海陆之间：分子生物学和古生物学共同揭示鱼类登陆
作者 王堃 朱幼安
在《庄子·秋水》篇中，中国古代哲学家提出了“子非鱼”这一经典论辩：我们不是鱼，是否能理解鱼的快乐？而在科技不断发展的今天，我们又可以从不同的视角去看待这个问题。数百年来，通过对大量化石的挖掘和研究，人们对生物演化的理解不断加深，逐渐了解到人类在数亿年前正是从鱼演变而来的。从某种角度上说，我们是行走在陆地上的鱼类。
狭义的鱼类是指我们日常见到的有颌的硬骨鱼类（如鲤鱼、鲈鱼、金枪鱼）和软骨鱼类（如鲨鱼）；广义的鱼类指非四足动物的脊椎动物总和，包括有颌鱼类和无颌的圆口类、甲胄鱼类等。脊椎动物是演化最为成功的动物类群之一。现生脊椎动物分为无颌类和有颌类。其中，无颌类包括七鳃鳗和盲鳗，它们有脊椎结构和几乎完善的脑，但没有上下颌。在有颌类群中，原始的鳃弓演化为了上下颌，这些生物开始具备了强大的咬合能力，从而迅速成为生态圈中的顶级捕食者。有颌类群又分软骨鱼类（鲨鱼等）和硬骨鱼类，硬骨鱼类可以分为辐鳍鱼类和肉鳍鱼类。其中肉鳍鱼类囊括了所有的四足动物，包括两栖类、爬行类、鸟类和哺乳动物，而辐鳍鱼类包含3万多种生活在淡水和海水中的鱼类 [1]。
尽管辐鳍鱼中也有少量物种（如弹涂鱼等）可以在陆地上短期存活，但真正的陆生脊椎动物（又称四足动物）均来自泥盆纪登陆的肉鳍鱼类。200年的古生物研究已经大致拼凑出鱼类登陆的过程，确认了所有四足动物，包括蛙、蜥、鸟、兽、人类在内，都来自泥盆纪登上陆地的四足形类肉鳍鱼。然而，化石记录只能保存骨骼、牙齿等容易矿化的组织，而登陆过程涉及的其他重要器官组织，如大脑、肺等则难以通过化石进行追溯。因此，还需要额外的手段来更为全面地还原脊椎动物登陆的过程。
1944年，著名物理学家薛定谔发表的论著《生命是什么》指出，“密码本”是生命的特征之一。1953年，沃森和克里克发现了DNA的双螺旋结构 [2]，并因此获得诺贝尔生理或医学奖。对DNA的测序技术出现于1977年，于2001年完成的人类基因组测序标志着对生命的认识进入了基因组时代 [3]。基因组是包含一个个体全部遗传信息的总称，其中包含了基因、调控元件等信息，可以编码蛋白质、细胞到整个生物个体。通过对不同物种基因组序列的对比，还能够重建物种间的演化关系、分化时间，以及各种演化过程在基因组中留下的痕迹。通过对比登陆成功的物种及与其亲缘关系最近物种的基因组数据，我们将能了解到什么样的因素决定登陆能否成功、脊椎动物登陆的基础和发生的创新性演化究竟是什么。
基部辐鳍鱼：脊椎动物登陆的前夜
辐鳍鱼是硬骨鱼类的一大分支，因鱼鳍呈辐射状而得名。其中演化最为成功的是真骨鱼类。我们通常所见到的鱼类大多为真骨鱼类。真骨鱼类形成于三叠纪，它们的共同祖先经历了一次独特的全基因组加倍事件，赋予了它们强大的适应能力，最终真骨鱼演化为包含两万多个物种、覆盖地表乃至深海各大水系的类群，成为地球水域的征服者。相对于高度分化的“高等”的真骨鱼类，辐鳍鱼中的其他属种被称为基部辐鳍鱼。
辐鳍鱼类并不处于脊椎动物登陆的直接演化道路上，而与鱼类登陆直接相关的四足形类肉鳍鱼则早已淹没在演化史的长河中。幸运的是，上述的基部辐鳍鱼还保留着一些与这些先遣队类似的生物学特征。塞内加尔多鳍鱼又称作“恐龙鳗”或者“恐龙鱼”，由于它们最早在非洲被发现，长着锯齿状的背鳍，且形态上与鳗鱼有些相似，所以一度有此称呼。但是这种称呼并不准确，因为它们既不是鳗鱼，也与恐龙无关。多鳍鱼的身体结构拥有一些原始形态，经常与鲟鱼、弓鳍鱼、雀鳝等一起，不太严谨地被统称为“远古鱼类”。多鳍鱼有原始的肺，可以在脱离水面存活一段时间，并在溶氧量极低的环境中可以通过背部的喷水孔呼吸空气。此外，多鳍鱼也与空棘鱼相似，拥有肉质柄的胸鳍，这可以帮助它们在水底爬行。多鳍鱼因具有基部辐鳍鱼类独特的生物学特性和演化地位，吸引着众多科学家对它们进行研究 [4]。
脊椎动物在从水生到陆生的演化过程中有许多障碍需要克服，其中两个最重要的问题是如何在不凭借水体浮力的情况下支撑身体进行运动，以及如何从呼吸水中的氧转变成为呼吸空气中的氧。
通过现生物种和灭绝物种的骨骼比较，已经知道包括人在内的四足动物的“大臂”(肱骨)与远古鱼类胸鳍的后鳍基骨同源，但这块骨头却在随后演化出的真骨鱼类中丢失。通过对有颌类基因组中与四肢发育相关的调控区域的扫描，发现在陆生脊椎动物和远古鱼类中存在一个相同的增强子（即DNA上一小段可与蛋白质结合的区域，与蛋白质结合之后，基因的转录作用将会加强），这一极端保守的增强子可以调控下游Osr2基因在滑膜关节的表达。Osr2与滑膜关节的形成相关并能增加四肢运动的灵活性。通过对多鳍鱼胸鳍再生实验以及原位表达分析，证实该基因主要在后鳍基骨与鳍条的连接处表达，这一区域对应四足物种里的滑膜关节结构。而在真骨鱼基因组中则丢失了这一增强子，与此对应的后鳍基骨及连接的滑膜关节也在真骨鱼的演化过程中丢失。这一结果提示，滑膜关节使得骨关节之间能灵活转动，这可能在鱼鳍到四肢演化的过程中，为提高运动灵活性贡献了一个关键结构。
嗅觉感受器是感受化学分子刺激再将之转换成嗅神经冲动信息的细胞。比较基因组学的分析发现，在这些远古鱼类的嗅觉感受器中同时存在着两种类型的嗅觉受体，除了具有鱼类都拥有检测水溶性分子的嗅觉受体之外，还具有能够检测空气分子的嗅觉受体，这与它们在空气中呼吸的能力相一致。与此同时，跨物种的转录组分析显示，远古鱼类原始肺的高表达基因显著富集在血管新生通路，这解释了远古鱼类里的肺表面为何密布血管，这些血管有助于氧气在肺部的扩散及运输。另外一些在肺特异性表达的基因也在软骨鱼的祖先中就已经出现，这也暗示着“原肺”形成的分子基础在鱼类登陆前就已建立。值得一提的是，利用多器官表达谱的聚类和系统发生关系分析，这一研究不仅证实了达尔文提出的肺和鱼鳔是同源器官的假说，也证明了现代鱼类的鳔是从脊椎动物早期的肺演化来的。
脊椎动物演化过程中心脏和呼吸系统的协同演化发挥着重要作用。呼吸系统为正常心脏功能的维持提供氧气，同时依赖心脏将携带氧气的血液运输到全身。从鱼类的一心房一心室到人的两心房两心室，心脏结构趋向于完善，而功能也变得更加复杂。动脉圆锥位于心脏流出通道的上部并与右心室接壤，作为心脏活动的辅助器官，它可以防止血液逆流和平衡心室血压。软骨鱼和远古鱼也存在动脉圆锥这一结构。通过基因组共线性分析，发现与心脏相关的基因在人类和多鳍鱼之间保留了非常保守的共线性关系，提示这些基因也保留了相当保守的调控机制。这一研究还首次找到了一个调控Hand 2基因的保守调控元件。研究人员对小鼠基因组中该调控元件进行靶向删除，发现新出生的突变小鼠在早期胚胎发育中，由于右心室Hand 2基因表达量降低，导致心脏发育不全和先天性死亡。之前有报道称Hand 2基因的功能突变会导致法洛四联症（一种常见先天性心脏畸形）的发生，这将有助于人类对于心脏发育缺陷的研究。
以上研究发现说明，一些远古就已存在的基因调控机制为演化过程中新性状的出现提供了遗传基础，为后续的跨越式演化提供了重要的功能基础。
基部肉鳍鱼：突破海洋的束缚
肉鳍鱼是硬骨鱼类的另外一大分支。除四足动物外，现存肉鳍鱼类仅包括肺鱼类和空棘鱼类，其中肺鱼类与四足动物关系更近，现存非洲肺鱼、美洲肺鱼和澳洲肺鱼三个科。空棘鱼纲曾一度被认为已完全灭绝，只有化石存在。但在1938年，考特尼-拉蒂迈（M. Courtenay-Latimer）在一艘渔船的渔获中发现了现生的空棘鱼，后被命名为拉蒂迈鱼，它与数亿年前的化石空棘鱼类有着十分相似的形态，在当时轰动了全世界，有“活化石”之称 [5]。空棘鱼和肺鱼作为接近四足动物但未成功登陆的类群，被称作基部肉鳍鱼。
肺鱼是最接近成功登陆的类群之一。它们被称作肺鱼的原因就是因为它们具有发达的肺，其中密布血管，能够直接呼吸空气。其中，非洲肺鱼能够在旱季进行夏眠，在脱离水的环境中存活数月乃至数年之久，直至丰水期重新活动。因此，解析肺鱼在遗传层面与四足动物的异同，对于理解肉鳍鱼类如何一步步登陆有重要意义。然而，肺鱼的基因组十分特殊，它们的基因组大小为(4~13)×1010碱基对，是人类基因组大小（约3×109碱基对）的10倍以上 [6]。使用单分子测序技术和改进的算法，研究人员成功破译了非洲肺鱼的全部基因组信息 [7]。肺鱼的基因数量与其他脊椎动物的类似，均为2万左右，其基因组如此之大，主要由逆转录转座子在数亿年的时间中不断自我复制所导致，该基因组的破译，使得科学家能够排除干扰，去理解肉鳍鱼类发生了哪些关键性的演化飞跃，最终为登陆铺平道路。
对于直接呼吸空气的生物，液体(血液)—气体(空气)交界面对肺泡造成的表面张力是必须要解决的问题，肺表面活性剂对解决肺泡的表面张力具有十分关键的作用。肺表面活性剂主要由蛋白质和脂质构成，其中蛋白质对肺表面活性剂的生理性能又是决定性的。在陆地脊椎动物中，有4种肺表面活性剂蛋白，分别为SP-A，SP-B，SP-C和SP-D。SP-B为最为古老的蛋白，从硬骨鱼祖先出现，标志着从硬骨鱼祖先开始的初步空气呼吸能力，SP-C从肉鳍鱼祖先起源，代表了肉鳍鱼祖先呼吸能力增强了，而SP-A和SP-D从四足动物祖先出现，代表了呼吸能力在陆生脊椎动物中的成熟。此外，slc34a2基因在循环利用肺表面活性剂的磷脂质方面具有关键性的作用 [8]。研究人员发现，这一基因在肺鱼和四足动物的肺中高表达，而在辐鳍鱼的肺中低表达。而此前研究表明这一基因在斑马鱼中主要在消化系统中表达，以提高磷元素的利用率。因此，这一基因可能是在肉鳍鱼祖先中被肺利用，从而进一步增强了其呼吸功能。
在从水生到陆生的演化过程中，脊椎动物运动系统的改变包含多个层面，其中最引人注目的是五指的形成，五指也是四足动物的标志性表型。此前，对五指的出现也有大量研究，最为广泛接受的观点认为，在鱼类中，hoxa11和hoxa13基因在四肢末端共同表达、出现鱼鳍性状，而在四足动物中，hoxa13在四肢的末端抑制hoxa11的表达，出现五指的性状。结合肺鱼基因组数据，研究者在hoxa11上游200 碱基对左右处发现一个四足动物起源的保守非编码序列，可能是hoxa13用以控制hoxa11时空表达的关键元件。有趣的是，这一保守非编码序列在蛇类和鸟类中出现了较大变异，这可能与蛇类四肢丢失和鸟类前肢特化为翅膀有一定关系。
在脊椎动物水生向陆生转变过程中，大脑中最显著的改变发生在杏仁核区域 [9]，杏仁核是负责情绪处理的重要器官。在四足动物中，杏仁核开始具备基础的分区结构和更为复杂的链接。此前有研究表明，肺鱼的杏仁核也与四足动物更为类似。研究还发现，与杏仁核相关的抗焦虑基因、神经肽S及其受体，正好在肺鱼和四足动物的祖先出现。此外，多个与杏仁核有关的基因在肺鱼和四足动物祖先出现了较大的氨基酸改变。这表明肺鱼和四足动物的祖先在抗焦虑方面可能具有更强的能力，这一能力的增强对脊椎动物登陆可能具有一定的积极作用。
结 语
生物演化过程和人类历史一样，会留下种种让我们研究和还原历史的证据，有的是在远古地层和化石之中，有的就在现生生物包括我们自己的体内。正是因为这些证据的存在，我们才能推断人类从何而来，理解我们的身体和各个器官是如何适应现在的地球环境，如何具有现在的形态、结构和功能，从而理解人类自身之所以如此的形成过程，最终帮助我们抵达更远的未来。
王堃：副教授，西北工业大学生态环境学院，西安 710129；朱幼安：副研究员，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所，北京 100044。wangkun@nwpu.edu.cn，zhuyouan@ivpp.ac.cn
Wang Kun: Associate Professor, School of Ecology and Environment, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710129; Zhu Youan: Associate Research Professor, Institute of Vertebrate Paleontology and Paleoanthropology, CAS, Beijing 100044.
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关键词：鱼类登陆 基部辐鳍鱼 基部肉鳍鱼 遗传创新 ■
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本文刊载于2021年第73卷第4期《科学》杂志（P17）
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