We're more like primitive fishes than once believed, new research shows

肺和四肢一直被认为是脊椎动物从水向陆地过渡的关键创新。但事实上，根据最近的原始鱼类基因组图谱，呼吸空气和肢体运动的遗传基础早在5000万年前就在我们的鱼类祖先身上建立起来了。这项新的研究改变了我们对自身进化史上一个关键里程碑的理解。

　　人们传统上认为，肺和四肢是脊椎动物从水向陆地过渡的关键创新。但事实上，呼吸空气和肢体运动的遗传基础早在5000万年前就在我们的鱼类祖先身上建立起来了。根据哥本哈根大学等机构最近对原始鱼类进行的基因组作图，这一点得到了证实。这项新的研究改变了我们对自身进化史上一个关键里程碑的理解。

人类和所有其他脊椎动物都是从鱼类进化而来的，这并不是什么新鲜事。传统的理解是，大约在3.7亿年前，某些鱼类作为原始的、类似蜥蜴的动物，被称为四足动物，向陆地移动。根据这一认识，我们的鱼类祖先是通过把鳍变成四肢，在水下呼吸变成空气呼吸的方式从水里来到陆地的。

然而，四肢和肺并不是人们曾经认为的最新发明。我们共同的鱼类祖先生活在四足动物首次上岸前5000万年，他们已经携带了四肢形状和着陆所需呼吸空气的基因密码。这些遗传密码仍然存在于人类和一组原始鱼类中。

哥本哈根大学及其合作伙伴最近进行的基因组研究证实了这一点。这项新的研究报告说，这些祖先遗传密码的进化可能促成了脊椎动物从水到陆地的转变，这改变了对这种大的进化跳跃的顺序和时间轴的传统看法。这项研究已经发表在科学期刊《细胞》上。“水-地的转变是我们进化史上的一个重要里程碑。理解这种转变是如何发生的关键在于揭示肺和四肢是何时以及如何进化的。我们现在能够证明，这些生物功能背后的遗传基础在第一批动物上岸之前就已经出现了，”Villam生物多样性基因组学中心的张国杰教授说，哥本哈根大学生物系的一组古老的活鱼可能是解释四足动物如何最终长出四肢并呼吸空气的关键。这类鱼包括生活在非洲浅淡水栖息地的比希尔。这些鱼不同于大多数现存的硬骨鱼，因为它们携带着我们的早期鱼类祖先在4.2亿年前可能拥有的特征。同样的特征也存在于人类身上。通过基因组测序，研究人员发现肺和四肢发育所需的基因已经出现在这些原始物种中。

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我们的滑膜关节是从鱼类祖先进化而来的

利用具有四肢运动功能的胸鳍，比希尔可以在陆地上以类似四足动物的方式移动。多年来，研究人员一直认为，比希尔的胸鳍代表了我们早期鱼类祖先拥有的鳍。

新的基因组图谱显示，连接所谓的后翼状胬肉骨和比希尔胸鳍桡骨的关节与人类的滑膜关节是同源的，即连接关节上臂和前臂骨骼。控制我们滑膜关节形成的DNA序列已经存在于骨鱼类的共同祖先中，并且仍然存在于这些原始鱼类和陆地脊椎动物中。在某种程度上，这种DNA序列和滑膜关节在所有常见的硬骨鱼类——所谓的硬骨鱼中都丢失了。

“这种基因密码和关节允许我们的骨骼自由移动，这就解释了为什么比奇鱼可以在陆地上四处移动，”张国杰说。

首先是肺，然后是鱼鳔，比希尔和其他一些原始鱼类有一对肺，在解剖学上与我们的相似。这项新的研究表明，比希尔和扬子鳄的肺也以类似的方式发挥作用，并表达与人类肺相同的一组基因！--开始移动底部矩形-->

<！--同时，研究表明，大多数现存鱼类的肺组织和鱼鳔组织在基因表达上非常相似，证实它们是达尔文预测的同源器官。但是，虽然达尔文认为，鱼鳔转化为肺，但研究表明，鱼鳔更可能是从肺进化而来的。研究表明，我们早期的骨鱼祖先有原始的功能性肺。通过进化，鱼类的一个分支保留了更适合呼吸空气的肺功能，并最终导致四足动物的进化。鱼类的另一个分支改变了肺的结构，并与游泳囊一起进化，导致了硬骨鱼的进化。鱼鳔使这些鱼能够保持浮力和感知压力，从而更好地在水下生存。

“这项研究启发我们了解我们的身体器官来自何处，以及它们的功能如何在基因组中被解码。因此，一些与肺和四肢相关的功能在水-陆转换发生时并没有进化，而是由一些远在登陆之前就已经存在于我们鱼类祖先体内的古老基因调控机制编码的。有趣的是，这些基因密码仍然存在于这些‘活化石’鱼类中，这为我们提供了追溯这些基因根源的机会，”张国杰总结道。

事实框1：不仅四肢和肺，心脏也是原始鱼类和人类在这方面也有着共同的关键功能心呼吸系统：动脉圆锥，位于心脏右心室的一种结构，它可以使心脏有效地将氧气输送到全身，也可以在肱二头肌中找到。然而，绝大多数的骨鱼已经失去了这种结构。研究人员发现了一种似乎控制动脉圆锥发育的遗传因素。用老鼠做的转基因实验表明，当研究人员去除这种基因元件时，突变的老鼠会因右心室变薄变小而死亡，导致先天性心脏缺陷和心脏功能受损。

事实框2:

• 现存的绝大多数鱼类属于鳐鳍鱼类，是骨性鱼类的一个亚类。这些鱼通常有鳃、鳍和鱼鳔。
• 陆地脊椎动物群被称为四足动物。四足动物包括所有的脊椎动物，这些脊椎动物是最早通过发展四肢和肺来适应陆地生活的动物的后代，也就是说，所有哺乳动物，鸟类，爬行动物和两栖动物。
• 研究人员的理论是，这些原始鱼类的呼吸能力使它们能够在大约3.75-3.6亿年前的第二次大灭绝中存活下来。在那个时候，地球海洋中的氧气耗尽导致大多数物种灭绝。肺让一些鱼在陆地上生存。
• 这项研究已发表在科学期刊《细胞》上。该研究小组还发表了另一篇论文，报告了另一种原始鱼类肺鱼的基因组。基因组是迄今为止破译的最大的脊椎动物基因组。本文同时发表在《细胞》杂志上，其中。

故事来源：

材料由英国大学哥本哈根-理学院。注：内容可根据文体和篇幅编辑。

期刊参考文献：

1. 毕旭鹏、王坤、杨连东、潘海林、江海峰、魏启伟、方妙泉、于浩、朱成龙、蔡怡然、何玉明、甘晓妮、曾红辉、于大琪、朱友安、江慧峰、邱强，杨焕明，张永娥，王文，朱敏，何顺平，张国杰。追踪脊椎动物在非硬骨鱼类中的遗传足迹。单元格，2021；DOI: