用耳朵呼吸

06-15

作者：三思逍遙來源：三思科學網

耳朵識字只是神話，但讓人驚奇的是，耳朵曾經是用來呼吸的。在仔細檢查過一條三億七千萬年前的魚化石後，瑞典的兩位科學家在近期Nature上發表文章稱，耳朵——更具體的說中耳——起源於遠古魚類的呼吸孔的時間，比此前人們預想的久遠得多。

說到耳朵，我們心中可以毫不費力的浮現出頭部兩側兩個外耳的形狀，它們是如此的顯眼，筆者的女兒第一個認識的感官就是它。但實際上那兩個大耳朵不是我們聽到聲音的關鍵所在，我們的聽覺系統由三個部分組成，外耳、中耳和內耳。當外界聲波傳遞到外耳時，通過它的集音作用將聲波通過外耳道傳遞至鼓膜，這裡是外耳和中耳的分界線。鼓膜的振動通過構成中耳的三塊骨頭(鐙骨、錘骨和砧骨)的放大後再傳遞至內耳，這三塊骨頭是人體最小的骨頭，大約只有米粒般大，但它們對聲音的放大能力十分驚人，一個聽力良好的人在極其安靜的環境中，可以聽到的最微弱聲音僅足以將鼓膜移位氫分子直徑的1/10。

哺乳動物的中耳由三塊骨頭構成，爬行動物的中耳則只有鐙骨。三塊骨頭帶來的好處不僅僅是更有效率的放大聲音，而且使哺乳動物能夠聽到頻率更高的聲音，當然這需要內耳也有相應的特化。鳥類和爬行動物只能聽到最高10~12kHz頻率的聲波，而一般來說，人能聽到的最高頻率則為20kHz。超過20kHz的聲波常被稱為超聲波，意即超越人類聽覺範圍的上限。若留意一下身邊的CD唱片，你會發現通用採樣頻率是44.1kHz，那是因為採樣頻率一定要高於錄製的最高頻率的兩倍才不會產生失真，所以採樣頻率至少應是40kHz，使用44.1kHz是為了留有餘地。但很多哺乳動物可以發出和聽到超聲波，其中的佼佼者非蝙蝠莫屬，小型蝙蝠能發出頻率高達54kHz的超聲波。這個唯一會飛的哺乳動物幾乎沒有視力，完全依賴超聲波來探測環境和尋覓食物。

哺乳動物起源自爬行動物，很自然的人們會想到一個問題，多出來的鐙骨和錘骨來自何處？這個問題在大約一百年前就獲得了答案，但它真的是過於古怪，以至於成了比較解剖學上的經典研究。通過確鑿的證據，解剖學家們認定，錘骨和砧骨是從爬行動物的頜部骨骼演化而來，說通俗一點就是下巴，相應的這兩塊骨頭的名字被稱為方骨與關節骨。爬行動物下巴的方骨與關節骨負責與頭骨的鱗骨連接在一起，形成完整的頭顱。但在哺乳動物起源的過程中它們逐漸退入中耳，其作用也轉變為負責聽覺。

這個結論實在驚人，足以讓下巴掉到地上。且慢，既然負責把頭骨和下巴連接在一起的骨頭不管這事兒了，那我們的下巴不會真的有什麼危險吧？這到不用擔心，關節骨和方骨的工作目前由齒骨來代替，在哺乳動物起源的演化過程中，鱗骨和齒骨發生變化，最終直接形成關節連接在一起，現在讓我們把下巴收回來吧。

中耳的演化可以說是道金斯—《自私的基因》的作者———的名言「演化是個修補匠」的絕佳註腳，也是幾乎所有系統闡述生物演化的書津津樂道的例證。在演化的過程中器官的功能可以發生巨大的甚至是匪夷所思的改變，破解此類迷題可真是對想像力的巨大考驗。雖然我們早知道了中耳的來源，但它是怎樣演化而來，還有諸多工作要做。直到今天，在古生物學界中，中耳的演化研究仍然異常活躍，尤其是在哺乳動物特徵演化研究中。

日常生活中的哺乳動物和爬行動物差別甚遠，你不用接受任何專業訓練也可以輕鬆鑒定此兩類動物。比如：一般而言哺乳動物都毛絨絨的，有溫暖的體溫，體表覆蓋各種絨毛，胎生——暫時不算鴨嘴獸——哺乳等等。但不幸的是，所有這些一目了然的區別，在動物成為化石以後就消失不見了。所以對於古生物學家來說，如何區分這兩類動物還得尋找其它標準，尤其是那些起源初期的激動人心的過渡動物，該算到哪一類就直接關乎到哺乳動物起源的時間以及發現者的榮譽這樣的問題了。當然聰明的讀者，已經猜到了答案。如你所料，中耳的這三塊不起眼的小骨頭就是鑒定哺乳動物的重要標準。

2001年前，中耳擁有三塊骨頭的早期哺乳動物的化石，最早只能追溯到大致1億5千萬年前的侏羅紀晚期。而1985年，正在攻讀古生物學研究生的吳肖春，在雲南祿豐盆地發現一塊微小的化石（後來被命名為吳氏巨顱獸），將這個時間向前推進了4500萬年，即1億9千萬年前的侏羅紀早期。由於化石很小修復十分困難，直到1992年，經過中美兩國科學家聯合努力，加上約十年的艱辛工作，才將各項研究完成，成果發表在2001年5月25日的Science雜誌上，立刻引起廣泛關注。

據推測吳氏巨顱獸體長約3cm，重量僅兩克左右，想像一下同時代的巨獸恐龍面對它的情景，相當於我們面對一隻小螞蟻。雖然很少有成年人對螞蟻還有多少興趣，但如果有人說，就是這些微不足道的小東西的子孫，在億萬年後將駕駛飛船踏上月球、它們製造的武器足以毀滅地球幾十次之多，你再看見它們時是否會多一點畏懼之心。沒錯，作為迄今為止所發現的最古老的擁有三塊聽小骨的吳氏巨顱獸，沒有人有絕對的把握說它不是我們的直系祖先。那麼現在你是否也對那三塊小小的骨頭所象徵的價值多了點敬畏。而我國科學家在哺乳動物中耳的演化研究上，頗有成果。

長久以來，對於哺乳動物中耳演化過程中，「錘骨」和「砧骨」與齒骨分離，成為只負責聽覺的結構，一直是個未解的問題。近年來，國外科學家依據胚胎髮育的研究提出一種假說，認為頭骨的持續變大與聽小骨卻在縮小的現象，是促使聽小骨脫離齒骨的根本原因。從胚胎髮育上看，聽小骨在發育早期很快就達到了成年個體的大小（一顆米粒般的大小），但任何一位父母都可以告訴你，嬰兒的頭顱即便在出生後還在繼續增大。由於聽小骨必須與橢圓窗相聯繫，因此逐漸增大的頭骨便將聽小骨從齒骨上強行拉走了。簡要言之，我們不妨將其稱為「強拽假說」。毫無疑問，現存哺乳動物個體的中耳發育確實是這樣的。但這並非表示哺乳動物起源的過程中，中耳就是如此誕生的，一切終究得有過硬的化石證據才能讓大多數同行接受。而我國科學家依據在遼西發現的爬獸化石，提出了中耳起源的不同假說。依據標本上所發現的骨化麥氏軟骨，說明爬獸擁有真正的哺乳動物的中耳。與此同時，該標本顯示，爬獸的腦腔狹窄，頜關節與耳區的關係緊密。顯然「強拽假說」無法對該標本的中耳是如何形成的進行合理解釋。我國古生物學家認為，哺乳動物中耳的起源，應該與聽覺器官和咀嚼器官的不斷優化改善有關。

考慮到哺乳動物中耳的演化如此複雜，沒有人認為它會多次起源。雖然現存三類哺乳動物——卵生、有袋和胎生—之間的差異甚大，但它們都擁有哺乳動物的獨特中耳，對此人們一般認為哺乳動物獨特的中耳在這三類動物的共同祖先中就已經擁有了。然而2005年2月11日的《科學》雜誌上，澳大利亞的科學家宣稱中耳至少獨立的進化了兩次，卵生哺乳動物的祖先的中耳是獨立演化的。

2003年，在澳大利亞南部海岸發現了一個保存良好的下頜骨化石，這塊化石被認為只是鴨嘴獸及其它卵生哺乳動物的祖先，而它的下巴上赫然保留著三個「中耳」小骨的原始印跡，顯示這些小骨尚未從下巴移動到耳部。這隻能有一個解釋，卵生哺乳動物的祖先自己獨立的進化出了擁有三塊聽小骨的中耳，這簡直只能用奇蹟來形容。同時這個新發現也帶來些有趣的問題，比如：有什麼演化上的理由讓卵生哺乳動物也非得演化出一個擁有三塊聽小骨的中耳來？在科學上，發現一個秘密往往牽連出更多秘密等待人們去探索，這或許就是科學的吸引力之一吧。

追根溯源似乎是人類的本性，爬行動物的中耳雖然只有一塊骨頭，但魚壓根就沒有中耳，所以中耳本身怎麼起源只有到魚化石中尋找線索。和今天常見的魚不同，數億年前魚的腮是通過一個管狀器官—腮孔—與體外的水相連的，這個已經消失的結構在四足動物中演化為中耳的腔室，而負責連接頭蓋骨和魚顎的一根骨柱則最終演變為鐙骨。

最近，瑞典烏普薩拉大學進化生物學系的研究生Martin Brazeau和他的導師、古生物學家Per Ahlberg，對中耳演化的早期過程進行了研究。通過對一條長約一米多，距今3.7億年，收藏於拉脫維亞自然歷史博物館，名為潘氏魚(Panderichthys)的化石進行細緻的分析後，他們驚奇的發現，中耳的演化時間遠比人們預期的久遠。潘氏魚與後來爬上陸地的四足動物擁有同一祖先，此項研究前，普遍認為中耳起源於四足動物。但新研究顯示，與其它的古魚相比，潘氏魚的腮孔已經開始明顯變大，而負責連接頭蓋骨和魚顎的一根骨柱變得更小和更細。這些新證據顯示，遠在四足動物起源之前約1000萬年，中耳就開始了它的演化之旅。

相信在不久的未來，只要發現更多的化石，對於神奇的中耳的來歷我們會了解得更多。但或許解開秘密的鑰匙已經躺在某個博物館的收藏品中了，正在靜靜的等待之中也未為可知。