Эволюционная загадка уха млекопитающих

Ухо позвоночных — это уникальная структура. Плотно инкапсулированное в самой плотной кости скелета, оно содержит мельчайшие элементы скелета (слуховые косточки) и отвечает за несколько разных чувств: равновесие, контроль позы, стабилизацию взгляда и слух. Нигде больше в скелете позвоночных разные функциональные единицы не упакованы так тесно и не встроены в костное окружение, что также затрудняет независимую эволюцию компонентов уха.

Даже характер роста уха отличается от остального скелета: у людей и других млекопитающих внутреннее и среднее ухо достигают окончательного размера уже до или вскоре после рождения. Это создает дополнительный вызов для эволюционных изменений, поскольку постнатальное развитие вносит существенный вклад в анатомические различия между многими другими млекопитающими.

Всё это делает загадочным то, как млекопитающие, как преимущественно ночная группа, полагающаяся на слух, смогли занять такое огромное разнообразие сред — водных, наземных, подземных и воздушных, — требующее огромного различия не только в слуховых способностях, но и в локомоции и позе. Как могли разные, тесно связанные части уха независимо адаптироваться к этим разнообразным функциональным и экологическим режимам?

Группа исследователей под руководством Филиппа Миттерёкера из Венского университета предложила новое объяснение этой эволюционной загадке. Несмотря на схожую функцию, ухо состоит из разных костей у млекопитающих, птиц и рептилий. У птиц и рептилий нижняя челюсть и её сустав состоят из нескольких костей, и у них есть одна слуховая косточка, передающая звук. У современных млекопитающих, напротив, три косточки (молоточек, наковальня, стремечко) и одна эктотимпанальная кость, поддерживающая барабанную перепонку, — все они отделены от челюсти. Эта эволюционная трансформация первичного челюстного сустава в слуховые косточки млекопитающих — одна из самых знаковых переходов в эволюции позвоночных, но неясно, почему он произошел.

Австрийская исследовательская группа предположила, что это существенное эволюционное изменение анатомии уха млекопитающих — помимо прямого улучшения жевания и слуха — также повысило «эволюционный потенциал» (способность к адаптивной эволюции) уха и связанных с ним сенсорных функций. Включение костей первичного челюстного сустава в состав уха значительно увеличило генетическую, регуляторную и эмбриональную сложность уха млекопитающих. Это увеличение количества генетических и эмбриональных факторов, в свою очередь, повысило эволюционные степени свободы для независимой адаптации различных функциональных единиц уха: количество генетических и эмбриональных «регуляторов», которые может использовать естественный отбор.

Исследователи предполагают, что, несмотря на тесное пространственное переплетение функциональных компонентов уха, повышенный эволюционный потенциал уха млекопитающих мог способствовать эволюционному успеху и адаптивному разнообразию млекопитающих в огромном множестве экологических и поведенческих ниш, наблюдаемых сегодня. В своей статье они показывают, что млекопитающие по сравнению с птицами действительно смогли развить гораздо более широкое морфологическое и функциональное разнообразие, включая множество эволюционных «новшеств», даже несмотря на то, что птицы более разнообразны по количеству видов.