭骨等一大堆骨头和颅骨融合在一起;而下腭的齿骨、夹骨、关节骨等都融合成下颌骨。有些爬行动物还保留了齿骨、方骨等骨头的活动性,比如蛇类,这就是蛇类能够吞下比它头部还大的食物的原因。

 

此时四足动物还面临着在空气中听声音的需要。鱼类通过骨头就可以接收水中的声波,而对于空气中的声波只能通过鼓膜接收。于是一些腭部的小骨头“下岗再就业”,充当了听觉器官的一部分,爬行动物有了镫骨,而哺乳动物又把锤骨和砧骨从腭部骨骼中分离出来。

 

4亚洲毛兽被疑“返祖”

 

亚洲毛兽有趣之处恰恰在于,它的锤骨和砧骨仍然和下颌相连。从骨骼上来说,毛兽更接近于有袋类哺乳动物和有胎盘哺乳动物,而非产卵的哺乳动物,可能和我们的祖先相当接近。于是,有人认为毛兽是哺乳动物听觉演化的中间物种。但也有另一种可能,毛兽和下颌相连的耳骨只是一种“返祖现象”。

 

中耳和颌骨的连接,被称作“麦氏软骨”的结构会在现生哺乳动物的胚胎中出现。现在的胚胎学显示基因可以激发中耳产生“异常”结构,比如麦氏软骨的重新出现。变异小白鼠的中耳结构和毛兽非常类似。

 

袁崇禧表示,现在已经发现了多种哺乳动物听觉演化的过渡物种,自己并不认为亚洲毛兽是其中“关键的一环”。它的有趣之处在于,它可能因为环境压和或基因突变重新生出了麦氏软骨。

 

从亚洲毛兽的“先进”程度来看,它不应当具有这种结构,这种结构的发现正说明演化并非直线前进,里面会有很多反复和曲折,甚至倒退,这才是亚洲毛兽的真正有趣之处。
 
本报记者/刘铮

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