В новом исследовании, опубликованном на Слушаниях Королевского общества, B, зоологов в Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне, Королевском колледже в Лондоне и Чикагском университете обнаружили, что скрытый в развитии опоссумов одна возможная версия эволюционного пути, который вел от простых ушей рептилий к большему количеству elaborative и чувствительным структурам млекопитающих, включая людей.Три крошечных кости в среднем ухе млекопитающих формируют механизм, который преобразовывает воздушные колебания звука в электрические импульсы, понятые под мозгом.
Три из этих костей известны именами, которые описывают их формы, или на латыни или на английском языке: malleus (молоток), подвергается (наковальня) и stapes (стремя). В более простых ушах рептилий, а также общих предках обеих групп, только stapes найден в среднем ухе, в то время как аналоги malleus и подвергаются, являются частью челюсти.
Резкий контраст между точной структурой этих крошечных костей млекопитающих и их неслуховыми рептильными коллегами привлек внимание Адъюнкт-профессора Анимэл Байолоджи Карен Сирс и постдокторского исследователя Дэниела Урбана, который привел исследование. Sears – член Института Карла Р. Уоезе Геномной Байолоджи (IGB); Урбан – Товарищ IGB.
«Мы приехали в этот проект посредством подхода эволюционной биологии развития (evo-devo), который смотрит на развитие организма… помочь понять его эволюционную историю», сказал Урбан, объяснив их экспериментальный подход. Захватывающий аспект проекта для него был то, что он объединил «аспекты палеонтологии, клеточной и молекулярной биологии, биологии развития, и больше. Мы смотрим на проблему больше чем от одного угла, используя все эти методы, чтобы решить загадку».Когда кости среднего уха млекопитающих развиваются, они начинают как часть арки хряща, который составляет эмбриональную челюсть.
У рептилий эти структуры остаются связанными с челюстью, поскольку процессы развития постепенно преобразовывают хрящ в кость. У млекопитающих звонили клетки в разделе развивающейся челюсти, хрящ Мекеля исчезают, когда животное растет, освобождая malleus и подвергается (молоток и наковальня), чтобы достигнуть их положений в среднем ухе.Чтобы получить лучшее представление о том, как ухо млекопитающих, возможно, развилось, Sears, Городской и их коллеги, принял решение изучить серого опоссума с коротким хвостом, маленький и харизматический южноамериканец, сумчатый, чьи ключевые стадии развития челюсти и уха постепенно происходят и после рождения.Группа сначала детализировала анатомическую прогрессию развития среднего уха у их опоссумов, захватив изображения, которые показали изменяющуюся архитектуру хряща и кости.
Они заметили, что прогрессия структур в развивающейся челюсти опоссума и ухе, казалось, воспроизводила эволюционную прогрессию этих структур в отчете окаменелости млекопитающих.«Было действительно замечательно, как хорошо стадии развития нашего существующего организма модели опоссума совпали с переходными окаменелостями… это делает наш организм исследования, серого опоссума с коротким хвостом, фантастическая живущая модель, чтобы помочь в понимании развития длинных потухших таксонов», сказал Урбан. «При помощи этого современного аналога мы можем узнать настолько больше об этих более ранних разновидностях и происхождении млекопитающих».
Команда также исследовала изменения в активности гена и отдельных клетках, которые произошли во время расстройства хряща Мекеля. Они определили ряд генов, увеличенная деятельность которых коррелировалась с самоуничтожением клеток, которые соединяют будущую челюсть с будущим ухом.Среди этих генов исследователи сосредоточились на гене, названном TGF-β для дальнейшего расследования. Когда они лечили развивающихся опоссумов препаратом, который блокирует передачу сигналов TGF-β белок, смерть клеток в хряще Мекеля была предотвращена, и malleus и подвергается, остался частью челюсти.
С одним изменением активности гена эта деталь анатомии, казалось, скользила назад в течение эволюционного времени.TGF-β передача сигналов, как также известно, играет роль в развитии среднего уха мышей.
Однако поломка клеток в хряще Мекеля в этом изучении опоссумов произошла с помощью различного механизма, чем наблюдаемый у мышей: клетки самоликвидировались, вместо того, чтобы быть охваченными другими клетками.«Это и удивляло и интриговало, чтобы найти доказательства, предполагающие, что два различных клеточных механизма могут быть ответственны за отделение элементов среднего уха от челюсти у плацентарных и сумчатых млекопитающих… объединенный с предыдущими доказательствами окаменелости, это подразумевает [среднее ухо млекопитающих] независимо развилось по крайней мере четыре раза всего», сказал Урбан. «Это первоначально казалось бы невероятным, за исключением того, что, когда мы выполнили функциональное тестирование, мы показали, что эта связь (между средним ухом и челюстью) может на самом деле быть сохранена или сломана относительно незначительным изменением в выражении единственного гена».Эта сила единственного молекулярного изменения, то, которое могло быть произведено случайной мутацией в ключевом гене, чтобы изменить траекторию развития, предоставляет один возможный ответ для того, как ухо, возможно, развилось. Хотя данное исследование группы не обратилось, почему это изменение, возможно, было адаптивно, Городской предложил одну гипотезу, чтобы объяснить успешное распространение через многократные популяции ранних млекопитающих, которые примерно напомнили его mealworm-жующих опоссумов.
«Улучшенная слуховая чувствительность этих недавно освобожденных косточек среднего уха была бы замечательным благом для ранних млекопитающих. Большинство из них было бы очень маленькими, ночными насекомоядными», сказал он. «Заключение к деятельности в течение ночных часов помогло бы им постараться не становиться добычей, в то время как в то же время, улучшился, слушание поможет в их собственных хищных способностях».