进化是一位回收大师。它经常将旧结构（或古老的基因）用于新的工作。哺乳动物的耳朵就是一个完美的例子。经过漫长的岁月，我们鱼类祖先的颌骨变成了三个独立的小骨头，将声波从鼓膜传递到内耳。
现在一项新的研究表明，还有另一个从鱼类到哺乳动物的传承。事实证明，鱼鳃的柔韧软骨与哺乳动物外耳（耳朵的可见部分）的软骨密切相关。当然，柔韧的软骨结构在鱼类和哺乳动物中承担着不同的工作：鳃结构使鱼类能够呼吸，而哺乳动物外耳中的软骨则捕获声音。但是，构建这些结构的底层基因网络具有共同的历史。
需要明确的是，鳃结构并没有变形为哺乳动物的外耳。相反，随着第一批脊椎动物出现在陆地上并摆脱了鳃，形成鳃软骨的底层基因网络能够构建新的东西。“这就是生命和进化令人惊叹的地方之一，”伦敦国王学院的发育与进化教授阿比盖尔·塔克说，她没有参与这项研究。“调控网络仍然存在，因此可以被重新选择和再次使用，这次是制造外部耳朵结构而不是鳃。”
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同一基因网络的这种回收利用为随后的进化创新奠定了基础。哺乳动物外耳中的软骨进一步演变成各种形状，例如回声定位蝙蝠的大而敏感的耳朵、猫的警觉而尖尖的耳朵或大象的下垂的耳朵——每种形状都适应于对该动物重要的声音。在某些哺乳动物中，耳朵软骨甚至被进一步改造，充满了含有大量脂肪滴的特殊软骨细胞，研究人员推测这些脂肪滴赋予软骨独特的结构和声学特性。
“我们认为存在一个祖先程序，可以在头部制造充满软骨的鳃，在进化过程中，这个程序的位置发生了移动，变得与耳朵更紧密相关，就像祖先的鱼颌骨移动到中耳一样，”南加州大学的干细胞生物学家、这项新研究的资深作者盖奇·克朗普解释说，该研究发表在《自然》杂志上。“在这个头部大致区域长出软骨结构的程序是高度保守的，但确切的位置、表达基因的完整组合，以及由此产生的细胞类型及其功能已经发生了很大变化。”
克朗普的团队以斑马鱼作为其研究的模型生物，长期以来一直对脊椎动物面部的发育感兴趣。在构建斑马鱼面部所有不同细胞类型的图谱时，研究人员注意到两种类型的软骨，一种是预期的，另一种是他们以前没有注意到的。这种意想不到的形式是一根弹性软骨棒，支撑着鳃的指状突起。这种软骨与哺乳动物外耳中发现的软骨类型相似。
研究人员观察到，人类外耳软骨中的基因活性与鱼鳃中的弹性软骨中的基因活性相似。但是许多基因在不相关的器官中都很活跃。为了查看这些结构是否具有共同的进化历史，研究人员专注于增强子——驱动其靶基因在特定组织中活性的DNA序列。他们确定了六个关键增强子，这些增强子对于人类外耳软骨的发育至关重要，但在鼻子中则不然。研究人员推断，如果鱼鳃和哺乳动物耳朵软骨中的基因活性是由相似的增强子启动的，那么这些结构很可能具有相同的进化起源。
这种专注于增强子的方法“非常鼓舞人心，而且非常聪明，非常敏锐，”加州大学旧金山分校的干细胞和发育生物学家莉西亚·塞莱里说，她没有参与这项研究。“这可以揭示新结构是源于祖先发育程序的利用，还是从头出现。”
为了研究鱼鳃-耳朵问题，克朗普当时的研究生马蒂·蒂鲁帕蒂领导的研究人员进行了一些巧妙的基因转移实验。首先，他们将控制基因的六个人类外耳增强子放入斑马鱼的基因组中，并使用荧光报告基因点亮以识别增强子通常的靶标通常会被激活的身体位置。令人惊讶的是，人类耳朵软骨增强子仅驱动绿色荧光蛋白在斑马鱼鳃中的活性，这表明控制基因表达的物质在鳃和外耳之间非常相似，克朗普说。
然后，该团队进行了另一个实验：他们将斑马鱼鳃中活跃的关键增强子放入小鼠基因组中。在那里，研究人员观察到鱼类DNA元件现在激活了发育中的转基因小鼠外耳中的绿色荧光蛋白，这加强了相同的底层基因网络被用来构建鳃和耳朵中的软骨的想法。
塔克说：“使它比仅仅重复使用相同的分子工具包更有趣的是，它还重复使用了控制这些基因表达的调控元件[增强子]，因此驱动鳃中软骨基因表达的调控元件驱动哺乳动物耳朵中软骨基因的表达。” “因此，它在利用原有系统方面又提高了一个层次。”
接下来，研究人员试图确定哪些关键基因受到这些增强子的影响。一个突出的基因家族是DLX，它与果蝇中鉴定出的distal-less基因有关，该基因对昆虫肢体发育很重要。研究人员发现，脊椎动物DLX基因的相同增强子出现在从斑马鱼到人类的动物中，跨越了超过4亿年的进化历程。这就是为什么增强子能够被交换到基因工程鱼和小鼠中的原因。
为了了解这些增强子的历史有多久远，研究人员观察了鲎，一种也用鳃呼吸的无脊椎动物。他们发现，与DLX基因相关的相同distal-less基因也参与了鲎鳃的制造。通过将鲎的DNA控制元件插入斑马鱼基因组，可以在斑马鱼鳃中激活荧光分子。这表明，制造哺乳动物外耳的遗传机制早于脊椎动物的进化；它可能可以追溯到数亿年前的一些最早的具有类似鳃的突起的海生无脊椎动物。当鱼类（第一批脊椎动物）进化时，从那些无脊椎动物构建鳃软骨的基因网络被回收利用来制造鱼鳃，即使鱼类进化出了一种新的骨骼。
克朗普推测：“我们认为我们外耳中的弹性软骨可能是无脊椎动物软骨的最后残余。”
为了理解鱼类和哺乳动物之间脊椎动物进化树上发生了什么，研究人员观察了青蛙和蜥蜴中相同增强子的活性。在青蛙蝌蚪中，人类外耳增强子激活了蝌蚪鳃中的荧光蛋白。在没有鳃或外耳的变色龙蜥蜴中，人类外耳增强子激活了动物耳道中的荧光蛋白，耳道中也有一种类似于鱼和蝌蚪鳃中的弹性软骨。这表明，制造鱼鳃中弹性软骨的基因网络首先在爬行动物的耳道中变得活跃，然后在哺乳动物的外耳中变得活跃。
克朗普说：“因此，我们想象的是：在两栖动物和爬行动物之间，存在一个从鳃到耳道的转变，然后在哺乳动物中，这种转变被大量扩展，形成了外耳。”
在进化过程中，哺乳动物的外耳软骨不仅在形状上，而且在内部组成上都在不断进化。细胞生物学家马克西姆·普利库斯和他在加州大学欧文分校的团队最近描述了小哺乳动物（小鼠、鼩鼱、蝙蝠和老鼠等）耳朵中的软骨细胞，这些细胞有点像是软骨细胞和脂肪细胞的杂交体。这些细胞充满了脂肪滴，形成了一种类似气泡膜的组织，称为脂软骨。尽管这种组织最早在1854年被德国组织学家弗朗茨·冯·莱迪格发现，但直到现在才在很大程度上被遗忘。普利库斯的团队推测，脂软骨具有独特的声学特性，例如增加声波传播的能力，这可能是哺乳动物听觉的一种适应。
塞莱里写了一篇关于脂软骨研究的展望文章，发表在《科学》杂志上。她说：“虽然确实存在一个无脊椎动物中存在的程序，然后在鱼类和哺乳动物中重新利用来制造外耳，但在哺乳动物中也出现了一些创新。” “其中一项创新是存在含有脂肪的软骨。”
普利库斯说：“[脂软骨可以]可以将液泡（脂滴）用于与通常认为它们发挥的作用完全不同的目的。” 普利库斯说，虽然脂肪细胞中脂滴的主要目的是储存能量，但在脂软骨中，“这些脂滴主要发挥结构和生物力学作用，因此它们不再对代谢功能做出贡献。”
博士后研究员劳尔·拉莫斯领导了这项研究，该研究发表在《科学》杂志上。研究人员表明，在小鼠中，脂肪液泡对代谢状态的变化没有反应：当小鼠过度喂养时，它们的体积不会增加，当动物饥饿时，脂肪滴也不会被用于能量。该团队进一步表明，液滴是使用非常特定的代谢途径制造的，该途径将糖转化为脂肪——这种受控的代谢途径使动物的身体能够调节脂滴的确切大小和间距。
反过来，这使得耳朵结构的进化具有适应各种类型动物需求的声学特性——例如，蝙蝠的大而有脊的耳朵非常敏感，它们可以探测到微小昆虫的翅膀的拍打声。