人类的听觉是如何形成的?一块1.6亿年前的化石解开了谜题

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。

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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。

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“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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