Окаменелость возрастом 250 млн лет раскрывает происхождение нашего слуха

Фото из открытых источников

Современные млекопитающие обладают уникальными способностями к слуху, позволяющими воспринимать широкий диапазон громкости и частот с помощью особенностей среднего уха, включая барабанные перепонки и несколько небольших костей.

Исследование палеонтологов из Чикагского университета в США показало, что эти физические особенности начали появляться почти на 50 миллионов лет раньше, чем мы предполагали. Результаты исследования были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Они обнаружили доказательства в окаменелости предка млекопитающих, Thrinaxodon liorhinus, возраст которой составляет 250 миллионов лет. Используя компьютерную томографию черепа и челюсти животного, они создали 3D-модели, которые позволили им смоделировать, как анатомия Thrinaxodon могла реагировать на различное звуковое давление и частоты, а с помощью инженерного программного обеспечения они смогли увидеть, как «извивались» его кости в ответ на это.

Тринаксодон жил в раннем триасе, до появления первых динозавров. Это был цинодонт — близкий родственник ранних млекопитающих — с телом, напоминающим нечто среднее между ящерицей и лисой.

Некоторые из его генов повторяют генетическую структуру современных млекопитающих, и это новое исследование предполагает, что архитектура его слуха также является чем-то общим для нас.

У ранних цинодонтов слуховые кости — молоточек, наковальня и стремечко — были прикреплены к челюсти. У более поздних видов эти крошечные фрагменты со временем отделились от челюсти, образовав характерное для млекопитающих среднее ухо.

До появления среднего уха и связанных с ним «тимпанических» слуховых способностей животные полагались на передачу звука по костной ткани, при которой нервы передают сигналы от вибраций в челюстной кости в мозг.

Палеонтологи десятилетиями предполагали, что Thrinaxodon может быть «недостающим звеном» в эволюции слуха у млекопитающих. В 1975 году анатом из Университета Висконсина Эдгар Аллин предположил, что у Thrinaxodon могла быть ранняя форма барабанной перепонки, натянутой на все еще прикрепленную крючкообразную костную структуру, выступающую из челюсти.

Но в то время у Аллина не было технологий, чтобы доказать свои подозрения, поэтому исследователи в новом исследовании вернулись к этому вопросу с помощью инженерного программного обеспечения.

«Почти столетие ученые пытались понять, как эти животные могли слышать. Эти идеи захватывали воображение палеонтологов, изучающих эволюцию млекопитающих, но до сих пор у нас не было достаточно убедительных биомеханических доказательств», — говорит Алек Уилкен, специалист по эволюции из Чикагского университета. «Мы взяли сложную задачу — а именно, „как шевелятся ушные кости в окаменелости возрастом 250 миллионов лет?“ — и проверили простую гипотезу, используя эти сложные инструменты».

Трехмерная модель позволила команде изучить череп и челюстную кость животного с беспрецедентной детализацией, включая изгиб челюстной кости, через который, возможно, проходила ранняя барабанная перепонка.

Затем, используя инструмент, более известный инженерам для тестирования вибрационных нагрузок на такие объекты инфраструктуры, как самолеты и мосты, они смоделировали, как череп и челюсть Thrinaxodon будут подвергаться воздействию различных звуков.

Конечно, живая голова состоит не только из костей, поэтому ученые также заполнили пробелы, используя известные параметры, полученные на живых животных, касающиеся типов мягких тканей, которые также могли играть роль.

«Как только у нас появится КТ-модель, полученная из окаменелости, мы сможем взять свойства материала современных животных и создать модель, как если бы наш Thrinaxodon ожил», — говорит Чже-Си Луо, научный руководитель Вилкена. «Раньше это было невозможно, и это программное моделирование показало нам, что вибрация, передаваемая звуком, — это, по сути, тот способ, которым это животное могло слышать».

В целом, результаты показывают, что барабанная перепонка Thrinaxodon функционировала бы достаточно хорошо даже без отделившихся костей среднего уха. И это было бы значительным улучшением по сравнению с костной проводимостью, потенциально знаменуя собой переходный этап для млекопитающих к опоре на барабанный слух.

Вилкен и его команда, по консервативным оценкам, предполагают, что с помощью этого встроенного оборудования Thrinaxodon мог бы достичь диапазона слуха от 38 до 1243 герц (для сравнения, здоровый молодой человек слышит примерно от 20 до 20 000 герц ), и был наиболее чувствителен к звукам на частоте 1000 герц при звуковом давлении 28 децибел (уровень звука, находящийся где-то между шепотом и обычным разговором).

Это помогало Thrinaxodon находить добычу, избегать хищников и, возможно, даже играло роль в размножении.