脊椎动物进化时间表。
传统上，人们认为肺部和四肢是脊椎动物从水过渡到陆地的关键创新。但是实际上，我们的鱼类祖先在五千万年前就已经建立了呼吸和四肢运动的遗传基础。这是根据哥本哈根大学等人最近对原始鱼类进行的基因组图谱确定的。这项新研究改变了我们对自己进化史上一个重要里程碑的理解。
关于人类和所有其他从鱼类进化而来的脊椎动物，没有什么新鲜之处。传统的理解是，某些鱼类在大约3.7亿年前就向地面爬行，这是原始的，蜥蜴般的动物，被称为四足动物。根据这种理解，我们的鱼类祖先通过将其鳍变成四肢，并在水下呼吸来进行呼吸来从水陆着出来。
但是，四肢和肺部并不是最近就出现的创新。我们的常见鱼类祖先生活在四足动物首次上岸之前的5,000万年前，已经携带了登陆所需肢体形式和呼吸的遗传密码。这些遗传密码仍然存在于人类和一组原始鱼类中。
哥本哈根大学及其合作伙伴最近进行的基因组研究已证明了这一点。这项新的研究报告指出，这些祖先遗传密码的进化可能促进了脊椎动物从水到地的过渡，从而改变了传统的关于这种大的进化跳跃的顺序和时间轴的观点。该研究已经发表在科学杂志《细胞》上。
“水陆过渡是我们进化史上的一个重要里程碑。理解这种转变是如何发生的关键是揭示肺和肢体何时以及如何进化。我们现在能够证明这些生物学功能的遗传基础早在第一批动物上岸之前就已经发生了，”来自哥本哈根大学生物系Villum生物多样性基因组学中心的教授兼主要作者张国杰说。
一群古老的活鱼可能掌握解释四足动物最终如何长出四肢并呼吸空气的关键。鱼群包括生活在非洲浅水淡水栖息地的比比鱼。这些鱼类与大多数其他现存的骨质鱼类不同，它们具有我们早期鱼类祖先可能在4.2亿年前所具有的特征。同样的特征也存在于例如人类中。通过基因组测序，研究人员发现，肺和四肢发育所需的基因已经出现在这些原始物种中。
我们的滑膜关节是从鱼的祖先演变而来的
通过使用具有运动功能的胸鳍（例如四肢），比希尔犬可以以类似于四足动物的方式在陆地上移动。研究人员几年来一直相信，比希尔的胸鳍代表了我们早期鱼类祖先所拥有的鳍。
新的基因组图谱显示，将所谓的翼状bone肉骨与比比希尔的胸鳍中的radial骨相连的关节与人类的滑膜关节同源，即连接上臂和前臂骨骼的关节。控制滑膜关节形成的DNA序列已经存在于骨鱼的共同祖先中，并且仍然存在于这些原始鱼类和陆生脊椎动物中。在某些时候，这种DNA序列和滑膜关节在所有常见的骨鱼（所谓的硬骨鱼）中丢失了。
张国杰说：“这种遗传密码和关节使我们的骨骼能够自由移动，这解释了比比希尔为什么能够在陆地上移动。”
首先是肺部，然后是膀胱游
此外，比希尔（Bibichir）和其他一些原始鱼类具有一对在解剖学上类似于我们的肺。这项新的研究表明，比比希尔和扬子鳄的肺部也以相似的方式运作，并表达与人类肺部相同的基因集。
同时，研究表明，大多数现存鱼类的肺和膀胱组织的基因表达非常相似，证实它们是达尔文所预测的同源器官。但是，尽管达尔文建议将游泳膀胱转换为肺部，但该研究表明，游泳膀胱更有可能从肺部进化而来。研究表明，我们早期的骨质鱼类祖先具有原始的功能性肺部。通过进化，一条鱼保留了更适应空气呼吸的肺功能，并最终导致了四足动物的进化。鱼类的另一分支改变了肺部结构，并随着游泳膀胱而进化，从而导致硬骨鱼的进化。泳囊使这些鱼保持浮力并感知压力，因此可以在水下更好地生存。
“这项研究启发了我们有关人体器官的来源以及它们的功能在基因组中如何被解码的信息。因此，一些与肺和四肢有关的功能在水到地过渡发生时并未进化，而是由一些古老的基因调节机制所编码，这些机制早在着陆之前就已经存在于我们的鱼类祖先中。有趣的是，这些遗传密码仍然存在于这些“活化石”鱼类中，这为我们提供了追溯这些基因根源的机会。张国杰总结说。
情况说明1：不只是四肢和肺，还有心脏
原始鱼类和人类在心脏呼吸系统中也具有共同的关键功能：动脉圆锥，在我们心脏的右心室中的一种结构，可能使心脏有效地将氧气输送到整个身体，在二头肌中也发现了这种结构。但是，绝大多数骨鱼都失去了这种结构。研究人员发现了一种遗传因素，似乎可以控制动脉圆锥的发展。用小鼠进行的转基因实验表明，当研究人员去除这种遗传成分后，突变的小鼠由于右心室变薄，变小而死亡，这导致了先天性心脏缺陷和心脏功能受损。
情况说明2：
现存的鱼类绝大部分属于射线鳍鱼类，是骨鱼类的一个亚类。这些通常是带有with，鳍和a的鱼。陆生脊椎动物被称为四足动物。该四足动物包括所有从最早通过四肢和肺部发育而适应陆地生活的动物的脊椎动物，即所有哺乳动物，鸟类，爬行动物和两栖动物。研究人员的理论是这些原始鱼类的呼吸能力使他们在大约375-3.6亿年前的第二次大灭绝中幸存下来。当时，地球海洋中的氧气耗尽导致大部分物种被消灭。肺脏使一些鱼类得以在陆地上生存。这项研究已经发表在科学杂志《细胞》上。该研究小组还为另一篇论文做出了贡献，该论文报道了另一种原始鱼类（肺鱼）的基因组。该基因组是迄今为止解码的最大的脊椎动物基因组。这篇论文同时发表在Cell上，这项研究得到了Villum Foundation等的支持。参考：毕旭鹏，王坤，杨联东，潘海林，姜海峰，魏其伟，方妙全，余浩，朱成龙，蔡以然，何玉明：“追踪非遥遥鱼鳍脊椎动物的遗传足迹” 2021年2月4日，Cell。
10.1016 / j.cell.2021.01.046
