我科學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原圖 劉野繪

 我國科學家通過基因組數據分析，揭示了古脊椎動物從水中登上陸地這一演化事件的歷程，解答了關鍵性的演化問題，找到古魚類在登陸之前已經完成的關鍵性准備，並確認魚鰾起源自原始的肺，証明了達爾文關於肺和魚鰾關系的假說。這一重大成果最新發表在學術期刊《細胞》上。

如何在不憑借水體浮力的情況下用魚鰭支撐身體運動，並從呼吸水中的氧轉為呼吸空氣中的氧……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。“陸地脊椎動物的起源一直是生物演化研究關注的重點。我們的祖先從水裡來，這已經是共識，但魚類在登陸過程中，身體結構和生理功能都產生了大量適應性變異，比如由魚鰭變為四肢以支撐身體運動，由鰓呼吸變為肺呼吸等。”論文第一作者、深圳華大生命科學研究院研究員畢旭鵬說。

雖然現生兩棲類被認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、弓鰭魚等現生水生物種還保留許多與“先遣隊”類似的生物學特征。例如，塞內加爾多鰭魚擁有原始的肺，可以脫離水面存活一段時間，並且能夠在氧容量極低的環境中通過背部的噴水孔呼吸空氣。“這一研究從多鰭魚等遠古孑遺動物入手，結合魚類解剖學、古生物學、比較基因組學等多學科交叉手段，揭示了脊椎動物從水生到陸生演化的相關遺傳基礎。”論文通訊作者、深圳華大生命科學研究院副院長、丹麥哥本哈根大學終身教授張國捷說。

“達爾文曾提出肺和魚鰾是同源器官的假說。我們從結構和基因表達上証明了這一假說，而且確認了演化的先后順序，即魚鰾從原始的肺演化而來。”論文通訊作者、中國科學院古脊椎動物與古人類研究所研究員朱敏強調。“遠古魚類的肺或魚鰾表面血管密布，這有助於氧的擴散和運輸。而一些肺特異性表達基因在魚類祖先的體內出現，則暗示著‘原肺’形成的分子基礎在魚類登陸前就已經建立。”論文通訊作者、西北工業大學教授王文進一步解釋。

心肺系統協同演化對脊椎動物登陸相當重要。從魚類的“一心房一心室”到人類的“兩心房兩心室”，心臟結構趨於完善，功能變得復雜。“我們找到了與這一演化過程功能創新相關的遺傳証據，新發現的基因調控元件與人類心臟疾病有關。”在張國捷看來，基於物種演化過程的比較分析，既為揭示生物復雜性狀的形成機制提供了重要手段，也為生物醫學研究提供了有力工具。（張蕾）