如何從水生到陸生?中國科學家領導揭秘脊椎動物登陸之謎

如何從水生到陸生?中國科學家領導揭秘脊椎動物登陸之謎

原始輻鰭魚已經具備大量陸生特性相關的關鍵基因組元件(供圖:畢旭鵬、張國捷、Brian Choo)

原始輻鰭魚已經具備大量陸生特性相關的關鍵基因組元件(供圖:畢旭鵬、張國捷、Brian Choo)

中新網北京2月5日電 (記者 孫自法)脊椎動物從水生到陸生是脊椎動物演化史上的一次飛躍,也是脊椎動物演化中最重要的科學問題之一,這個轉變過程研究一直以來備受學界關注。

中國科學家領導最新合作完成的兩篇揭示脊椎動物水生到陸生演化過程中的遺傳創新基礎研究論文,2月5日凌晨在國際知名學術期刊《細胞》(Cell)在線發表。

這兩篇「姊妹」論文由西北工業大學和中國科學院水生生物研究所、昆明動物研究所、古脊椎動物與古人類研究所等中外多家機構協作完成,分別解析了現生肉鰭魚類中與四足動物親緣關係最近的非洲肺魚,以及原始輻鰭魚類塞內加爾多鰭魚、匙吻鱘、弓鰭魚和鱷雀鱔共5個物種的基因組,通過交叉整合基因組學、進化生物學、魚類學、古生物學、計算生物學和分子生物學等學科,分別從不同角度揭示出脊椎動物水生到陸生的轉變之謎。

如何從水生到陸生?中國科學家領導揭秘脊椎動物登陸之謎

非洲肺魚基因組為理解脊椎動物水生陸生轉變提供了重要橋樑。(供圖:王堃、王文)

據介紹,脊椎動物登陸事件發生於有頜類中的硬骨魚類。現生硬骨魚類包含肉鰭魚類和輻鰭魚類。這兩個類群中物種數量最為繁盛的是肉鰭魚類中的四足動物(成功登陸的脊椎動物類群)以及輻鰭魚類中的真骨魚類。相對於這兩個最為繁盛的類群,硬骨魚類演化樹基部各支系的現生代表,如拉蒂邁魚、肺魚、多鰭魚、弓鰭魚、雀鱔、鱘等的物種數稀少,但卻隱藏著祖先演化所遺留的痕跡,有「活化石」「古代魚」之稱。

在第一篇論文中,中科院昆明動物所王文研究員及合作者對非洲肺魚基因組進行解析和研究,非洲肺魚擁有所有生物中迄今得到解析的最龐大基因組,包含高達400多億對鹼基(40Gb),是人類基因組(3Gb)的10多倍。

該研究表明,脊椎動物從水生到陸生的演化經歷了三步重要的遺傳創新過程:

首先,空氣呼吸能力和空氣嗅覺的分子基礎在肉鰭魚類和輻鰭魚類的共同祖先中已經出現,而輻鰭魚類中的真骨魚類則丟失了這一特性,屬於更為特化的類群;

隨後,肉鰭魚類的祖先中出現更多呼吸相關基因和功能元件,使得它們的空氣呼吸能力進一步加強;

最終,四足動物演化出了更多基因和功能元件,從而具備了完備的空氣呼吸能力,成功擺脫水的桎梏。同時,與四肢運動相關的功能也呈現漸進式創新的特點,四足動物的肱骨與原始輻鰭魚類的後基鰭骨為同源器官,橈骨則可能從肺魚和四足動物祖先開始起源,五指/趾則從四足動物開始起源。此外,該研究還發現大腦、心臟等多個器官在登陸過程中的遺傳變異基礎。

在另一篇論文中,中科院昆明動物所張國捷研究員及合作者圍繞原始輻鰭魚類5個代表物種的基因組,分析研究四足動物對陸地生活的功能在魚類中的演化基礎。陸生脊椎動物起源過程中伴隨著的兩個重大適應性功能形態演化事件,即適應水中運動的魚鰭演化為適應陸地運動的四肢,及用鰓在水中呼吸演化為用肺呼吸空氣。

研究發現,調控四肢運動靈活性的基因功能元件可能在硬骨魚類共同祖先即已出現,這些元件在真骨魚類中卻特化丟失了,但在現生原始輻鰭魚類和肉鰭魚類中保留下來。這些元件為四足動物的四肢演化提供了重要遺傳創新基礎。而肺的功能形態和遺傳基礎的起源也同樣可以追溯到所有硬骨魚類的共同祖先,這一時期的『原肺』在多鰭魚和肉鰭魚類中繼續演化成更為成熟的肺,而在大部分現代硬骨魚類中特化為魚鰾。

此外,陸生脊椎動物的出現還伴隨著心肺系統從單循環到雙循環的協同演化過程。在雙循環系統演化中起到重要調節功能的基因元件也能在多鰭魚甚至軟骨魚類中找到,說明一些非常古老的基因調控網絡為脊椎動物水生到陸生的演化提供了重要的遺傳和功能創新基礎。

中科院古脊椎動物與古人類研究所朱敏研究員、朱幼安副研究員作為古生物學背景的合作者參與了這兩篇論文相關研究工作。原始輻鰭魚類基因組論文共同通訊作者朱敏表示,最新發表的研究成果,對理解脊椎動物從水生到陸生的演化機制和歷程具有里程碑意義。(完)

來源:中國新聞網

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