Барабанная перепонка: пример конвергентной эволюции
Исследователи из Лаборатории эволюционной морфологии RIKEN и Токийского университета установили, что барабанная перепонка у млекопитающих и диапсид (таксономической группы, включающей рептилий и птиц) эволюционировала независимо.
Работа, опубликованная в Nature Communications, показывает, что формирование барабанной перепонки у млекопитающих зависит от развития нижней челюсти, а у диапсид — от верхней челюсти. Важно, что для ответа на давний вопрос палеонтологов учёные использовали методы эволюционной биологии развития («эво-дево»).
Проблема окаменелостей
Барабанная перепонка и среднее ухо позволили млекопитающим, рептилиям и птицам слышать в воздушной среде. Хотя их перепонки выглядят и функционируют сходно, палеонтологическая летопись указывает на фундаментальное различие. Две кости среднего уха млекопитающих — молоточек и наковальня — гомологичны частям челюстных костей диапсид (соответственно, сочленовной и квадратной). Окаменелости не сохраняют саму барабанную перепонку, что затрудняло поиск доказательств её независимого происхождения.
Экспериментальный подход
Учёные обратили внимание на разное анатомическое крепление перепонки: у млекопитающих — к барабанному кольцу (производному нижней челюсти), у диапсид — к квадратной кости (верхней челюсти). Гипотеза: эволюция перепонки связана с этими различиями.
- Мыши без рецептора Ednra (у них подавлено развитие нижней челюсти) также не имели барабанной перепонки и слухового прохода.
- Цыплята с заблокированным рецептором Ednra демонстрировали аномальное развитие нижней челюсти, но не теряли перепонку. Вместо этого у них формировалась дополнительная барабанная перепонка и слуховой проход из компонентов верхней челюсти, оказавшихся в деформированной нижней челюсти.
Ключевое различие в развитии
Исследователи изучили экспрессию гена Bapxl — маркера первичного челюстного сустава — и его положение относительно первого глоточного кармана (зачатка среднего уха):
- У эмбрионов мыши Bapxl экспрессировался чуть ниже кармана.
- У эмбрионов цыпленка — значительно ниже.
Это различие заставляет барабанную перепонку развиваться ниже первичного сустава у млекопитающих (связь с нижней челюстью) и выше сустава у диапсид (связь с верхней челюстью).
Выводы и значение
Исследование доказывает, что среднее ухо сформировалось после смещения первичного челюстного сустава вверх у млекопитающих и, следовательно, развилось независимо после расхождения линий млекопитающих и диапсид.
«Конвергентная эволюция часто приводит к структурам, настолько похожим, что они кажутся гомологичными. Но анализ развития может раскрыть их разное происхождение», — отмечает главный научный сотрудник Шигеру Куратани.
Ведущий автор Масаки Такэти полагает, что этот подход может помочь понять и другие связанные эволюционные изменения у млекопитающих, включая способность слышать высокочастотные звуки и повышенную метаболическую эффективность.