Science、Nature同期报道“哺乳动物耳朵”重大发现

　　

狗可以通过竖起耳朵或竖起耳朵来表达自己的情绪。蝙蝠用它像触角一样的耳朵来捕捉美味的飞虫。在炎热的天气里，大象的大耳朵就像扇子一样。虽然其他脊椎动物也有耳朵，但只有哺乳动物的耳朵突出而精致，被称为外耳或外耳。今天发表的两项独立但互补的研究揭示了外耳组成及其进化的惊人细节。《科学》杂志上的一项研究表明，哺乳动物的外耳和其他身体部位富含一种不同寻常的软骨，这种软骨富含脂质，柔韧性增强。在进化方面，《自然》杂志上的一篇论文发现，形成哺乳动物外耳的遗传控制回路可能来自于鱼鳃中的类似回路。

这一结果得到了几个领域科学家的热烈欢迎。斯坦福大学的干细胞生物学家和颅面外科医生Michael Longaker说，《科学》杂志的研究“是一篇了不起的论文”，它描述了软骨的“独特品种”。伦敦国王学院的发育生物学家Abigail Tucker说，《自然》杂志的这篇论文为一个长期存在的问题提供了见解，即新的身体结构是如何进化的。哺乳动物“并没有造出一个全新的耳朵，”她说，“模板就在那里”，从它们的祖先那里遗传来的。

加州大学欧文分校的发育和干细胞生物学家Maksim Plikus及其同事在准备用显微镜检查小鼠耳组织时，偶然发现了这种新型软骨。在他们用化学物质处理组织使其干燥后，出现了一些通常表明样本含有脂质的缝隙。当他们仔细观察时，他们注意到耳朵软骨与传统软骨不同。它充满了脂质细胞，就像气泡膜一样。他们的发现与传统观点相反，传统观点认为软骨生成细胞，即软骨细胞，含有很少的脂质。

研究小组在鼠的鼻子、喉部和胸骨中发现了更多这种富含脂质的软骨。他们还在其他哺乳动物的耳朵中发现了这种脂质，包括负鼠、蝙蝠和人类。然而，两栖动物、爬行动物和鸟类都没有外耳，这些动物都没有外耳。

研究人员将这种新型软骨样本放入拉伸材料以测量其强度的机器中，发现它比脂肪更坚硬、更耐用，但比膝盖和肋骨的普通软骨更柔韧。当他们用化学方法提取脂质时，它变得更硬，更有弹性，更像普通的软骨，这表明脂质赋予了它不同寻常的特性。

解剖学教科书上的共识是软骨主要有三种，Plikus说。“我们的发现又增加了第四个。”他说，这种非正统的软骨是一种很好的建筑材料。一旦富含脂质的软骨细胞就位，它们就会在动物的一生中持续存在——至少在啮齿类动物中如此——从而提供结构的稳定性。他说，这些细胞的大小是一致的，就像乐高积木一样。“就像天然的乐高积木一样，它们可以相互排列成非常复杂的微观结构。”例如，在蝙蝠的耳朵里，它们堆积起来形成平行的脊，这可能会提高动物的听力。

马克斯普朗克进化生物学研究所的进化发育生物学家Marketa Kaucka说，这篇论文“绝对符合”一种新型软骨细胞所需要的“所有条件”。因为它发生在喉部和耳朵等结构中，它可能对哺乳动物的特殊听力有贡献，”她说。特殊外科医院（Hospital for Special Surgery）的软骨生物学家Mary Goldring说，这项研究与过去几十年的其他研究相吻合，这些研究扩大了研究人员对软骨的看法。“我们在软骨中看到了出乎意料的复杂性爆炸，因为它看起来像一个非常简单的组织。”

哺乳动物外耳的起源仍然是个谜，部分原因是软骨通常不会变成化石。在胚胎发育过程中，鱼鳃软骨和哺乳动物外耳软骨由相同的细胞发育而成。南加州大学的发育生物学家 J. Gage Crump和他的同事在《自然》杂志上发表的研究报告中说，这有一个根深蒂固的遗传原因。当他们测量斑马鱼和人类软骨中的基因活性时，他们发现人耳软骨中的模式与斑马鱼鳃组织中的模式最相似。

研究人员确定，鱼鳃和人耳软骨也共享促进特定基因活性的关键DNA序列。他们在人耳软骨中发现的14个序列中有5个出现在斑马鱼的鳃软骨中。但只有一种存在于鱼的非鱼软骨中。科学家们还表明，至少其中一些序列在鱼类和哺乳动物之间是可以互换的。当他们将人类版本的基因植入斑马鱼体内时，这些序列主要激活了鱼鳃中的基因。研究小组将斑马鱼的一种鳃基因激活剂添加到小鼠胚胎中后，刺激了啮齿动物耳朵中的基因。对克伦普来说，研究结果表明，哺乳动物为了形成耳朵，利用了与鱼类形成鳃相同的基因控制回路。

克伦普和他的同事们还想知道，同样的基因程序是否可以追溯到更远的进化史。他们分析了马蹄蟹的鳃组织，马蹄蟹是脊椎动物的远亲。科学家们发现，一种来自斑马鱼的软骨基因激活因子的近亲也在螃蟹的鳃中起作用。当他们将螃蟹的版本转移到斑马鱼胚胎中时，它开启了鱼鳃中的基因。“我们的耳朵可能是第一个存在的软骨的进化残余物，”Crump说。

“我认为这是一篇伟大的论文，”耶鲁大学古生物学家和脊椎动物生物学家Bhart-Anjan Bhullar说。“它们展示了一个对人类和其他哺乳动物来说非常重要的结构的一些新东西。”如果进一步的研究证实，最终出现在鱼鳃和哺乳动物耳朵中的软骨出现在无脊椎动物身上，它将“改写我们对动物历史的理解”。

关于软骨的新信息也可能帮助研究人员为受伤或受损的身体部位创造替代组织，正如Plikus和他的同事们通过将人类胚胎干细胞培养成含有类似面部和颈部软骨的结构，并含有满载脂质的软骨细胞。他说：“这种实验室培养的人体软骨在未来很有可能用于面部和颈部软骨的修复。”