Az emlősök hallócsontjainak evolúciós fejlődése a biológiai evolúció egyik legrészletesebb [1] [2] és fontos bizonyítéka [3] [4] [5] [6] . Átmeneti formák jelenlétét mutatja be, és jó példa az exaptációra (a már meglévő struktúrák felhasználása az eredetitől eltérő célokra).
A modern hüllőkben a dobhártya egyetlen csonton keresztül kapcsolódik a belső fülhöz ( stapes ; madaraknál az ún. oszlop , lat. columella ) [5] [7] ennek analógja , míg a felső és az alsó az állkapcsok különálló csontokon keresztül jönnek létre, amelyek az emlősökben nem találhatók meg . Az emlősök evolúciója során az egyes hüllők állcsontjai ( ízületi és négyzet alakú ) megváltoztatták alakjukat és funkciójukat, és a középfül üregébe "költöztek" , hallócsont-láncot alkotva ( kalapács , üllő és kengyel ), amelyek továbbítják a dobhártya rezgéseit. hatékonyabban juttatja el a membránt a belső fül endolimfájához, ezáltal javítja a halláselemző minőségét.
A bizonyíték arra vonatkozóan, hogy az emlős malleus és az üllő homológ a hüllők ízületi és négyzet alakú csontjaival, kezdetben embriológiai jellegű volt , de később részletes paleontológiai megerősítést kapott [8] . Újabban genetikai vizsgálatokon alapuló bizonyítékok is megjelentek (lásd alább ).
A kengyel kialakulása (a hyomandibularis, lat. os hyomandibulare szóból ) egy korábbi és különálló evolúciós esemény [9] [10] .
Az emlősök (beleértve az embert is) középfülje a dobüregben található . Három nagyon kicsi csont van (általában hallócsontnak nevezik : malleus , üllő és kengyel ), amelyek az egymással való csuklódással egy karrendszert képviselnek . A kalapács a dobhártyához kapcsolódik, az üllőn keresztül a membrán rezgéseit továbbítja a kengyelnek, amely viszont az előcsarnok ovális ablakának membránjához kapcsolódik. Így a dobhártya rezgései átkerülnek az ovális ablak membránjára, amelynek rezgései a belső fül endolimfájában hullámokat képeznek , amelyek viszont a Corti-szerv érzékszervi sejtjeit gerjesztik . Ezen „karok” hatékonyságát két kis izom szabályozza, amelyek a csontláncban a mozgásteret szabályozzák: a dobhártyát megfeszítő izom ( lat. Musculus tensor tympani ; a malleus fogantyúját húzva megfeszíti a dobhártyát, miközben a teljes csontrendszer befelé tolódik, és a kengyel az előszoba ablakába préselődik) és a kengyelizom ( lat. Musculus stapedius ; fejénél a kengyel hátsó lábához csatlakozik, és ezzel ellentétes funkciót lát el az előző izom működése, a középfülben a csontok fordított mozgásának végrehajtása az előcsarnok ablakából) [11] .
A hallócsontok rendszere csökkenti a mechanikai rezgések amplitúdóját, miközben növeli az előcsarnok ovális ablakára gyakorolt hatásukat (a hallócsontok funkciója bizonyos nyúlással összehasonlítható egy elektromos transzformátor működésével). Ez végső soron növeli a Corti-szerv érzékenységét általában, és különösen a magas frekvenciájú hangok érzékelésében [5] . Ennek a rendszernek a kialakulását a gerincesek szárazföldi megjelenése (és ennek megfelelően a vízi környezetből a levegőbe való átmenet) okozta [5] .
Az emlős embriogenezis során a malleus és az incus az első kopoltyúívből fejlődik ki (amelyből a mandibula és a maxilla is kialakul). Mindezeket a csontképződményeket a trigeminus ideg (annak maxilláris és mandibuláris ágai) beidegzi [12] .
Annak ellenére, hogy az emlősöknél a középfül szerkezetének általános terve van, anatómiájának egyes részletei (valamint a hallócsontrendszer által kiváltott hatások) még az emberhez és a csimpánzhoz közeli fajok esetében is jelentősen eltérhetnek [13]. .
A fosszilis emlősök azonosítása az emlőmirigyek jelenléte alapján lehetetlen, mivel az emlőmirigyek és a lágyszövetek egyéb szerkezeti jellemzői nem maradnak meg a kövületekben. Ezzel kapcsolatban egy másik fontos tulajdonságot széles körben használnak a paleontológiában (még a tojásrakó emlősökre is jellemző , de hiányzik a korai szinapszidákban , amelyek az emlősök evolúciós elődjei): a korai magzatvíz arckoponyájának két csontja (ezt használják rágás) emlősökben a hallószerv elemei [14] .
A korai magzatvízben (köztük gyíkok , krokodilok , dinoszauruszok , madarak , terapeuták ) az alsó állkapocs és a koponya többi csontjainak artikulációja az ízületi és négyzet alakú csontokon keresztül jön létre, középfülükben az egyetlen csont a kengyel . Az emlősökben az ízület másképp van elrendezve: az alsó állkapocs közvetlenül artikulálódik a halántékcsonttal (vagy a laphámcsonttal, az emberi halántékcsont laphámsodásának analógjával, lat. pars squamosa ossis temporalis ), míg a középfülükben két további csont van (kalapács és üllő) [15] .
A hüllő állcsontjai és az emlősök hallócsontjai közötti homológiát először (embriológia és összehasonlító anatómia alapján) Karl Reichert német anatómus fedezte fel 1837-ben; később ezt az elméletet Ernst Gaupp német anatómus dolgozta ki, aki 1913-ban monográfiát adott ki erről a témáról [16] , amely megalapozta a Reichert-Gaupp elméletet [17] [18] .
[…] az a felfedezés, hogy az emlősök malleusa és incusa homológ a hüllők állkapcsának zsigeri elemeivel […], az összehasonlító biológia történetének egyik fontos mérföldköve [19].
Az emlősök hallócsontjainak a hüllők állcsontjaival való homológiájára vonatkozó embriológiai adatok az 1950-es években paleontológiai megerősítést nyertek a Morganucodon nemzetség fosszilis maradványainak felfedezésével [20] . Később bizonyítékok is megjelentek az emlősök és evolúciós elődeik genomjának összehasonlító vizsgálatán [5] [6] [21] [22] [23] [24] [25] [26] . Az állkapocs és a hallócsontok fejlődése, hasonlóan evolúciós fejlődésükhöz, könnyen nyomon követhető az egész ontogenezis során primitív emlősökben (például oposszumokban [6] [27] ).
Az alábbiakban a cikk témája szempontjából releváns taxonómiai csoportok erősen leegyszerűsített "családfája" látható:
Tetrapoda |
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
A tetrapodák ( lat. Tetrapoda ) voltak az első négylábú gerincesek, közülük a legkorábbiak még kopoltyúval lélegeztek . A Reptiliomorpha klád képviselői a kétéltűek és a hüllők ("hüllőszerű" kétéltűek) jellemzőit kombinálták. Tőlük származtak az úgynevezett Amnioták ( lat. Amniota ) - az első teljesen szárazföldi gerincesek. A magzatvíz tojásának belső héja volt, amely lehetővé tette a fejlődő embrió lélegzését, miközben megtartotta a vizet. Ez lehetővé tette, hogy az amnionok a szárazföldön rakják le tojásaikat (míg a kétéltűek hajlamosak a vízbe rakni tojásaikat). Az első magzatvíz a késő karbon-korszakban jelent meg , majd ezt a csoportot két figyelemre méltó ágra osztották: szauropsidákra ( lat. Sauropsida , a jelenlegi gyíkok , krokodilok , teknősök , madarak , valamint a dinoszauruszok és számos más kihalt csoport elődei) és szinapszidok ( lat. Synapsida , elődei a jelenlegi emlősök).
A magzatvíz legkorábbi ismert fosszilis leletei körülbelül 320-315 millió évvel ezelőttre nyúlnak vissza. Általánosságban elmondható, hogy a karbon-korszakból származó gerinces leletek nagyon ritkák, ami megnehezíti a pontos datálásukat (valószínűleg ezek az élőlénycsoportok sokkal korábban jelentek meg, mint azt a felfedezett leletek jelezték) [15] .
A fül szerkezete korai tetrapodákban és magzatvízbenA legkorábbi tetrapodáknak és kétéltűeknek valószínűleg nem volt dobhártyája. Kifejlődése egymástól függetlenül ment végbe különböző élőlénycsoportokban: sztegocephalokban (a legprimitívebb kétéltűek), anuránokban (kétéltűek egy csoportja, beleértve a békákat és varangyokat), szinapszidákban (emlősök és kihalt őseik), diapszidákban (krokodilok és gyíkok), anapszidákban ( teknősök); esetleg a Seimuriamorphsban (reptilomorf állatok csoportja) és a temnospondyliában (primitív kétéltűek csoportja) is [28] [29] .
A Synapsida klád korai képviselőinél a kengyel meglehetősen masszív, ami arra enged következtetni, hogy ez a csont csak a koponya agyi régióját támasztotta alá, de nem vett részt a halláselemző munkájában. Vannak azonban olyan változatok, amelyek szerint már a perm korszakban a szinapszidák dobhártyával és hangrezgéseket vezető kengyellel rendelkeztek [30] .
A fül és az állkapocs szerkezete a korai terapeutákbanA korai szinapszidák, köztük az emlős elődök állkapcsai hasonlóak voltak a korabeli többi tetrapodáéhoz: az alsó állkapocs fogazatból és több, mögötte elhelyezkedő kisebb csontból állt. Az állkapocsízületet az alsó állkapocs ízületi csontja és a felső állkapocs négyzet alakú csontja alkotta. A korai pelycosauruszok (késő karbon és korai perm) nagy valószínűséggel nem rendelkeztek dobhártyával, és masszív kengyelük a koponyát támasztotta alá (a kengyel alsó vége szögletes csontokon nyugodott). A terapeutáknak azonban nagy valószínűséggel már volt dobhártyájuk, valószínűleg a kvadrátokkal kapcsolatban; ebben az esetben a kengyelek már inkább hallócsontként funkcionáltak, és nem a koponya megtámasztására szolgáltak. Így a terpasidák négyzet alakú csontjai kettős funkciót töltöttek be: az állkapocsízületet alkották, és a hallószerv részét képezték [31] [32] .
Kettős csuklós pofákA perm és a korai triász időszakban a terápiás fogsorok (beleértve az emlős prekurzorokat is) folyamatosan nőttek, míg a többi állcsont fokozatosan kisebb lett [33] . Idővel a fogazat érintkezésbe került a pikkelysömörrel (a felső állkapocs kvadrát előtt elhelyezkedő csontja), ami két egyidejűleg működő állkapocsízület kialakulásához vezetett [34] : egy elülső, az emlősökre jellemző (közötti). fog- és laphámcsontok) és egy hátsó, a hüllőkre jellemző (a szögletes és az ízületi csontok között). Ez a "kettős ízület" a késői cynodontákban és a Mammaliaformes (emlősök) klád korai tagjaiban található [35] . A Morganucodon nemzetség az emlősök egyik első felfedezett és legalaposabban tanulmányozott képviselője, mivel a morganucodonok maradványait szokatlanul nagy számban találták meg. A Morganucodon a kettős állkapocs ízületek jelenlétét tekintve szinte ideális átmeneti forma a terapeuták és a tipikus emlősök között [36] .
Az emlősök állkapcsainak és középfülének szerkezeteAhogy az emlős prekurzorok fogazata a triász időszakban tovább nőtt, a kvadrát és az ízületi csontok evolúciósan régebbi ízülete használaton kívül lett. A szögletes csont mérete jelentősen csökkent, és timpanicsonttá ( os tympanicum ) alakult át, amely emberben a halántékcsont dobüregének ( pars tympanica ossis temporalis ) felel meg. Az ízületi és négyszögletű csontok (korábban az állkapocsízületet képezték) elvesztették kapcsolatukat az alsó állkapocssal (amelyet csak a fogazat kezdett kialakítani), és csak a kengyellel tartották meg kapcsolatukat, átalakulva kalapácská, illetve üllővé.
Az emlősökben hasonló átrendeződés legalább kétszer fordult elő. A középső jura - kora oligocén (160 millió évvel ezelőtt - 35 millió éve) kihalt multituberculatalis rendje már csak a fog- és laphámcsontokból álló állkapocsízületekkel rendelkezett, képviselőinek szögletes és ízületi csontjai a középfül részét képezték. ; fogaik, állkapcsaik és koponyájuk szerkezetének egyedi jellemzői azonban jelentősen megkülönböztetik őket a jelenlegi emlősöktől [15] [37] .
A modern emlősök közelebbi evolúciós ősei kapcsán meg kell említeni a Hadrocodium nemzetséget (195 millió évvel ezelőtti, korai jura előkerült maradványok), amelynek állkapcsa szerkezete arra utal, hogy ez (vagy egy hozzá nagyon közel álló nemzetség) lehet először átlagosan a fül a modern emlősök középfüléhez leginkább hasonló elrendezésű: ezeknél az állatoknál hiányzott az alsó állkapocs hátsó részének egy speciális bevágása (depresszió), amely fölött a dobhártya nyúlt a terápiás állatoknál és a legkorábbi emlősöknél; ennek a bevágásnak a hiánya arra utal, hogy a Hadrocodiumban a középfül mélyen behatolt az agykoponya csontjaiba, mint az emlősöknél, és ennek következtében a korábbi ízületi és négyszögletű csontok a középfülbe költöztek, így a kalapács és az üllő lett. Másrészt a Hadrocodiumnak van egy sajátos "zsebje" a fogsor hátulján, ami emlősöknél hiányzik, ami annak a jele lehet, hogy az ebbe a nemzetségbe tartozó fogsor megőrizte ugyanazt az alakját, mintha az ízületi és négyzet alakú csontok lennének. továbbra is részt vesz az állkapocsízület kialakításában [38] .
Viszonylag a közelmúltban fedezték fel a primitív emlős Yanoconodon átmeneti formáját (kb. 125 millió évvel ezelőtt, korai kréta ), amelyben a hallócsontok már elkülönülnek az állkapocstól, és kizárólag a hallásra szolgálnak, bár továbbra is gyenge kapcsolatot tartanak fenn a hallócsontokkal. állkapocs az elcsontosodott Meckel-porcokon keresztül , amely fejlettebb emlősökben nem marad meg („oldódik fel”) a születés előtti fejlődés során [39] [40] [41] [42] .
A hallócsontok fejlődése hozzájárult az emlősök hallásának jelentős javulásához evolúciós elődeikhez képest, különösen a magas hangfrekvenciák észlelése tekintetében [5] . A belső fülfolyadékok fajlagos akusztikus impedanciája nagyobb, mint a levegő fajlagos akusztikus impedanciája; a középfül transzformációs mechanizmusa hozzájárul ezeknek az ellenállásoknak az "összehangolásához", az impedancia illesztési rendszer ( angolul Impedance matching ) [43] elvén működik , aminek analógiája egy elektromos transzformátor működésében is megfigyelhető . A hallócsontok egy karrendszert hoznak létre (a malleus fogantyúja másfélszer hosszabb, mint az incus folyamata), amelyek a dobhártyáról az ovális ablak membránjára (amelynek területei az emberben) továbbítják a rezgéseket. körülbelül 20:1) [44] . Ezenkívül a középfül izmai a hallócsontok oszcillációinak amplitúdójának szabályozásával hozzájárulnak a hallószerv alkalmazkodásához, hogy különböző amplitúdójú hangjelek körülményei között működjön.
A természetes szelekció hozzájárulhatott az emlősök belső füle jelenlegi szerkezetének kialakulásához és fenntartásához [1] [32] . Sok korai emlős és elődeik meglehetősen kicsik voltak, fogaik szerkezete azt jelzi, hogy rovarevők voltak. Ha már a korai emlősök melegvérűek voltak (mint a jelenlegiek), akkor lehettek éjszakai élőlények is, olyan ökológiai réseket foglalva el, amelyekhez hozzáférhetetlenek voltak a föld faunáját akkoriban uralkodó nagy dinoszauruszok . Az érzékeny hallás (különösen a magas frekvenciatartományban) rendkívül hasznos lehet éjszaka, különösen a rovarok észlelésében [45] [6] .
A stapes , mint hallócsont számos tetrapodában jelen van, azonban az emlősök jellegzetessége (megkülönböztetve őket a hüllőktől és más gerincesektől) két további hallócsont ( kalapács és üllő ) jelenléte. Az embriológiai adatok alapján már a 19. század elején felterjesztették azt a hipotézist, hogy ezek a csontok homológok az egyes hüllő állcsontokkal ( ízületi és szögletes ). Ezt a hipotézist nemcsak e csontok "prototípusainak" jelenléte erősítette meg a magzati fejlődésben, hanem olyan anatómiai részletek is, mint a koponyaidegek lefutása .
Az evolúciós biológia fejlődésével ezt az embriológiai megfelelést a közös ős bizonyítékának tekintették . A paleontológia fejlődésével mind a megfelelő ősök, mind az átmeneti formák felfedezésre kerültek (amelyekben az állcsontok alakjának megváltozása és az utóbbiak hallócsontokká való átalakulása volt megfigyelhető): a Morganucodon nemzetség és néhány más [35] . Ezt követően megjelentek a genetikai vizsgálatokon alapuló adatok, amelyek megerősítették a korábban megfogalmazott feltételezéseket. Mindez figyelemre méltó bizonyítéka volt annak, hogy a különböző tudományok és módszerek (embriológia, összehasonlító anatómia, evolúcióbiológia és genetika) adatai hogyan illeszkedhetnek egymáshoz.
A legelső emlősök többnyire kistestű állatok, nagy valószínűséggel rovarevők voltak, ami arra utal, hogy nem volt szükségük nagy állkapocsra, míg a hallás fejlesztése, különösen a magas frekvenciákra érzékeny, fontosabb volt a rovarok kimutatásához [42] . A természetes szelekció jól támogathatja ezt a fejlődési irányt [14] .
evolúcióbiológia | |
---|---|
evolúciós folyamatok | |
Az evolúció tényezői | |
Populációgenetika | |
Az élet eredete | |
Történelmi fogalmak | |
Modern elméletek | |
A taxonok evolúciója | |