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南加州大学干细胞实验室最近的一项研究揭示了哺乳动物外耳的惊人进化起源，将其与古代鱼类和海洋无脊椎动物的鳃联系起来。盖奇·克伦普（Gage Crump）领导的这项研究表明，这两种结构都由弹性软骨组成，并共享暗示它们之间联系的基因控制元件。这一发现为哺乳动物耳朵的进化提供了新的线索，强调了结构如何随着时间的推移而转变，以服务于新的功能。
外耳是哺乳动物独有的，但它的进化起源仍然是个谜。根据南加州大学干细胞实验室盖奇·克伦普在《自然》杂志上发表的一项新研究，这种复杂的软骨线圈在鱼类和海洋无脊椎动物的鳃中有着令人惊讶的古老起源。
“当我们开始这个项目时，外耳的进化起源完全是一个黑盒子，”通讯作者、南加州大学凯克医学院干细胞生物学和再生医学教授克伦普说。“我们一直在研究鱼类颌骨的发育和再生，斯蒂芬·杰伊·古尔德（Stephen Jay Gould）的著名论文《满耳的颌骨》（an earful of jaw）给了我们灵感，该论文阐述了鱼类颌骨如何转变为哺乳动物的中耳骨。这让我们想知道软骨外耳是否也可能来自某些祖先鱼类的结构。”
解开这个谜团的第一条线索是，研究小组发现鳃和外耳都是由一种相对罕见的组织类型组成的：弹性软骨。“当我们开始这项研究时，关于弹性软骨是否存在于哺乳动物之外的研究很少，”克伦普说。“所以我们并不知道鱼是否有弹性软骨。事实证明，它们确实如此。”
鳃和外耳的外观和功能完全不同。它们也不会矿化，这意味着它们很少在化石记录中被发现。因此，需要一种新的方法来确定它们是否在进化上相关。该研究的第一作者、克伦普实验室的博士生马蒂·蒂鲁帕蒂（Mathi Thiruppathy）专注于被称为增强子的基因控制元素。虽然这些增强子控制的基因通常与许多不相关的组织和器官的发育有关，但增强子往往更具有组织特异性。
科学家们能够将有助于形成人类外耳弹性软骨的增强子整合到斑马鱼的基因组中。值得注意的是，人类外耳增强剂在这些转基因斑马鱼的鳃中特别活跃。科学家们还成功地进行了相反的实验，创造了带有斑马鱼增强子基因组的转基因小鼠，这些增强子通常与鳃的形成有关，并发现它们在小鼠的外耳中很活跃。这些增强子是连接初看起来不太相似的结构的关键。
然后，研究人员与合作者一起研究了人类外耳和鱼鳃增强剂是否可以用于跟踪中间物种（如两栖动物和爬行动物）从鳃进化到外耳的过程。他们发现，当将人耳或鱼鳃增强子整合到蝌蚪的基因组中时，增强子在蝌蚪的鳃中显示出活性。然而，当爬行动物出现时，鳃的弹性软骨移动到耳道，科学家们在绿色变色蜥蜴的一系列实验中证明了这一点。这个软骨最终被进一步细化，形成了早期哺乳动物突出的外耳。
另一个令人惊讶的是，鱼鳃的弹性软骨可能比以前认为的要早得多。较早的报告已经描述了几种海洋无脊椎动物（包括马蹄蟹）的鳃和触手中的软骨状组织，这些动物自近4亿年前出现以来几乎没有变化。研究人员对马蹄蟹鳃的单个细胞进行了DNA测序，发现了一种螃蟹增强子，当将其置于斑马鱼的基因组中时，它具有鳃活性。这表明，最早的弹性软骨，类似于我们外耳的软骨，可能首先出现在古代海洋无脊椎动物身上。
“这项工作为哺乳动物耳朵的进化提供了新的篇章，”克伦普说。“中耳是由鱼的下颚骨长出来的，而外耳是由软骨鳃长出来的。通过比较相同的基因控制元素如何驱动鳃和外耳的发育，科学家们引入了一种新的方法来揭示结构如何在进化过程中发生巨大变化，以实现新的和意想不到的功能。”
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