举个栗子:用耳朵能呼吸吗?

用耳朵能呼吸吗?的头图

耳朵识字只是神话,但让人惊奇的是,耳朵曾经是用来呼吸的。在仔细检查过一条三亿七千万年前的鱼化石后,瑞典的两位科学家在近期Nature上发表文章称,耳朵——更具体的说中耳——起源于远古鱼类的呼吸孔的时间,比此前人们预想的久远得多。

说到耳朵,我们心中可以毫不费力的浮现出头部两侧两个外耳的形状,它们是如此的显眼,笔者的女儿第一个认识的感官就是它。但实际上那两个大耳朵不是我们听到声音的关键所在,我们的听觉系统由三个部分组成,外耳、中耳和内耳。当外界声波传递到外耳时,通过它的集音作用将声波通过外耳道传递至鼓膜,这里是外耳和中耳的分界线。鼓膜的振动通过构成中耳的三块骨头(镫骨、锤骨和砧骨)的放大后再传递至内耳,这三块骨头是人体最小的骨头,大约只有米粒般大,但它们对声音的放大能力十分惊人,一个听力良好的人在极其安静的环境中,可以听到的最微弱声音仅足以将鼓膜移位氢分子直径的1/10。

哺乳动物的中耳由三块骨头构成,爬行动物的中耳则只有镫骨。三块骨头带来的好处不仅仅是更有效率的放大声音,而且使哺乳动物能够听到频率更高的声音,当然这需要内耳也有相应的特化。鸟类和爬行动物只能听到最高10~12kHz频率的声波,而一般来说,人能听到的最高频率则为20kHz。超过20kHz的声波常被称为超声波,意即超越人类听觉范围的上限。若留意一下身边的CD唱片,你会发现通用采样频率是44.1kHz,那是因为采样频率一定要高于录制的最高频率的两倍才不会产生失真,所以采样频率至少应是40kHz,使用44.1kHz是为了留有余地。但很多哺乳动物可以发出和听到超声波,其中的佼佼者非蝙蝠莫属,小型蝙蝠能发出频率高达54kHz的超声波。这个唯一会飞的哺乳动物几乎没有视力,完全依赖超声波来探测环境和寻觅食物。

哺乳动物起源自爬行动物,很自然的人们会想到一个问题,多出来的镫骨和锤骨来自何处?这个问题在大约一百年前就获得了答案,但它真的是过于古怪,以至于成了比较解剖学上的经典研究。通过确凿的证据,解剖学家们认定,锤骨和砧骨是从爬行动物的颌部骨骼演化而来,说通俗一点就是下巴,相应的这两块骨头的名字被称为方骨与关节骨。爬行动物下巴的方骨与关节骨负责与头骨的鳞骨连接在一起,形成完整的头颅。但在哺乳动物起源的过程中它们逐渐退入中耳,其作用也转变为负责听觉。

这个结论实在惊人,足以让下巴掉到地上。且慢,既然负责把头骨和下巴连接在一起的骨头不管这事儿了,那我们的下巴不会真的有什么危险吧?这到不用担心,关节骨和方骨的工作目前由齿骨来代替,在哺乳动物起源的演化过程中,鳞骨和齿骨发生变化,最终直接形成关节连接在一起,现在让我们把下巴收回来吧。

中耳的演化可以说是道金斯—《自私的基因》的作者———的名言“演化是个修补匠”的绝佳注脚,也是几乎所有系统阐述生物演化的书津津乐道的例证。在演化的过程中器官的功能可以发生巨大的甚至是匪夷所思的改变,破解此类迷题可真是对想象力的巨大考验。虽然我们早知道了中耳的来源,但它是怎样演化而来,还有诸多工作要做。直到今天,在古生物学界中,中耳的演化研究仍然异常活跃,尤其是在哺乳动物特征演化研究中。

日常生活中的哺乳动物和爬行动物差别甚远,你不用接受任何专业训练也可以轻松鉴定此两类动物。比如:一般而言哺乳动物都毛绒绒的,有温暖的体温,体表覆盖各种绒毛,胎生——暂时不算鸭嘴兽——哺乳等等。但不幸的是,所有这些一目了然的区别,在动物成为化石以后就消失不见了。所以对于古生物学家来说,如何区分这两类动物还得寻找其它标准,尤其是那些起源初期的激动人心的过渡动物,该算到哪一类就直接关乎到哺乳动物起源的时间以及发现者的荣誉这样的问题了。当然聪明的读者,已经猜到了答案。如你所料,中耳的这三块不起眼的小骨头就是鉴定哺乳动物的重要标准。

2001年前,中耳拥有三块骨头的早期哺乳动物的化石,最早只能追溯到大致1亿5千万年前的侏罗纪晚期。而1985年,正在攻读古生物学研究生的吴肖春,在云南禄丰盆地发现一块微小的化石(后来被命名为吴氏巨颅兽),将这个时间向前推进了4500万年,即1亿9千万年前的侏罗纪早期。由于化石很小修复十分困难,直到1992年,经过中美两国科学家联合努力,加上约十年的艰辛工作,才将各项研究完成,成果发表在2001年5月25日的Science杂志上,立刻引起广泛关注。

据推测吴氏巨颅兽体长约3cm,重量仅两克左右,想象一下同时代的巨兽恐龙面对它的情景,相当于我们面对一只小蚂蚁。虽然很少有成年人对蚂蚁还有多少兴趣,但如果有人说,就是这些微不足道的小东西的子孙,在亿万年后将驾驶飞船踏上月球、它们制造的武器足以毁灭地球几十次之多,你再看见它们时是否会多一点畏惧之心。没错,作为迄今为止所发现的最古老的拥有三块听小骨的吴氏巨颅兽,没有人有绝对的把握说它不是我们的直系祖先。那么现在你是否也对那三块小小的骨头所象征的价值多了点敬畏。而我国科学家在哺乳动物中耳的演化研究上,颇有成果。

长久以来,对于哺乳动物中耳演化过程中,“锤骨”和“砧骨”与齿骨分离,成为只负责听觉的结构,一直是个未解的问题。近年来,国外科学家依据胚胎发育的研究提出一种假说,认为头骨的持续变大与听小骨却在缩小的现象,是促使听小骨脱离齿骨的根本原因。从胚胎发育上看,听小骨在发育早期很快就达到了成年个体的大小(一颗米粒般的大小),但任何一位父母都可以告诉你,婴儿的头颅即便在出生后还在继续增大。由于听小骨必须与椭圆窗相联系,因此逐渐增大的头骨便将听小骨从齿骨上强行拉走了。简要言之,我们不妨将其称为“强拽假说”。毫无疑问,现存哺乳动物个体的中耳发育确实是这样的。但这并非表示哺乳动物起源的过程中,中耳就是如此诞生的,一切终究得有过硬的化石证据才能让大多数同行接受。而我国科学家依据在辽西发现的爬兽化石,提出了中耳起源的不同假说。依据标本上所发现的骨化麦氏软骨,说明爬兽拥有真正的哺乳动物的中耳。与此同时,该标本显示,爬兽的脑腔狭窄,颌关节与耳区的关系紧密。显然“强拽假说”无法对该标本的中耳是如何形成的进行合理解释。我国古生物学家认为,哺乳动物中耳的起源,应该与听觉器官和咀嚼器官的不断优化改善有关。

考虑到哺乳动物中耳的演化如此复杂,没有人认为它会多次起源。虽然现存三类哺乳动物——卵生、有袋和胎生—之间的差异甚大,但它们都拥有哺乳动物的独特中耳,对此人们一般认为哺乳动物独特的中耳在这三类动物的共同祖先中就已经拥有了。然而2005年2月11日的《科学》杂志上,澳大利亚的科学家宣称中耳至少独立的进化了两次,卵生哺乳动物的祖先的中耳是独立演化的。

2003年,在澳大利亚南部海岸发现了一个保存良好的下颌骨化石,这块化石被认为只是鸭嘴兽及其它卵生哺乳动物的祖先,而它的下巴上赫然保留着三个“中耳”小骨的原始印迹,显示这些小骨尚未从下巴移动到耳部。这只能有一个解释,卵生哺乳动物的祖先自己独立的进化出了拥有三块听小骨的中耳,这简直只能用奇迹来形容。同时这个新发现也带来些有趣的问题,比如:有什么演化上的理由让卵生哺乳动物也非得演化出一个拥有三块听小骨的中耳来?在科学上,发现一个秘密往往牵连出更多秘密等待人们去探索,这或许就是科学的吸引力之一吧。

追根溯源似乎是人类的本性,爬行动物的中耳虽然只有一块骨头,但鱼压根就没有中耳,所以中耳本身怎么起源只有到鱼化石中寻找线索。和今天常见的鱼不同,数亿年前鱼的腮是通过一个管状器官—腮孔—与体外的水相连的,这个已经消失的结构在四足动物中演化为中耳的腔室,而负责连接头盖骨和鱼颚的一根骨柱则最终演变为镫骨。

相信在不久的未来,只要发现更多的化石,对于神奇的中耳的来历我们会了解得更多。但或许解开秘密的钥匙已经躺在某个博物馆的收藏品中了,正在静静的等待之中也未为可知。

(作者:三思逍遥)

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