我科学家揭开脊椎动物从水生到陆生的演化之谜

(登陆的早期脊椎动物复原图 刘野绘)

我国科学家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的历程，解答了关键性的演化问题，找到古鱼类在登陆之前已经完成的关键性准备，并确认鱼鳔起源自原始的肺，证明了达尔文关于肺和鱼鳔关系的假说。这一重大成果最新发表在学术期刊《细胞》上。

如何在不凭借水体浮力的情况下用鱼鳍支撑身体运动，并从呼吸水中的氧转为呼吸空气中的氧……在从水生到陆生的演化过程中，脊椎动物有许多障碍需要克服。“陆地脊椎动物的起源一直是生物演化研究关注的重点。我们的祖先从水里来，这已经是共识，但鱼类在登陆过程中，身体结构和生理功能都产生了大量适应性变异，比如由鱼鳍变为四肢以支撑身体运动，由鳃呼吸变为肺呼吸等。”论文第一作者、深圳华大生命科学研究院研究员毕旭鹏说。

虽然现生两栖类被认为是成功登陆的脊椎动物，但是最早上岸的“先遣队”却早已湮没在历史长河中。幸运的是，多鳍鱼、鲟鱼、弓鳍鱼等现生水生物种还保留许多与“先遣队”类似的生物学特征。例如，塞内加尔多鳍鱼拥有原始的肺，可以脱离水面存活一段时间，并且能够在氧容量极低的环境中通过背部的喷水孔呼吸空气。“这一研究从多鳍鱼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，揭示了脊椎动物从水生到陆生演化的相关遗传基础。”论文通讯作者、深圳华大生命科学研究院副院长、丹麦哥本哈根大学终身教授张国捷说。

“达尔文曾提出肺和鱼鳔是同源器官的假说。我们从结构和基因表达上证明了这一假说，而且确认了演化的先后顺序，即鱼鳔从原始的肺演化而来。”论文通讯作者、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员朱敏强调。“远古鱼类的肺或鱼鳔表面血管密布，这有助于氧的扩散和运输。而一些肺特异性表达基因在鱼类祖先的体内出现，则暗示着‘原肺’形成的分子基础在鱼类登陆前就已经建立。”论文通讯作者、西北工业大学教授王文进一步解释。

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”到人类的“两心房两心室”，心脏结构趋于完善，功能变得复杂。“我们找到了与这一演化过程功能创新相关的遗传证据，新发现的基因调控元件与人类心脏疾病有关。”在张国捷看来，基于物种演化过程的比较分析，既为揭示生物复杂性状的形成机制提供了重要手段，也为生物医学研究提供了有力工具。