耳骨化石改写了淡水鱼的历史

一位艺术家在6700万年前的化石鱼中重建了韦伯装置。韦伯结构（中心为金色骨骼）起源于一根肋骨（以灰色显示，连接在脊柱的几块后骨上），将鱼的气囊（左）与内耳（右）连接起来。这种骨骼结构赋予了鱼类更灵敏的听觉，至今仍存在于三分之二的淡水鱼类中。背景描绘了泛古陆解体后进化的各种鱼类谱系。图片来源：加州大学伯克利分校的Ken Naganawa

（化石网cnfossil.com）据加州大学伯克利分校：当咸水鱼很久以前进化到生活在淡水中时，它们中的许多也进化出了更复杂的听觉系统，包括类似于人类的中耳骨。

如今，三分之二的淡水鱼——包括10000多种鱼类，从鲶鱼到常见的水族馆鱼类，如tetras和斑马鱼——都有这种被称为韦伯装置的中耳系统，它使它们能够听到比大多数海洋鱼类更高频率的声音，其范围接近人类。

加州大学伯克利分校的古生物学家Juan Liu现在已经在一种新发现的鱼类化石中使用了这种韦伯装置的结构来修改淡水鱼进化的起源故事。

具有韦伯耳系统的鱼，被称为耳鱼，被认为大约在1.8亿年前就已经进入淡水，当时盘古大陆还没有分裂成我们今天看到的大陆。

根据刘的新时间线，它们现在似乎出现得更晚——大约1.54亿年前，在侏罗纪晚期——在盘古大陆开始分裂之后，与今天海洋的出现相吻合。

2010 年，迈克尔·纽布里（Michael Newbrey）（右）向皇家泰瑞尔古生物学博物馆的技术员艾莉森·福瑟林厄姆 （Alison Fotheringham） 指出了含有鱼类化石的细粒沉积物。这种鱼大约有 6700 万年的历史，非常不起眼，很难被发现。他于 2009 年发现了这些化石，并花了六个野外季节从采石场挖掘标本。来源：迈克尔·纽布里

刘对化石和基因组数据的分析表明，这种鱼最初是在海洋中发育出听力极佳的前体骨骼的。

直到后来，在两个不同的谱系进入淡水后，它们才发展出功能齐全的增强听力：一个进化成今天的鲶鱼、刀鱼和非洲和南美四头鱼；另一种进化成最大的淡水鱼目，鲤鱼、吸盘鱼、小鱼和斑马鱼。

“海洋环境是许多脊椎动物的摇篮，”综合生物学助理副教授、加州大学古生物学博物馆助理馆长刘说。

“长期以来的共识是，这些硬骨鱼起源于泛古陆，然后随着不同大陆的分离而分散。

“我的团队对一些奇妙的化石进行了分析，这些化石为淡水鱼的进化史提供了新的线索，并发现了完全不同的结果：耳鼻鱼的最新共同祖先是一个海洋谱系，在该谱系分裂后，至少有两次淡水入侵。”

她补充道，这一发现重塑了我们对世界上最成功的淡水鱼类群体的进化历史和复杂的生物地理学的理解。

“在早期分化阶段，这些对淡水的反复入侵可能加速了物种形成，是解释现代淡水动物群中耳鼻目动物异常高度多样性的关键因素。”

刘和她的同事在《科学》杂志上发表的一篇论文中描述并命名了6700万年前的化石鱼Acronichthys maccagnoi。在这篇论文中，研究人员分析了化石的韦伯结构和现代鱼类的基因组和形态的3D扫描，以修改淡水鱼类的谱系，并模拟了化石鱼类中耳结构的频率响应。

在水下工作的耳朵需要与检测空气中声音传播的耳朵不同的解剖结构。许多陆生脊椎动物进化出一种类似耳膜的结构，这种结构会对声波做出反应而振动。这个鼓膜在人类的中耳中移动着一排像鲁比·戈德堡一样的骨头，即木槌、砧骨和葡萄骨，从而放大声音并戳破充满流体的内耳，后者抖动并最终推挤向大脑发送信号的毛发。

但是水中的声波会直接穿过一条鱼，这条鱼的密度与周围的水相似。因此，鱼形成了一个充满空气的膀胱——本质上是一个气泡——它会随着穿过鱼的声音而振动。在大多数咸水鱼中，这些振动以一种基本的方式传递到鱼的内耳，这限制了它们的听力，只能听到低于200赫兹的低音。

然而，耳鱼在气囊（通常不准确地称为鱼鳔）和内耳之间发育了骨“听小骨”，以放大和扩大耳朵可以检测到的频率范围。例如，斑马鱼可以听到高达15000赫兹的频率，离人类20000赫兹的极限不远。

为什么这些鱼需要听到高频是一个谜，尽管这可能是因为它们生活在从湍急的溪流到静止的湖泊等多种复杂的环境中。

刘研究了活鱼和化石鱼中的韦伯装置，并于去年发表了该装置工作原理的计算模拟。该模拟使她能够预测骨小骨的频率响应，从而预测鱼类的听力敏感性。

从2009年开始，鱼类学家和佐治亚州哥伦布州立大学的合著者Michael Newbrey在加拿大阿尔伯塔省挖掘并收集了大量新命名的化石鱼标本，这些化石鱼只有2英寸长。

这些化石被收藏在阿尔伯塔省德拉姆赫勒的皇家泰瑞尔博物馆。有几个标本保存得如此完好，以至于中耳中的骨头显然是Weberian的。这种鱼是北美已知最古老的耳目鱼化石，可追溯到白垩纪晚期，就在非鸟类恐龙消失前不久。

刘说，在世界其他地方也发现了更古老的标本，但没有一个保存完好的韦伯装置。

萨斯卡通萨斯喀彻温大学和蒙特利尔麦吉尔大学的加拿大光源技术人员拍摄了这条鱼的3D X射线扫描，刘在她的实验室里模拟了韦伯装置的听小骨。该模型表明，即使在6700万年前，耳鱼的听力也几乎和今天的斑马鱼一样灵敏。

刘说：“我们不确定这是否是一个功能齐全的韦伯装置，但事实证明，模拟是有效的。”。“与斑马鱼相比，韦伯装置的输出功率略低，这意味着灵敏度较低。但峰值，即最敏感的频率，并不比斑马鱼低太多，在500到1000赫兹之间，这一点也不算太糟糕，这意味著这种老耳鱼应该能实现更高频率的听力。”

她指出，这些发现突显了进化的一个普遍模式：新物种的突然增加可能是由于反复入侵新的栖息地，而不是单一的扩散事件，尤其是在与更敏感的听力等新创新相结合的情况下。

Newbrey说：“很长一段时间以来，我们认为Otopshi可能起源于淡水，因为这个群体几乎完全由淡水鱼类组成。”。“新物种为海洋起源的Otophesi进化途径的新解释提供了关键信息。这更有意义。”

该论文的其他合著者包括皇家泰瑞尔博物馆的Donald Brinkman、阿尔伯塔大学的Alison Murray、前加州大学伯克利分校本科生Zehua Zhou（现为密歇根州立大学研究生）以及安大略省伦敦西部大学的Lisa Van Loon和Neil Banerjee。