Den evolutionära utvecklingen av däggdjurens hörselben är ett av de mest detaljerade [1] [2] och viktiga bevisen för biologisk evolution [3] [4] [5] [6] . Det visar närvaron av övergångsformer och är ett bra exempel på exaptation (användning av redan existerande strukturer för andra ändamål än de ursprungliga).
Hos moderna reptiler är trumhinnan ansluten till innerörat genom ett enda ben ( stapes ; hos fåglar den så kallade kolumnen , lat. columella ) [5] [7] fungerar som dess analog , medan både övre och nedre käkar bildas genom separata ben, som inte finns hos däggdjur . Under utvecklingen av däggdjur ändrade individuella reptilkäkben ( led och kvadratiska ) sin form och funktion och "flyttades" in i mellanörat och bildade en kedja av hörselben ( hammare , städ och stigbygel ), som överför vibrationerna från trumhinnan. membranet till endolymfen i innerörat mer effektivt. , vilket förbättrar kvaliteten på den auditiva analysatorn.
Bevis på att däggdjursmalleus och städet är homologa med artikulära och kvadratiska ben hos reptiler var ursprungligen embryologiska , men fick senare detaljerad paleontologisk bekräftelse [8] . På senare tid har det också dykt upp bevis baserade på genetiska studier (se nedan ).
Utvecklingen av stigbygeln (från hyomandibular, lat. os hyomandibulare ) är en tidigare och separat evolutionär händelse [9] [10] .
Mellanörat på däggdjur (inklusive människor) ligger i trumhålan . Det finns tre mycket små ben (allmänt kallade hörselbenen : malleus , städet och stigbygeln ), som, genom artikulationer med varandra, representerar ett system av hävarmar . Malleus är ansluten till trumhinnan , genom städet överför den membranets vibrationer till stigbygeln, som i sin tur är ansluten till membranet i det ovala fönstret i vestibulen. Således överförs vibrationerna från trumhinnan till membranet i det ovala fönstret, vars vibrationer bildar vågor i endolymfen i innerörat , som i sin tur exciterar sensoriska celler i Corti-organet . Effektiviteten hos dessa "spakar" kontrolleras av två små muskler som reglerar rörelseomfånget i ossikulära kedjan: muskeln som belastar trumhinnan ( lat. Musculus tensor tympani ; genom att dra i handtaget på malleus, belastar den trumhinnan, medan hela bensystemet skiftar inåt, och stigbygeln trycks in i fönstret i vestibulen) och stigbygelmuskeln ( lat. Musculus stapedius ; den är fäst vid stigbygelns bakre ben vid dess huvud och utför funktionen motsatt till funktionen hos den föregående muskeln, att utföra den omvända rörelsen av benen i mellanörat från fönstret i vestibulen) [11] .
Systemet med hörselben minskar amplituden av mekaniska vibrationer, samtidigt som kraften av deras inverkan på det ovala fönstret i vestibulen ökar (funktionen hos hörselbenen med en viss sträckning kan jämföras med verkan av en elektrisk transformator). Detta ökar i slutändan känsligheten hos Cortis organ i allmänhet och - speciellt - i uppfattningen av högfrekventa ljud [5] . Utvecklingen av detta system orsakades av uppkomsten av ryggradsdjur på land (och följaktligen övergången från vattenmiljön till luftmiljön) [5] .
Under däggdjurs embryogenes utvecklas malleus och incus från den första gälbågen (av vilken både underkäken och överkäken bildas). Alla dessa benformationer innerveras av trigeminusnerven (dess maxillära och mandibulära grenar) [12] .
Trots närvaron av en allmän plan för strukturen av mellanörat hos däggdjur, kan individuella detaljer om dess anatomi (liksom effekterna som produceras av hörselbenssystemet) skilja sig markant även hos arter så nära som människor och schimpanser [13] .
Identifiering av fossila däggdjur baserat på närvaron av bröstkörtlar är omöjligt, eftersom bröstkörtlar och andra strukturella egenskaper hos mjukvävnader inte bevaras i fossiler. I detta avseende används en annan viktig egenskap i stor utsträckning inom paleontologi (karakteristisk även för äggläggande däggdjur , men frånvarande i tidiga synapsider , som är däggdjurens evolutionära föregångare): två av benen i ansiktsskalle i tidiga amnioter (används för tugga) hos däggdjur är delar av hörselorganet [14] .
I tidiga fostervatten (inklusive ödlor , krokodiler , dinosaurier , fåglar , terapeuter ) bildas artikulationen av underkäken med andra ben i skallen genom led- och fyrkantsbenen , det enda benet i deras mellanöra är stigbygeln . Hos däggdjur är leden ordnad annorlunda: underkäken artikulerar direkt med tinningbenet (eller med skivepitelbenet, en analog till skivepitelbenet, lat. pars squamosa ossis temporalis ), medan de är i mellanörat det finns ytterligare två ben (hammare och städ) [15] .
Homologi mellan reptilkäkben och däggdjurs hörselben upptäcktes först (baserat på embryologi och jämförande anatomi) av den tyske anatomen Karl Reichert 1837; senare utvecklades denna teori av den tyske anatomen Ernst Gaupp, som publicerade en monografi om detta ämne 1913 [16] , som lade grunden för Reichert-Gaupp-teorin [17] [18] .
[…] upptäckten att däggdjurs malleus och incus är homologa med de viscerala elementen i reptilernas käkar […] tillhör en av de viktiga milstolparna i den jämförande biologins historia [19]
Embryologiska data om homologin mellan däggdjurs hörselben och reptilkäkben fick paleontologisk bekräftelse på 1950-talet med upptäckten av fossila rester av släktet Morganucodon [20] . Senare dök bevis också upp baserat på en jämförande studie av genomen hos däggdjur och deras evolutionära föregångare [5] [6] [21] [22] [23] [24] [25] [26] . Utvecklingen av käken och hörselbenen, liknande deras evolutionära utveckling, spåras lätt genom hela ontogenesen hos primitiva däggdjur (till exempel i opossums [6] [27] ).
Följande är ett mycket förenklat "släktträd" av taxonomiska grupper som är relevanta för ämnet för artikeln:
Tetrapoda |
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Tetrapods ( lat. Tetrapoda ) var de första fyrbenta ryggradsdjuren, de tidigaste av dem andades fortfarande med gälar . Representanter för kladden Reptiliomorpha kombinerade egenskaper hos både amfibier och reptiler ("reptilliknande" amfibier). Från dem kom de så kallade Amniotes ( lat. Amniota ) - de första helt landlevande ryggradsdjuren. Fostervattenägg hade ett inre skal som gjorde att det utvecklande embryot kunde andas samtidigt som vattnet behölls. Detta gjorde att amnioter kunde lägga sina ägg på land (medan amfibier tenderar att lägga sina ägg i vatten). De första fostervattnet dök upp under den sena karbonperioden , därefter delades denna grupp upp i två märkbara grenar: sauropsider ( lat. Sauropsida , föregångare till de nuvarande ödlorna , krokodiler , sköldpaddor , fåglar , såväl som dinosaurier och ett antal andra utdöda grupper) och synapsider ( lat. Synapsida , föregångare nuvarande däggdjur).
De tidigaste kända fossilfynden av fostervatten går tillbaka till cirka 320-315 miljoner år sedan. I allmänhet är fynd av ryggradsdjur från karbonperioden mycket sällsynta, vilket gör det svårt att exakt datera dem (troligen uppträdde dessa grupper av organismer mycket tidigare än vad de upptäckta fynden indikerar) [15] .
Öronstruktur hos tidiga tetrapoder och amnioterDe tidigaste tetrapoderna och amfibierna hade med största sannolikhet ingen trumhinna. Dess utveckling skedde oberoende i olika grupper av organismer: i stegocefal (de mest primitiva groddjuren), anuraner (en grupp av groddjur, inklusive grodor och paddor), synapsider (däggdjur och deras utdöda förfäder), diapsider (krokodiler och ödlor), anapsider ( sköldpaddor); möjligen även hos Seimuriamorphs (en grupp reptilomorfa djur) och temnospondylier (en grupp primitiva amfibier) [28] [29] .
I de tidiga representanterna för clade Synapsida är stigbygeln ganska massiv, vilket gör att vi kan tro att detta ben bara stödde hjärnregionen i skallen, men deltog inte i auditiv analysatorns arbete. Det finns dock versioner som redan under permperioden hade synapsider ett trumhinna och en stigbygel som leder ljudvibrationer [30] .
Öron- och käkstruktur i tidiga terapierKäkarna hos tidiga synapsider, inklusive de hos föregångare från däggdjur, liknade de hos andra tetrapoder på den tiden: underkäken bestod av en tand och flera mindre ben placerade bakom den. Käkleden bildades av ledbenet i underkäken och det fyrkantiga benet i överkäken. Tidiga pelycosaurier (sena karbon och tidig perm) hade troligen inget trumhinna, och deras massiva stigbyglar stödde skallen (de nedre ändarna av stigbyglarna vilade på fyrkantiga ben). Emellertid hade terapeuter med största sannolikhet redan trumhinnor, troligen förknippade med kvadraterna; i detta fall fungerade stigbyglarna redan mer som hörselben och tjänade inte till att stödja skallen. Således utförde terpasidernas fyrkantiga ben en dubbel funktion: de bildade käkleden och var en del av hörselorganet [31] [32] .
Dubbelledade käftarUnder den permiska och tidiga triasperioden ökade terapeutiska tandproteser (inklusive däggdjursprekursorer) stadigt i storlek, medan resten av käkbenen blev gradvis mindre [33] . Med tiden kom tandbenet i kontakt med squamosal (benet i överkäken beläget framför kvadraten), vilket ledde till bildandet av två samtidigt fungerande käkleder [34] : en främre, karakteristisk för däggdjur (mellan de dentära och skivepitelben) och en bakre, karakteristisk för reptiler (mellan fyrkant- och ledben). Denna "dubbelled" finns hos sena cynodonter och tidiga medlemmar av clade Mammaliaformes (däggdjur) [35] . Släktet Morganucodon är en av de första upptäckta och mest grundligt studerade företrädarna för däggdjur, eftersom resterna av morganucodons hittades i ett ovanligt stort antal. Morganucodon , med hänsyn till förekomsten av dubbla käkleder, är en nästan idealisk övergångsform mellan terapider och typiska däggdjur [36] .
Strukturen i käkarna och mellanörat hos däggdjurNär tandbenet hos däggdjursprekursorerna fortsatte att öka under triasperioden, föll den evolutionärt äldre leden mellan kvadratbenen och ledbenen ur bruk. Vinkelbenet minskade avsevärt i storlek och omvandlades till trumbenet ( os tympanicum ), som hos människor motsvarar den trumhinna delen av tinningbenet ( pars tympanica ossis temporalis ). Led- och kvadratbenen (som tidigare bildade käkleden) förlorade sin förbindelse med underkäken (som började bildas endast av tandbenen) och behöll sin förbindelse endast med stigbygeln, förvandlades till malleus respektive städet.
En liknande omarrangemang hos däggdjur har inträffat minst två gånger. Utdöd ordning Multituberculataliving i mellersta jura - tidig oligocen (160 miljoner år sedan - 35 miljoner år sedan), hade redan käkleder bildade endast av dentära och skivepitelben, medan de fyrkantiga och ledbenen hos dess företrädare var en del av mellanörat ; emellertid skiljer individuella särdrag av strukturen av deras tänder, käkar och skallar dem avsevärt från nuvarande däggdjur [15] [37] .
När det gäller de närmare evolutionära förfäderna till moderna däggdjur bör nämnas släktet Hadrocodium (funna lämningar daterade för 195 miljoner år sedan, tidig jura), vars käkstruktur antyder att det (eller ett släkte mycket nära det) kan vara först för att ha ett medelvärde är örat ordnat mest likt mellanörat hos moderna däggdjur: dessa djur saknade en specifik skåra (fördjupning) i den bakre delen av underkäken, över vilken trumhinnan sträckte sig hos terapider och de tidigaste däggdjuren; frånvaron av detta hack tyder på att i Hadrocodium gick mellanörat djupt in i hjärnskallens ben, som hos däggdjur, och följaktligen flyttade de tidigare led- och kvadratbenen in i mellanörat och blev malleus och städet. Å andra sidan har Hadrocodium en egendomlig "ficka" på baksidan av tandbenet, som saknas hos däggdjur, vilket kan vara ett tecken på att tandbenet i detta släkte har behållit samma form, som om led- och fyrkantsbenen skulle fortfarande fortsätta delta i bildandet av käkleden [38] .
Relativt nyligen upptäcktes en övergångsform av det primitiva däggdjuret Yanoconodon (för cirka 125 miljoner år sedan, tidig krita ), där hörselbenen redan är separerade från käken och endast tjänar för hörseln, även om de fortfarande har en svag koppling till käken genom förbenat Meckels brosk , som hos mer utvecklade däggdjur, det inte kvarhålls ("löses upp") under prenatal utveckling [39] [40] [41] [42] .
Utvecklingen av hörselbenen bidrog till en markant förbättring av hörseln hos däggdjur jämfört med deras evolutionära föregångare, särskilt i förhållande till uppfattningen av höga ljudfrekvenser [5] . Den specifika akustiska impedansen för vätskorna i innerörat är högre än den specifika akustiska impedansen för luft; transformationsmekanismen i mellanörat bidrar till "inriktningen" av dessa resistanser, som arbetar på principen om impedansmatchningssystemet ( Engelska Impedansmatchning ) [43] , en analogi till vilken kan ses i driften av en elektrisk transformator . Hörselbenen skapar ett system av hävarmar (handtaget på malleus är en och en halv gånger längre än processen för incus), som överför vibrationer från trumhinnan till membranet i det ovala fönstret (vars områden hos människor är ungefär 20:1) [44] . Dessutom bidrar mellanörats muskler, genom att reglera amplituden av svängningar i hörselbenen, till anpassningen av hörselorganet för att fungera under förhållanden med olika amplituder av ljudsignaler.
Naturligt urval kan ha bidragit till utvecklingen och upprätthållandet av den nuvarande strukturen i innerörat hos däggdjur [1] [32] . Många av de tidiga däggdjuren och deras föregångare var ganska små, och strukturen på deras tänder var en indikation på att de var insektsätande. Om redan tidiga däggdjur var varmblodiga (som de nuvarande), så kunde de mycket väl ha varit nattaktiva och ockuperat ekologiska nischer som var otillgängliga för stora dinosaurier som dominerade jordens fauna vid den tiden. Känslig hörsel (särskilt i högfrekvensområdet) kan vara extremt användbar på natten, särskilt för att upptäcka insekter [45] [6] .
Stapes som hörselben är närvarande i många tetrapods , men ett karakteristiskt särdrag hos däggdjur (som skiljer dem från reptiler och andra ryggradsdjur) är närvaron av två extra hörselben ( hammare och städ ). Redan i början av 1800-talet lades på basis av embryologiska data fram en hypotes att dessa ben är homologa med individuella reptilkäkben ( led och fyrkantiga ). Denna hypotes bekräftades inte bara av närvaron av "prototyper" av dessa ben i fostrets utveckling, utan också av sådana anatomiska detaljer som kranialnervernas förlopp .
När evolutionär biologi utvecklades kom denna embryologiska korrespondens att ses som bevis på en gemensam förfader . Med utvecklingen av paleontologin upptäcktes både motsvarande förfäder och övergångsformer (där en förändring i formen på käkbenen och omvandlingen av de senare till hörselben observerades): släktet Morganucodon och några andra [35] . Därefter dök data baserade på genetiska studier upp, vilket bekräftar de tidigare angivna antagandena. Allt detta fungerade som ett anmärkningsvärt bevis på hur data från olika vetenskaper och metoder (embryologi, jämförande anatomi, evolutionsbiologi och genetik) kan motsvara varandra.
De allra första däggdjuren var mestadels små djur, troligen insektsätare, vilket tyder på att de inte behövde stora käkar, medan utvecklingen av hörseln, särskilt känslig för höga frekvenser, var viktigare för att upptäcka insekter [42] . Naturligt urval skulle mycket väl kunna stödja denna utvecklingsriktning [14] .
evolutionär biologi | |
---|---|
evolutionära processer | |
Evolutionsfaktorer | |
Populationsgenetik | |
Livets ursprung | |
Historiska begrepp | |
Moderna teorier | |
Evolution av taxa | |