脊椎动物是如何进化出颌骨的?

在《eLife and Development》杂志上的一项新研究中，科学家通过研究斑马鱼的胚胎发育揭示了颌部进化起源的线索——这种方法被称为“evo-devo”。通过对斑马鱼的成像和细胞追踪技术，研究人员在eLife上发表了这项研究，他们最终表明，假分支来自形成下颌的同一下颌弓。科学家们还表明，许多相同的基因和调节机制驱动了假鳃和鳃的发育。在《发育》杂志上的一项相关研究中，研究人员表明，冰鱼是软骨鱼类，而不是像斑马鱼那样的硬骨鱼类，也有一个下颌弓派生的假分支，与鳃在遗传和发育上相似。

　　

   

   

图片:斑马鱼的骨架和下巴(洋红色)，眼睛(在leT上的绿色圆圈)，和鳃状的假分支和鳃(右边的绿色结构)。

图片来源:Mathi Thiruppathy/Crump实验室

5亿年前，回到水中是相对安全的。那是因为深海生物还没有进化出颌骨。在《eLife》和《发育》杂志上发表的两项新研究中，科学家揭示了脊椎动物这种令人兴奋的进化创新的起源线索。

在这项研究中，来自南加州大学Gage Crump实验室的Mathi Thiruppathy和来自剑桥大学和海洋生物实验室的J. Andrew Gillis将胚胎发育作为深入了解进化的途径——一种被称为“演化发育生物学（evo-devo）”的方法。

在鱼类中，颌与鳃有着共同的发育起源。在发育过程中，颌和鳃都起源于被称为“咽弓”的胚胎结构。第一个弓被称为下颌弓，因为它产生了颌骨，而其他的弓发展成鳃。它们在解剖学上也有相似之处:鳃由上下骨支撑，这可以被认为类似于上下颌骨。

eLife这项研究的第一作者博士生Thiruppathy说:“这些发育和解剖观察结果导致了这样一种理论:颌骨是通过修改祖先的鳃进化而来的。”“虽然这一理论自19世纪末就存在了，但直到今天仍然存在争议。”

在缺乏明确化石证据的情况下，《eLife》发表的文章提供了“活生生的”证据，支持颌骨起源于鳃的理论。几乎所有的鱼都有一个微小的解剖结构，称为“假鳃”，类似于一个退化的鳃。然而，这种结构的胚胎起源是不确定的。

通过对斑马鱼精细的成像和细胞追踪技术，研究人员最终证明，“假鳃”来自形成下颌的同一下颌弓。然后，科学家们展示了许多相同的基因和调节机制驱动假鳃和鳃的发育。

在一项刚刚发表在《发育》杂志上的相关研究中，Gillis和剑桥同事克Christine Hirschberger研究表明，鳐科也有一个下颌弓衍生的假鳃，在遗传和发育上与鳃相似。斑马鱼是硬骨鱼类，而鳐科则代表了一种完全不同的有颚脊椎动物:软骨鱼类。

“我们的研究表明，下颌弓包含了形成鳃状结构的基本机制，”eLife研究的通讯作者Crump说，他是南加州大学凯克医学院Eli and Edythe Broad再生医学和干细胞研究中心的干细胞生物学和再生医学教授。“这意味着，从下颌弓产生的结构——假鳃和颌骨——可能开始是鳃，在深度进化的过程中被修改。”

 Gillis是《发育》杂志那篇文章的通讯作者，也是《eLife》杂志这篇文章的合著者，他补充说:“这两项研究共同指出，在所有颚类脊椎动物的最后一个共同祖先身上存在着一个假鳃。这些研究为经典理论提供了诱人的新证据，即鳃状结构进化到了脊椎动物的颚部。”