脊椎动物登陆之谜

江泓

泥盆纪至石炭纪的两栖动物是最早的四足动物

鱼类登陆早有准备

鱼类登上陆地的过程似乎很简单，原本生活在水中的鱼因为一些特殊的原因爬上了陆地，最终变成了四足动物，也就是陆生脊椎动物。在这个过程中，它们逐渐完成了呼吸系统、运动系统和神经系统等部分适应陆生生活的演化和改变。但是，事实真的如此简单吗？

正在登上陆地的提塔利克鱼，它是鱼类登陆过程中的代表

2021年2月，中國科学家在国际知名科学杂志《细胞》上连发两篇论文，以基因组研究为基础揭开了鱼类登陆过程中的谜团。

既然是要研究鱼类登陆，那当然要从远古鱼类着手。我们在哪能找到生活在泥盆纪的鱼呢？科学家找来了替代品，它们就是多鳍鱼、匙吻鲟、弓鳍鱼和鳄雀鳝，这些鱼类都是原始的辐鳍鱼类。在这4种现存的原始辐鳍鱼类当中，多鳍鱼最具代表性，它既能够直接呼吸空气，胸鳍中还有真正的骨头，活脱脱就是一条正准备登陆的鱼。

现今生活在北美洲的鳄雀鳝

现今生活在非洲的多鳍鱼

现今生活在非洲的肺鱼

灵活四肢助登陆

科学家分析了多鳍鱼的基因组，与四足动物基因组进行对比后惊讶发现，原来在它的基因中竟然具有控制四肢灵活性的功能元件，而这些元件成为四足动物后来四肢演化发育的基因创新基础。原来，早期硬骨鱼类的基因中存在四足动物四肢发育的基础，但是，它们的后代真骨鱼类却没有这类基因，显然是在后来的演化过程中丢失了。这一发现彻底颠覆了我们对于鱼类登陆的传统认知，原来控制四肢发育的基因在鱼类与四足动物的共同祖先身上早就已经存在，而非鱼类在登陆过程中突然出现的。

成功登陆 大口呼吸

与四肢发育存在相同情况的还有肺的演化。我们都知道鱼想要离开水到陆地上生活，必须要克服的困难就是直接呼吸空气，想要呼吸空气就必须有肺才行。于是人们又想当然地认为肺是鱼类登陆过程中出现的。在鱼类体内存在鱼鳔结构，其中充满气体之后可以调节身体在水中的上浮和下潜，相当神奇。今天的一些鱼类，其鱼鳔偶尔也可以用于呼吸空气，所以肺理所应当是由鱼鳔演变而来的。进化论之父达尔文在思考了鱼类的鱼鳔和四足动物的肺之后，大胆提出鱼鳔和肺是同源器官的假说。中国科学家的研究证明了这一假说，早期的硬骨鱼类身上存在着“原肺”，这个器官在四足动物身上变成了肺，而在鱼类的身上变成了鱼鳔。

中国科学家通过基因组研究证明了鱼类与四足动物的共同祖先身上就已经具有了四肢和肺的遗传创新基础，所以鱼类登陆绝非偶然，而是早有预谋且做了充足准备的。

破译超强基因组

无论是原始的辐鳍鱼类，还是后来的真骨鱼类，都没能摆脱对水的依赖，相反是与它们有着共同祖先的肉鳍鱼类最终演化出了四足动物，完成了登陆的壮举。当科学家确定了鱼类必将登陆之后，下一步就是探索鱼类在登陆过程中基因如何创新，将理想最终变成现实。

新的研究对象不再是辐鳍鱼类，而是与四足动物有着最近亲缘关系的肺鱼。肺鱼属于肉鳍鱼类，它并不是真长出了肺，而是靠鱼鳔呼吸空气，这种鱼在身体结构、生理和行为等方面都接近两栖动物，是一条“非主流”的鱼。

通过对肺鱼基因组的解析和研究，科学家发现鱼类登陆过程中，肺部的演化经历了三步走：第一步是先拥有呼吸空气能力的原始基因;第二步是获得呼吸空气的更多基因和结构;第三步是出现真正能够呼吸空气的器官——肺。这三步走分别发生在硬骨鱼类祖先、肉鳍鱼类和早期四足动物阶段，表现则是呼吸空气的能力不断加强。除了关于呼吸系统的研究，通过解析肺鱼基因组，科学家还发现四肢上的五指形态是在四足动物出现后形成的，四足动物还从祖先那里继承了更强的抗焦虑能力，这便是在运动系统和神经系统上的改变。

中国科学家在鱼类登陆方向上的研究揭开了这一生命演化重大事件背后的真相，原来在鱼类与四足动物的共同祖先身上早就为登上陆地打下基础。与其说我们是一群独特的鱼，倒不如说今天的鱼类已经“忘了本”。研究同时也标志着中国在超大基因组解析方面已经达到了国际顶尖水平，是中国科技科研能力的又一个代表。在未来，凭借着强大的基因组解析和研究能力，中国科学家必将揭开更多地球生命演化之谜！

（责任编辑/黄盈盈 美术编辑/周游）