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中國新聞網: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
2021-02-26 來源:中國新聞網 作者:孫自法
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  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。

  中国科学家领导最新合作完成的两篇揭示脊椎动物水生到陆生演化过程中的遗传创新基础研究論文,北京时间2月5日凌晨在国际知名学术期刊《细胞》(Cell)在线发表。

  这两篇“姊妹”論文由西北工业大学和中国科学院水生生物研究所、昆明动物研究所、古脊椎动物与古人类研究所等中外多家机构协作完成,分别解析了现生肉鳍鱼类中与四足动物亲缘关系最近的非洲肺鱼,以及原始辐鳍鱼类塞内加尔多鳍鱼、匙吻鲟、弓鳍鱼和鳄雀鳝共5个物种的基因组,通过交叉整合基因组学、进化生物学、鱼类学、古生物学、计算生物学和分子生物学等学科,分别从不同角度揭示出脊椎动物水生到陆生的转变之谜。

  據介紹,脊椎動物登陸事件發生于有颌類中的硬骨魚類。現生硬骨魚類包含肉鳍魚類和輻鳍魚類。這兩個類群中物種數量最爲繁盛的是肉鳍魚類中的四足動物(成功登陸的脊椎動物類群)以及輻鳍魚類中的真骨魚類。相對于這兩個最爲繁盛的類群,硬骨魚類演化樹基部各支系的現生代表,如拉蒂邁魚、肺魚、多鳍魚、弓鳍魚、雀鳝、鲟等的物種數稀少,但卻隱藏著祖先演化所遺留的痕迹,有“活化石”“古代魚”之稱。

  在第一篇論文中,中科院昆明动物所王文研究员及合作者对非洲肺鱼基因组进行解析和研究,非洲肺鱼拥有所有生物中迄今得到解析的最庞大基因组,包含高达400多亿对碱基(40Gb),是人类基因组(3Gb)的10多倍。

  該研究表明,脊椎動物從水生到陸生的演化經曆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鳍魚類和輻鳍魚類的共同祖先中已經出現,而輻鳍魚類中的真骨魚類則丟失了這一特性,屬于更爲特化的類群;

  隨後,肉鳍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鳍魚類的後基鳍骨爲同源器官,桡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、心髒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,中科院昆明动物所张国捷研究员及合作者围绕原始辐鳍鱼类5个代表物种的基因组,分析研究四足动物对陆地生活的功能在鱼类中的演化基础。陆生脊椎动物起源过程中伴随着的两个重大适应性功能形态演化事件,即适应水中运动的鱼鳍演化为适应陆地运动的四肢,及用鳃在水中呼吸演化为用肺呼吸空气。

  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,但在現生原始輻鳍魚類和肉鳍魚類中保留下來。這些元件爲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’在多鳍魚和肉鳍魚類中繼續演化成更爲成熟的肺,而在大部分現代硬骨魚類中特化爲魚鳔。

  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鳍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爲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。

  中科院古脊椎动物与古人类研究所朱敏研究员、朱幼安副研究员作为古生物学背景的合作者参与了这两篇論文相关研究工作。原始辐鳍鱼类基因组論文共同通讯作者朱敏表示,最新发表的研究成果,对理解脊椎动物从水生到陆生的演化机制和历程具有里程碑意义。


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