先有肺后有鳔 我国科学家揭秘古鱼类如何登上陆地

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2月5日,深圳华大生命科学研究院、中国科学院武汉水生生物研究所、西北工业大学、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所等单位,联合公布早期辐鳍鱼类的基因组研究成果,并首次通过多鳍鱼、匙吻鲟、弓鳍鱼和鳄雀鳝的全基因组数据研究,揭示了古脊椎动物从水中登上陆地这一演化事件历程,还找到了古鱼类在登陆之前已经完成的关键性准备。相关成果已在国际顶级学术期刊《细胞》(Cell)杂志上发表。

登陆的早期脊椎动物复原图

“陆地脊椎动物的起源一直是生物演化研究所重点关注的问题。”论文第一作者,深圳华大生命科学研究院的研究员毕旭鹏介绍说,我们的祖先从水里来,这已经是共识。但鱼类登上陆地过程中,身体结构和生理功能上产生了大量的适应性变异,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。

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”们,却早已淹没在历史的长河中。幸运的是,在一些现生水生物种中还保留着许多与这些先遣队类似的生物学特征。比如塞内加尔多鳍鱼,其又称作“恐龙鳗”或者“恐龙鱼”,由于它们最早在非洲被发现,长着锯齿状的背鳍并且形态上与鳗鱼有些相似,所以才一度有此称呼。但是这种称呼并不准确,因为它们既不是鳗鱼也不是恐龙。

毕旭鹏称,多鳍鱼的身体结构拥有一些原始形态,与鲟鱼、弓鳍鱼、雀鳝、肺鱼等同为从远古留下来的类群。多鳍鱼有原始的肺,可以在脱离水面存活一段时间,并且在氧容量极低的环境中可以通过背部的喷水孔呼吸空气。此外,多鳍鱼也与空棘鱼相似,拥有肉质柄的胸鳍可以帮助它们在水底爬行。

脊椎动物从水生到陆生的演化过程中有许多障碍需要克服,其中两个比较有重要的问题:一是如何在不凭借水体浮力的情况下用鱼鳍支撑身体进行运动,二是如何把呼吸水中的氧转变成为呼吸空气中的氧。

论文的主要通讯作者,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的张国捷教授表示,最早登陆的四足物种早已灭绝,我们无法通过这些物种获知相关遗传信息。不过幸运的是,与脊椎动物水生到陆生转变之前相关功能在部分现生鱼类中还能够找到部分演化痕迹。这一研究从多鳍鱼、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,揭示了脊椎动物从水生到陆生演化的相关遗传基础。

据介绍,这些鱼是辐鳍鱼里较早分化出来的类群,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,后者包括了今天我们所知的大多数鱼类。

“特别是古代鱼的多鳍鱼。”论文共同通讯作者之一、中国科学院水生生物研究所的何舜平教授说,塞内加尔多鳍鱼具有多达8个棘状背鳍,最让人惊讶的是,它们具有原始的肺,能够呼吸空气。

“达尔文就曾提出的肺和鱼鳔是同源器官的假说。”该论文的另一位通讯作者,中科院古脊椎动物与古人类研究所的朱敏研究员指出,这一工作从结构上和基因表达上证明了这一假说,而且我们确认了它们演化的先后顺序——鱼鳔从原始的肺演化而来。

“这也解释了在这些远古鱼类里的肺或者鱼鳔表面为何密布血管,从而有助于氧的扩散和运输。”通讯作者之一、西北工业大学的王文教授进一步解释说,一些肺特异性表达的基因,也在软骨鱼的祖先就已经出现,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,心脏结构趋向于完善,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,并且新发现的一个基因调控元件与人类心脏疾病相关。”张国捷补充道,而能够增加骨骼运动灵活性的滑膜关节也已经在早期鱼类中存在。调控这些功能相关的遗传基础比我们之前认为的要起源更早,这些祖先调控网络的进一步完善,为后期脊椎动物登陆所需要的功能演化提供了重要遗传基础。

编辑 吴徐美 审读 刘春生 审核 党毅浩

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