Наружные уши людей могли развиться из жабр доисторических рыб, согласно новому исследованию. Эксперименты по редактированию генов показывают, что хрящ в жабрах рыб мигрировал в слуховой канал миллионы лет назад в ходе нашей эволюции. Исследователи предполагают, что эволюционные корни наружных ушей могут уходить еще дальше в древние морские беспозвоночные, такие как раки-щелкуны.
Исследование проливает новый свет на загадочные происхождения наружных ушей, которые уникальны для млекопитающих. Гейдж Крамп, профессор биологии стволовых клеток и регенеративной медицины в Университете Южной Калифорнии и соавтор исследования, сказал: «Когда мы начали проект, эволюционное происхождение наружного уха было полной черной ящичкой.»
Исследователи уже знали, что наши средние уши, каждое из которых находится за барабанной перепонкой и состоит из трех маленьких костей, возникли из челюстных костей древних рыб. Этот пример эволюции, преобразующей и перерабатывающей анатомические структуры, заставил нас задуматься, мог ли хрящевое наружное ухо также возникнуть из какой-либо предковой рыбной структуры, — сказал Крамп.
Наши наружные уши и уши других млекопитающих состоят из подтипа хряща, называемого эластичным хрящом. Он более гибкий, чем гиалиновый хрящ или фиброзный хрящ, которые присутствуют в человеческом носу и в дисках между нашими позвонками соответственно.
Ключом к прослеживанию происхождения наружных ушей человека к рыбам стало открытие, что эластичный хрящ также присутствует в жабрах рыб. «Когда мы начали исследование, было очень мало информации о том, существует ли эластичный хрящ вне млекопитающих», — сказал Крамп.
Исследователи использовали белковые красители, чтобы показать, что жабры зебровых рыб (Danio rerio), атлантического лосося (Salmo salar) и трех других видов рыб содержат эластичный хрящ. Эти виды все являются современными костными рыбами, что говорит о том, что эластичный хрящ является общей чертой этой группы, согласно исследованию, опубликованному 9 января в журнале Nature.
Затем ученые проверили эволюционную связь между эластичным хрящом в жабрах рыб и наружными ушами млекопитающих. Эластичный хрящ плохо сохраняется в окаменелостях, поэтому исследователи использовали молекулярные подсказки. Они искали элементы контроля генов, называемые «усилителями» — короткие последовательности ДНК, которые могут активировать связанные гены, когда они связываются с определенными белками.
Поскольку генетические усилители имеют высокую тканевую специфичность, исследователи могут легко обнаружить, где активны усилители. Чтобы проверить, сходна ли активность усилителей — а значит, и регуляция генов — в жабрах рыб и наружных ушах человека, Крамп и его коллеги вставили усилители наружных ушей человека в геномы зебровых рыб.
Эксперимент вызвал активность в жабрах зебровых рыб, намекая на предковую связь между генами в наружных ушах человека и жабрами рыб. Затем исследователи провели эксперимент в обратном порядке: они вставили усилители, связанные с жабрами зебровых рыб, в геномы мышей и обнаружили активность в наружных ушах мышей.
В ходе еще одной серии экспериментов с головастиками и зелеными ящерицами (Anolis carolinensis) команда показала, что амфибии и рептилии также унаследовали свои структуры жабр и ушей от рыб. У ящериц активность усилителей находилась в слуховом канале, что говорит о том, что эластичный хрящ начал мигрировать от жабр к наружному уху к моменту появления рептилий на Земле около 315 миллионов лет назад.
«Наши результаты предполагают, что элементы предковой программы развития жабр использовались несколько раз на протяжении эволюции позвоночных для генерации различных структур жабр и ушей», — написали исследователи в исследовании.
Наконец, команда обнаружила усилитель в клетках раковины, который активировал активность в жабрах зебровых рыб. Раковины являются «живыми ископаемыми», которые появились около 400 миллионов лет назад, и это открытие предполагает, что наши наружные уши могут иметь гораздо более глубокие эволюционные корни, чем считалось ранее.
Хотя необходимо провести дополнительные исследования, чтобы подтвердить, насколько глубоки эти корни, «эта работа предоставляет новую главу в эволюции млекопитающего уха», — сказал Крамп.