人類(lèi)的祖先從水里而來(lái)，但脊椎動(dòng)物“從魚(yú)到人”的演化歷史還存在大量缺失的篇章。比如，從硬骨魚(yú)到陸生脊椎動(dòng)物，其中的分子遺傳機(jī)制到底是什么？這一直是科學(xué)界懸而未決的重大問(wèn)題。
最近，這一難題有了新解。研究人員在橫跨億年存活的原始輻鰭魚(yú)身上找到了“登陸”的謎底。
中國(guó)科學(xué)院武漢水生生物研究所、深圳華大基因研究院、西北工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所、丹麥哥本哈根大學(xué)等單位的科研人員聯(lián)合公布了早期輻鰭魚(yú)類(lèi)——多鰭魚(yú)、匙吻鱘、弓鰭魚(yú)和鱷雀鱔的基因組研究結(jié)果。這項(xiàng)通過(guò)比較解剖學(xué)、古生物學(xué)、比較基因組學(xué)、演化生物學(xué)、計(jì)算生物學(xué)等多學(xué)科交叉研究的成果，2月5日在線(xiàn)發(fā)表于《細(xì)胞》。
硬骨魚(yú)祖先擁有“登陸”的遺傳基礎(chǔ)
硬骨魚(yú)類(lèi)是脊椎動(dòng)物演化樹(shù)上的主干，它很早就分化出了兩大支系——肉鰭魚(yú)類(lèi)和輻鰭魚(yú)類(lèi)，它們分別征服了地球的陸地和水域。肉鰭魚(yú)類(lèi)開(kāi)始登上陸地后，演化出了包括人類(lèi)在內(nèi)的所有陸地脊椎動(dòng)物，也就是四足動(dòng)物。
在脊椎動(dòng)物從水生到陸生的過(guò)程中有許多障礙需要克服，其中兩個(gè)重要問(wèn)題就是如何在缺少水體浮力的情況下支撐身體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，以及如何呼吸空氣中的氧。
“我們發(fā)現(xiàn)，四足動(dòng)物克服這些障礙所需的部分生物學(xué)特征其實(shí)在早期硬骨魚(yú)類(lèi)中就已經(jīng)產(chǎn)生，而多鰭魚(yú)、鱘魚(yú)、弓鰭魚(yú)、雀鱔等較早起源的原始輻鰭魚(yú)類(lèi)里也保留了這些硬骨魚(yú)祖先的特征。”論文主要通訊作者、中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所客座研究員、深圳華大基因研究院研究員張國(guó)捷告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
特別是多鰭魚(yú)，它擁有原始的用來(lái)呼吸空氣的肺，可以在溶氧量極低的水中通過(guò)背部的噴水孔吸入空氣，甚至離水存活一段時(shí)間。在運(yùn)動(dòng)方面，多鰭魚(yú)還擁有肌肉和內(nèi)骨骼支撐的胸鰭柄，可以在水底爬行。
為“登陸”服務(wù)的古老基因和調(diào)控元件
在此基礎(chǔ)上，研究人員解析了高質(zhì)量染色體級(jí)別的多鰭魚(yú)基因組以及其他三種原始輻鰭魚(yú)的基因組的基礎(chǔ)上，初步驗(yàn)證了原始輻鰭魚(yú)具備與“登陸”有關(guān)的遺傳機(jī)制。
張國(guó)捷介紹，這些遠(yuǎn)古魚(yú)類(lèi)的嗅覺(jué)感受器中同時(shí)存在著兩種類(lèi)型的嗅覺(jué)受體，除了具有魚(yú)類(lèi)都擁有檢測(cè)水溶性分子的嗅覺(jué)受體之外，還具有能夠檢測(cè)空氣分子的嗅覺(jué)受體。這與它們能在水面外進(jìn)行空氣呼吸的能力相一致。
而且，研究人員通過(guò)比較多物種基因表達(dá)譜發(fā)現(xiàn)，一些肺特異性表達(dá)的基因在魚(yú)的祖先中已經(jīng)出現(xiàn)，這就暗示著“原肺”形成的分子基礎(chǔ)在硬骨魚(yú)祖先中已經(jīng)存在。
同時(shí)，通過(guò)原始輻鰭魚(yú)類(lèi)基因組序列與各種有頜脊椎動(dòng)物基因組的比較研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，許多四足動(dòng)物中調(diào)節(jié)四肢發(fā)育的基因調(diào)控元件在原始輻鰭魚(yú)類(lèi)中已經(jīng)存在。張國(guó)捷解釋?zhuān)渲幸粋€(gè)超級(jí)保守的基因調(diào)控元件可以調(diào)控Osr2基因在滑膜關(guān)節(jié)的表達(dá)，這一結(jié)構(gòu)的存在，增加了骨骼運(yùn)動(dòng)的靈活性，為后期登陸爬行的演化奠定了基礎(chǔ)。
值得注意的是，脊椎動(dòng)物演化過(guò)程中心臟和呼吸系統(tǒng)的協(xié)同演化發(fā)揮著重要作用。研究人員驚喜地找到了一個(gè)影響心臟發(fā)育和功能的古老調(diào)控元件，實(shí)驗(yàn)證明如果失去它，脊椎動(dòng)物可能面臨心臟發(fā)育不全以及先天性死亡的風(fēng)險(xiǎn)。而這個(gè)重要的元件可以追溯到硬骨魚(yú)的共同祖先。
“這項(xiàng)研究不僅揭示了陸生脊椎動(dòng)物起源的生理及分子機(jī)制，也在分子水平證明了許多脊椎動(dòng)物重要器官的同源關(guān)系。”張國(guó)捷強(qiáng)調(diào)。
“經(jīng)過(guò)上億年的演化，這樣的基因和調(diào)控機(jī)制依然存在，證明它們對(duì)生物體非常重要。”在他看來(lái)，找到這些保守的基因，無(wú)論是對(duì)研究演化生物學(xué)上的遺傳機(jī)制，還是研究人類(lèi)某些疾病產(chǎn)生的機(jī)理，都很有意義。
【免責(zé)聲明】本文轉(zhuǎn)載自網(wǎng)絡(luò)，與科技網(wǎng)無(wú)關(guān)。科技網(wǎng)站對(duì)文中陳述、觀(guān)點(diǎn)判斷保持中立，不對(duì)所包含內(nèi)容的準(zhǔn)確性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保證。請(qǐng)讀者僅作參考，并請(qǐng)自行承擔(dān)全部責(zé)任。