根据达尔文的进化论,生物进化的路径大致是从水生到陆地,即从鱼类到两栖动物,到爬行动物,到灵长类动物到人类等等,但从水生到陆地有一个至关重要的进化问题:鱼鳍等水生动物如何进化成陆地的腿或四肢动物?

水生的节肢动物以什么排泄(是什么时候演变成陆生动物的四肢的)(1)

事实上,从鳍到腿的进化是渐进的,这已经被化石证明了。十多年前,芝加哥大学(University of Chicago)解剖学教授尼尔•舒宾(Neil Shubin)和他的同事在北极的埃尔斯米尔岛(Ellesmere)发现了一种名为“Tik”的鱼(“提克”)。Tik是因纽特人语,意思是大型淡水鱼。

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提克鱼介于鱼和陆生动物之间,背部有鳞,鳍有蹼。然而,和早期陆地动物一样,它的头和脖子是平的。更重要的是,它的鳍。可以发现,它的鳍上有与陆生动物前肢相对应的骨头,还有手腕的一部分,这是一条长着肩膀、肘关节和腕关节的鱼,所有这一切都藏在带蹼的鳍里面。

但从鳍到腿(手)的进化是如何开始的呢?现在,研究人员从分子角度提供了一种解答。基因导致了从鳍到腿(手)的进化。这个基因是肌动蛋白(actinodin),由四个基因组成。

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事实上,肌动蛋白是编码鱼鳍的基因。鱼鳍对鱼来说最重要的功能是保持平衡,同时帮助它们游动,就像陆地动物的四肢一样。鳍主要由硬蛋白纤维组成,称为角质鳍,垂直排列。肌动蛋白(actinodin)就是编码产生这些角质鳍条。

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加拿大渥太华大学玛丽·安德烈·伊基研究小组发现,斑马鱼和远古鱼类都有肌动蛋白基因(actinodin),但在小鼠等四足动物身上没有肌动蛋白基因(actinodin)。研究人员首先在斑马鱼胚胎的鳍芽中发现了该基因,但在小鼠胚胎的肢芽中没有发现。从那时起,研究人员还在斑马鱼断鳍部位又长出来的鳍发现了肌动蛋白基因(actinodin)。

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接着,艾基门科的研究小组用吗啉核酸(Morpholinos)来检验这些基因的功能。吗啉核酸是一种小分子,附着在RNA(核糖核酸)上,可以阻断蛋白质翻译(RNA就是担任蛋白质生成的翻译工作),从而抑制目标基因的表达。使用吗啉核酸抑制了肌动蛋白actinodin基因表达后,研究人员发现,斑马鱼胚胎的鳍芽中没有出现角质鳍条,而后者是生成鳍必须的物质。于是,胚胎中的鳍芽没有发育,最后鳍芽卷曲起来。

研究人员用同样的方法阻止了成年斑马鱼重新生长的鳍中肌动蛋白actinodin基因的表达,结果成年斑马鱼重新生长的鳍中角质鳍条的分布也受到影响。而且,肌动蛋白actinodin基因表达减少或不表达后在其他动物也会引起肢体发育的异常,例如,产生额外的趾。

根据生物进化的时间线,研究人员推测,在泥盆纪晚期(约3.65亿年前),第一批类鱼生物产生了有8个脚趾的腿,然后开始从浅水到陆地冒险,从而进化成两栖动物,然后变成爬行动物。陆地动物的腿是由鳍进化而来的。其实,这也是人类祖先的进化过程。在从鳍到腿的转变过程中,我们有刺的祖先失去了一排叫做角质鳍的硬纤维。然而,脚趾的数量后来演变成今天的动物。每条腿最多有五个脚趾,如人的手和脚。

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然而,正是由于缺乏肌动蛋白基因表达,才引发了这一过程。因此,因此基因的缺失也与基因的拥有一样,已经成为进化中的一种创造性力量。此外,actinodin肌动蛋白基因在其他骨性鱼类中也有被发现,但在爬行动物中没有发现。因此,这个基因家族可能有着非常古老的根源,就像在象鲛(又称姥鲨,是大洋性大型鲨鱼,鱼类中体型第二大者)的基因组中发现的部分序列一样。

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当然,actinodin基因的功能缺失导致了鳍转化为腿这一假说还需要更多的研究来检验。而且,其他研究人员提出了一个有意思的问题:我们是因为没有使用鳍才失去了这些基因呢,还是因为失去了这些基因才失去了鳍?瑞士洛桑的联邦技术学院(EPFL)的进化发育生物学家丹尼斯·杜波尔认为,这是一个进化问题,你不能做实验来证实。

对此,艾基门科提出,会在以后的研究中用小鼠等动物来观察actinodin基因,以进一步确认是否是该基因导致了从鳍到腿的转换,以及如何转换的。

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