Внутреннее ухо млекопитающих является ярким примером конвергентной эволюции

Новое исследование раскрывает удивительно конвергентную эволюцию внутреннего уха млекопитающих. Международная исследовательская группа под руководством Николь Грюнстра из Венского университета и Анн Ле Мэтр из Института Конрада Лоренца (KLI) по исследованиям эволюции и познания (Клостернойбург) показала, что группа сильно различающихся млекопитающих, известных как Afrotheria, и отдаленно родственных, но экологически очень похожих млекопитающих независимо друг от друга развили схожие формы внутреннего уха. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Внутреннее ухо позвоночных, расположенное внутри костного черепа, важно для слуха и равновесия. Долгое время считалось, что разнообразие его сложной формы среди животных отражает адаптацию к различным средам и локомоторному поведению. В то же время форма внутреннего уха также отражает эволюционное происхождение, при этом близкородственные виды, как правило, имеют более схожие формы внутреннего уха, чем отдаленно родственные виды.

Это говорит о том, что нейтральная (неадаптивная) эволюция может быть более важной в формировании морфологии внутреннего уха, чем считалось ранее. Новое исследование внутренних ушей разнообразной группы млекопитающих проливает новый свет на этот вопрос.

Команда эволюционных биологов и палеонтологов, включая исследователей из Венского музея естественной истории, изучала форму внутреннего уха у Afrotheria. Эта группа животных состоит из родственных млекопитающих, которые сильно различаются по своей анатомии и среде обитания, включая трубкозуба, слонов, златокротов, даманов, грызунов-землероек и морских коров.

Исследователи сравнили форму их ушей с другими млекопитающими, которые имеют аналогичную анатомию, экологию и/или локомоторное поведение, но имеют с ними лишь очень отдаленное родство, например, с муравьедами, «настоящими» кротами, грызунами, ежами и дельфинами.

Команда провела рентгеновскую микротомографию черепов, хранящихся в музейных коллекциях, из которых они реконструировали виртуальные 3D-модели внутреннего уха. Затем они сравнили формы внутреннего уха у афротериев и их аналогов и проанализировали форму уха в зависимости от среды обитания и передвижения.

«Мы обнаружили, что форма внутреннего уха у аналогичных видов более схожа, чем у неаналогичных, даже если последние имеют более недавнего общего предка и, следовательно, более тесно связаны», — объясняет соавтор исследования Николь Грюнстра.

Например, форма ушей морских коров меньше похожа на форму ушей слонов или даманов (близкородственных афротериев) и больше на форму ушей дельфинов (гораздо более отдаленно родственного млекопитающего). Это сходство форм соответствует адаптации к строго водной среде. Исследование также обнаружило похожие формы ушей у других отдаленно родственных видов с той же средой или стратегией питания, например, у подземных видов или видов, живущих на деревьях.

«Мы также смогли показать, что у экоморфологически схожих млекопитающих развились схожие формы ушей в результате адаптации к общим экологическим нишам или локомоции, а не случайно», — говорит соавтор Энн Ле Мэтр. Это весомое доказательство конвергентной эволюции, процесса, в ходе которого предковые формы ушей независимо развиваются, становясь похожими из-за общего давления отбора.

Новое исследование, по-видимому, противоречит недавним работам по птицам, рептилиям и некоторым млекопитающим, которые ставят под сомнение степень влияния адаптивных процессов на изменчивость внутреннего уха у позвоночных.

Одно из объяснений заключается в том, что адаптивные различия в форме уха, вероятно, особенно сильно проявляются при сравнении видов с различными экологическими стратегиями, такими как афротерианы и многие другие млекопитающие. Другое возможное объяснение заключается в том, что ухо млекопитающих имеет более высокую «эволюционируемость», которая является внутренней способностью к адаптивной эволюции.

Среди позвоночных ухо млекопитающих особенно сложное. По сравнению с птицами, крокодилами или ящерицами, ухо млекопитающих приобрело несколько дополнительных компонентов за счет эволюционной редукции и трансформации челюстных костей и их последующей интеграции в среднее ухо (тогда как у птиц и рептилий они остались частью челюсти).

Эта особенность позволяет млекопитающим обнаруживать гораздо более широкий диапазон звуков, особенно высоких тонов. Что важно, это также увеличивает анатомическую, генетическую и эволюционную сложность уха, что, как предсказывает теория, расширяет диапазон потенциальных форм уха, которые могут эволюционировать.

«Увеличение генетических и онтогенетических факторов признака дает естественному отбору больше возможностей для поворота, что облегчает эволюцию различных адаптаций», — добавляет соавтор исследования Филипп Миттерёккер из Венского университета.

Эта возросшая способность уха к развитию могла помочь проложить путь к адаптации к новым условиям и локомоторному поведению в ходе эволюции млекопитающих