我们比鱼更像鱼：人类传承了4亿年前鱼祖先的登陆绝技，新生代鱼却把它们弄丢了
人们普遍认为，我们的肺和灵活的四肢是在脊椎动物从水生到陆生的演化过程中形成的。但近期，中国科学家在Cell上发表的一项研究[1]表明，在距登陆很久以前，鱼祖先就已有了原始肺和灵活四肢的相关基因。而人们熟知的新生代鱼，丢失了这些绝技。
江湖上流传着一个说法：鱼是陆地上四足动物的祖先，也就是说，陆地上所有的脊椎动物，包括人类，都是从鱼类演化而来。
人类这种鱼唇四足兽站在岸上，望着水中那些摇头晃脑吐泡泡的家伙，再看看自己灵活的四肢，深吸了一口空气，颤声轻问：“先辈，真是你吗？我等是如何从水中爬出来，能用肺呼吸，还有着强壮灵活的四肢？此等绝技从何而来？”
现今的鱼类门派中，是真骨鱼类（teleost）最为兴旺。青草鲢鳙，锦鲤斗鱼——是的，99%的现生鱼类都属于真骨鱼类，它们无论数量还是种类都称霸鱼类江湖。正因如此，人们往往以为，真骨鱼类就是鱼类门派的宗室后代，掌握着绝技起源的秘密。
然而，真骨鱼那些辐射状僵硬的鳍、大小不定的鳔和单循环系统，始终很难与四足动物赖以在陆地生存的绝技联系起来。江湖上也时不时传出些风声，说真骨鱼类虽兴盛，实则“异”类。而它们只是招摇地四处游荡，笑而不语。
这个传说迷雾般笼罩着江湖数百余年，诸多鱼唇四足演化学家都关注着这一脊椎动物演化史上的重要问题。肺和灵活四肢，这两项登陆的关键因素到底是何时出现的？他们抓住一切机会，通过化石、解剖等方式，不放过任何蛛丝马迹，逐步接近真相。而几个鱼丁单薄的散落门派——肉鳍鱼 (lobe-finned fishes) 中的肺鱼 (lungfish)、原始辐鳍鱼类 (ray-finned fishes) 中的多鳍鱼（Bichir，花名“恐龙王”），也时不时浮出水面露露脸，吸一口空气，偶尔还在地面上有模有样地用胸鳍走上几步……引得演化学家猜想：这些不起眼的杂家、破落户，该不会才是宗师的嫡传弟子，该不会知晓绝技起源的秘密？
多鳍鱼“行走”的视频[15]
图1. 地球生命演化史丨图片来自网络
时间倒回5.3亿年前的寒武纪。在这一时期，地球上出现了生命大爆发，海洋中涌现大量新物种，其中包括了最早的脊椎动物。
近1亿年之后，也就是4.4亿年前，全球气温迅速下降，引发了地球历史上第一次大规模生物灭绝事件——奥陶纪大灭绝（Ordovician extinction）。正是在这个时期，生活在水中的脊椎动物演化出了颌——没错，就是下巴。有了下颌这项“绝技”，水中的脊椎动物可以更加主动、更加有力地捕猎与进食。
接下来的近1亿年，特别在泥盆纪（4.08亿-3.6亿年前），是鱼类鼎盛的时期。我们熟悉的软骨鱼（Cartilaginous fishes）和硬骨鱼（Osteichthyes fishes）出现了。
软骨鱼
软骨鱼，顾名思义，它们的骨架是软骨组成的。虽然它们的脊椎已经部分骨化，但却缺乏真正的骨骼。现存软骨鱼约550种，人们熟知的鲨、鳐就属于软骨鱼纲。大部分软骨鱼在海水中生活，有5-7对鳃裂，没有鳔。
硬骨鱼
硬骨鱼才算拥有了真正的骨骼。根据鳍的特征，硬骨鱼分为辐鳍鱼总纲（Ray-finned fishes）和肉鳍鱼总纲（lobe-finned fishes）两种。
肉鳍鱼纲的鱼，鳍有一个中轴骨，在前鳍的基部上有明显的肌肉组织与分开的两片腹鳍（图4右）。曾经，在三、四亿年前的泥盆纪，肉鳍鱼是海洋鱼类中的大门派，但如今已极少，只剩印度洋深海中的空棘鱼和南半球的肺鱼等。不过，有解剖学、古生物学等多方面的证据显示，陆生脊椎动物（包括哺乳类、鸟类、爬行类、两栖类等）是肉鳍鱼-四足形类的后代。其中，肺鱼是离陆地四足动物最近的现存鱼类。
图5. 非洲肺鱼丨G.H.Ford - Proceedings of the Zoological Society of London (vol. 1856, plate Reptilia XI)
是的，从肺鱼师叔那里可以窥视到早期绝技的核心片段，但它又师从何处呢？
辐鳍鱼的鳍呈放射状（图4左）。今天我们见到的绝大多数鱼，都属于辐鳍鱼纲下的真骨鱼类（teleost）。
不过，除了称霸鱼类的真骨鱼类外，现存还有几种基部/原始辐鳍鱼类 (non-teleost ray-finned fishes)，例如多鳍鱼 (bichir)、鲟鱼（paddlefish）和弓鳍鱼 (bowfin) 。这些鱼类在辐鳍鱼的分化初期便独立出来，对初始技艺可谓是高度保真。在它们身上，能看到登陆四足动物的两项核心绝技：能呼吸空气，有灵活的鳍。
多鳍鱼拥有原始的、用来呼吸空气的肺，可以在溶氧量极低的水中通过背部的喷水孔吸入空气，甚至离水存活一段时间。此外，多鳍鱼与空棘鱼（肉鳍鱼纲）相似，拥有靠肌肉和内骨骼支撑的胸鳍柄，可以在水底爬行。在水族爱好者中，多鳍鱼有“恐龙王”的花名，江湖人称“活化石”，听起来，好像是鱼丁单薄的一支老古董，甘守着祖训技艺，抱着一丝坚持，顽强地生活了4.2亿年。
是啊，在动物王国，通常大伙对鱼类的描述，少不了“有鱼鳍”“用鳃呼吸”“生活在水里”，还有“形似肺的鳔”。但事实上，这些描述主要适用于常见的真骨鱼类。它们数量和类型繁多，在有颌鱼（jawed vertebrates）中，是演化最成功的类群之一，但其实它们也是特征出走的一群。就像人类虽然个体数目繁多，“称霸地球”，但人类的特征并不能够用来代表和概括所有的哺乳动物。例如，人类没有尾巴，但不能以此来推断其他以及早期哺乳动物也是没有尾巴的。
而以“恐龙王”多鳍鱼为首的原始辐鳍鱼类，也许才是真正暗藏绝技秘密的一派，是研究脊椎动物水生到陆生演化的关键桥梁。
其实，早在19世纪初拿破仑远征埃及时，法国生物学家圣·伊莱尔（Étienne Geoffroy Saint-Hilaire）就在尼罗河中观察到了多鳍鱼，他发现这种鱼能游能走，有鳃有肺，但没有鳔。受其启发，他提出，鱼、鲸、鸟、人、猴等动物其实在本质上非常相似。之后的几十年内，著名博物学家、解剖学家欧文（Richard Owen）也注意到多鳍鱼，并提出了原型论（archetype）。欧文认为，各种动物——至少脊椎动物——都是由一个初始原型变化而来。再之后，古生物学家通过化石，鱼类学家通过解剖结构，都逐渐接近登陆关键点的真相，但一直缺乏最真实的遗传分子层面的证据。
直到最近，一群中国科学家[1]交叉整合了基因组学、进化生物学、鱼类学、古生物学、计算生物学和分子生物学等学科，通过解析原始辐鳍鱼类（non-teleost ray-finned fishes）里的“四兄弟”——塞内加尔多鳍鱼 (bichir，即恐龙王)、匙吻鲟 (paddlefish)、弓鳍鱼 (bowfin) 和鳄雀鳝 (alligator gar)，以及现生肉鳍鱼类（lobe-finned fishes）中与四足动物亲缘关系最近的非洲肺鱼 (lungfish) 共五个物种的基因组，从不同角度和不同演化节点揭示了脊椎动物水生到陆生的转变之谜。
图7. 中国学者解析基因组的5种鱼丨Brian Choo 绘（ 上下滑动看图）
绝技一：灵活的四肢 vs. 鳍
四足动物登陆的关键之一，是如何拥有灵活的四肢，能在缺少水体浮力的情况下，克服重力，支撑身体进行运动。
通过比较现生物种多鳍鱼（原始辐鳍鱼纲）、肺鱼（肉鳍鱼纲）和灭绝物种的骨骼，可知包括人在内的四足动物的“大臂”（肱骨）与远古鱼类胸鳍的后基鳍骨同源（见图8蓝色部分），这块骨头存在于软骨鱼和除真骨鱼类的其他硬骨鱼中[5]。
在获得原始辐鳍鱼类“四兄弟”（多鳍鱼、匙吻鲟、弓鳍鱼和鳄雀鳝）的基因组序列后，将其与各种有颌脊椎动物（包括各类软骨鱼和硬骨鱼的分支） 基因组相比较，研究团队发现，许多四足动物中，调节四肢发育的增强子（DNA上的一小段）在原始辐鳍鱼类中已经存在，其中一个极端保守的增强子甚至可以追溯到软骨鱼类[1]。
增强子是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。
2016年，就有一项小鼠研究报告[3]称，这一增强子所调控的下游Osr2基因会在滑膜关节中表达。而Osr2转录因子是形成滑膜关节的必要基因，对四肢的灵活移动起到非常关键的作用。因此，研究人员猜测，这个古老调控元件和Osr2基因与脊椎动物登陆所需要的四肢结构发育有着非常重要的关联[1]。
滑膜关节由关节囊包绕骨及其上附着的关节软骨构成，其特点是在两个被接合的骨头之间存在一个关节囊。滑膜关节处的骨面由关节软骨层保护；滑膜关节通常由周围的韧带支撑和加强，这限制了运动以防止损伤。
这时，“恐龙王”多鳍鱼（原始辐鳍鱼纲）又上场了。除了能行走外，它还有一个绝技——断鳍重生。为了解Ors2基因在前肢发育中的角色，研究团队人为剪掉它的胸鳍，监测重生过程中Osr2基因的表达情况。结果发现，Osr2基因在胸鳍关节处发育时主要表达，特别是在后基鳍骨和鳍条的连接处（类似人类的大臂和小臂之间的肘关节处）发育时表达[1]。
当鱼唇四足的人类运动不当、运动过多，或者上了年纪后，往往会出现关节软骨损伤（广义关节炎中的一种），继而引发疼痛和行动不便。可见，由Ors2基因调控发育的滑膜关节对人类的灵活行走来说是何等重要。
由此看来，灵活四肢这一“绝技”的核心要点之一——灵活的关节，可能是从早期脊椎动物（common ancestor of jawed vertebrates, 即软骨鱼和硬骨鱼的共同祖先）就开始了，但这个推论还需要更多关于软骨鱼鳍部结构和功能的研究来验证。
而真骨鱼类的基因组中则丢失了这一增强子，与此对应，真骨鱼类也丢失了后基鳍骨及连接的滑膜关节。是的，滑膜关节雏形的遗传创新在硬骨鱼祖先中已经出现，而真骨鱼类在次生演化中失去了这一功能。一项来自哈佛大学的研究[2]也发现，在斑马鱼（真骨鱼类）人为突变相关基因，可以激活出祖先的鳍部结构。这再一次证明，绝技早已存在，不过是各自选择，你等（真骨鱼类）弃了，水中称霸；我等怀臂，岸上相见。
次生演化（secondary loss of a trait）：两个或多个物种的共同祖先中拥有某个性状，但在最近共同祖先的演化过程中丢失了这一性状。
绝技二：先有肺，还是先有鳔？
先有肺还是先有鳔，也是演化界研究和争论了上百年的话题。达尔文在1861年《物种起源》的英国第三版[14]中里提到过这个问题，他写道：
达尔文认为，肺和鳔是同源结构，来自共同祖先，并猜测肺应该是起源于鳔。
这一根据形态和演化理论逻辑推理出的猜想，在现代基因组学的解密下，被证明：前半部分对了，后半部分错了！
要探究呼吸问题，得先从嗅觉感受器入手。嗅觉感受器可以探测到环境中的化学分，再将之转换成嗅神经冲动，大脑就感知到了“气味”。通过基因组信息比较发现，多鳍鱼（原始辐鳍鱼纲）等这些远古鱼类的嗅觉感受器中，同时存在着液态与气态两种类型的嗅觉受体，也就是说，它们不仅像所有的鱼类一样，都能检测水溶性分子（闻到水里的气味），还能够检测空气分子（闻到空气中的气味）[1]。
研究人员分析了8种脊椎动物（3种肉鳍鱼类，3种原始辐鳍鱼，以及2种真骨鱼类）的10个器官，发现多鳍鱼（原始辐鳍鱼）的肺的主要表达基因与四足动物的肺主要表达基因类似，即原始肺与人类肺的功能机制非常相似。而多器官的组织表达图谱聚类分析则发现，肺与鱼鳔的表达谱最为接近[1]。
此前，曾有科学家研究过四足动物（包括人类）肺的发育与功能，找到了一些调控肺部发育的基因[10-13]。这些基因是肺部专有的，在特殊发育时间特定表达的。而研究团队[1]在鱼类的肺和鳔中也有找到了这样的基因，甚至在鱼的祖先中也发现了几个。这些遗传密码上暗示着“原肺”形成的分子基础在硬骨鱼祖先中已经存在，也从分子层面验证了达尔文对于鱼鳔和肺是同源器官的假说。
图11. “原肺”的演化丨改自网络图片
那么，是先有肺还是先有鳔呢？两个肺发育相关基因（Tbx4 和Tbx5）给了提示。这两个基因在软骨鱼类和硬骨鱼类的共同祖先中就已存在，而Tbx4基因的一个增强子也存在于软骨鱼类和原始辐鳍鱼类（多鳍鱼、弓鳍鱼等）。这些在小鼠和多鳍鱼的肺泡细胞中高度活化的基因，在斑马鱼（真骨鱼类）的鳔表面却表达微弱。这说明原肺这个绝技在早期鱼类中就存在了，只是在真骨鱼类中表达异常——表达的位置和活跃度都不一样了。
另外，研究中的原始辐鳍鱼类的四兄弟，有的有肺（例如多鳍鱼），有的有鳔（例如鳄雀鳝），但无论是肺还是鳔，表面都密布血管。特别是鳄雀鳝（原始辐鳍鱼）的鱼鳔，更接近多鳍鱼（原始辐鳍鱼）的肺，而不像真骨鱼类的鳔，表面光滑。这也表明鳄嘴鱼的鱼鳔依旧保留了硬骨鱼共同祖先原始肺的部分功能。而在原始辐鳍鱼类肺中高表达的基因显著富集在血管新生通路，这也解释了这些原始辐鳍鱼类的肺或者鱼鳔表面为何密布血管——是为了有利于氧气在肺部的扩散及运输。
硬骨鱼的共同祖先有着原始肺，可以推测它们是在暖浅水的环境下演化的。这个环境也正是肺鱼等肉鳍鱼类生活的地方。当氧含量较低时，它们会利用构造简单的肺来呼吸。所以，在硬骨鱼类祖先中，应该先有了原始肺，进而肉鳍鱼纲（四足动物的直系支）保留并延续这项绝技，并在登陆后的四足动物中被充分发挥。而在鱼类世界出走出一片天的真骨鱼类（辐鳍鱼纲），则保留部分特质，演化出了鱼鳔。
绝技三：强大的小心脏 —— 心血管系统
说起呼吸，就不得不提心血管系统，毕竟呼吸是为了获得氧气。呼吸系统提供氧气，维持正常的心脏功能，同时依赖心脏将携带氧气的血液运输到全身。从早期鱼类的一心房一心室（单循环），到两栖纲的两心房一心室（混合血），再到人类的两心房两心室（双循环），心脏和循环系统、呼吸系统协同演化，结构趋于完善，功能也更加复杂。不过，不管心脏结构怎样变化，有一个叫“动脉圆锥”（arterial cone）的结构，始终有迹可循。
动脉圆锥也叫心脏球，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，平衡心室血压。在人体中，心脏窦部向左上方延伸的部分，向上逐渐变细，形似倒置的漏斗，壁光滑，就是动脉圆锥。在原始辐鳍鱼类和更早出现的软骨鱼类中，也已有动脉圆锥这一结构，在其内面具有一列乃至数列环形排列的半月形小瓣膜。
对基因在染色体上的先后顺序分析表明，心脏系统相关的基因在人类和多鳍鱼（原始辐鳍鱼类）之间保留了非常保守的共线性关系，即，基因顺序高度一致。这也说明这些基因保留了相当保守的调控机制[1]。
中国科学家还首次在人和多鳍鱼（原始辐鳍鱼）中找到了一个共同的、调控Hand2基因的保守调控元件[1]。研究人员删除了小鼠基因组中的这个调控元件，发现新出生的突变小鼠在早期胚胎发育中，由于右心室Hand2基因表达量降低，而出现心脏发育不全以及先天性死亡。之前有报道[16]称，Hand2基因的功能突变会导法乐氏四联症（一种先天心脏缺陷疾病）。这一结果将有助于人类对于心脏发育缺陷的研究。
从海洋到陆地，从原肺到肺，从单循环到双循环，呼吸系统和心脏与循环系统的协同演化，是硬骨鱼祖先们的绝技（分子遗传基础）为后续数亿年的发展与演变提供的基础与可能性。
有鱼的地方，也就有江湖。终于等到有一种鱼唇四足兽后代，还有着探寻真相的好奇，也掌握了解锁基因密码的技能，将默默保存了数亿年的秘密逐步揭开：
四足动物陆生适应相关器官和生理功能的遗传调控机制，在其硬骨鱼祖先中已初现雏形。它们有了原肺，进而才有演化出完全在水面外呼吸的现代肺；它们有了后基鳍骨和滑膜关节，进而为灵活四肢的发育奠定基础，使得登陆成为可能；它们有了早期的心脏和循环系统，才能更快适应登陆后高效循环运输氧气的需求。
迄今为止，我们身上的这些结构和功能可以追溯到硬骨鱼祖先，我们遗传了这些祖先身上调控空气呼吸功能、骨骼运动灵活性、以及心肺系统发育相关的古老基因。这些基因调控机制为后续的肉鳍鱼登陆、演化出四足动物这一物种飞跃提供了重要的遗传创新基础。
恩，许多性状并不是水生到陆生的转变的过程中才出现的，而是祖先的一些功能为转变奠定了基础。而真骨鱼类，它们是出走的一派……因此，人类在这些性状上比起今天99%的鱼，都更像古老的鱼祖先。
参考文献