海陸之間：分子生物學(xué)和古生物學(xué)共同揭示魚類登陸

王堃 朱幼安

在《莊子·秋水》篇中，中國古代哲學(xué)家提出了“子非魚”這一經(jīng)典論辯：我們不是魚，是否能理解魚的快樂？而在科技不斷發(fā)展的今天，我們又可以從不同的視角去看待這個問題。數(shù)百年來，通過對大量化石的挖掘和研究，人們對生物演化的理解不斷加深，逐漸了解到人類在數(shù)億年前正是從魚演變而來的。從某種角度上說，我們是行走在陸地上的魚類。

狹義的魚類是指我們?nèi)粘Ｒ姷降挠蓄M的硬骨魚類（如鯉魚、鱸魚、金槍魚）和軟骨魚類（如鯊魚）；廣義的魚類指非四足動物的脊椎動物總和，包括有頜魚類和無頜的圓口類、甲胄魚類等。脊椎動物是演化最為成功的動物類群之一?，F(xiàn)生脊椎動物分為無頜類和有頜類。其中，無頜類包括七鰓鰻和盲鰻，它們有脊椎結(jié)構(gòu)和幾乎完善的腦，但沒有上下頜。在有頜類群中，原始的鰓弓演化為了上下頜，這些生物開始具備了強(qiáng)大的咬合能力，從而迅速成為生態(tài)圈中的頂級捕食者。有頜類群又分軟骨魚類（鯊魚等）和硬骨魚類，硬骨魚類可以分為輻鰭魚類和肉鰭魚類。其中肉鰭魚類囊括了所有的四足動物，包括兩棲類、爬行類、鳥類和哺乳動物，而輻鰭魚類包含3萬多種生活在淡水和海水中的魚類[1]。

盡管輻鰭魚中也有少量物種（如彈涂魚等）可以在陸地上短期存活，但真正的陸生脊椎動物（又稱四足動物）均來自泥盆紀(jì)登陸的肉鰭魚類。200年的古生物研究已經(jīng)大致拼湊出魚類登陸的過程，確認(rèn)了所有四足動物，包括蛙、蜥、鳥、獸、人類在內(nèi)，都來自泥盆紀(jì)登上陸地的四足形類肉鰭魚。然而，化石記錄只能保存骨骼、牙齒等容易礦化的組織，而登陸過程涉及的其他重要器官組織，如大腦、肺等則難以通過化石進(jìn)行追溯。因此，還需要額外的手段來更為全面地還原脊椎動物登陸的過程。

1944年，著名物理學(xué)家薛定諤發(fā)表的論著《生命是什么》指出，“密碼本”是生命的特征之一。1953年，沃森和克里克發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)[2]，并因此獲得諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎。對DNA的測序技術(shù)出現(xiàn)于1977年，于2001年完成的人類基因組測序標(biāo)志著對生命的認(rèn)識進(jìn)入了基因組時代[3]?；蚪M是包含一個個體全部遺傳信息的總稱，其中包含了基因、調(diào)控元件等信息，可以編碼蛋白質(zhì)、細(xì)胞到整個生物個體。通過對不同物種基因組序列的對比，還能夠重建物種間的演化關(guān)系、分化時間，以及各種演化過程在基因組中留下的痕跡。通過對比登陸成功的物種及與其親緣關(guān)系最近物種的基因組數(shù)據(jù)，我們將能了解到什么樣的因素決定登陸能否成功、脊椎動物登陸的基礎(chǔ)和發(fā)生的創(chuàng)新性演化究竟是什么。

基部輻鰭魚：脊椎動物登陸的前夜

輻鰭魚是硬骨魚類的一大分支，因魚鰭呈輻射狀而得名。其中演化最為成功的是真骨魚類。我們通常所見到的魚類大多為真骨魚類。真骨魚類形成于三疊紀(jì)，它們的共同祖先經(jīng)歷了一次獨(dú)特的全基因組加倍事件，賦予了它們強(qiáng)大的適應(yīng)能力，最終真骨魚演化為包含兩萬多個物種、覆蓋地表乃至深海各大水系的類群，成為地球水域的征服者。相對于高度分化的“高等”的真骨魚類，輻鰭魚中的其他屬種被稱為基部輻鰭魚。

輻鰭魚類并不處于脊椎動物登陸的直接演化道路上，而與魚類登陸直接相關(guān)的四足形類肉鰭魚則早已淹沒在演化史的長河中。幸運(yùn)的是，上述的基部輻鰭魚還保留著一些與這些先遣隊(duì)類似的生物學(xué)特征。塞內(nèi)加爾多鰭魚又稱作“恐龍鰻”或者“恐龍魚”，由于它們最早在非洲被發(fā)現(xiàn)，長著鋸齒狀的背鰭，且形態(tài)上與鰻魚有些相似，所以一度有此稱呼。但是這種稱呼并不準(zhǔn)確，因?yàn)樗鼈兗炔皇泅狋~，也與恐龍無關(guān)。多鰭魚的身體結(jié)構(gòu)擁有一些原始形態(tài)，經(jīng)常與鱘魚、弓鰭魚、雀鱔等一起，不太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乇唤y(tǒng)稱為“遠(yuǎn)古魚類”。多鰭魚有原始的肺，可以在脫離水面存活一段時間，并在溶氧量極低的環(huán)境中可以通過背部的噴水孔呼吸空氣。此外，多鰭魚也與空棘魚相似，擁有肉質(zhì)柄的胸鰭，這可以幫助它們在水底爬行。多鰭魚因具有基部輻鰭魚類獨(dú)特的生物學(xué)特性和演化地位，吸引著眾多科學(xué)家對它們進(jìn)行研究[4]。

脊椎動物在從水生到陸生的演化過程中有許多障礙需要克服，其中兩個最重要的問題是如何在不憑借水體浮力的情況下支撐身體進(jìn)行運(yùn)動，以及如何從呼吸水中的氧轉(zhuǎn)變成為呼吸空氣中的氧。

通過現(xiàn)生物種和滅絕物種的骨骼比較，已經(jīng)知道包括人在內(nèi)的四足動物的“大臂”（肱骨）與遠(yuǎn)古魚類胸鰭的后鰭基骨同源，但這塊骨頭卻在隨后演化出的真骨魚類中丟失。通過對有頜類基因組中與四肢發(fā)育相關(guān)的調(diào)控區(qū)域的掃描，發(fā)現(xiàn)在陸生脊椎動物和遠(yuǎn)古魚類中存在一個相同的增強(qiáng)子（即DNA上一小段可與蛋白質(zhì)結(jié)合的區(qū)域，與蛋白質(zhì)結(jié)合之后，基因的轉(zhuǎn)錄作用將會加強(qiáng)），這一極端保守的增強(qiáng)子可以調(diào)控下游Osr2基因在滑膜關(guān)節(jié)的表達(dá)。Osr2與滑膜關(guān)節(jié)的形成相關(guān)并能增加四肢運(yùn)動的靈活性。通過對多鰭魚胸鰭再生實(shí)驗(yàn)以及原位表達(dá)分析，證實(shí)該基因主要在后鰭基骨與鰭條的連接處表達(dá)，這一區(qū)域?qū)?yīng)四足物種里的滑膜關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。而在真骨魚基因組中則丟失了這一增強(qiáng)子，與此對應(yīng)的后鰭基骨及連接的滑膜關(guān)節(jié)也在真骨魚的演化過程中丟失。這一結(jié)果提示，滑膜關(guān)節(jié)使得骨關(guān)節(jié)之間能靈活轉(zhuǎn)動，這可能在魚鰭到四肢演化的過程中，為提高運(yùn)動靈活性貢獻(xiàn)了一個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。

嗅覺感受器是感受化學(xué)分子刺激再將之轉(zhuǎn)換成嗅神經(jīng)沖動信息的細(xì)胞。比較基因組學(xué)的分析發(fā)現(xiàn)，在這些遠(yuǎn)古魚類的嗅覺感受器中同時存在著兩種類型的嗅覺受體，除了具有魚類都擁有檢測水溶性分子的嗅覺受體之外，還具有能夠檢測空氣分子的嗅覺受體，這與它們在空氣中呼吸的能力相一致。與此同時，跨物種的轉(zhuǎn)錄組分析顯示，遠(yuǎn)古魚類原始肺的高表達(dá)基因顯著富集在血管新生通路，這解釋了遠(yuǎn)古魚類里的肺表面為何密布血管，這些血管有助于氧氣在肺部的擴(kuò)散及運(yùn)輸。另外一些在肺特異性表達(dá)的基因也在軟骨魚的祖先中就已經(jīng)出現(xiàn)，這也暗示著“原肺”形成的分子基礎(chǔ)在魚類登陸前就已建立。值得一提的是，利用多器官表達(dá)譜的聚類和系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系分析，這一研究不僅證實(shí)了達(dá)爾文提出的肺和魚鰾是同源器官的假說，也證明了現(xiàn)代魚類的鰾是從脊椎動物早期的肺演化來的。

脊椎動物演化過程中心臟和呼吸系統(tǒng)的協(xié)同演化發(fā)揮著重要作用。呼吸系統(tǒng)為正常心臟功能的維持提供氧氣，同時依賴心臟將攜帶氧氣的血液運(yùn)輸?shù)饺?。從魚類的一心房一心室到人的兩心房兩心室，心臟結(jié)構(gòu)趨向于完善，而功能也變得更加復(fù)雜。動脈圓錐位于心臟流出通道的上部并與右心室接壤，作為心臟活動的輔助器官，它可以防止血液逆流和平衡心室血壓。軟骨魚和遠(yuǎn)古魚也存在動脈圓錐這一結(jié)構(gòu)。通過基因組共線性分析，發(fā)現(xiàn)與心臟相關(guān)的基因在人類和多鰭魚之間保留了非常保守的共線性關(guān)系，提示這些基因也保留了相當(dāng)保守的調(diào)控機(jī)制。這一研究還首次找到了一個調(diào)控Hand2基因的保守調(diào)控元件。研究人員對小鼠基因組中該調(diào)控元件進(jìn)行靶向刪除，發(fā)現(xiàn)新出生的突變小鼠在早期胚胎發(fā)育中，由于右心室Hand2基因表達(dá)量降低，導(dǎo)致心臟發(fā)育不全和先天性死亡。之前有報道稱Hand2基因的功能突變會導(dǎo)致法洛四聯(lián)癥（一種常見先天性心臟畸形）的發(fā)生，這將有助于人類對于心臟發(fā)育缺陷的研究。

以上研究發(fā)現(xiàn)說明，一些遠(yuǎn)古就已存在的基因調(diào)控機(jī)制為演化過程中新性狀的出現(xiàn)提供了遺傳基礎(chǔ)，為后續(xù)的跨越式演化提供了重要的功能基礎(chǔ)。

基部肉鰭魚：突破海洋的束縛

肉鰭魚是硬骨魚類的另外一大分支。除四足動物外，現(xiàn)存肉鰭魚類僅包括肺魚類和空棘魚類，其中肺魚類與四足動物關(guān)系更近，現(xiàn)存非洲肺魚、美洲肺魚和澳洲肺魚三個科?？占~綱曾一度被認(rèn)為已完全滅絕，只有化石存在。但在1938年，考特尼—拉蒂邁（M. Courtenay-Latimer）在一艘漁船的漁獲中發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)生的空棘魚，后被命名為拉蒂邁魚，它與數(shù)億年前的化石空棘魚類有著十分相似的形態(tài)，在當(dāng)時轟動了全世界，有“活化石”之稱[5]。空棘魚和肺魚作為接近四足動物但未成功登陸的類群，被稱作基部肉鰭魚。

肺魚是最接近成功登陸的類群之一。它們被稱作肺魚的原因就是因?yàn)樗鼈兙哂邪l(fā)達(dá)的肺，其中密布血管，能夠直接呼吸空氣。其中，非洲肺魚能夠在旱季進(jìn)行夏眠，在脫離水的環(huán)境中存活數(shù)月乃至數(shù)年之久，直至豐水期重新活動。因此，解析肺魚在遺傳層面與四足動物的異同，對于理解肉鰭魚類如何一步步登陸有重要意義。然而，肺魚的基因組十分特殊，它們的基因組大小為（4～13）×1010 堿基對，是人類基因組大?。s3×109堿基對）的10倍以上[6]。使用單分子測序技術(shù)和改進(jìn)的算法，研究人員成功破譯了非洲肺魚的全部基因組信息[7]。肺魚的基因數(shù)量與其他脊椎動物的類似，均為2萬左右，其基因組如此之大，主要由逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在數(shù)億年的時間中不斷自我復(fù)制所導(dǎo)致，該基因組的破譯，使得科學(xué)家能夠排除干擾，去理解肉鰭魚類發(fā)生了哪些關(guān)鍵性的演化飛躍，最終為登陸鋪平道路。

對于直接呼吸空氣的生物，液體（血液）—?dú)怏w（空氣）交界面對肺泡造成的表面張力是必須要解決的問題，肺表面活性劑對解決肺泡的表面張力具有十分關(guān)鍵的作用。肺表面活性劑主要由蛋白質(zhì)和脂質(zhì)構(gòu)成，其中蛋白質(zhì)對肺表面活性劑的生理性能又是決定性的。在陸地脊椎動物中，有4種肺表面活性劑蛋白，分別為SP-A，SP-B，SP-C和SP-D。SP-B為最為古老的蛋白，從硬骨魚祖先出現(xiàn)，標(biāo)志著從硬骨魚祖先開始的初步空氣呼吸能力，SP-C從肉鰭魚祖先起源，代表了肉鰭魚祖先呼吸能力增強(qiáng)了，而SP-A和SP-D從四足動物祖先出現(xiàn)，代表了呼吸能力在陸生脊椎動物中的成熟。此外，slc34a2基因在循環(huán)利用肺表面活性劑的磷脂質(zhì)方面具有關(guān)鍵性的作用[8]。研究人員發(fā)現(xiàn)，這一基因在肺魚和四足動物的肺中高表達(dá)，而在輻鰭魚的肺中低表達(dá)。而此前研究表明這一基因在斑馬魚中主要在消化系統(tǒng)中表達(dá)，以提高磷元素的利用率。因此，這一基因可能是在肉鰭魚祖先中被肺利用，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了其呼吸功能。

在從水生到陸生的演化過程中，脊椎動物運(yùn)動系統(tǒng)的改變包含多個層面，其中最引人注目的是五指的形成，五指也是四足動物的標(biāo)志性表型。此前，對五指的出現(xiàn)也有大量研究，最為廣泛接受的觀點(diǎn)認(rèn)為，在魚類中，hoxa11和hoxa13基因在四肢末端共同表達(dá)、出現(xiàn)魚鰭性狀，而在四足動物中，hoxa13在四肢的末端抑制hoxa11的表達(dá)，出現(xiàn)五指的性狀。結(jié)合肺魚基因組數(shù)據(jù)，研究者在hoxa11上游200 堿基對左右處發(fā)現(xiàn)一個四足動物起源的保守非編碼序列，可能是hoxa13用以控制hoxa11時空表達(dá)的關(guān)鍵元件。有趣的是，這一保守非編碼序列在蛇類和鳥類中出現(xiàn)了較大變異，這可能與蛇類四肢丟失和鳥類前肢特化為翅膀有一定關(guān)系。

在脊椎動物水生向陸生轉(zhuǎn)變過程中，大腦中最顯著的改變發(fā)生在杏仁核區(qū)域[9]，杏仁核是負(fù)責(zé)情緒處理的重要器官。在四足動物中，杏仁核開始具備基礎(chǔ)的分區(qū)結(jié)構(gòu)和更為復(fù)雜的鏈接。此前有研究表明，肺魚的杏仁核也與四足動物更為類似。研究還發(fā)現(xiàn)，與杏仁核相關(guān)的抗焦慮基因、神經(jīng)肽S及其受體，正好在肺魚和四足動物的祖先出現(xiàn)。此外，多個與杏仁核有關(guān)的基因在肺魚和四足動物祖先出現(xiàn)了較大的氨基酸改變。這表明肺魚和四足動物的祖先在抗焦慮方面可能具有更強(qiáng)的能力，這一能力的增強(qiáng)對脊椎動物登陸可能具有一定的積極作用。

結(jié) 語

生物演化過程和人類歷史一樣，會留下種種讓我們研究和還原歷史的證據(jù)，有的是在遠(yuǎn)古地層和化石之中，有的就在現(xiàn)生生物包括我們自己的體內(nèi)。正是因?yàn)檫@些證據(jù)的存在，我們才能推斷人類從何而來，理解我們的身體和各個器官是如何適應(yīng)現(xiàn)在的地球環(huán)境，如何具有現(xiàn)在的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能，從而理解人類自身之所以如此的形成過程，最終幫助我們抵達(dá)更遠(yuǎn)的未來。

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關(guān)鍵詞：魚類登陸 基部輻鰭魚 基部肉鰭魚 遺傳創(chuàng)新 ■