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登陆的早期脊椎动物复原图
我国科学家通过基因组数据分析 ， 揭示了古脊椎动物从水中登上陆地这一演化事件的历程 ， 解答了关键性的演化问题 ， 找到古鱼类在登陆之前已经完成的关键性准备 ， 并确认鱼鳔起源自原始的肺 ， 证明了达尔文关于肺和鱼鳔关系的假说 。 这一重大成果最新发表在学术期刊《细胞》上 。
如何在不凭借水体浮力的情况下用鱼鳍支撑身体运动 ， 并从呼吸水中的氧转为呼吸空气中的氧……在从水生到陆生的演化过程中 ， 脊椎动物有许多障碍需要克服 。 “陆地脊椎动物的起源一直是生物演化研究关注的重点 。 我们的祖先从水里来 ， 这已经是共识 ， 但鱼类在登陆过程中 ， 身体结构和生理功能都产生了大量适应性变异 ， 比如由鱼鳍变为四肢以支撑身体运动 ， 由鳃呼吸变为肺呼吸等 。 ”论文第一作者、深圳华大生命科学研究院研究员毕旭鹏说 。
虽然现生两栖类被认为是成功登陆的脊椎动物 ， 但是最早上岸的“先遣队”却早已湮没在历史长河中 。 幸运的是 ， 多鳍鱼、鲟鱼、弓鳍鱼等现生水生物种还保留许多与“先遣队”类似的生物学特征 。 例如 ， 塞内加尔多鳍鱼拥有原始的肺 ， 可以脱离水面存活一段时间 ， 并且能够在氧容量极低的环境中通过背部的喷水孔呼吸空气 。 “这一研究从多鳍鱼等远古孑遗动物入手 ， 结合鱼类解剖学、古生物学、比较基因组学等多学科交叉手段 ， 揭示了脊椎动物从水生到陆生演化的相关遗传基础 。 ”论文通讯作者、深圳华大生命科学研究院副院长、丹麦哥本哈根大学终身教授张国捷说 。
“达尔文曾提出肺和鱼鳔是同源器官的假说 。 我们从结构和基因表达上证明了这一假说 ， 而且确认了演化的先后顺序 ， 即鱼鳔从原始的肺演化而来 。 ”论文通讯作者、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员朱敏强调 。 “远古鱼类的肺或鱼鳔表面血管密布 ， 这有助于氧的扩散和运输 。 而一些肺特异性表达基因在鱼类祖先的体内出现 ， 则暗示着‘原肺’形成的分子基础在鱼类登陆前就已经建立 。 ”论文通讯作者、西北工业大学教授王文进一步解释 。
【脊椎动物|我科学家揭开脊椎动物从水生到陆生的演化之谜】心肺系统协同演化对脊椎动物登陆相当重要 。 从鱼类的“一心房一心室”到人类的“两心房两心室” ， 心脏结构趋于完善 ， 功能变得复杂 。 “我们找到了与这一演化过程功能创新相关的遗传证据 ， 新发现的基因调控元件与人类心脏疾病有关 。 ”在张国捷看来 ， 基于物种演化过程的比较分析 ， 既为揭示生物复杂性状的形成机制提供了重要手段 ， 也为生物医学研究提供了有力工具 。
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