Toad Ear Devo

During postdoctoral work at Colorado State University in the Hoke lab and in collaboration with postdoc Molly Womack from 2014-2018, I have been researching the evolutionary development of toad ears.

Why toad ears? Well, it is a evolutionary mystery, but between 12 and 17 species of toads in the family Bufonidae have independently lost their ears over evolutionary time. That is particularly fascinating because many of those species still use sound to communicate, using species-specific calls during reproduction.

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To better understand the evolutionary transitions of the middle ear, despite its importance in acoustic communication, we investigated the patterns of development of the auditory structure in different lineages of bufonids. We focused on sister pairs of species with and without ears, breeding up developmental series of those species in the field in collaboration with Centro Jambatu in Quito, Ecuador and CDS in Oxapampa, Perú. Some of our preliminary findings are that:

  • Species with and without hearing do call, but each species and pair uses different mechanisms for reproductive communication.
  • All species show evidence of the initial steps of middle ear development, but the process is interrupted in two species without an ear as adults (Rhinella yunga and Atelopus elegans).
  • An extensive review of the literature shows that the development of the middle ear in toads occurs later than in other anurans, suggesting that shifts in the relative timing of development (“heterochrony”), may have led to the incomplete development of the ear in many species of toads.

Abstract in Spanish:

Algunos ejemplos de evolución convergente pueden ser adaptativos, tales como la pérdida de estructuras sensoriales en serpientes y peces cavernículas, las cuales pueden ser costosas e innecesarias. Pero también existen ejemplos que no parecen tener explicaciones adaptivas. Por ejemplo, las estructuras del oído medio han desaparecido en los sapos (Bufonidae) aproximadamente 12­­­–17 veces. Sin embargo, los sapos, como la mayoría de los anuros, se comunican con sonidos y las especies que carecen de oídos tienen menor sensibilidad a los sonidos de frecuencias medias y altas. Para entender mejor las transiciones evolutivas del oído medio, a pesar de su importancia en la comunicación acústica, investigamos los patrones de desarrollo de la estructura auditiva en diferentes linajes de bufónidos. En este estudio, exploramos el comportamiento y la morfología del desarrollo del cráneo en pares de especies de sapos con y sin oídos. Reconstruimos modelos en 3D de series de renacuajos y juveniles que fueron criados en el laboratorio en Perú y Ecuador. Encontramos que las especies con y sin oído cantan, aunque cada linaje exhibe mecanismos distintos para la comunicación reproductiva. También encontramos que todas las especies poseen los procesos iniciales de desarrollo del oído medio, pero el proceso se interrumpe en dos especies sin oído al ser adultos (Rhinella yunga y Atelopus elegans). Además, una revisión de la literatura muestra que el desarrollo del oído medio en los bufónidos ocurre más tarde que en otros anuros. Puede que las diferencias en cuanto al tiempo relativo de desarrollo (heterocronía), hayan permitido, en repetidas ocasiones, el desarrollo incompleto del oído coincidiendo con cambios de estrategias de comunicación reproductiva en bufónidos.

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