海陸之間：分子生物學和古生物學共同揭示魚類登陸

王堃 朱幼安

在《莊子·秋水》篇中，中國古代哲學家提出了“子非魚”這一經典論辯：我們不是魚，是否能理解魚的快樂？而在科技不斷發展的今天，我們又可以從不同的視角去看待這個問題。數百年來，通過對大量化石的挖掘和研究，人們對生物演化的理解不斷加深，逐漸了解到人類在數億年前正是從魚演變而來的。從某種角度上說，我們是行走在陸地上的魚類。

狹義的魚類是指我們日常見到的有頜的硬骨魚類（如鯉魚、鱸魚、金槍魚）和軟骨魚類（如鯊魚）；廣義的魚類指非四足動物的脊椎動物總和，包括有頜魚類和無頜的圓口類、甲胄魚類等。脊椎動物是演化最為成功的動物類群之一。現生脊椎動物分為無頜類和有頜類。其中，無頜類包括七鰓鰻和盲鰻，它們有脊椎結構和幾乎完善的腦，但沒有上下頜。在有頜類群中，原始的鰓弓演化為了上下頜，這些生物開始具備了強大的咬合能力，從而迅速成為生態圈中的頂級捕食者。有頜類群又分軟骨魚類（鯊魚等）和硬骨魚類，硬骨魚類可以分為輻鰭魚類和肉鰭魚類。其中肉鰭魚類囊括了所有的四足動物，包括兩棲類、爬行類、鳥類和哺乳動物，而輻鰭魚類包含3萬多種生活在淡水和海水中的魚類[1]。

盡管輻鰭魚中也有少量物種（如彈涂魚等）可以在陸地上短期存活，但真正的陸生脊椎動物（又稱四足動物）均來自泥盆紀登陸的肉鰭魚類。200年的古生物研究已經大致拼湊出魚類登陸的過程，確認了所有四足動物，包括蛙、蜥、鳥、獸、人類在內，都來自泥盆紀登上陸地的四足形類肉鰭魚。然而，化石記錄只能保存骨骼、牙齒等容易礦化的組織，而登陸過程涉及的其他重要器官組織，如大腦、肺等則難以通過化石進行追溯。因此，還需要額外的手段來更為全面地還原脊椎動物登陸的過程。

1944年，著名物理學家薛定諤發表的論著《生命是什么》指出，“密碼本”是生命的特征之一。1953年，沃森和克里克發現了DNA的雙螺旋結構[2]，并因此獲得諾貝爾生理或醫學獎。對DNA的測序技術出現于1977年，于2001年完成的人類基因組測序標志著對生命的認識進入了基因組時代[3]。基因組是包含一個個體全部遺傳信息的總稱，其中包含了基因、調控元件等信息，可以編碼蛋白質、細胞到整個生物個體。通過對不同物種基因組序列的對比，還能夠重建物種間的演化關系、分化時間，以及各種演化過程在基因組中留下的痕跡。通過對比登陸成功的物種及與其親緣關系最近物種的基因組數據，我們將能了解到什么樣的因素決定登陸能否成功、脊椎動物登陸的基礎和發生的創新性演化究竟是什么。

基部輻鰭魚：脊椎動物登陸的前夜

輻鰭魚是硬骨魚類的一大分支，因魚鰭呈輻射狀而得名。其中演化最為成功的是真骨魚類。我們通常所見到的魚類大多為真骨魚類。真骨魚類形成于三疊紀，它們的共同祖先經歷了一次獨特的全基因組加倍事件，賦予了它們強大的適應能力，最終真骨魚演化為包含兩萬多個物種、覆蓋地表乃至深海各大水系的類群，成為地球水域的征服者。相對于高度分化的“高等”的真骨魚類，輻鰭魚中的其他屬種被稱為基部輻鰭魚。

輻鰭魚類并不處于脊椎動物登陸的直接演化道路上，而與魚類登陸直接相關的四足形類肉鰭魚則早已淹沒在演化史的長河中。幸運的是，上述的基部輻鰭魚還保留著一些與這些先遣隊類似的生物學特征。塞內加爾多鰭魚又稱作“恐龍鰻”或者“恐龍魚”，由于它們最早在非洲被發現，長著鋸齒狀的背鰭，且形態上與鰻魚有些相似，所以一度有此稱呼。但是這種稱呼并不準確，因為它們既不是鰻魚，也與恐龍無關。多鰭魚的身體結構擁有一些原始形態，經常與鱘魚、弓鰭魚、雀鱔等一起，不太嚴謹地被統稱為“遠古魚類”。多鰭魚有原始的肺，可以在脫離水面存活一段時間，并在溶氧量極低的環境中可以通過背部的噴水孔呼吸空氣。此外，多鰭魚也與空棘魚相似，擁有肉質柄的胸鰭，這可以幫助它們在水底爬行。多鰭魚因具有基部輻鰭魚類獨特的生物學特性和演化地位，吸引著眾多科學家對它們進行研究[4]。

脊椎動物在從水生到陸生的演化過程中有許多障礙需要克服，其中兩個最重要的問題是如何在不憑借水體浮力的情況下支撐身體進行運動，以及如何從呼吸水中的氧轉變成為呼吸空氣中的氧。

通過現生物種和滅絕物種的骨骼比較，已經知道包括人在內的四足動物的“大臂”（肱骨）與遠古魚類胸鰭的后鰭基骨同源，但這塊骨頭卻在隨后演化出的真骨魚類中丟失。通過對有頜類基因組中與四肢發育相關的調控區域的掃描，發現在陸生脊椎動物和遠古魚類中存在一個相同的增強子（即DNA上一小段可與蛋白質結合的區域，與蛋白質結合之后，基因的轉錄作用將會加強），這一極端保守的增強子可以調控下游Osr2基因在滑膜關節的表達。Osr2與滑膜關節的形成相關并能增加四肢運動的靈活性。通過對多鰭魚胸鰭再生實驗以及原位表達分析，證實該基因主要在后鰭基骨與鰭條的連接處表達，這一區域對應四足物種里的滑膜關節結構。而在真骨魚基因組中則丟失了這一增強子，與此對應的后鰭基骨及連接的滑膜關節也在真骨魚的演化過程中丟失。這一結果提示，滑膜關節使得骨關節之間能靈活轉動，這可能在魚鰭到四肢演化的過程中，為提高運動靈活性貢獻了一個關鍵結構。

嗅覺感受器是感受化學分子刺激再將之轉換成嗅神經沖動信息的細胞。比較基因組學的分析發現，在這些遠古魚類的嗅覺感受器中同時存在著兩種類型的嗅覺受體，除了具有魚類都擁有檢測水溶性分子的嗅覺受體之外，還具有能夠檢測空氣分子的嗅覺受體，這與它們在空氣中呼吸的能力相一致。與此同時，跨物種的轉錄組分析顯示，遠古魚類原始肺的高表達基因顯著富集在血管新生通路，這解釋了遠古魚類里的肺表面為何密布血管，這些血管有助于氧氣在肺部的擴散及運輸。另外一些在肺特異性表達的基因也在軟骨魚的祖先中就已經出現，這也暗示著“原肺”形成的分子基礎在魚類登陸前就已建立。值得一提的是，利用多器官表達譜的聚類和系統發生關系分析，這一研究不僅證實了達爾文提出的肺和魚鰾是同源器官的假說，也證明了現代魚類的鰾是從脊椎動物早期的肺演化來的。

脊椎動物演化過程中心臟和呼吸系統的協同演化發揮著重要作用。呼吸系統為正常心臟功能的維持提供氧氣，同時依賴心臟將攜帶氧氣的血液運輸到全身。從魚類的一心房一心室到人的兩心房兩心室，心臟結構趨向于完善，而功能也變得更加復雜。動脈圓錐位于心臟流出通道的上部并與右心室接壤，作為心臟活動的輔助器官，它可以防止血液逆流和平衡心室血壓。軟骨魚和遠古魚也存在動脈圓錐這一結構。通過基因組共線性分析，發現與心臟相關的基因在人類和多鰭魚之間保留了非常保守的共線性關系，提示這些基因也保留了相當保守的調控機制。這一研究還首次找到了一個調控Hand2基因的保守調控元件。研究人員對小鼠基因組中該調控元件進行靶向刪除，發現新出生的突變小鼠在早期胚胎發育中，由于右心室Hand2基因表達量降低，導致心臟發育不全和先天性死亡。之前有報道稱Hand2基因的功能突變會導致法洛四聯癥（一種常見先天性心臟畸形）的發生，這將有助于人類對于心臟發育缺陷的研究。

以上研究發現說明，一些遠古就已存在的基因調控機制為演化過程中新性狀的出現提供了遺傳基礎，為后續的跨越式演化提供了重要的功能基礎。

基部肉鰭魚：突破海洋的束縛

肉鰭魚是硬骨魚類的另外一大分支。除四足動物外，現存肉鰭魚類僅包括肺魚類和空棘魚類，其中肺魚類與四足動物關系更近，現存非洲肺魚、美洲肺魚和澳洲肺魚三個科。空棘魚綱曾一度被認為已完全滅絕，只有化石存在。但在1938年，考特尼—拉蒂邁（M. Courtenay-Latimer）在一艘漁船的漁獲中發現了現生的空棘魚，后被命名為拉蒂邁魚，它與數億年前的化石空棘魚類有著十分相似的形態，在當時轟動了全世界，有“活化石”之稱[5]。空棘魚和肺魚作為接近四足動物但未成功登陸的類群，被稱作基部肉鰭魚。

肺魚是最接近成功登陸的類群之一。它們被稱作肺魚的原因就是因為它們具有發達的肺，其中密布血管，能夠直接呼吸空氣。其中，非洲肺魚能夠在旱季進行夏眠，在脫離水的環境中存活數月乃至數年之久，直至豐水期重新活動。因此，解析肺魚在遺傳層面與四足動物的異同，對于理解肉鰭魚類如何一步步登陸有重要意義。然而，肺魚的基因組十分特殊，它們的基因組大小為（4～13）×1010 堿基對，是人類基因組大小（約3×109堿基對）的10倍以上[6]。使用單分子測序技術和改進的算法，研究人員成功破譯了非洲肺魚的全部基因組信息[7]。肺魚的基因數量與其他脊椎動物的類似，均為2萬左右，其基因組如此之大，主要由逆轉錄轉座子在數億年的時間中不斷自我復制所導致，該基因組的破譯，使得科學家能夠排除干擾，去理解肉鰭魚類發生了哪些關鍵性的演化飛躍，最終為登陸鋪平道路。

對于直接呼吸空氣的生物，液體（血液）—氣體（空氣）交界面對肺泡造成的表面張力是必須要解決的問題，肺表面活性劑對解決肺泡的表面張力具有十分關鍵的作用。肺表面活性劑主要由蛋白質和脂質構成，其中蛋白質對肺表面活性劑的生理性能又是決定性的。在陸地脊椎動物中，有4種肺表面活性劑蛋白，分別為SP-A，SP-B，SP-C和SP-D。SP-B為最為古老的蛋白，從硬骨魚祖先出現，標志著從硬骨魚祖先開始的初步空氣呼吸能力，SP-C從肉鰭魚祖先起源，代表了肉鰭魚祖先呼吸能力增強了，而SP-A和SP-D從四足動物祖先出現，代表了呼吸能力在陸生脊椎動物中的成熟。此外，slc34a2基因在循環利用肺表面活性劑的磷脂質方面具有關鍵性的作用[8]。研究人員發現，這一基因在肺魚和四足動物的肺中高表達，而在輻鰭魚的肺中低表達。而此前研究表明這一基因在斑馬魚中主要在消化系統中表達，以提高磷元素的利用率。因此，這一基因可能是在肉鰭魚祖先中被肺利用，從而進一步增強了其呼吸功能。

在從水生到陸生的演化過程中，脊椎動物運動系統的改變包含多個層面，其中最引人注目的是五指的形成，五指也是四足動物的標志性表型。此前，對五指的出現也有大量研究，最為廣泛接受的觀點認為，在魚類中，hoxa11和hoxa13基因在四肢末端共同表達、出現魚鰭性狀，而在四足動物中，hoxa13在四肢的末端抑制hoxa11的表達，出現五指的性狀。結合肺魚基因組數據，研究者在hoxa11上游200 堿基對左右處發現一個四足動物起源的保守非編碼序列，可能是hoxa13用以控制hoxa11時空表達的關鍵元件。有趣的是，這一保守非編碼序列在蛇類和鳥類中出現了較大變異，這可能與蛇類四肢丟失和鳥類前肢特化為翅膀有一定關系。

在脊椎動物水生向陸生轉變過程中，大腦中最顯著的改變發生在杏仁核區域[9]，杏仁核是負責情緒處理的重要器官。在四足動物中，杏仁核開始具備基礎的分區結構和更為復雜的鏈接。此前有研究表明，肺魚的杏仁核也與四足動物更為類似。研究還發現，與杏仁核相關的抗焦慮基因、神經肽S及其受體，正好在肺魚和四足動物的祖先出現。此外，多個與杏仁核有關的基因在肺魚和四足動物祖先出現了較大的氨基酸改變。這表明肺魚和四足動物的祖先在抗焦慮方面可能具有更強的能力，這一能力的增強對脊椎動物登陸可能具有一定的積極作用。

結 語

生物演化過程和人類歷史一樣，會留下種種讓我們研究和還原歷史的證據，有的是在遠古地層和化石之中，有的就在現生生物包括我們自己的體內。正是因為這些證據的存在，我們才能推斷人類從何而來，理解我們的身體和各個器官是如何適應現在的地球環境，如何具有現在的形態、結構和功能，從而理解人類自身之所以如此的形成過程，最終幫助我們抵達更遠的未來。

[1]Friedman M. The early evolution of ray-finned fishes. Palaeontology， 2015， 58（2）： 213-228.

[2]Watson J D， Crick F H. A structure for deoxyribose nucleic acid. Nature， 2003， 421（6921）： 397-398.

[3]Lander E S， Linton L M， Birren B， et al. Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature， 2001， 409（6822）： 860-921.

[4]Bi X， Wang K， Yang L， et al. Tracing the genetic footprints of vertebrate landing in non-teleost ray-finned fishes. Cell， 2021， 184（5）： 1377-1391.

[5]Amemiya C T， Alf？ldi J， Lindblad-Toh K， et al. The African coelacanth genome provides insights into tetrapod evolution. Nature， 2013， 496（7445）： 311-316.

[6]Metcalfe CJ， Filée J， Germon I， et al. Evolution of the Australian lungfi sh （Neoceratodus forsteri） genome： a major role for CR1 and L2 LINE elements. Mol Biol Evol， 2012， 29（11）： 3529-3539.

[7]Wang K， Wang J， Zhu C L， et al. African lungfish genome sheds light on the vertebrate water-to-land transition. Cell， 2021， 184（5）： 1362-1376.

[8]Izumi H， Kurai J， Kodani M， et al. A novel SLC34A2 mutation in a patient with pulmonary alveolar microlithiasis. Hum Genome Var， 2017， 4： 16047.

[9]Bruce L L， Neary T J. The limbic system of tetrapods： a comparative analysis of cortical and amygdalar populations. Brain Behav Evol， 1995， 46（4-5）： 224-234.

關鍵詞：魚類登陸 基部輻鰭魚 基部肉鰭魚 遺傳創新 ■