回聲定位：蝙蝠使用不同的內耳結構來幫助通過聲音導航世界

這項研究最近發表在《自然》雜志上，首次提供了用于處理蝙蝠回聲定位信號的兩種不同的內耳結構的解剖學證據。該研究證實了先前發現的遺傳證據，即回聲定位的蝙蝠屬于不同的進化品系，分別被稱為"陰"和"陽"蝙蝠，并表明這兩個分支有不同的內耳神經解剖結構，用于不同風格的回聲定位。

“生物學家推測，這兩大類蝙蝠有不同的方式通過聲音看世界，”該研究的主要作者、美國自然歷史博物館的在讀博士生Benjamin Sulser說。“這是我們第一次在內耳中發現不同的神經解剖結構，這使得這些蝙蝠有不同的方式來處理回聲定位信號。”

蝙蝠是獨特的哺乳動物，是唯一能夠進行動力飛行的哺乳動物。它們也非常多樣化，大約有1440種，占所有已知哺乳動物物種的20%以上。大多數蝙蝠通過回聲定位為自己的世界導航，這是一種發出獨特的聲音，然后聆聽回聲的方式。回聲定位幫助蝙蝠確定方向，覓食，并在飛行時避免障礙物。

“回聲定位的能力為蝙蝠打開了巨大的生態機會，它們‘擁有’夜空。”菲爾德自然史博物館的麥克阿瑟哺乳動物館長、該研究的共同作者 Bruce Patterson說：“這種適應的復雜性使蝙蝠能夠以許多不同的方式使用它。”

蝙蝠的聽覺與回聲定位的生物適應性有著錯綜復雜的關系。大約20年前，對哺乳動物生命樹的分子研究顯示，會回聲定位的蝙蝠屬于兩個系。陰翼手亞目（學名：Yinpterochiroptera），或“陰”蝙蝠；以及陽翼手亞目（Yangochiroptera），或“陽”蝙蝠。這表明回聲定位的聽覺功能在蝙蝠中進化得相當不同，可能是兩次。但一個長期存在的問題仍然存在。這兩個長期分離的蝙蝠品系之間的耳朵結構是否不同？

Sulser開始了這項工作，作為他在羅哲西實驗室的本科論文的一部分，羅哲西是芝加哥大學有機生物學和解剖學教授，也是這項新研究的資深作者。他發現內耳神經節，一個連接內耳聲音捕捉結構和大腦的主要神經元結構，在“陰”蝙蝠和“陽”蝙蝠之間有不同的解剖結構。

新發現始于對芝加哥大學生物科學學院部的幾個蝙蝠頭骨教學標本的CT掃描。在2016年的初步發現之后，該團隊又花了三年時間完成了對幾乎所有蝙蝠科的39種蝙蝠的全面調查，利用兩個博物館的更多標本來證實他們的發現。

在所有的哺乳動物中，包括蝙蝠在內，聽覺始于內耳中的毛細胞，它們對聲波作出反應而振動。這些毛細胞與內耳螺旋神經節中的神經細胞相連，螺旋神經節由一個骨質的管子保護。管壁上有一系列的小孔，可以讓神經纖維探出頭來，與通往大腦的主要聽覺神經相連。

“陰”蝙蝠更多地依靠恒定頻率的聲音進行回聲定位，而“陽”蝙蝠使用更復雜的調制頻率。研究小組的CT掃描顯示，“陰”蝙蝠和大多數非蝠類哺乳動物一樣，有一個厚厚的管壁，上面擠滿了神經纖維的微小開口。然而，大多數“陽”蝙蝠有一個開放的管壁，允許神經節中的神經元有更多的進化變化，這與其他哺乳動物有很大區別。“陽”蝙蝠的進化多樣性也比“陰”蝙蝠多得多，其物種數量大約是“陰”蝙蝠的五倍，覓食方式也更加多樣化。該研究小組認為，不同的耳朵解剖結構可能有助于蝙蝠的多樣化。

羅哲西說：“我們假設，通過發展這種新的構造，沒有內耳神經節的空間限制，陽蝙蝠的神經節細胞有更大的繁殖能力和不同的方式與大腦連接，這與大多數其他哺乳動物不同。更大尺寸的神經節和更多數量的神經元可能促成了蝙蝠更多依靠頻率調節回聲定位的這種大的進化多樣化。”

羅哲西說，無論如何，兩種回聲定位方法都為蝙蝠令人難以置信的進化成功做出了貢獻。“這些是實現同一目標的不同方式。這就像這兩種類型的蝙蝠在說一種語言的不同方言。”