Evolvabilität des Innen- & Mittelohrs in Vögeln und Säugern

Das Ohr der Wirbeltiere ist eine außergewöhnliche Struktur. Eng eingekapselt in den dichtesten Knochen des Skeletts, umfasst es die kleinsten Knochen die Gehörknöchelchen und ist Ursprung des Gehör- und Gleichgewichtssinns. Es ist auch an der Aufrechterhaltung von Kopf- und Körperhaltung sowie der Blickstabilisierung bei Kopfbewegungen beteiligt. Nirgendwo sonst im Wirbeltierskelett sind so verschiedene funktionelle Einheiten derart eng aneinander gereiht, was eine unabhängige Evolution der einzelnen Ohrkomponenten erschwert. Auch das Wachstumsmuster des Ohrs weicht von dem des restlichen Skeletts ab: Bei Menschen und anderen Säugetieren erreichen das Innen- und Mittelohr bereits vor oder sehr früh nach der Geburt ihre endgültige Größe. Dies erschwert zusätzlich die evolutionäre Veränderung des Ohres, da die nachgeburtliche Entwicklung wesentlich zu den Unterschieden zwischen vielen Säugetierarten beiträgt. Dies alles macht es rätselhaft, wie Säugetiere in der Lage waren, als vorwiegend nachtaktive und auf das Hören angewiesene Gruppe eine so große Vielfalt von ökologischen Nischen im Wasser, an Land, unter der Erde und in der Luft zu besiedeln. Denn diese verschiedenen Lebensweisen benötigen nicht nur Anpassungen der Hörfähigkeiten, sondern auch eine erstaunliche Diversität der Fortbewegung und Körperhaltung. Wie konnten sich die verschiedenen, eng miteinander verbundenen Teile des Ohrs unabhängig voneinander an diese unterschiedlichen Funktions- und Umweltbedingungen anpassen? Trotz seiner ähnlichen Funktion besteht das Ohr bei Säugetieren, Vögeln und Reptilien aus verschiedenen Knochenelementen. Bei Vögeln und Reptilien besteht der Unterkiefer und dessen Gelenk aus mehreren Knochen und lediglich ein einziges Gehörknöchelchen überträgt den Schall. Im Gegensatz dazu haben heute lebende Säugetiere drei Gehörknöchelchen Hammer, Amboss und Steigbügel, die alle vom Kiefer getrennt sind. Diese evolutionäre Transformation des ursprünglichen Kiefergelenks in die Gehörknöchelchen von Säugetieren ist einer der herausragendsten Schritte der Wirbeltierevolution. Warum diese komplexe Veränderung stattgefunden hat, ist allerdings weitgehend unklar. Wir schlagen eine neue Hypothese vor: Die Integration der Knochen des ursprünglichen Kiefergelenks in das Ohr der Säugetiere hat zusätzlich zur direkten Verbesserung von Kauen und Hören auch die Evolvierbarkeit (die Fähigkeit zur adaptiven Evolution) des Ohrs und die damit verbundenen sensorischen Funktionen erhöht. Damit steigerte sich die Zahl der genetischen und entwicklungsbedingten Knöpfe, an denen die natürliche Selektion drehen kann, und in Folge auch die evolutionäre Freiheit für eine unabhängige Anpassung des verschiedenen Komponenten des Ohrs. Wir testen diese Hypothese indem wir die Variation und evolutionäre Anpassung des Innen- und Mittelohrs mit modernen bildgebenden und statistischen Verfahren zwischen Vögeln und Säugetiere vergleichen.

Das Wirbeltierohr ist eine bemerkenswerte Struktur. Die Teile des Ohrs sind auf sehr kleinem Raum eingeschlossen und bestehen aus den kleinsten Knochen des Skeletts. Sie sind für verschiedene Sinne von entscheidender Bedeutung: Hören, Gleichgewicht, Haltungskontrolle und Blickstabilisierung. Die Umwandlung des primären Kiefergelenks in die Gehörknöchelchen des Mittelohrs bei Säugetieren ist einer der ikonischsten Übergänge in der Evolution der Wirbeltiere, doch die Ursprünge dieser komplexen evolutionären Veränderung bleiben weitgehend unbekannt. Im Projekt haben wir eine neue Hypothese untersucht: Die Integration der Knochen des primären Kiefergelenks in das Mittelohr hat die genetische und entwicklungsbiologische Komplexität des Ohrs bei Säugetieren erhöht, was möglicherweise die evolutionären Freiheitsgrade für unabhängige Anpassungen des Ohrs erhöht hat. Diese erhöhte "Evolvierbarkeit" des Säugetierohrs könnte zum evolutionären Erfolg und zur adaptiven Diversifizierung von Säugetieren beigetragen haben. Wir haben diese Hypothese getestet, indem wir die Variationseigenschaften und die adaptive Evolution der Innen- und Mittelohrform bei Vögeln und Säugetieren, einschließlich Menschen, verglichen haben. In einem 2024 in Nature Communications veröffentlichten Artikel konzentrierten wir uns auf Afrotheria, eine Gruppe verwandter Säugetiere mit einer großen Vielfalt an Anatomien und Lebensräumen, wie Erdferkel, Elefanten, Goldmaulwürfe, Schliefer, Elefantenspitzmäuse und Seekühe. Mithilfe hochauflösender CT-Scans und geometrischer Morphometrie verglichen wir die Form des Ohrs dieser Afrotheria mit Säugetieren, die in ihrer Morphologie, Ökologie und/oder ihrem Verhalten analog sind, aber nur sehr entfernt mit Afrotheria verwandt sind, beispielsweise Delfinen, Ameisenbären und Igel. Mithilfe eines neuartigen Analyseverfahrens haben wir herausgefunden, dass die Innenohrform zwischen analogen Arten ähnlicher ist als zwischen nicht analogen Arten, selbst wenn nicht analoge Arten enger miteinander verwandt sind. Beispielsweise ähnelt die Ohrform von Seekühen weniger der von Elefanten oder Schliefern, eng verwandten Afrotheria, als vielmehr der des Delphins, einem viel weiter entfernt verwandten Säugetier. Wir konnten zeigen, dass diese Ähnlichkeiten auf evolutionäre Anpassungen an ähnliche Umgebungen oder Verhaltensweisen zurückzuführen sind. Diese sehr detaillierte konvergente Evolution dokumentiert die hohe Evolvierbarkeit des Wirbeltierohrs trotz aller räumlichen und entwicklungsbedingten Einschränkungen. Das Projekt umfasste auch methodische Arbeiten zur Untersuchung phylogenetischer Signale und Muster in komplexen Daten, wie etwa den gesammelten geometrisch morphometrischen Daten. In einem Artikel in Systematic Biology aus dem Jahr 2024 stellten wir einen neuen statistischen Ansatz zur Identifizierung und Erforschung phylogenetischer Signale in solch komplexen Daten vor, d. h. der "Spuren" der Evolution im Muster morphologischer Ähnlichkeiten zwischen Arten.