原來進(jìn)化，早就是一場(chǎng)蓄謀已久的盛大冒險(xiǎn)

如果我告訴你，從某種角度上定義，人類和今天地球上所有的哺乳動(dòng)物都是魚，你可能會(huì)冒出一串問號(hào)。事實(shí)上，我們的祖先就是生活在水中的魚，它們?cè)诰嘟窦s3.5億年前登上陸地，開辟了脊椎動(dòng)物的新紀(jì)元。如今，中國(guó)科學(xué)家利用基因技術(shù)揭開了魚類登陸背后顛覆人們認(rèn)知的秘密。

魚類登陸早有準(zhǔn)備

泥盆紀(jì)至石炭紀(jì)的兩棲動(dòng)物是最早的四足動(dòng)物

魚類登上陸地的過程似乎很簡(jiǎn)單，原本生活在水中的魚因?yàn)橐恍┨厥獾脑蚺郎狭岁懙兀罱K變成了四足動(dòng)物，也就是陸生脊椎動(dòng)物。在這個(gè)過程中，它們逐漸完成了呼吸系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)等部分適應(yīng)陸生生活的演化和改變。但是，事實(shí)真的如此簡(jiǎn)單嗎？

2021年2月，中國(guó)科學(xué)家在國(guó)際知名科學(xué)雜志《細(xì)胞》上連發(fā)兩篇論文，以基因組研究為基礎(chǔ)揭開了魚類登陸過程中的謎團(tuán)。

硬骨魚類演化簡(jiǎn)圖

既然是要研究魚類登陸，那當(dāng)然要從遠(yuǎn)古魚類著手。我們?cè)谀哪苷业缴钤谀嗯杓o(jì)的魚呢？科學(xué)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(xiàn)存的原始輻鰭魚類當(dāng)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(zhǔn)備登陸的魚。

靈活四肢助登陸

科學(xué)家分析了多鰭魚的基因組，與四足動(dòng)物基因組進(jìn)行對(duì)比后驚訝發(fā)現(xiàn)，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(dòng)物后來四肢演化發(fā)育的基因創(chuàng)新基礎(chǔ)。原來，早期硬骨魚類的基因中存在四足動(dòng)物四肢發(fā)育的基礎(chǔ)，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(fā)現(xiàn)徹底顛覆了我們對(duì)于魚類登陸的傳統(tǒng)認(rèn)知，原來控制四肢發(fā)育的基因在魚類與四足動(dòng)物的共同祖先身上早就已經(jīng)存在，而非魚類在登陸過程中突然出現(xiàn)的。

成功登陸 大口呼吸

與四肢發(fā)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(dāng)然地認(rèn)為肺是魚類登陸過程中出現(xiàn)的。在魚類體內(nèi)存在魚鰾結(jié)構(gòu)，其中充滿氣體之后可以調(diào)節(jié)身體在水中的上浮和下潛，相當(dāng)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(yīng)當(dāng)是由魚鰾演變而來的。進(jìn)化論之父達(dá)爾文在思考了魚類的魚鰾和四足動(dòng)物的肺之后，大膽提出魚鰾和肺是同源器官的假說。中國(guó)科學(xué)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(gè)器官在四足動(dòng)物身上變成了肺，而在魚類的身上變成了魚鰾。

中國(guó)科學(xué)家通過基因組研究證明了魚類與四足動(dòng)物的共同祖先身上就已經(jīng)具有了四肢和肺的遺傳創(chuàng)新基礎(chǔ)，所以魚類登陸絕非偶然，而是早有預(yù)謀且做了充足準(zhǔn)備的。

破譯超強(qiáng)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(duì)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(dòng)物，完成了登陸的壯舉。當(dāng)科學(xué)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(chuàng)新，將理想最終變成現(xiàn)實(shí)。

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

通過對(duì)肺魚基因組的解析和研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)魚類登陸過程中，肺部的演化經(jīng)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(jié)構(gòu)；第三步是出現(xiàn)真正能夠呼吸空氣的器官——肺。這三步走分別發(fā)生在硬骨魚類祖先、肉鰭魚類和早期四足動(dòng)物階段，表現(xiàn)則是呼吸空氣的能力不斷加強(qiáng)。除了關(guān)于呼吸系統(tǒng)的研究，通過解析肺魚基因組，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)四肢上的五指形態(tài)是在四足動(dòng)物出現(xiàn)后形成的，四足動(dòng)物還從祖先那里繼承了更強(qiáng)的抗焦慮能力，這便是在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)上的改變。

中國(guó)科學(xué)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(dòng)物的共同祖先身上早就為登上陸地打下基礎(chǔ)。與其說我們是一群獨(dú)特的魚，倒不如說今天的魚類已經(jīng)“忘了本”。研究同時(shí)也標(biāo)志著中國(guó)在超大基因組解析方面已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際頂尖水平，是中國(guó)科技科研能力的又一個(gè)代表。在未來，憑借著強(qiáng)大的基因組解析和研究能力，中國(guó)科學(xué)家必將揭開更多地球生命演化之謎！

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責(zé)任編輯｜趙青云 原飛燕

運(yùn)營(yíng)編輯｜原飛燕

質(zhì)量審核 | 李雅欣

圖文來源 | 《知識(shí)就是力量》雜志《脊椎動(dòng)物登陸之謎》，撰文/江泓（煙臺(tái)市博物館），原文有刪改，原創(chuàng)作品轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來源。

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