人類的祖先從水里而來，但脊椎動物“從魚到人”的演化歷史還存在大量缺失的篇章。比如，從硬骨魚到陸生脊椎動物，其中的分子遺傳機制到底是什么？這一直是科學界懸而未決的重大問題。
最近，這一難題有了新解。研究人員在橫跨億年存活的原始輻鰭魚身上找到了“登陸”的謎底。
中國科學院武漢水生生物研究所、深圳華大基因研究院、西北工業大學、中國科學院古脊椎動物與古人類研究所、丹麥哥本哈根大學等單位的科研人員聯合公布了早期輻鰭魚類——多鰭魚、匙吻鱘、弓鰭魚和鱷雀鱔的基因組研究結果。這項通過比較解剖學、古生物學、比較基因組學、演化生物學、計算生物學等多學科交叉研究的成果，2月5日在線發表于《細胞》。
硬骨魚祖先擁有“登陸”的遺傳基礎
硬骨魚類是脊椎動物演化樹上的主干，它很早就分化出了兩大支系——肉鰭魚類和輻鰭魚類，它們分別征服了地球的陸地和水域。肉鰭魚類開始登上陸地后，演化出了包括人類在內的所有陸地脊椎動物，也就是四足動物。
在脊椎動物從水生到陸生的過程中有許多障礙需要克服，其中兩個重要問題就是如何在缺少水體浮力的情況下支撐身體進行運動，以及如何呼吸空氣中的氧。
“我們發現，四足動物克服這些障礙所需的部分生物學特征其實在早期硬骨魚類中就已經產生，而多鰭魚、鱘魚、弓鰭魚、雀鱔等較早起源的原始輻鰭魚類里也保留了這些硬骨魚祖先的特征。”論文主要通訊作者、中國科學院昆明動物研究所客座研究員、深圳華大基因研究院研究員張國捷告訴《中國科學報》。
特別是多鰭魚，它擁有原始的用來呼吸空氣的肺，可以在溶氧量極低的水中通過背部的噴水孔吸入空氣，甚至離水存活一段時間。在運動方面，多鰭魚還擁有肌肉和內骨骼支撐的胸鰭柄，可以在水底爬行。
為“登陸”服務的古老基因和調控元件
在此基礎上，研究人員解析了高質量染色體級別的多鰭魚基因組以及其他三種原始輻鰭魚的基因組的基礎上，初步驗證了原始輻鰭魚具備與“登陸”有關的遺傳機制。
張國捷介紹，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。這與它們能在水面外進行空氣呼吸的能力相一致。
而且，研究人員通過比較多物種基因表達譜發現，一些肺特異性表達的基因在魚的祖先中已經出現，這就暗示著“原肺”形成的分子基礎在硬骨魚祖先中已經存在。
同時，通過原始輻鰭魚類基因組序列與各種有頜脊椎動物基因組的比較研究，科學家發現，許多四足動物中調節四肢發育的基因調控元件在原始輻鰭魚類中已經存在。張國捷解釋，其中一個超級保守的基因調控元件可以調控Osr2基因在滑膜關節的表達，這一結構的存在，增加了骨骼運動的靈活性，為后期登陸爬行的演化奠定了基礎。
值得注意的是，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。研究人員驚喜地找到了一個影響心臟發育和功能的古老調控元件，實驗證明如果失去它，脊椎動物可能面臨心臟發育不全以及先天性死亡的風險。而這個重要的元件可以追溯到硬骨魚的共同祖先。
“這項研究不僅揭示了陸生脊椎動物起源的生理及分子機制，也在分子水平證明了許多脊椎動物重要器官的同源關系?！睆垏輳娬{。
“經過上億年的演化，這樣的基因和調控機制依然存在，證明它們對生物體非常重要。”在他看來，找到這些保守的基因，無論是對研究演化生物學上的遺傳機制，還是研究人類某些疾病產生的機理，都很有意義。
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