Când unii pești marini s-au adaptat eventual la viața în apă dulce, mulți au dobândit, de asemenea, o modalitate mai elaborată de a auzi, inclusiv oase ale urechii medii care seamănă cu cele de la oameni. Două treimi din speciile de apă dulce de astăzi se bazează pe o ureche medie specializată, cunoscută sub numele de aparatul Weberian. Acest grup cuprinde peste 10.000 de specii, de la somn la preferatele acvariilor, cum ar fi tetra și peștele zebră. Sistemul Weberian le permite să detecteze frecvențe sonore mult mai mari decât majoritatea peștilor oceanici, atingând o gamă apropiată de auzul uman.
Juan Liu, paleontolog de la Universitatea California, Berkeley, a examinat aparatul Weberian la un pește fosil nou descris și a folosit anatomia sa pentru a actualiza cronologia modului în care au evoluat peștii de apă dulce.
Se credea de mult timp că peștii Otophysan, care posedă un sistem de urechi Weberian, au intrat în apă dulce cu aproximativ 180 de milioane de ani în urmă, înainte ca Pangea să se împartă în continentele pe care le recunoaștem astăzi. Lucrarea lui Liu indică o origine ulterioară, cu aproximativ 154 de milioane de ani în urmă, în perioada jurasică târzie, după ce Pangea începuse să se rupă și pe măsură ce oceanele moderne prindeau formă. Analizele fosilelor și datele genomice indică faptul că precursorii oaselor auditive îmbunătățite au apărut pentru prima dată în timp ce acești pești trăiau încă în mare. Auzul sensibil, complet rafinat, a evoluat după ce două linii separate au colonizat apa dulce: una care a dus la somn, pește cuțit și tetra african și sud-american și alta care a produs crap, ventuze, mrene și pește zebră, cel mai mare ordin de pești de apă dulce.
"Mediul marin este leagănul multor vertebrate", a spus Liu, profesor adjunct asistent de biologie integrativă și curator asistent în Muzeul de Paleontologie UC. "Un consens îndelungat a fost că acești pești osoși au avut o singură origine de apă dulce în marele continent Pangea și apoi s-au dispersat odată cu separarea diferitelor continente. Analiza echipei mele asupra unor fosile fantastice care aruncă o nouă lumină asupra istoriei evolutive a peștilor de apă dulce și a găsit rezultate complet diferite: cel mai recent strămoș comun al peștilor otophysan a fost o linie marină și au existat cel puțin două incursiuni de apă dulce după ce această linie s-a despărțit."
Această reinterpretare remodelează modul în care oamenii de știință văd atât istoria evolutivă, cât și biogeografia complexă a acestui grup de apă dulce remarcabil de reușit, a adăugat ea. "Aceste incursiuni repetate în apă dulce în stadiul incipient de divergență au accelerat probabil speciația și sunt factori cheie în explicarea hiper-diversității extraordinare a otophysanilor în faunele moderne de apă dulce."
Liu și colegii săi descriu și numesc peștele fosil vechi de 67 de milioane de ani, *Acronichthys maccagnoi*, într-un articol publicat pe 2 octombrie în revista *Science*. În acea lucrare, cercetătorii analizează scanări 3D ale structurii Weberian a fosilei și genomurile și morfologia peștilor moderni pentru a revizui genealogia peștilor de apă dulce și simulează, de asemenea, răspunsul de frecvență al structurii urechii medii a peștilor fosili.
Auzul în apă se bazează pe structuri diferite de auzul în aer. Multe vertebrate terestre detectează sunetul cu un timpan care vibrează și antrenează un lanț de oase ale urechii medii care amplifică semnalul înainte ca acesta să ajungă la urechea internă umplută cu lichid; la oameni aceste oase sunt ciocanul, nicovala și scărița. Deoarece corpul unui pește este apropiat ca densitate de apă, undele sonore trec prin el. Prin urmare, mulți pești au evoluat o vezică internă de aer care vibrează cu sunetele care trec. La majoritatea speciilor de apă sărată, vibrațiile ajung la urechea internă doar slab, ceea ce limitează auzul la frecvențe joase sub aproximativ 200 Hertz.
Peștii otophysan au îmbunătățit această cale prin adăugarea unor "osicule" osoase mici care conectează vezica de aer, adesea numită în mod greșit vezică înotătoare, la urechea internă. Această legătură crește și lărgește sensibilitatea auditivă. Peștele zebră, de exemplu, poate detecta sunete de până la 15.000 Hz, apropiindu-se de limita superioară de 20.000 Hz la om.
De ce auzul de înaltă frecvență este util rămâne o întrebare deschisă. Poate reflecta varietatea de habitate pe care le ocupă acești pești, de la pâraie rapide la lacuri liniștite. Liu studiază aparatul Weberian la peștii vii și fosili și a publicat anul trecut o simulare computațională a modului în care funcționează aparatul. Această simulare îi permite să prezică răspunsul de frecvență al osiculelor osoase și, prin urmare, sensibilitatea auditivă a peștilor.
Numeroase specimene ale peștelui fosil nou numit, lung de doar 2 inci, au fost excavate și colectate în Alberta, Canada, pe parcursul a șase sezoane de teren începând cu 2009 de către ihtiologul și coautorul Michael Newbrey de la Universitatea de Stat Columbus din Georgia. Fosilele sunt adăpostite în Muzeul Royal Tyrrell din Drumheller, Alberta. Câteva specimene au fost atât de bine conservate încât oasele din urechea medie erau în mod clar Weberian.
Peștele este cea mai veche fosilă nord-americană cunoscută a unui pește otophysan, sau Otophysi, datând din perioada cretacică târzie, cu doar puțin timp înainte ca dinozaurii non-aviari să dispară. Specimene mai vechi au fost găsite în altă parte a lumii, dar niciunul nu avea un aparat Weberian bine conservat, a spus Liu.
Tehnicienii de la Sursa de Lumină Canadiană de la Universitatea din Saskatchewan din Saskatoon și de la Universitatea McGill din Montreal au capturat scanări 3D cu raze X ale peștelui, iar Liu a modelat osiculele aparatului Weberian în laboratorul ei. Modelul sugerează că, chiar și acum 67 de milioane de ani, peștii otophysan aveau un auz aproape la fel de sensibil ca peștele zebră de astăzi.
"Nu eram siguri dacă acesta era un aparat Weberian pe deplin funcțional, dar se pare că simularea a funcționat", a spus Liu. "Aparatul Weberian are doar o putere de ieșire puțin mai mică, ceea ce înseamnă o sensibilitate mai mică, în comparație cu un pește zebră. Dar vârful, frecvența cea mai sensibilă, nu este cu mult mai mică decât peștele zebră -- între 500 și 1.000 Hertz -- ceea ce nu este deloc rău și ceea ce înseamnă că auzul de frecvență mai mare ar fi trebuit să fie atins în acest pește otophysan vechi."
Rezultatele subliniază un model mai larg în evoluție: explozii de specii noi urmează adesea intrări repetate în noi habitate, mai ales atunci când organismele evoluează inovații, cum ar fi un auz mai sensibil.
"Pentru mult timp, am presupus că Otophysi avea probabil o origine de apă dulce, deoarece acest grup consta aproape exclusiv din pești de apă dulce", a spus Newbrey. "Noua specie oferă informații cruciale pentru o nouă interpretare a căilor evolutive ale Otophysi cu o origine marină. Pur și simplu are mult mai mult sens."