脊椎動物登陸之謎

江泓

泥盆紀至石炭紀的兩棲動物是最早的四足動物

魚類登陸早有準備

魚類登上陸地的過程似乎很簡單，原本生活在水中的魚因為一些特殊的原因爬上了陸地，最終變成了四足動物，也就是陸生脊椎動物。在這個過程中，它們逐漸完成了呼吸系統、運動系統和神經系統等部分適應陸生生活的演化和改變。但是，事實真的如此簡單嗎？

正在登上陸地的提塔利克魚，它是魚類登陸過程中的代表

2021年2月，中國科學家在國際知名科學雜志《細胞》上連發兩篇論文，以基因組研究為基礎揭開了魚類登陸過程中的謎團。

既然是要研究魚類登陸，那當然要從遠古魚類著手。我們在哪能找到生活在泥盆紀的魚呢？科學家找來了替代品，它們就是多鰭魚、匙吻鱘、弓鰭魚和鱷雀鱔，這些魚類都是原始的輻鰭魚類。在這4種現存的原始輻鰭魚類當中，多鰭魚最具代表性，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備登陸的魚。

現今生活在北美洲的鱷雀鱔

現今生活在非洲的多鰭魚

現今生活在非洲的肺魚

靈活四肢助登陸

科學家分析了多鰭魚的基因組，與四足動物基因組進行對比后驚訝發現，原來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物后來四肢演化發育的基因創新基礎。原來，早期硬骨魚類的基因中存在四足動物四肢發育的基礎，但是，它們的后代真骨魚類卻沒有這類基因，顯然是在后來的演化過程中丟失了。這一發現徹底顛覆了我們對于魚類登陸的傳統認知，原來控制四肢發育的基因在魚類與四足動物的共同祖先身上早就已經存在，而非魚類在登陸過程中突然出現的。

成功登陸 大口呼吸

與四肢發育存在相同情況的還有肺的演化。我們都知道魚想要離開水到陸地上生活，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。于是人們又想當然地認為肺是魚類登陸過程中出現的。在魚類體內存在魚鰾結構，其中充滿氣體之后可以調節身體在水中的上浮和下潛，相當神奇。今天的一些魚類，其魚鰾偶爾也可以用于呼吸空氣，所以肺理所應當是由魚鰾演變而來的。進化論之父達爾文在思考了魚類的魚鰾和四足動物的肺之后，大膽提出魚鰾和肺是同源器官的假說。中國科學家的研究證明了這一假說，早期的硬骨魚類身上存在著“原肺”，這個器官在四足動物身上變成了肺，而在魚類的身上變成了魚鰾。

中國科學家通過基因組研究證明了魚類與四足動物的共同祖先身上就已經具有了四肢和肺的遺傳創新基礎，所以魚類登陸絕非偶然，而是早有預謀且做了充足準備的。

破譯超強基因組

無論是原始的輻鰭魚類，還是后來的真骨魚類，都沒能擺脫對水的依賴，相反是與它們有著共同祖先的肉鰭魚類最終演化出了四足動物，完成了登陸的壯舉。當科學家確定了魚類必將登陸之后，下一步就是探索魚類在登陸過程中基因如何創新，將理想最終變成現實。

新的研究對象不再是輻鰭魚類，而是與四足動物有著最近親緣關系的肺魚。肺魚屬于肉鰭魚類，它并不是真長出了肺，而是靠魚鰾呼吸空氣，這種魚在身體結構、生理和行為等方面都接近兩棲動物，是一條“非主流”的魚。

通過對肺魚基因組的解析和研究，科學家發現魚類登陸過程中，肺部的演化經歷了三步走：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構;第三步是出現真正能夠呼吸空氣的器官——肺。這三步走分別發生在硬骨魚類祖先、肉鰭魚類和早期四足動物階段，表現則是呼吸空氣的能力不斷加強。除了關于呼吸系統的研究，通過解析肺魚基因組，科學家還發現四肢上的五指形態是在四足動物出現后形成的，四足動物還從祖先那里繼承了更強的抗焦慮能力，這便是在運動系統和神經系統上的改變。

中國科學家在魚類登陸方向上的研究揭開了這一生命演化重大事件背后的真相，原來在魚類與四足動物的共同祖先身上早就為登上陸地打下基礎。與其說我們是一群獨特的魚，倒不如說今天的魚類已經“忘了本”。研究同時也標志著中國在超大基因組解析方面已經達到了國際頂尖水平，是中國科技科研能力的又一個代表。在未來，憑借著強大的基因組解析和研究能力，中國科學家必將揭開更多地球生命演化之謎！

（責任編輯/黃盈盈 美術編輯/周游）