我国科学家揭示脊椎动物从水生到陆生的演化之谜

“古代鱼”已会爬行和呼吸空气

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鱼类演化示意图。 （毕旭鹏等绘制）

       本报讯 （首席记者许琦敏）我国科学家组成的联合研究团队通过基因组数据分析揭示了古脊椎动物从水中登上陆地这一演化事件历程，并解答了关键性的演化问题，找到了古鱼类在登陆之前已经完成的关键性准备。国际顶级学术期刊《细胞》杂志日前发表了这一重量级成果。
      
       “我们的鱼类祖先如何登陆？相关结构生理功能又是如何形成的？这些都是研究脊椎动物，包括人类演化历史的关键问题。”论文第一作者、中国科学院水生生物研究所客座研究员、深圳华大生命科学研究院研究员毕旭鹏说，鱼类在登上陆地的过程中，身体结构和生理功能上产生了大量适应性变异，比如由鱼鳍变为四肢，以支撑身体进行运动，由鳃呼吸变为肺呼吸等。
      
       然而，最早登陆的四足物种早已灭绝，人们无法通过这些物种获知相关遗传信息。幸运的是，与脊椎动物水生到陆生转变之前相关的功能，还能在部分现生鱼类中找到部分演化痕迹。
      
       该研究从多鳍鱼、鲟鱼、弓鳍鱼、雀鳝等远古孑遗动物入手，结合鱼类解剖学、古生物学、比较基因组学等多学科交叉手段，揭示出脊椎动物从水生到陆生演化的相关遗传基础。
      
       上述鱼类被统称为 “古代鱼”，也是硬骨鱼类的早期分支，在演化上要早于我们所熟知的真骨鱼类（真骨鱼类包含了今天我们所知的大多数鱼类）。
      
       论文共同通讯作者之一、中科院水生生物研究所教授何舜平说，最让人惊讶的是，古代鱼中的多鳍鱼，竟然具有原始的肺，能够呼吸空气。
      
       “达尔文就曾提出‘肺和鱼鳔是同源器官’的假说。”该论文另一位通讯作者、中科院古脊椎动物与古人类研究所研究员朱敏指出，此项研究从结构和基因表达上证明了这一假说，而且确认了鱼鳔是从原始的肺演化而来，即“先有肺，后有鳔”。
      
       “这也解释了为何这些远古鱼类里的肺或鱼鳔表面会密布血管，因为这有助于氧的扩散和运输。”论文另一位通讯作者、西北工业大学教授王文进一步解释，一些肺特异性表达的基因在软骨鱼的祖先中就已出现，这也暗示着“原肺”形成的分子基础在鱼类登陆前就已经建立。
      
       心肺系统协同演化对脊椎动物登陆相当重要。从鱼类的一心房一心室再到人的两心房两心室，心脏结构趋于完善，而功能也变得更加复杂。“我们找到了这一演化过程产生的功能创新相关遗传证据，新发现的一个基因调控元件还与人类的心脏疾病相关。”论文主要通讯作者，深圳华大生命科学研究院、中国科学院昆明动物研究所及丹麦哥本哈根大学教授张国捷说。
      
       此外，能够增加骨骼运动灵活性的滑膜关节在早期鱼类中也已存在。调控这些功能相关的遗传基础，比科学家之前认为的起源更早——鱼类祖先拥有的这些调控网络在进一步完善后，为后来脊椎动物登陆所需要的功能演化提供了重要遗传基础。
      
       该研究不仅揭示了陆生脊椎动物起源的生理及分子机制，同时在分子水平上揭示了许多脊椎动物重要器官的同源关系。研究还表明，一些早已存在的基因调控机制为演化过程新性状的出现提供了遗传基础，为后续的跨越式演化提供了重要的功能基础。