离上岸一步之遥,基因组最大动物成进化路上最大咸鱼!

我们都是鱼变的,但有些 ” 亲戚 ” 却不怎么争气,在进化路上早早躺平。令人 ” 气愤 ” 的是,它们其实坐拥比人类大十多倍的庞大基因组。真 · 恨铁不成钢。

不争气的 ” 老咸鱼 “(我们的主角,澳洲肺鱼)。|fishesofaustralia.net.au

作者 | 刘森 辽宁古生物博物馆展览部主任

物竞天择,适者生存,不积极改变适应环境,就会被自然淘汰。不过,也有例外。最近,科学家们发现,在进化路上有一条早早躺平的老咸鱼,基因组是人类 14 倍大,身体却 1 亿多年没变化,这就是澳洲肺鱼。

2021 年 1 月,发表在《自然》杂志上的一项研究揭示,澳洲肺鱼的基因组包含约 430 亿个 DNA 碱基对,是迄今已测序所有动物中最大的一个,比之前的记录保持者——美西钝口螈的 320 亿个还要多出 110 亿个。

如此 ” 富有 ” 却又如此佛系,也是奇葩一枚了。不过,或许正是这种 ” 富有 “,给了它们挺过地球史上种种变迁,平安生存至今的资本。

基因组庞大,却不比人类更高级

一个有机体 DNA 的完整序列称为一个基因组,每个细胞都有一套(或多于一套但近乎相同的)完整基因组拷贝。对其测序可以让我们了解一个物种的大量信息。比如,我们人体内含有约 30 亿个 DNA 碱基对,通过解读这些信息,生物学家就可以绘制出人类基因组图谱,并且辨识其载有的基因,破译人类遗传信息的秘密。

目前科学家已经对许多生物进行了测序,包括老鼠、蠕虫、苹果、西红柿、小麦、和黑死病菌等。最近,他们又盯上了古老而奇特的澳洲肺鱼。结果显示,其基因组是迄今已测序所有动物中最大的一个。

然而,肺鱼却并没有演化成像人类一样的高等复杂生命。这是为什么呢?

事实上,这和一个常见的误解有关。我们会直觉地认为,一个物种基因组越大就越高级。但生物的复杂性其实由基因(DNA 功能片段)的数量决定,与基因组大小并无多少关系。每一个生物的基因组中,除了包含决定生物性状的基因外,还有一大堆不干活的 ” 自私 “DNA,它们是大量的重复 DNA 序列。在人体内,这类冗余 DNA 的比例在一半左右,而澳洲肺鱼体内的这些 ” 消极怠工者 ” 数量高达 90% 以上。

所以,澳洲肺鱼虽然基因组庞大,却并不比人类更高级。(担心肺鱼大军会统治地球?那真的多虑了 ~)

不过,世上物种千千万,科学家为什么偏要测肺鱼的基因组呢?因为,这其中很可能包含着陆地生命进化的线索。

澳洲肺鱼的基因组是迄今已测序所有动物中最大的一个,是人类的 14 倍。|fishindex.blogspot

庞大基因组,或藏着陆地生命进化的秘密

肺鱼,顾名思义,与肺有关系。与陆地动物靠肺呼吸不同,水中的鱼通常用鳃来呼吸,但肺鱼竟然也有肺,其中定然暗藏玄机。

澳洲肺鱼是现在仅存的六种肺鱼之一,与它在非洲和南美洲的亲戚相比,其身体结构最原始。化石证据表明,它们已经有 1 亿年没有发生变化了,可以说是物种演化的 ” 活化石 “。

大多数鱼类离开水后都无法呼吸,但肺鱼却可以直接呼吸空气。它们体内长有与肺功能类似的鱼鳔,里面分隔成许多对称的小气室,就像人体的肺泡。正是这种过渡形态的肺帮助它们在离开水后,直接呼吸空气。

另外,肺鱼由于胸鳍和腹鳍内部有骨骼支撑,且肌肉发达,可以像蝾螈一样在河床上 ” 行走 “。虽然并不是真正的两栖动物,但是当夏季酷热使河床干枯,肺鱼就可以凭借这两项特殊技能,冒险来到干燥的陆地上,在皮肤保持湿润的状态下,顽强挨过缺水的日子,免遭灭顶之灾。

你可能已经隐约感觉到肺鱼与我们人类千丝万缕的联系了。事实上,化石证据表明,肺鱼可能是现有物种中与包括两栖类在内的四足动物亲缘关系最近的生物,也是生命演化历史上最重要的事件之一—— ” 脊椎动物登陆 ” 的见证者。

早在距今约 4.2 亿年前的海洋中,出现了一类长着肉质鱼鳍的原始鱼类——肉鳍鱼。肉鳍鱼的一个支系随后分化,形成了肺鱼和早期四足动物的祖先类群。

现生肉鳍鱼的唯一代表——腔棘鱼。其鱼鳍内有骨骼支撑。|来自网络

在环境因素影响下,这两支肉鳍鱼下游 ” 小分队 “,双双利用演化出来的可以直接呼吸空气的肺部,外加靠着骨骼支撑的肉质鱼鳍,匍匐着离开海洋,来到内陆。

不过自此之后,它们的发展方向就出现了分歧。肺鱼选择在淡水水域中苟安,四足动物则冒险向着广袤陆地进发,并在之后演化出两栖类、爬行类、鸟类、哺乳类,乃至我们人类。

然而,由于化石的缺失,我们只是勾画出了这场浩大的 ” 脊椎动物登陆 ” 的整体轮廓,却无法准确还原,离开水体登陆的先驱们如何克服陡然增加的重力,解决行走、呼吸、繁殖等一系列难题。所以科学家们就将目标锁定了澳洲肺鱼,希望利用更准确可靠的基因组测序技术,确认肺鱼到底是不是与我们四足动物祖先最接近的鱼类近亲,从而增加对脊椎动物登陆过程的理解。

脊椎动物登上陆地。肺鱼可能是与我们四足动物祖先最接近的鱼类近亲。|维基百科

精确测序:确实是我们不争气的近亲

随着澳洲肺鱼基因组测序工作的完成,科学家们发现,控制肺鱼肺部胚胎发育的基因,和人类的相关基因是一样的;控制它们鳍部骨骼发育的基因,也与控制我们手部发育的基因相同。这说明肺鱼和人类的进化可以追溯到同一个起源。该结果确认了此前的化石结论:肺鱼就是与四足动物最接近的现生鱼类近亲。

澳洲肺鱼在现生动物中的演化位置。早早地在进化路上躺平。|Nature

除此之外,研究小组还在澳洲肺鱼的体内发现了一系列有利于陆地生活的基因。要想离开水中到陆地生活,脊椎动物需要进行一系列进化创新,包括呼吸、四肢、姿势、防止干燥、氮排泄、繁殖和嗅觉等方方面面。澳洲肺鱼虽然没有真正登陆,体内的相关基因却并非毫无表示。

例如,肺鱼体内与呼吸相关的基因重复率高,且一直在进化中,这些基因可以促进肺部表面活性剂的增加,提高肺部呼吸的效率。与嗅觉相关的基因数量也非常庞大,其中识别空气中气味的受体基因增多,识别水里气味的受体基因则减少。此外,肺鱼体内与肢体发育、繁殖等能力有关的基因都有所扩展。也许在环境压力下,正是这些基因的随机突变,使得肺鱼能够在内陆新环境中生存下来。

科学家还推测,澳洲肺鱼基因组中大量的重复 DNA 序列,也为其进化蓄积了 ” 潜力 “。这些重复 DNA 序列看似简单,在不同个体间的重复次数却并不一样,在一代一代的遗传过程中可能发生变异,给个体带来身体结构或功能上的改变。如果这些改变适应当时的环境,经过自然选择就会保留下来。

也许正是因为拥有庞大的基因组,肺鱼才获得了快速适应环境变化的能力,从而躲过数次生物大灭绝,延续至今。

——说到这儿,突然觉得,这条老咸鱼也是有点大智若愚呐。

编辑 | 陈天真

责编 | 高佩雯

参考资料

[ 1 ] https://doi.org/10.1038/s41586-021-03198-8

[ 2 ] 3.6 亿年前灭绝的一种鱼,有一支变成了人类 .《一席》

[ 3 ] [ 澳 ] 约翰 .A. 朗著,吴奕俊,郭恩华译 .2019. 鱼类的崛起—— 5 亿年的进化 . 北京 . 电子工业出版社 .

[ 4 ] [ 英 ] M.J. 本顿著,董为译 .2019. 古脊椎动物学(第四版). 北京:科学出版社 .

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