Die Außenohr des Menschen könnte sich aus den Kiemen prähistorischer Fische entwickelt haben, so eine neue Studie. Genbearbeitungsexperimente deuten darauf hin, dass Knorpel in Fischkiemen vor Millionen von Jahren in den Gehörgang migrierte. Forscher schlagen vor, dass die evolutionären Wurzeln der Außenohr noch weiter in die Vergangenheit zu alten marinen Wirbellosen wie den Pfeilschwanzkrebsen zurückreichen könnten.
Die Forschung bietet Einblicke in die Ursprünge der Außenohr, die einzigartig für Säugetiere sind. Gage Crump, Professor für Stammzellbiologie und regenerative Medizin an der University of Southern California und Mitautor der Studie, bemerkte: „Als wir das Projekt begannen, war die evolutionäre Herkunft des Außenohrs eine vollständige Black Box.“
Frühere Erkenntnisse hatten gezeigt, dass unsere Mittelohr, die sich hinter dem Trommelfell befindet und aus drei kleinen Knochen besteht, aus den Kieferknochen antiker Fische entstanden ist. Diese Transformation anatomischer Strukturen führte die Forscher dazu, sich zu fragen, ob das knorpelige Außenohr ebenfalls von einer ancestral Fischstruktur abstammt.
Die menschlichen Außenohr und die anderer Säugetiere bestehen aus einer Unterart von Knorpel, die als elastischer Knorpel bezeichnet wird und flexibler ist als hyaliner Knorpel oder Faserknorpel, die im menschlichen Nasen und in den Scheiben zwischen unseren Wirbeln vorkommen.
Ein entscheidender Hinweis, der die menschlichen Außenohr mit Fischen verbindet, war die Entdeckung, dass elastischer Knorpel auch in Fischkiemen vorhanden ist. Crump sagte: „Als wir die Studie begannen, gab es sehr wenig Informationen darüber, ob elastischer Knorpel außerhalb von Säugetieren existierte.“
Die Forscher verwendeten Proteinfärbungen, um zu zeigen, dass die Kiemen von Zebrafischen (Danio rerio), Atlantischem Lachs (Salmo salar) und drei anderen Fischarten elastischen Knorpel enthalten. Diese Arten sind moderne Knochenfische, was darauf hindeutet, dass elastischer Knorpel ein allgemeines Merkmal dieser Gruppe ist, so die Studie, die am 9. Januar in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde.
Die Wissenschaftler testeten dann die evolutionäre Verbindung zwischen elastischem Knorpel in Fischkiemen und den Außenohr von Säugetieren. Da elastischer Knorpel in Fossilien nicht gut erhalten bleibt, verwendeten die Forscher stattdessen molekulare Hinweise. Sie suchten nach Genkontrollelementen, die als „Enhancer“ bekannt sind – kurze DNA-Sequenzen, die assoziierte Gene aktivieren können, wenn sie von spezifischen Proteinen gebunden werden.
Da genetische Enhancer hochgewebespezifisch sind, können die Forscher leicht erkennen, wo die Enhancer aktiv sind. Um zu testen, ob die Aktivität der Enhancer – und somit die Genregulation – in Fischkiemen und menschlichen Außenohr ähnlich ist, fügten Crump und seine Kollegen menschliche Außenohr-Enhancer in Zebrafischgenome ein.
Das Experiment löste eine Aktivität in den Kiemen von Zebrafischen aus, was auf eine ancestrale Verbindung zwischen den Genen in menschlichen Außenohr und Fischkiemen hindeutet. Anschließend führten die Forscher das Experiment umgekehrt durch: Sie fügten Enhancer, die mit Zebrafischkiemen verbunden sind, in Mausgenome ein und erkannten eine Aktivität in den Außenohr der Mäuse.
Durch eine weitere Reihe von Experimenten mit Kaulquappen und grünen Anolis-Lurchen (Anolis carolinensis) zeigte das Team, dass Amphibien und Reptilien ebenfalls ihre Kiemen- und Ohrstrukturen von Fischen geerbt haben. Bei Eidechsen war die Aktivität der Enhancer im Gehörgang lokalisiert, was darauf hindeutet, dass elastischer Knorpel begonnen hatte, von den Kiemen zum Außenohr zu migrieren, als Reptilien vor etwa 315 Millionen Jahren auf der Erde erschienen.
„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Elemente eines ancestral Kiemenentwicklungsprogramms im Laufe der Evolution der Wirbeltiere mehrfach wiederverwendet wurden, um verschiedene Kiemen- und Ohrstrukturen zu erzeugen“, schrieben die Forscher in der Studie.
Schließlich fand das Team einen Enhancer in Zellen von Pfeilschwanzkrebsen, der eine Aktivität in den Kiemen von Zebrafischen auslöste. Pfeilschwanzkrebse sind „lebende Fossilien“, die vor etwa 400 Millionen Jahren entstanden, und die Entdeckung deutet darauf hin, dass unsere Außenohr tiefere evolutionäre Wurzeln haben könnten als bisher angenommen.
Obwohl weitere Forschung erforderlich ist, um zu bestätigen, wie tief diese Wurzeln reichen, sagte Crump: „Diese Arbeit bietet ein neues Kapitel zur Evolution des Säugetierohres.“