人類的祖先從水里而來，但脊椎動物“從魚到人”的演化歷史還存在大量缺失的篇章。比如，從硬骨魚到陸生脊椎動物，其中的分子遺傳機(jī)制到底是什么？這一直是科學(xué)界懸而未決的重大問題。

最近，這一難題有了新解。研究人員在橫跨億年存活的原始輻鰭魚身上找到了“登陸”的謎底。

中國科學(xué)院武漢水生生物研究所、深圳華大基因研究院、西北工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所、丹麥哥本哈根大學(xué)等單位的科研人員聯(lián)合公布了早期輻鰭魚類——多鰭魚、匙吻鱘、弓鰭魚和鱷雀鱔的基因組研究結(jié)果。這項(xiàng)通過比較解剖學(xué)、古生物學(xué)、比較基因組學(xué)、演化生物學(xué)、計算生物學(xué)等多學(xué)科交叉研究的成果，2月5日在線發(fā)表于《細(xì)胞》。

硬骨魚祖先擁有“登陸”的遺傳基礎(chǔ)

硬骨魚類是脊椎動物演化樹上的主干，它很早就分化出了兩大支系——肉鰭魚類和輻鰭魚類，它們分別征服了地球的陸地和水域。肉鰭魚類開始登上陸地后，演化出了包括人類在內(nèi)的所有陸地脊椎動物，也就是四足動物。

在脊椎動物從水生到陸生的過程中有許多障礙需要克服，其中兩個重要問題就是如何在缺少水體浮力的情況下支撐身體進(jìn)行運(yùn)動，以及如何呼吸空氣中的氧。

“我們發(fā)現(xiàn)，四足動物克服這些障礙所需的部分生物學(xué)特征其實(shí)在早期硬骨魚類中就已經(jīng)產(chǎn)生，而多鰭魚、鱘魚、弓鰭魚、雀鱔等較早起源的原始輻鰭魚類里也保留了這些硬骨魚祖先的特征?！闭撐闹饕ㄓ嵶髡?、中國科學(xué)院昆明動物研究所客座研究員、深圳華大基因研究院研究員張國捷告訴《中國科學(xué)報》。

特別是多鰭魚，它擁有原始的用來呼吸空氣的肺，可以在溶氧量極低的水中通過背部的噴水孔吸入空氣，甚至離水存活一段時間。在運(yùn)動方面，多鰭魚還擁有肌肉和內(nèi)骨骼支撐的胸鰭柄，可以在水底爬行。

為“登陸”服務(wù)的古老基因和調(diào)控元件

在此基礎(chǔ)上，研究人員解析了高質(zhì)量染色體級別的多鰭魚基因組以及其他三種原始輻鰭魚的基因組的基礎(chǔ)上，初步驗(yàn)證了原始輻鰭魚具備與“登陸”有關(guān)的遺傳機(jī)制。

張國捷介紹，這些遠(yuǎn)古魚類的嗅覺感受器中同時存在著兩種類型的嗅覺受體，除了具有魚類都擁有檢測水溶性分子的嗅覺受體之外，還具有能夠檢測空氣分子的嗅覺受體。這與它們能在水面外進(jìn)行空氣呼吸的能力相一致。

而且，研究人員通過比較多物種基因表達(dá)譜發(fā)現(xiàn)，一些肺特異性表達(dá)的基因在魚的祖先中已經(jīng)出現(xiàn)，這就暗示著“原肺”形成的分子基礎(chǔ)在硬骨魚祖先中已經(jīng)存在。

同時，通過原始輻鰭魚類基因組序列與各種有頜脊椎動物基因組的比較研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，許多四足動物中調(diào)節(jié)四肢發(fā)育的基因調(diào)控元件在原始輻鰭魚類中已經(jīng)存在。張國捷解釋，其中一個超級保守的基因調(diào)控元件可以調(diào)控Osr2基因在滑膜關(guān)節(jié)的表達(dá)，這一結(jié)構(gòu)的存在，增加了骨骼運(yùn)動的靈活性，為后期登陸爬行的演化奠定了基礎(chǔ)。

值得注意的是，脊椎動物演化過程中心臟和呼吸系統(tǒng)的協(xié)同演化發(fā)揮著重要作用。研究人員驚喜地找到了一個影響心臟發(fā)育和功能的古老調(diào)控元件，實(shí)驗(yàn)證明如果失去它，脊椎動物可能面臨心臟發(fā)育不全以及先天性死亡的風(fēng)險。而這個重要的元件可以追溯到硬骨魚的共同祖先。

“這項(xiàng)研究不僅揭示了陸生脊椎動物起源的生理及分子機(jī)制，也在分子水平證明了許多脊椎動物重要器官的同源關(guān)系?！睆垏輳?qiáng)調(diào)。

“經(jīng)過上億年的演化，這樣的基因和調(diào)控機(jī)制依然存在，證明它們對生物體非常重要?！痹谒磥?，找到這些保守的基因，無論是對研究演化生物學(xué)上的遺傳機(jī)制，還是研究人類某些疾病產(chǎn)生的機(jī)理，都很有意義。

圖中展示了原始輻鰭魚已經(jīng)具備大量陸生特性相關(guān)的關(guān)鍵基因組元件。（課題組提供）



關(guān)注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復(fù)【最新活動】，了解近期科普活動
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復(fù)【研學(xué)營】，了解最新科普研學(xué)營
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識