我科學(xué)家揭開脊椎動物從水生到陸生的演化之謎

登陸的早期脊椎動物復(fù)原圖 劉野繪

我國科學(xué)家通過基因組數(shù)據(jù)分析，揭示了古脊椎動物從水中登上陸地這一演化事件的歷程，解答了關(guān)鍵性的演化問題，找到古魚類在登陸之前已經(jīng)完成的關(guān)鍵性準(zhǔn)備，并確認(rèn)魚鰾起源自原始的肺，證明了達(dá)爾文關(guān)于肺和魚鰾關(guān)系的假說。這一重大成果最新發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上。

如何在不憑借水體浮力的情況下用魚鰭支撐身體運動，并從呼吸水中的氧轉(zhuǎn)為呼吸空氣中的氧……在從水生到陸生的演化過程中，脊椎動物有許多障礙需要克服?！瓣懙丶棺祫游锏钠鹪匆恢笔巧镅莼芯筷P(guān)注的重點。我們的祖先從水里來，這已經(jīng)是共識，但魚類在登陸過程中，身體結(jié)構(gòu)和生理功能都產(chǎn)生了大量適應(yīng)性變異，比如由魚鰭變?yōu)樗闹灾紊眢w運動，由鰓呼吸變?yōu)榉魏粑?。”論文第一作者、深圳華大生命科學(xué)研究院研究員畢旭鵬說。

雖然現(xiàn)生兩棲類被認(rèn)為是成功登陸的脊椎動物，但是最早上岸的“先遣隊”卻早已湮沒在歷史長河中。幸運的是，多鰭魚、鱘魚、弓鰭魚等現(xiàn)生水生物種還保留許多與“先遣隊”類似的生物學(xué)特征。例如，塞內(nèi)加爾多鰭魚擁有原始的肺，可以脫離水面存活一段時間，并且能夠在氧容量極低的環(huán)境中通過背部的噴水孔呼吸空氣?！斑@一研究從多鰭魚等遠(yuǎn)古孑遺動物入手，結(jié)合魚類解剖學(xué)、古生物學(xué)、比較基因組學(xué)等多學(xué)科交叉手段，揭示了脊椎動物從水生到陸生演化的相關(guān)遺傳基礎(chǔ)?！闭撐耐ㄓ嵶髡摺⑸钲谌A大生命科學(xué)研究院副院長、丹麥哥本哈根大學(xué)終身教授張國捷說。

“達(dá)爾文曾提出肺和魚鰾是同源器官的假說。我們從結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)上證明了這一假說，而且確認(rèn)了演化的先后順序，即魚鰾從原始的肺演化而來?！闭撐耐ㄓ嵶髡摺⒅袊茖W(xué)院古脊椎動物與古人類研究所研究員朱敏強(qiáng)調(diào)。“遠(yuǎn)古魚類的肺或魚鰾表面血管密布，這有助于氧的擴(kuò)散和運輸。而一些肺特異性表達(dá)基因在魚類祖先的體內(nèi)出現(xiàn)，則暗示著‘原肺’形成的分子基礎(chǔ)在魚類登陸前就已經(jīng)建立?！闭撐耐ㄓ嵶髡摺⑽鞅惫I(yè)大學(xué)教授王文進(jìn)一步解釋。

心肺系統(tǒng)協(xié)同演化對脊椎動物登陸相當(dāng)重要。從魚類的“一心房一心室”到人類的“兩心房兩心室”，心臟結(jié)構(gòu)趨于完善，功能變得復(fù)雜?！拔覀冋业搅伺c這一演化過程功能創(chuàng)新相關(guān)的遺傳證據(jù)，新發(fā)現(xiàn)的基因調(diào)控元件與人類心臟疾病有關(guān)?！痹趶垏菘磥恚谖锓N演化過程的比較分析，既為揭示生物復(fù)雜性狀的形成機(jī)制提供了重要手段，也為生物醫(yī)學(xué)研究提供了有力工具。（記者張蕾）