《Nature Communications》：Melanosome evolution shaped sensory biology and terrestrial adaptations in early aquatic vertebrates
编辑推荐：
光环境是驱动鱼类生态学的关键因素，塑造了鱼类对水生栖息地的适应性。然而，这些适应性的进化历史难以追溯。黑素体（melanosome）作为富含黑色素（melanin）的细胞器，为研究生理学和生态学提供了独特视角，且易于化石保存。本研究对现生和化石鱼类的黑素体进行
光环境是驱动鱼类生态学的关键因素，塑造了鱼类对水生栖息地的适应性。然而，这些适应性的进化历史难以追溯。黑素体（melanosome）作为富含黑色素（melanin）的细胞器，为研究生理学和生态学提供了独特视角，且易于化石保存。本研究对现生和化石鱼类的黑素体进行了比较分析，以追溯深时尺度下生态与生理适应性的进化。现生鱼类内部组织中的黑素体在研究所涉及的所有主要分类群中均表现出高度保守的几何形态，表明进化过程中存在持续的功能约束。肺鱼（lungfish）中更大、更丰富的黑素体可能反映了支撑脊椎动物水陆转变的适应性。相比之下，眼睛中的黑素体则表现出谱系特异性模式。硬骨鱼类（bony fishes）拥有与视网膜运动（retinomotor movements, RMMs）、光感受器保护及视觉锐度（visual acuity）提升相关的圆柱形黑素体，而无颌类（jawless）和软骨鱼类（cartilaginous fishes）仅拥有球形黑素体，这与视觉敏感性和包括瞳孔调节（pupillary modulation）在内的替代性光调控策略一致。这些分类学差异在晚石炭世马宗溪克（Mazon Creek）生物群的化石中得到保存，表明黑素体形态与功能之间的联系建立于这些谱系在奥陶纪（约4.45亿年前）的早期进化历史中。黑色素生物学的早期创新独特地促进了脊椎动物的感官进化和生态多样化。
**研究背景与科学问题**
鱼类作为最多样化的脊椎动物类群，占据着温度、压力、盐度、含氧量和光照强度各异的水生生态位。根据光线特征，水生光环境可分为光照充足的上层带（epipelagic zone）、弱光的中层带（mesopelagic zone）以及无光照的深层带（abyssopelagic zone）。因此，鱼类的视觉系统在强烈的选择压力下演化出多种适应特定光环境的解剖学创新。不同类群在光调控机制上存在显著差异：软骨鱼类（Chondrichthyes）主要依赖瞳孔光反射（pupillary light reflexes, PLRs），而辐鳍鱼类（Actinopterygii）则更多依赖眼内滤光器和视网膜运动（retinomotor movements, RMMs）。黑色素（melanin）作为广泛存在的色素，被包装在黑素体（melanosome）中，在皮肤和内部组织中发挥光保护、免疫和金属稳态等功能，在眼组织中则减少光散射并屏蔽光感受器免受过度光照。然而，黑素体几何形态在不同鱼类组织中的功能意义仅被部分解析，鱼类黑素体形态的生理和生态控制因素尚未被系统研究。这项发表在《Nature Communications》的研究旨在通过比较现生和化石鱼类的黑素体形态，追溯鱼类生态和生理适应性的深时进化历史。
**研究方法概述**
研究人员选取了涵盖无颌类（Agnatha）、软骨鱼类、辐鳍鱼类和肉鳍鱼类（Sarcopterygii）四大类群的12种现生鱼类，共36个标本（每种3个生物学重复），通过酶消化法提取黑素体。化石样本方面，研究人员选取了美国晚石炭世马宗溪克（Mazon Creek）生物群（约3.06–3.11亿年前）的20件鱼类化石标本，这些标本收藏于芝加哥菲尔德自然历史博物馆（Field Museum of Natural History, FMNH），涵盖无颌类、软骨鱼类、肉鳍鱼类、辐鳍鱼类以及已灭绝的棘鱼类（Acanthodii）。主要技术方法包括：扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）观察黑素体形态；组织学切片制备用于眼组织分析；利用Fiji/ImageJ软件测量黑素体长度和宽度；采用方差分析（ANOVA）、Tukey事后成对比较、高斯混合模型（Gaussian mixture modelling）以及 Bhattacharyya系数（BCs）进行统计分析，以评估不同组织和类群间黑素体几何形态的差异和分布重叠程度。
**研究结果**
**现生鱼类黑素体的解剖分布**
酶消化结果显示，所有物种的眼睛和皮肤均有黑色素沉着，但大脑、性腺和心脏中均未观察到黑素体。欧洲七鳃鳗（Lampetra fluviatilis）是黑素体分布最少的类群，仅见于眼睛、皮肤和嗅囊。西非肺鱼（Protopterus annectens）是黑色素沉着最广泛的类群，在鳃、眼睛、肾脏、肝脏、肺、腹膜、皮肤、脾脏和肠道中均存在黑素体。辐鳍鱼类中，黑素体一致分布于眼睛、皮肤、脾脏、肾脏，除欧洲海鲈外在腹膜中也有分布。软骨鱼类的内部组织黑素体分布呈现物种特异性。扫描电镜观察揭示，脾脏、肝脏和肾脏中的黑素体在黑色素巨噬细胞中心（melanomacrophage centres, MMCs）内形成球状聚集体，其中黑素体为球形或略长球形，形态变异极小。在硬骨鱼类（Osteichthyes）中，视网膜色素上皮（retinal pigment epithelium, RPE）内存在与光感受器平行排列的圆柱形黑素体，而软骨鱼类和无颌类中缺乏圆柱形黑素体，且软骨鱼类RPE中的黑素体显著减少或缺失。
**现生鱼类黑素体几何形态的种内趋势**
种内分析显示，单个鱼种内不同组织间的黑素体长度和宽度存在显著差异，这些差异主要涉及眼睛的比较。皮肤和内部组织（鳃、肾脏、肝脏、腹膜、脾脏和肠道）之间的成对比较几乎均不显著，且Bhattacharyya系数（BCs）较高，表明形态分布高度重叠。非洲肺鱼是最显著的例外：其皮肤和肺中的黑素体长度和宽度与其他内部组织差异显著，BC值较低至中等，且皮肤和肺中的黑素体小于其他组织。黑素体长宽比的种内比较同样显示，差异主要集中在涉及眼睛的成对比较中。在辐鳍鱼类和软骨鱼类中，仅眼睛黑素体的长宽比与皮肤和内部组织存在显著差异，BC值低至中等，表明眼睛与其他组织间的黑素体几何形态重叠有限。
**现生鱼类黑素体几何形态的种间趋势**
种间分析表明，内部组织（鳃、肝脏、肾脏、腹膜、脾脏和肠道）中黑素体长度和宽度的显著差异主要局限于涉及非洲肺鱼的成对比较。非洲肺鱼内部组织的黑素体长度和宽度均值显著高于其他所有类群，而软骨鱼类和辐鳍鱼类的黑素体相对较小。皮肤黑素体的显著差异涉及非洲肺鱼、七鳃鳗和黑口猫鲨的成对比较，BC值低至中等。七鳃鳗皮肤黑素体的平均长宽比在所有类群中最低，而非洲肺鱼最高。高斯混合模型分析显示，无颌类和软骨鱼类的眼睛黑素体仅形成一个群体，而辐鳍鱼类和肉鳍鱼类形成两个群体：群体1为更接近球形的黑素体，群体2为更圆柱形的黑素体。群体1在各主要类群间无显著差异，而群体2在辐鳍鱼类和肉鳍鱼类之间无显著差异。
**化石鱼类黑素体的趋势**
马宗溪克化石中，无颌类、软骨鱼类、棘鱼类和辐鳍鱼类标本表现出由保存的黑素体定义的皮肤图案和内部器官证据，而肉鳍鱼类化石缺乏皮肤和内部器官中的黑素体证据。与现生鱼类一致，化石眼睛黑素体的混合模型确认无颌类和软骨鱼类中为单一黑素体群体，而辐鳍鱼类、肉鳍鱼类以及已灭绝的棘鱼类中为两个群体。化石与现生对应群体之间的黑素体长宽比成对比较无显著差异，BC值中等到高，表明化石中保存的黑素体形态模式与现生类群高度一致。这些数据证实，现生鱼类中识别的主要分类群黑素体几何形态趋势具有深时保守性，其起源至少可追溯至3.06亿年前。
**讨论与结论**
研究讨论指出，现生鱼类内部组织的黑素体在进化中受到强功能约束，其小球形形态可能是脊椎动物的祖先特征。非洲肺鱼广泛的内部黑色素沉着最可能与其夏眠（aestivation）期间及苏醒时大量活性氧（reactive oxygen species, ROS）引起的氧化应激相关，提示内部器官黑色素化通过促进夏眠，可能在脊椎动物应对陆地转变的生理挑战中发挥了关键作用。眼睛黑素体的谱系特异性模式反映了类群特异的视觉适应策略：圆柱形黑素体与辐鳍鱼类的视网膜运动功能相关，有助于光感受器保护和视觉锐度提升；软骨鱼类中圆柱形黑素体的缺失与其发达的瞳孔光反射和以敏感性为导向的视觉策略一致。圆柱形黑素体最简约的解释是颌口类（gnathostomes）的祖先特征，存在于辐鳍鱼类、肉鳍鱼类和干群软骨鱼类（棘鱼类）中，但在冠群软骨鱼类中丢失，这可能反映了从慢速细胞型光保护向快速神经型反射的转变。化石与现生数据的高度一致性表明，鱼类黑素体几何形态的分类群趋势具有深时进化起源，黑素体形态分析为重建早期脊椎动物视觉生态学和化石鱼类分类提供了新的框架。
