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水里活得好好的 鱼类为何要“登陆”?

水里活得好好的 鱼类为何要“登陆”?

水里活得好好的 鱼类为何要“登陆”?

(蜘蛛网eeook.com报道)据长江日报(记者 周劼 通讯员 孙慧):鱼类为登陆准备了3亿年。中科院水生所何舜平团队的研究入选2021年度“中国生命科学十大进展”。

人从哪里来,恐龙从哪里来,一切脊椎动物从哪里来?生命的演化史告诉我们,陆地上的一切脊椎动物其实都是从水里来的,用通俗的话说,都是从鱼变的。这是生命演化历程中的一个大事件,直接关乎陆地动物起源研究。日前,中科院水生所何舜平研究员团队联合其他单位科研团队,找到了距今4亿3500万年“水中陆生”的鱼类基因密码,“破译”了水生向陆生生命演化的遗传创新机制。这项研究也于日前入选了2021年度“中国生命科学十大进展”。

“这是一项持续了28年的研究”,昨天,在中科院水生所办公室,何舜平接受本报记者采访时表示,时间长、课题意义重大、工作量大、合作团队优秀,是该课题取得重大突破的关键要素。“重大突破”里就包含了很多颠覆以往认知的成果。比如肺和鳔的关系。

鱼类是用鳃-鳔呼吸的,陆上的生物是用肺呼吸的。按照以往的观点,鳔早于肺,用鳔呼吸的鱼类上岸后再演化出肺,这个时间节点大概在距今1亿年前。肺鱼-娃娃鱼(四足鱼类)-恐龙,便是我们熟知的演化树。而何舜平的研究表明,肺其实早于鳔,一种所有硬骨鱼的共同祖先鱼已经具备了“原肺”,“原肺”在那些登陆的鱼类中继续演化成更成熟的肺,而在其他大部分硬骨鱼中则特化成鱼鳔。所以,1亿年前的肺鱼祖先不是鱼类弃水上岸的起点,而在4亿3500万年前硬骨鱼的祖先就为登陆做好了准备。只不过肺的呼吸功能在以肺鱼代表的肉鳍鱼内得到进一步加强,到四足动物最终完善而成功登上了陆地。

在海洋里过着安稳小日子(恒温、环境稳定)的鱼怎样登陆“变”成风餐露宿、挨饿受冻(变温、复杂环境)的陆地爬行动物?何舜平解释说,当时一群活跃在水底或浅滩的鱼类,已经变异出了调控四肢运动灵活性的基因功能元件,又能用原肺呼吸,而且还演化出心肺双循环系统,等到机缘巧合(生命演化的多向性),一个潮退江平、月黑风高的夜晚,它们跃出海岸,用四足快速爬入内陆,肺的功能让它们具有空气呼吸和空气嗅觉的能力,成功摆脱水的桎梏,也让它们很快适应了凉风习习、日晒雨淋的陆上环境,看着太阳东升西落,它们有了一种探险后找到新家园的“快乐”。说“快乐”并非人类想象出的感觉。何舜平说,在肺鱼基因组里已经找到了最早的抗抑郁基因,说明它们也经历了一次冒险后的心理演化。

这项研究基于大规模的古代鱼、古代真骨鱼类的基因测序、RNA测序以及交叉整合基因组学、计算生物学和分子生物学等学科手段,单单肺鱼全基因组测序,就高达400多亿对碱基(40Gb),是人类(3Gb)的十多倍,为迄今人类所测序的最大基因组序列。他们还解析了多鳍鱼、匙吻鲟、弓鳍鱼和鳄雀鳝等物种的基因组。这些基因测序有效弥补了以往生物演化主要依赖化石线索的缺陷。

上面提到的这些鱼都属于现生硬骨鱼类,它们都是最早从水里上岸的有颌硬骨鱼类祖先的分支后代,它们身上隐藏着祖先登陆演化所遗留的基因密码,有“活化石”之称。

正是通过对它们的基因比较,何舜平团队找到了陆生脊椎动物起源过程中伴随着的两大适应性功能形态演化事件——鱼鳍演化为四肢及鳃式呼吸演化为肺式呼吸的重要线索,同时也找到了大脑、心脏等多个器官在登陆过程中的遗传变异基础,这些都从不同角度揭示了脊椎动物水生到陆生的转变之谜。

该课题两篇研究论文以封面故事在国际顶级学术刊物《细胞》上同期在线发表。何舜平研究员为这两篇论文的共同通讯作者,杨连东副研究员为这两篇论文的共同第一作者,姜海峰博士为第一篇论文的共同第一作者,中国科学院水生生物研究所为第一篇论文的第一完成单位。




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