Sc科学家揭开耳朵起源与构造的奥秘

研究表明，哺乳动物的外耳含有一种意想不到的软骨类型，且依赖与鳃相同的遗传指令。

这看起来像鳃吗？人类的耳朵可能是由与鱼类结构相同的遗传回路形成的。（弗拉基米尔·乔尔吉耶夫/ shutterstock供图）

狗可以通过竖起或耷拉耳朵来传达它的情绪。蝙蝠利用它那类似触角的耳朵来追踪美味的飞行昆虫。大象那巨大的耳朵在酷热天气里还能充当扇子。尽管其他脊椎动物也有耳朵，但只有哺乳动物拥有突出且构造精细的外耳结构。今日发表的两项独立但互为补充的研究揭示了有关外耳构成及其进化过程的惊人细节。发表在《科学》杂志上的一项研究显示，哺乳动物的外耳以及其他身体部位富含一种不同寻常的软骨，这种软骨富含脂质，且柔韧性更强。在进化方面，发表在《自然》杂志上的一篇论文发现，塑造哺乳动物外耳的遗传控制回路可能源自鱼类鳃中的类似回路。

这些研究结果受到了多个领域科学家的热烈欢迎。斯坦福大学的干细胞生物学家兼颅面外科医生迈克尔·朗纳克（Michael Longaker）表示，《科学》杂志上的那项研究是一篇“了不起的论文”，它描述了一种“独特种类”的软骨。伦敦国王学院的发育生物学家阿比盖尔·塔克（Abigail Tucker）称，《自然》杂志上的那篇论文为长期以来关于新身体结构如何进化的问题提供了见解。她说，哺乳动物“并非创造了一种全新的耳朵”，“模板就在那里”，是从它们的祖先那里继承而来的。

加利福尼亚大学欧文分校的发育与干细胞生物学家马克西姆·普利库斯（Maksim Plikus）及其同事在准备将小鼠耳部组织置于显微镜下观察时，偶然发现了这种新型软骨。在用能使组织干燥的化学物质处理该组织后，出现了一些表明样本含有脂质的明显空隙。当他们进一步观察时，注意到耳部软骨与传统软骨不同。它布满了充满脂质的细胞，看起来就像气泡垫。他们的这一发现与传统观点相悖，传统观点认为制造软骨的细胞（即软骨细胞）几乎不含脂质。

该团队在小鼠的鼻子、喉部和胸骨中也发现了更多这种富含脂质的软骨。他们还在包括负鼠、蝙蝠和人类在内的其他哺乳动物的耳朵中检测到了这种软骨。然而，两栖动物、爬行动物和鸟类体内都没有这种软骨——这些动物都没有外耳。

研究人员将这种新型软骨的样本放入一台拉伸材料以检测其强度的机器中后，了解到它比脂肪更坚硬、更耐用，但比膝盖和肋骨处的普通软骨更柔韧。当他们通过化学方法提取出脂质后，它变得更坚硬且更有弹性，更像常规软骨，这表明脂质赋予了它这些不同寻常的特性。

普利库斯说，解剖学教材中普遍认为存在三种主要的软骨类型。“我们的发现增加了第四种。”他说，这种非传统的软骨是一种很好的构建材料。一旦富含脂质的软骨细胞各就各位，它们就会在动物的一生中持续存在——至少在啮齿动物中是这样——从而提供结构稳定性。而且这些细胞大小均匀，几乎就像乐高积木一样，他说。“它们就像天然的乐高积木一样，可以相互组合成非常复杂的微观结构。”例如，在蝙蝠的耳朵中，它们堆叠起来形成平行的脊状结构，这或许能增强蝙蝠的听力。

马克斯·普朗克进化生物学研究所的进化发育生物学家玛尔凯塔·考茨卡（Markéta Kaucká）表示，这篇论文“无疑满足了”一种新型软骨细胞所必备的所有条件。她说，由于这种软骨出现在喉部和耳朵等结构中，它可能对哺乳动物卓越的听力有所贡献。特种外科医院的软骨生物学家玛丽·戈德林（Mary Goldring）说，这项研究与过去几十年里其他拓展了研究人员对软骨认知的研究相契合。“我们看到软骨的复杂性出现了爆发式增长，这是此前未曾预料到的，因为它看起来是一种非常简单的组织。”

一种不同寻常的软骨，其特点是拥有这些饱满的、充满脂质的细胞。（劳尔·拉莫斯供图）

哺乳动物外耳的起源在一定程度上仍是个谜，部分原因是软骨通常不会形成化石。在胚胎发育过程中，鱼类鳃的软骨和哺乳动物外耳的软骨源自相同的细胞。南加州大学的发育生物学家J·盖奇·克伦普（J. Gage Crump）及其同事在《自然》杂志的研究中报告称，这背后有着深层次的遗传原因。当他们测量斑马鱼和人类软骨中的基因活动时，发现人类耳部软骨中的基因活动模式与斑马鱼鳃组织中的最为相似。

研究人员确定，鱼类鳃和人类耳部软骨还共享能增强特定基因活性的关键DNA序列。他们在人类耳部软骨中鉴定出的14个序列中有5个也出现在斑马鱼的鳃软骨中。但在鱼类的非鳃软骨中只有1个存在。科学家们还表明，这些序列中至少有一部分在鱼类和哺乳动物之间是可以互换的。当他们将人类版本的序列植入斑马鱼体内时，这些序列主要激活了鱼类鳃中的基因。而且，在研究团队将斑马鱼的一种鳃基因激活因子添加到小鼠胚胎中后，它刺激了啮齿动物耳朵中的基因。对克伦普来说，这些结果表明，哺乳动物在构建耳朵时，利用了与鱼类制造鳃相同的遗传控制回路。

克伦普及其同事还探究了同样的遗传程序是否能在更久远的进化历史中追溯到源头。他们分析了鲎（与脊椎动物亲缘关系较远）的鳃组织。科学家们发现，斑马鱼的一种软骨基因激活因子的近亲也在鲎的鳃中起作用。当他们将鲎的版本转移到斑马鱼胚胎中时，它激活了鱼鳃中的基因。克伦普说：“我们的耳朵可能是最早存在的软骨在进化过程中的遗留产物。”

耶鲁大学的古生物学家兼脊椎动物生物学家巴尔哈特 - 安詹·布拉尔（Bhart-Anjan Bhullar）说：“我认为这是一篇很棒的论文。他们展示了关于一种对人类和其他哺乳动物来说既突出又重要的结构的全新内容。”而且，如果进一步的研究证实最终出现在鱼类鳃和哺乳动物耳朵中的软骨起源于无脊椎动物，那将会“改写我们对动物历史的理解”。

关于软骨的新信息或许也有助于研究人员为身体受伤或磨损的部位制造替代组织，正如普利库斯及其同事所展示的那样，他们将人类胚胎干细胞培育成了含有类似于面部和颈部软骨（带有充满脂质的软骨细胞）的结构。他说：“可以想象，这类实验室培育的人类软骨在未来可用于面部和颈部软骨的修复。”