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人类中耳包括鼓膜室、传导声音的3块听小骨，和通向口腔的咽鼓管等，是让人类拥有灵敏听觉的重要器官。 研究证明，人类中耳是从鱼类的喷水孔演化而来，但喷水孔又从何而来？ 近日，中科院古脊椎所的盖志琨研究员联合中、英、瑞（瑞典）三国院士在《生态和演化前沿》上发表了有关脊椎动物喷水孔起源的最新研究成果，首次揭示：人类的中耳曾经是鱼类用来呼吸的鳃。 网友表示记性不好的原因找到了，竟是远古的本能在攻击我。 延续百年的科学难题 中耳是人类拥有灵敏听觉的秘诀所在，目前已有充分的胚胎和化石证据证明，人类中耳是从鱼类的喷水孔演化而来。 而喷水孔又从何而来？这一问题是困扰学术界的世纪难题。 在软骨鱼类中，喷水孔主要用来吸入水流，是底栖软骨鱼类适应海底生活的生存秘诀，而在原始的硬骨鱼类中，喷水孔主要用来呼吸空气，它是研究早期肉鳍鱼类如何登上陆地呼吸空气，适应陆地生活的重要参照。 在鱼类喷水孔演化方面，科学家们做出了不少努力。早在1822年的时候，法国解剖学家圣西兰就发表了他的经典著作《解剖哲学》, 先验性地提出了不同门类脊椎动物相似器官很可能演化自同一原型，这可能是科学史上对鱼类喷水孔起源的最早的科学猜想。
鳃弓是颌弓和舌弓的原型，鱼类的偶鳍是四足动物四肢的原型，前肢又是鸟类翅膀的原型。 1872年，德国著名解剖学家卡尔·根格包尔第一个从详细的解剖学（包括鳃弓、脑神经、肌肉等）角度，提出了脊椎动物头部的分节理论，认为脊椎动物的颌弓和舌弓跟后面普通的鳃弓一样，是系列同源构造，都是头部的分节之一。 1937年英国古生物学家沃特森进一步提出“自由舌弓理论”（aphetohyoidean theory）。
有颌类中支撑颌弓的舌弓最初并不与颌弓相关节 ，而是一个普通的鳃弓， 因此在颌弓和舌弓之间应该具有一个完整的，尚未退化的鳃裂，而非喷水孔，从而代表了早期有颌类的一个原始状态。 该理论激发了20世纪古生物学家在早期有颌类的颌弓和舌弓之间寻找一个未退化鳃裂的热潮。但遗憾的是，经过1个世纪的寻找，各国古生物学家仔细查验了现生无颌类和早期有颌类中所有盾皮鱼类、棘鱼类、软骨鱼类和硬骨鱼类的化石，一直没有找到确切化石证据。 但最近，由盖志琨研究员主导的研究团队证实，他们先后在浙江长兴、云南曲靖分别找到4亿多年的曙鱼和第一鳃囊中完整保存鳃丝印痕的宽甲鱼化石，为脊椎动物喷水孔起源于鱼鳃提供了确切的解剖和化石证据。 发现于浙江长兴4.38亿年前的曙鱼脑颅化石（盖志琨摄）
作为关键线索的化石是如何被找到的？ 2002年 2002年起，中科院古脊椎所团队就在浙江长兴志留纪早期（约4.38亿年前）海相红层中开展野外工作，并找到一种最为原始的真盔甲鱼化石，后来将其命名为“曙鱼”。这些曙鱼化石都是具有三维立体软骨脑颅保存的珍贵标本，而且个头都非常的小，只有我们的指甲盖那么大。 2006年 研究团队把曙鱼的脑颅标本带到了位于瑞士苏黎世的瑞士光源进行了无损扫描。之后又应用三维重建软件对曙鱼的脑颅进行三维虚拟复原，前后历时5年总共完成了七件曙鱼脑颅化石的三维重建，在只有指甲大小的脑颅里，几乎重现了曙鱼所有脑区、感觉器官及头部神经与血管的通道。 通过深入研究发现，盔甲鱼类所谓的鳃间脊实际上是鳃弓的背侧部分，即盔甲鱼类的鳃弓跟脑颅愈合成主要起防护作用的头甲，这跟龟鳖类的肋骨扩大愈合成龟甲有异曲同工之妙。 进一步对比研究显示，曙鱼的整个鳃弓还保持整个脊椎动物的原始状态，它的颌弓正好位于眶孔之后，形成眶后壁。同时，精确复原的曙鱼脑神经多方面证据显示，盔甲鱼眼睛后面的一个鳃囊就是位于颌弓和舌弓之间的舌颌囊，与后面的5个鳃囊并无二致，而且开口于头甲腹面，并不像喷水孔那样开口于头甲背面，因此基本判断盔甲鱼的舌颌囊还是一个未退化的鳃囊。 但是要想证明它是一个具有正常呼吸功能的鳃，还缺少整个证据链条中的最后一环，即找到在该鳃囊中存在鳃丝的化石证据。 研究团队为此又将目光移向素有“古鱼王国”和“4亿年前人类远祖发源地”之称的云南曲靖，这是世界上最著名的早泥盆世（距今约4.19亿年-4.07亿年）脊椎动物化石宝库之一，也是古生物学家，特别是古鱼类学家开展野外科考、发现并研究化石的“圣地”。 通过在曲靖早泥盆世（约4.19亿年前）地层长达数年的野外发掘工作，2017年，研究团队终于在曲靖面店水库附近西山村组深灰色粉砂岩中首次采集到了第一个在第一鳃囊中完整保存鳃丝印痕的宽甲鱼的化石。 在云南曲靖早泥盆世（距今约4.19亿年前）宽甲鱼化石中首次发现鳃丝印痕（盖志琨摄）
此次发现进一步证明了盔甲鱼的第一鳃囊是具有正常呼吸功能的鳃，而非退化的喷水孔，从而为脊椎动物喷水孔的起源提供了最为确切的解剖证据和化石证据。 喷水孔的演化之路 从鱼鳃到中耳，从呼吸到听力，喷水孔的演化之路是什么样的？研究团队综述了喷水孔从无颌类到四足动物的演化历程，从而建立起了喷水孔从无颌类的鳃到人类中耳的演化序列。 喷水孔从无颌类的鳃到人类中耳的演化历程（图片来源 中科院古脊椎所）
随着盔甲鱼类成对鼻囊的分裂，头甲前发育出异常巨大的中背孔（单鼻孔），来充当吸入水流的主要呼吸器官，因此颌弓和舌弓之间的舌颌囊首次发育成一个完整的鳃囊，该鳃囊跟后面5个正常的鳃囊一样具有完整的前后半鳃，半鳃具有鳃丝，是氧气交换的主要场所。 随着颌和双鼻孔的起源，有颌类成功演化出双鼻孔，但双鼻孔并不与口腔相通，没有呼吸功能，只有嗅觉功能。不过，鱼类的呼吸需求并没减少，因此眼睛后的第一鳃囊（舌颌囊）被改造成喷水孔，成为主要呼吸器官。这在最原始的有颌类盾皮鱼类中就已经发生，因为最原始的盾皮鱼类胴甲鱼类（沟鳞鱼）和最进步的盾皮鱼类麒麟鱼均已具有喷水孔，因此，喷水孔很可能在有颌类中伴随颌和双鼻孔的出现同时起源。 在软骨鱼类中，喷水孔主要用来吸入水流，而在早期的硬骨鱼类，其主要用来呼吸空气，从而为鱼类登上陆地呼吸空气提供了先决条件。随着内鼻孔在肉鳍鱼类的起源（如肯氏鱼），成功打通鼻腔与口腔的通道，鼻孔又成为主要呼吸器官，从而进一步为鱼类登上陆地用肺呼吸奠定了基础。 登上陆地的四足动物，面临着一个全新的环境，不得不发展新的感觉器官，以便在空气中更好地生存。这样背景下，已失去呼吸功能的喷水孔又被回收利用，逐渐演化成人类中耳腔的鼓膜室，而舌颌骨及其关节的方骨和关节骨也逐渐退化变小，最终进入到中耳演化成为3块听小骨，并被重新命名为镫骨、锤骨和砧骨，负责将声音传递给大脑，让人类最终拥有了灵敏的听觉。 盖志琨强调，如果不是这些史前鱼类通过头顶喷水孔呼吸空气的大胆试验，人类可能永远不会演化出如此敏锐的听觉，正是古老鱼类化石的不断演化，带给了人类享受听觉盛宴的机会。 如果我们捏上鼻子，并闭上嘴使劲鼓气，会感到耳朵的鼓膜非常的胀，这是鱼类遗留给我们的演化残迹之一，说明我们的耳朵跟口腔依然是相通的，而联通他们的正是原来从喷水孔通向口腔的咽鼓管。换句话说，我们的鱼祖先曾经用我们的耳朵来呼吸。 从鱼鳃到中耳经历了几亿年的漫长演化，形态迥异的不同物种，却在蛛丝马迹中有着共通之处，自然界的奥秘，还有多少是我们尚未发现的？ 发布于：重庆市 |
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