是重要的聽覺(jué)器官
它在自然界的演化源頭探索
一直備受關(guān)注
圖源網(wǎng)絡(luò)
目前，已有充分胚胎和化石證據(jù)證明人類中耳是從魚類的噴水孔演化而來(lái)，而魚類噴水孔又是從何而來(lái)，則是困擾學(xué)界長(zhǎng)達(dá)百年的世紀(jì)難題。
中國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)完成對(duì)采自浙江長(zhǎng)興、云南曲靖的4億多年前古魚化石的深入研究，證實(shí)魚類噴水孔由第一對(duì)鰓演化而來(lái)，這也是科學(xué)界通過(guò)化石證據(jù)首次揭示，人類用來(lái)聽的中耳最早起源于魚類用來(lái)呼吸的鰓。
今天我們來(lái)研究一下：
魚類的噴水孔從何而來(lái)？
魚類的鰓是怎么演化成噴水孔的？
從鰓到耳的演化序列是如何建立的？
噴水孔從無(wú)頜類的鰓到人類中耳的演化歷程（蓋志琨提供，史愛(ài)娟繪）
早期理論
中科院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所研究員蓋志琨介紹，魚類在眼睛之后、頜弓和舌弓之間，有一個(gè)位于背面的孔，這是魚類的重要呼吸器官——噴水孔。噴水孔實(shí)際上是魚類呼吸的進(jìn)水孔，它與魚類的鰓有著很大的不同，它只含有假鰓，不能進(jìn)行氧氣交換。
在魚類噴水孔演化方面，繼1822年法國(guó)解剖學(xué)家圣西蘭發(fā)表經(jīng)典著作《解剖哲學(xué)》、1872年德國(guó)解剖學(xué)家卡爾·根格包爾提出脊椎動(dòng)物頭部分節(jié)理論之后，1937年英國(guó)古生物學(xué)家沃特森進(jìn)一步提出“自由舌弓理論”，認(rèn)為早期有頜類的一個(gè)原始狀態(tài)，是在頜弓和舌弓之間應(yīng)該具有一個(gè)完整的、尚未退化的鰓裂，而非噴水孔。
該理論激發(fā)了20世紀(jì)古生物學(xué)家在早期有頜類的頜弓和舌弓之間尋找一個(gè)未退化鰓裂的熱潮。但遺憾的是，經(jīng)過(guò)1個(gè)世紀(jì)的尋找，各國(guó)古生物學(xué)家仔細(xì)查驗(yàn)了現(xiàn)生無(wú)頜類和早期有頜類中所有盾皮魚類、棘魚類、軟骨魚類和硬骨魚類的化石，一直沒(méi)有找到確切化石證據(jù)。
在云南曲靖早泥盆世寬甲魚化石中首次發(fā)現(xiàn)鰓絲印痕，揭示人類的中耳曾經(jīng)是魚類用來(lái)呼吸的鰓。（蓋志琨 攝）
實(shí)踐驗(yàn)證
中科院古脊椎所團(tuán)隊(duì)2002年起就在浙江長(zhǎng)興志留紀(jì)早期(約4.38億年前)海相紅層中開展野外工作，并找到一種最為原始的真盔甲魚化石，后來(lái)將其命名為“曙魚”。
通過(guò)深入研究發(fā)現(xiàn)，盔甲魚眼睛后面的一個(gè)鰓囊就是位于頜弓和舌弓之間的舌頜囊，與后面的5個(gè)鰓囊并無(wú)二致，而且開口于頭甲腹面，并不像噴水孔那樣開口于頭甲背面，因此基本判斷盔甲魚的舌頜囊還是一個(gè)未退化的鰓囊。
這是發(fā)現(xiàn)于浙江長(zhǎng)興4.38億年前的曙魚腦顱化石。圖片由中國(guó)科學(xué)院研究員蓋志琨提供
“不過(guò)，要想證明它是一個(gè)具有正常呼吸功能的鰓，還缺少整個(gè)證據(jù)鏈條中的最后一環(huán)，即找到該鰓囊中存在鰓絲的化石證據(jù)?！?/p>
蓋志琨稱，研究團(tuán)隊(duì)為此又將目光移向素有“古魚王國(guó)”和“人類遠(yuǎn)祖發(fā)源地”之稱的云南曲靖。通過(guò)在曲靖早泥盆世(約4.19億年前)地層長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的野外發(fā)掘工作，2017年很幸運(yùn)首次采集到第一個(gè)在眼睛后第一鰓囊中完整保存鰓絲印痕的寬甲魚化石新材料。
通過(guò)深入分析，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證明盔甲魚眼睛后的第一鰓囊是具有正常呼吸功能的鰓，而非退化的噴水孔，從而為“魚類等脊椎動(dòng)物噴水孔起源于退化的鰓”提供出最為確切的解剖證據(jù)和化石證據(jù)。
這是發(fā)現(xiàn)于云南曲靖4.1億年前的寬甲魚化石，保存了鰓絲的結(jié)構(gòu)。圖片由中國(guó)科學(xué)院研究員蓋志琨提供
建立演化序列
中科院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所研究員蓋志琨表示，在化石證據(jù)破解百年科學(xué)難題的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)明確提出噴水孔從無(wú)頜類到四足動(dòng)物的演化歷程，從而建立起噴水孔從無(wú)頜類的鰓到人類中耳的演化序列。
隨著盔甲魚類成對(duì)鼻囊的分裂，頭甲前發(fā)育出異常巨大的中背孔（單鼻孔），來(lái)充當(dāng)吸入水流的主要呼吸器官，因此頜弓和舌弓之間的舌頜囊首次發(fā)育成一個(gè)完整的鰓囊，該鰓囊跟后面5個(gè)正常的鰓囊一樣具有完整的前后半鰓，半鰓具有鰓絲，是氧氣交換的主要場(chǎng)所。
隨著頜和雙鼻孔的起源，有頜類成功演化出雙鼻孔，但雙鼻孔并不與口腔相通，沒(méi)有呼吸功能，只有嗅覺(jué)功能。不過(guò)，魚類的呼吸需求并沒(méi)減少，因此眼睛后的第一鰓囊(舌頜囊)被改造成噴水孔，成為主要呼吸器官。這在最原始的有頜類盾皮魚類中就已經(jīng)發(fā)生，因?yàn)樽钤嫉亩芷~類胴甲魚類(溝鱗魚)和最進(jìn)步的盾皮魚類麒麟魚均已具有噴水孔，因此，噴水孔很可能在有頜類中伴隨頜和雙鼻孔的出現(xiàn)同時(shí)起源。
魚類噴水孔向人類中耳演化的四個(gè)階段。A、真掌鰭魚及其噴水孔切面；B、棘螈；C、魚石螈及其中耳切面；D、爬行動(dòng)物及其中耳切面；E.哺乳動(dòng)物及其中耳切面（A-E，來(lái)自Gai et al. 2022，史愛(ài)娟繪）
在軟骨魚類中，噴水孔主要用來(lái)吸入水流，而在早期的硬骨魚類，其主要用來(lái)呼吸空氣，從而為魚類登上陸地呼吸空氣提供了先決條件。隨著內(nèi)鼻孔在肉鰭魚類的起源(如肯氏魚)，成功打通鼻腔與口腔的通道，鼻孔又成為主要呼吸器官，從而進(jìn)一步為魚類登上陸地用肺呼吸奠定了基礎(chǔ)。
登上陸地的四足動(dòng)物，面臨著一個(gè)全新的環(huán)境，不得不發(fā)展新的感覺(jué)器官，以便在空氣中更好地生存。這樣背景下，已失去呼吸功能的噴水孔又被回收利用，逐漸演化成人類中耳腔的鼓膜室，而舌頜骨及其關(guān)節(jié)的方骨和關(guān)節(jié)骨也逐漸退化變小，最終進(jìn)入到中耳演化成為3塊聽小骨，并被重新命名為鐙骨、錘骨和砧骨，負(fù)責(zé)將聲音傳遞給大腦，讓人類最終擁有了靈敏的聽覺(jué)。
“如果你捏上鼻子，并閉上嘴使勁鼓氣的話，你會(huì)感到耳朵的鼓膜非常的脹，這說(shuō)明我們耳朵跟口腔依然是相通的，而聯(lián)通他們的正是原來(lái)從噴水孔通向口腔的咽鼓管，這也是魚類遺留給我們的演化殘跡之一?！鄙w志琨說(shuō)。
來(lái)源：陜西科普
