脊椎動(dòng)物登陸之謎

江泓

泥盆紀(jì)至石炭紀(jì)的兩棲動(dòng)物是最早的四足動(dòng)物

魚(yú)類(lèi)登陸早有準(zhǔn)備

魚(yú)類(lèi)登上陸地的過(guò)程似乎很簡(jiǎn)單，原本生活在水中的魚(yú)因?yàn)橐恍┨厥獾脑蚺郎狭岁懙兀罱K變成了四足動(dòng)物，也就是陸生脊椎動(dòng)物。在這個(gè)過(guò)程中，它們逐漸完成了呼吸系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)等部分適應(yīng)陸生生活的演化和改變。但是，事實(shí)真的如此簡(jiǎn)單嗎？

正在登上陸地的提塔利克魚(yú)，它是魚(yú)類(lèi)登陸過(guò)程中的代表

2021年2月，中國(guó)科學(xué)家在國(guó)際知名科學(xué)雜志《細(xì)胞》上連發(fā)兩篇論文，以基因組研究為基礎(chǔ)揭開(kāi)了魚(yú)類(lèi)登陸過(guò)程中的謎團(tuán)。

既然是要研究魚(yú)類(lèi)登陸，那當(dāng)然要從遠(yuǎn)古魚(yú)類(lèi)著手。我們?cè)谀哪苷业缴钤谀嗯杓o(jì)的魚(yú)呢？科學(xué)家找來(lái)了替代品，它們就是多鰭魚(yú)、匙吻鱘、弓鰭魚(yú)和鱷雀鱔，這些魚(yú)類(lèi)都是原始的輻鰭魚(yú)類(lèi)。在這4種現(xiàn)存的原始輻鰭魚(yú)類(lèi)當(dāng)中，多鰭魚(yú)最具代表性，它既能夠直接呼吸空氣，胸鰭中還有真正的骨頭，活脫脫就是一條正準(zhǔn)備登陸的魚(yú)。

現(xiàn)今生活在北美洲的鱷雀鱔

現(xiàn)今生活在非洲的多鰭魚(yú)

現(xiàn)今生活在非洲的肺魚(yú)

靈活四肢助登陸

科學(xué)家分析了多鰭魚(yú)的基因組，與四足動(dòng)物基因組進(jìn)行對(duì)比后驚訝發(fā)現(xiàn)，原來(lái)在它的基因中竟然具有控制四肢靈活性的功能元件，而這些元件成為四足動(dòng)物后來(lái)四肢演化發(fā)育的基因創(chuàng)新基礎(chǔ)。原來(lái)，早期硬骨魚(yú)類(lèi)的基因中存在四足動(dòng)物四肢發(fā)育的基礎(chǔ)，但是，它們的后代真骨魚(yú)類(lèi)卻沒(méi)有這類(lèi)基因，顯然是在后來(lái)的演化過(guò)程中丟失了。這一發(fā)現(xiàn)徹底顛覆了我們對(duì)于魚(yú)類(lèi)登陸的傳統(tǒng)認(rèn)知，原來(lái)控制四肢發(fā)育的基因在魚(yú)類(lèi)與四足動(dòng)物的共同祖先身上早就已經(jīng)存在，而非魚(yú)類(lèi)在登陸過(guò)程中突然出現(xiàn)的。

成功登陸 大口呼吸

與四肢發(fā)育存在相同情況的還有肺的演化。我們都知道魚(yú)想要離開(kāi)水到陸地上生活，必須要克服的困難就是直接呼吸空氣，想要呼吸空氣就必須有肺才行。于是人們又想當(dāng)然地認(rèn)為肺是魚(yú)類(lèi)登陸過(guò)程中出現(xiàn)的。在魚(yú)類(lèi)體內(nèi)存在魚(yú)鰾結(jié)構(gòu)，其中充滿氣體之后可以調(diào)節(jié)身體在水中的上浮和下潛，相當(dāng)神奇。今天的一些魚(yú)類(lèi)，其魚(yú)鰾偶爾也可以用于呼吸空氣，所以肺理所應(yīng)當(dāng)是由魚(yú)鰾演變而來(lái)的。進(jìn)化論之父達(dá)爾文在思考了魚(yú)類(lèi)的魚(yú)鰾和四足動(dòng)物的肺之后，大膽提出魚(yú)鰾和肺是同源器官的假說(shuō)。中國(guó)科學(xué)家的研究證明了這一假說(shuō)，早期的硬骨魚(yú)類(lèi)身上存在著“原肺”，這個(gè)器官在四足動(dòng)物身上變成了肺，而在魚(yú)類(lèi)的身上變成了魚(yú)鰾。

中國(guó)科學(xué)家通過(guò)基因組研究證明了魚(yú)類(lèi)與四足動(dòng)物的共同祖先身上就已經(jīng)具有了四肢和肺的遺傳創(chuàng)新基礎(chǔ)，所以魚(yú)類(lèi)登陸絕非偶然，而是早有預(yù)謀且做了充足準(zhǔn)備的。

破譯超強(qiáng)基因組

無(wú)論是原始的輻鰭魚(yú)類(lèi)，還是后來(lái)的真骨魚(yú)類(lèi)，都沒(méi)能擺脫對(duì)水的依賴(lài)，相反是與它們有著共同祖先的肉鰭魚(yú)類(lèi)最終演化出了四足動(dòng)物，完成了登陸的壯舉。當(dāng)科學(xué)家確定了魚(yú)類(lèi)必將登陸之后，下一步就是探索魚(yú)類(lèi)在登陸過(guò)程中基因如何創(chuàng)新，將理想最終變成現(xiàn)實(shí)。

新的研究對(duì)象不再是輻鰭魚(yú)類(lèi)，而是與四足動(dòng)物有著最近親緣關(guān)系的肺魚(yú)。肺魚(yú)屬于肉鰭魚(yú)類(lèi)，它并不是真長(zhǎng)出了肺，而是靠魚(yú)鰾呼吸空氣，這種魚(yú)在身體結(jié)構(gòu)、生理和行為等方面都接近兩棲動(dòng)物，是一條“非主流”的魚(yú)。

通過(guò)對(duì)肺魚(yú)基因組的解析和研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)魚(yú)類(lèi)登陸過(guò)程中，肺部的演化經(jīng)歷了三步走：第一步是先擁有呼吸空氣能力的原始基因;第二步是獲得呼吸空氣的更多基因和結(jié)構(gòu);第三步是出現(xiàn)真正能夠呼吸空氣的器官——肺。這三步走分別發(fā)生在硬骨魚(yú)類(lèi)祖先、肉鰭魚(yú)類(lèi)和早期四足動(dòng)物階段，表現(xiàn)則是呼吸空氣的能力不斷加強(qiáng)。除了關(guān)于呼吸系統(tǒng)的研究，通過(guò)解析肺魚(yú)基因組，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)四肢上的五指形態(tài)是在四足動(dòng)物出現(xiàn)后形成的，四足動(dòng)物還從祖先那里繼承了更強(qiáng)的抗焦慮能力，這便是在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)上的改變。

中國(guó)科學(xué)家在魚(yú)類(lèi)登陸方向上的研究揭開(kāi)了這一生命演化重大事件背后的真相，原來(lái)在魚(yú)類(lèi)與四足動(dòng)物的共同祖先身上早就為登上陸地打下基礎(chǔ)。與其說(shuō)我們是一群獨(dú)特的魚(yú)，倒不如說(shuō)今天的魚(yú)類(lèi)已經(jīng)“忘了本”。研究同時(shí)也標(biāo)志著中國(guó)在超大基因組解析方面已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際頂尖水平，是中國(guó)科技科研能力的又一個(gè)代表。在未來(lái)，憑借著強(qiáng)大的基因組解析和研究能力，中國(guó)科學(xué)家必將揭開(kāi)更多地球生命演化之謎！

（責(zé)任編輯/黃盈盈 美術(shù)編輯/周游）