《Nature》：鸭嘴兽型中耳揭示哺乳动物听觉和中耳演化机制 _哺乳动物

翔齿兽复原图

a,通过下颌后方骨骼与下颌相连的中耳（postdentary-attached middle ear）; b, 通过麦氏软骨与下颌相连的中耳（ Meckelian-attached middle ear）; c, 与下颌分离的中耳（ detached middle ear）

翔齿兽的头骨和中耳

哺乳动物砧骨-锤骨关节演化关系图
（）据云南大学古生物研究院/脊椎动物演化研究院：2021年1月28日，云南大学和内蒙自然博物馆等单位合作在《自然》（Nature）在线发表了题为《A monotreme-like auditory apparatus in a Middle Jurassic haramiyidan》的研究成果。此项研究基于对哺乳动物中耳听小骨连接关系的新发现，提出叠覆型砧骨-锤骨关节是中耳听小骨与下颌脱离的关键一步，解决了哺乳动物中耳和听觉演化研究中存在已久的难题。《自然》杂志评论该成果：“这是哺乳动物演化的经典童话” 。
中耳包含的三块听小骨——镫骨、砧骨和锤骨，是包括人类在内的现生哺乳动物骨骼系统中最小的骨头，形成了从鼓膜到内耳之间传递声波和增强声波频率的听觉链。与之相比，爬行动物的中耳只有一块镫骨，而它们下颌中的关节骨和头骨中的方骨形成颌关节，连接下颌和头骨，具有咀嚼和听觉的双重功能。爬行动物演化为哺乳动物过程中，方骨和关节骨逐渐演变成了砧骨和锤骨，才形成了我们哺乳动物现在“三骨鼎立”的敏锐听觉结构。但是，爬行动物的方骨和关节骨究竟是如何与下颌发生分离，从而演化成精细复杂的哺乳动物的听小骨，则在过去两百年里一直被认为是生物演化研究中的中心难题。
传统中耳演化模型认为哺乳动物祖先的下颌通过麦氏软骨和关节骨与头骨相连，哺乳动物演化过程中脑颅的增大导致中耳位置后移，最终脱离下颌。近期一些研究则提出了“运动功能驱动学说” ，认为多瘤齿兽咀嚼时下颌向后运动的行为才是导致中耳逐渐与下颌脱离，最终进入头骨的主要原因。但是，通过麦氏软骨和关节骨与头骨相连的下颌并不能向后运动，并且鸭嘴兽等基干哺乳动物支系在咀嚼时下颌并不向后运动，与运动功能驱动学说相矛盾。
本项研究发现了砧骨-锤骨叠覆关系理论，从而解决了下颌运动机制的难题。此次的研究标本来自于河北省青龙县中晚侏罗世的燕辽生物群（距今约1.6亿年），归属于双钵翔齿兽（Vilevolodon diplomylos），具有滑翔的翼膜，是贼兽的一种。标本的两侧非常罕见地原位保存了完整的听小骨和关节结构，其中砧骨仅长约1 毫米。通过对听骨细微形态和关节结构的研究发现，贼兽类的听小骨明显已与下颌分离，没有麦氏软骨相连，属于典型的哺乳动物中耳。两块听小骨，砧骨、锤骨与现生鸭嘴兽类一样，为上下叠覆关系。正是这种叠覆型的连接方式，允许砧骨、锤骨之间发生微小运动，从而为下颌相对于头骨的运动提供了空间，才最终促成了听小骨与下颌的完全分离。
这种听小骨上下叠覆的连接方式，首先出现于中生代哺乳动物各个支系的早期成员，在现生鸭嘴兽（单孔类）、有胎盘类和有袋类的个体发育早期阶段也可见及，是中耳听小骨从具有咀嚼和听觉双重功能过渡到单一听觉功能的关键一环。这种叠覆型的连接，在白垩纪的真三尖齿兽，多瘤齿兽和对齿兽类群中更进一步，砧骨相对于锤骨位置后移形成部分叠覆。之后的漫长岁月里，这两块小骨与下颌完全分离，并不断缩小进入中耳且专职听力，成为真正的哺乳动物听小骨。由此可见，是自然选择，而不是下颌咀嚼功能决定了中耳的演化。
此项研究综合了化石和现生生物个体发育证据，使我们更清楚地理解哺乳动物独特听觉器官的演化过程。哺乳动物中耳的演化蕴含了复杂的细节过程，是已有结构（砧骨、锤骨）扩展适应和再作用的最佳范例。
相关报道：1.6亿年前化石揭开哺乳动物中耳演化秘密
（）据新华社昆明1月28日电（采访人员岳冉冉）：我国古生物学家通过研究1.6亿年前的化石，揭开了哺乳动物听觉器官的演化之谜，证实了与恐龙同时代的贼兽已具备哺乳动物中耳结构。该成果于北京时间28日在线发表在了国际期刊《自然》上。
论文通讯作者、云南大学古生物研究院教授毕顺东介绍，包括人类在内的现生哺乳动物的中耳包含三块听小骨——镫骨、砧骨和锤骨。它们是哺乳动物骨骼系统中最小的骨头，是听觉链上的重要结构，也是哺乳动物听到声音的关键。
爬行动物的中耳虽只有一块镫骨，但它们头骨中的“方骨”和下颌中的“关节骨”形成的颌关节，具有咀嚼和听觉的双重功能。在爬行动物演化为哺乳动物的过程中，“方骨”和“关节骨”逐渐演变成了砧骨和锤骨，与镫骨一起，形成了哺乳动物“三骨鼎立”的听觉结构。但爬行动物的“方骨”和“关节骨”如何演化成听小骨，一直是生物演化研究难题。
我国古生物学家通过研究河北省出土的距今约1.6亿年的一件“双钵翔齿兽”化石，揭开了这一奥秘。
“双钵翔齿兽是一种贼兽类动物，与恐龙生活在同一时代，很像今天的松鼠，它不仅有大尾巴，还有可以滑翔的双翼。”论文第一作者、内蒙古自然博物馆馆长王军有说，这一标本的两侧非常罕见地保存了完整的听小骨和关节结构，其中，砧骨仅长约1毫米。
古生物学家在对这些细微结构研究后发现，双钵翔齿兽的听小骨已明显与下颌分离，属于典型的哺乳动物中耳。其中，砧骨、锤骨这两块听小骨，与现生鸭嘴兽类一样，是上下叠覆的关系。
“正是这种上下叠覆型的连接方式，允许砧骨、锤骨间能发生微小运动，从而为哺乳动物下颌的运动提供了空间。”毕顺东解释说，之后的漫长岁月里，这两块听小骨与下颌完全分离，并不断缩小，进入到中耳，专职听力，真正演化为哺乳动物的听小骨。
“听小骨终于从具有咀嚼和听觉双重功能，过渡到单一听觉功能。而强大的听力，也为哺乳动物躲避天敌提供了预警保护。可以说，哺乳动物中耳的演化，完全是自然选择的结果。”毕顺东说。
《自然》杂志评论该成果：“这是哺乳动物演化的经典童话。”
相关报道：哺乳动物听觉为何灵敏？1.6亿年前的化石给出答案
（）据新华网呼和浩特1月28日电（徐红梅）：内蒙古自然博物馆消息，云南大学、内蒙古自然博物馆等单位研究人员通过研究距今约1.6亿年的翔齿兽化石，分析出了哺乳动物如何进化出灵敏听力的过程。
这一研究成果于1月28日在《自然》杂志发表，引起世界各国相关领域科学家关注。此项研究综合化石和现生生物个体发育证据，清晰表达了哺乳动物独特听觉器官的演化过程。哺乳动物耳的演化蕴含复杂的细节过程，是砧骨、锤骨已有结构扩展适应和再作用的最佳范例，对古生物、现生动物、现代医学等领域具有启示意义。
据了解，此次研究标本来自河北省青龙县中晚侏罗世的燕辽生物群，馆藏于内蒙古自然博物馆，归属于双钵翔齿兽，具有滑翔的翼膜，是贼兽的一种。
相关报道：1.6亿年前贼兽类化石破解哺乳动物听觉演化谜题
（）据科技日报：哺乳动物听小骨“三骨鼎立”的听觉结构是怎么形成的？1月28日，《自然》在线发表了一项哺乳动物听觉和中耳演化机制的研究成果。基于对哺乳动物中耳听小骨连接关系的新发现，来自云南大学等单位的研究人员提出，叠覆型砧骨—锤骨关节是中耳听小骨与下颌脱离的关键一步，解决了哺乳动物中耳和听觉演化研究中存在已久的难题。
哺乳动物的中耳有3块听小骨，即镫骨、砧骨和锤骨。听小骨是现生哺乳动物骨骼系统中最小的骨头，形成了从鼓膜到内耳之间传递声波和增强声波频率的听觉链。与哺乳动物不同，爬行动物的中耳只有一块镫骨，而它们下颌中的关节骨和头骨中的方骨形成颌关节，连接下颌和头骨，具有咀嚼和听觉的双重功能。
爬行动物演化为哺乳动物过程中，方骨和关节骨逐渐演变成了砧骨和锤骨，才形成了我们哺乳动物现在“三骨鼎立”的敏锐听觉结构。但是， “爬行动物的方骨和关节骨究竟是如何与下颌发生分离，从而演化成精细复杂的哺乳动物的听小骨，则在过去两百年里一直被认为是生物演化研究中的中心难题。”云南大学古生物研究院教授毕顺东说。
传统中耳演化模型认为哺乳动物祖先的下颌通过麦氏软骨和关节骨与头骨相连，哺乳动物演化过程中脑颅的增大导致中耳位置后移，最终脱离下颌。近期一些研究则提出了“运动功能驱动学说”，认为多瘤齿兽咀嚼时下颌向后运动的行为才是导致中耳逐渐与下颌脱离，最终进入头骨的主要原因。但是，通过麦氏软骨和关节骨与头骨相连的下颌并不能向后运动，并且鸭嘴兽等基干哺乳动物支系在咀嚼时下颌并不向后运动，与运动功能驱动学说相矛盾。
此次研究的标本来自河北省青龙县距今约1.6亿年的中晚侏罗世的燕辽生物群，归属于双钵翔齿兽，具有滑翔的翼膜，是贼兽的一种。标本的两侧非常罕见地原位保存了完整的听小骨和关节结构，其中砧骨仅长约1毫米。
通过对听骨细微形态和关节结构的研究发现，贼兽类的听小骨明显已与下颌分离，没有麦氏软骨相连，属于典型的哺乳动物中耳。两块听小骨，砧骨、锤骨与现生鸭嘴兽类一样，为上下叠覆关系。正是这种叠覆型的连接方式，允许砧骨、锤骨之间发生微小运动，从而为下颌相对于头骨的运动提供了空间，才最终促成了听小骨与下颌的完全分离。
“我们研究发现了砧骨—锤骨叠覆关系理论，从而解决了下颌运动机制的难题。”毕顺东说，使我们更清楚地理解哺乳动物独特听觉器官的演化过程。哺乳动物中耳的演化蕴含了复杂的细节过程，是砧骨和锤骨扩展适应和再作用的最佳范例。
相关报道：自然选择塑造“三骨鼎立” 1.6亿年前化石揭开哺乳动物中耳演化奥秘
（）据中国科学报（崔雪芹）：内蒙古自然博物馆和云南大学等机构研究人员，基于哺乳动物中耳听小骨连接关系的新发现，提出叠覆型砧骨—锤骨关节是中耳听小骨与下颌脱离的关键一步，解决了下颌运动机制的难题。1月28日，相关论文在线发表于《自然》。《自然》评论该成果是“哺乳动物演化的经典童话” 。
“哺乳动物中耳的演化蕴含了复杂的细节过程，是已有结构（砧骨、锤骨）扩展适应和再作用的最佳范例。”论文通讯作者之一、云南大学教授毕顺东告诉《中国科学报》，“该研究有助于理解哺乳动物独特听觉器官的演化过程。”
此次的研究标本来自河北省青龙县中晚侏罗世的燕辽生物群（距今约1.6亿年），属于双钵翔齿兽，是贼兽的一种。“标本的两侧原位保存了完整的听小骨和关节结构，其中砧骨仅长约1毫米，非常罕见。”论文第一作者、内蒙古自然博物馆馆长王军有说。
中耳包含的3块听小骨——镫骨、砧骨和锤骨，是包括人类在内的现生哺乳动物骨骼系统中最小的骨头，形成了从鼓膜到内耳之间传递声波和增强声波频率的听觉链。与之相比，爬行动物的中耳只有1块镫骨，而它们下颌中的关节骨和头骨中的方骨形成的颌关节，具有咀嚼和听觉的双重功能。爬行动物演化为哺乳动物过程中，方骨和关节骨逐渐演变成了砧骨和锤骨，形成了哺乳动物现在“三骨鼎立”的听觉结构。但是，爬行动物的方骨和关节骨如何与下颌发生分离演化成听小骨，在过去200年里一直被认为是生物演化研究的难题。
传统中耳演化模型认为哺乳动物祖先的下颌通过麦氏软骨和关节骨与头骨相连，哺乳动物演化过程中脑颅的增大导致中耳位置后移，最终脱离下颌。近期一些研究则提出了运动功能驱动学说，认为多瘤齿兽咀嚼时下颌向后运动行为才是导致中耳逐渐与下颌脱离、最终进入头骨的主要原因。
毕顺东等人研究发现，贼兽类的听小骨明显已与下颌分离，没有麦氏软骨相连，属于典型的哺乳动物中耳。其砧骨、锤骨与现生鸭嘴兽类一样，为上下叠覆关系。正是这种叠覆型的连接方式，允许砧骨、锤骨之间发生微小运动，从而为下颌相对于头骨的运动提供了空间，才最终促成了听小骨与下颌的完全分离。
研究人员表示，这种听小骨上下叠覆的连接方式，首先出现于中生代哺乳动物各个支系的早期成员，在现生鸭嘴兽（单孔类）、有胎盘类和有袋类的个体发育早期阶段也可见，是听小骨从咀嚼和听觉双重功能过渡到单一听觉功能的关键一环。
而且，这种叠覆型连接，在白垩纪的真三尖齿兽、多瘤齿兽和对齿兽类群中更进一步，砧骨相对于锤骨位置后移形成部分叠覆。之后的漫长岁月里，这两块听小骨与下颌完全分离，并不断缩小进入中耳且专职听力，强大的听力也为哺乳动物躲避天敌提供了预警保护。由此可见，是自然选择，而不是下颌咀嚼功能决定了中耳的演化。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-020-03137-z