Одним из главных прорывов в эволюции млекопитающих стало развитие высокочувствительного слуха. Современные животные полагаются на среднее ухо, где работает барабанная перепонка и система крошечных косточек, что позволяет улавливать широкий диапазон звуков разной громкости.
250-миллионная окаменелость показала, как возник слух у предков млекопитающих
Палеонтологи из Чикагского университета установили, что совершенный слух появился у предков млекопитающих на 50 миллионов лет раньше, чем считалось. С помощью компьютерной томографии и инженерного моделирования ученые доказали наличие функциональной барабанной перепонки у тринаксодона, жившего 250 миллионов лет назад.
Thrinaxodon. https://news.uchicago.edu/
Главная сложность заключается в том, что у млекопитающих и их предков одни и те же кости выполняют разные функции. У современных людей молоточек и наковальня находятся глубоко в ухе и служат только для передачи звука. Но у тринаксодона эти же кости были частью челюстного сустава. Долгое время ученые не могли поверить, что кость может одновременно участвовать в жевании и эффективно вибрировать в ответ на тонкие звуковые волны, не ломаясь и не теряя чувствительности.
Долгое время считалось, что эта способность развилась достаточно поздно, но новые данные опровергают эти представления. Исследователи сосредоточили внимание на тринаксодоне — предке млекопитающих из группы цинодонтов, обитавшем на планете в начале триасового периода около 250 миллионов лет назад.
Тринаксодон сочетал в себе черты рептилий и млекопитающих: у него были специализированные зубы, развитое дыхание и, вероятно, шерсть. Однако его слуховые косточки все еще оставались соединенными с челюстью, что заставляло ученых сомневаться в его способности эффективно слышать звуки в воздушной среде. Но новая работа, опубликованная в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, все изменила.
Около полувека назад была выдвинута гипотеза, что цинодонты могли обладать мембраной, натянутой на изогнутую часть челюстной кости. В то время большинство экспертов полагали, что такие существа воспринимали звуки преимущественно через костную проводимость, буквально прижимаясь челюстью к земле, чтобы чувствовать вибрации.
Ископаемый образец черепа и челюсти тринаксодона, использованный в исследовании.
«В течение почти столетия ученые пытались понять, как эти животные могли слышать. Эти идеи захватывали воображение палеонтологов, но до сих пор у нас не было надежных биомеханических тестов», — отмечает ведущий автор исследования Алек Уилкен. Благодаря современным методам вычислительной биомеханики команда смогла превратить древнюю окаменелость в цифровую модель и проверить, как именно двигались слуховые косточки внутри черепа возрастом в сотни миллионов лет.
Цифровое «воскрешение»
Моделирование показало, что звуковые волны, воздействующие на барабанную перепонку Thrinaxodon (вверху), позволяли ему слышать гораздо эффективнее, чем при помощи одной только костной проводимости (внизу).
Используя высокоточное КТ-сканирование черепа тринаксодона, ученые создали детальную 3D-модель и применили метод конечных элементов. Это программное обеспечение обычно используют инженеры для расчета нагрузки на мосты и авиационные двигатели. Именно оно позволило имитировать реакцию черепа на звуковое давление разной частоты.
Результаты симуляции оказались однозначными: наличие барабанной перепонки позволяло тринаксодону слышать звуки в воздухе гораздо эффективнее, чем через кости. Размер и форма мембраны создавали вибрации, достаточные для стимуляции слуховых нервов.
Хотя «челюстное слушание» все еще могло играть роль, основную нагрузку по восприятию мира брала на себя именно перепонка. Это открытие доказывает, что фундамент сложной слуховой системы млекопитающих был заложен еще в эпоху господства первых динозавров.