2021年10月08日 09:00
【科學快訊】
「在演化學家的眼光裏，我們其實本身就是一種魚。」
在一周前的有意思破殼秀，水產科學研究員李昂這樣說道。
其實，有些人的耳朵上，會找到一個小洞，這就是我們從魚演化而來遺留的痕跡。如果你沒有這個小洞，看看你的雙手，它們可是由魚鰭演化而來的。
我們的雙手從何而來 ；
2004年，古生物學尼爾·舒賓（Neil Shubin）和泰德·德斯科勒（Ted Daeschler）團隊在加拿大北部的埃爾斯米爾島找到了一種怪異生物的化石：它像魚一樣有著鰓和鰭，同時又具有頸部，以及骨骼結構類似手臂的前鰭……
這種名為提塔利克魚（Tiktaalik）的生物生活在約3.75億年前的泥盆紀晚期，被認為是魚類和早期四足類動物之間的過渡性物種。在它和與它類似的物種離開水面、觸碰陸地的征程中，漫長的歲月如精致的雕刻家般在它們的基因組裏留下了進化的拓印。最終，腳踏大地的四足類出現在了這顆星球上。而它們中的一支，將在前肢末端長出雙手。
提塔利克魚的化石和複原模型。這種生物的前鰭骨骼已經演化出了類似腕的結構。| Beth Rooney/uchicago.edu
魚類與四足類之間的演化史空缺因提塔利克魚的發現而填上了一塊。但是，四肢與魚鰭在發育上的關系依然尚不明朗。發育生物學證據顯示，魚鰭的鰭條和四足動物前肢的指骨有著截然不同的發育途徑——組成鰭條的硬骨是膜骨（dermal bones），它們直接在結締組織中形成；而四足類的指骨是軟骨化骨（endochondral bones），它們則是先在結締組織中形成軟骨，再將軟骨破壞而形成的。
基於這樣的原因，多年以來，科學家們一直認為指頭是一種沒有前身的結構創新。
在小鼠的前爪（左）中，組成指和腕的骨骼都是軟骨化骨，而在斑馬魚的鰭（右）中，魚鰭基部的骨骼是軟骨化骨，但鰭條的骨骼卻是膜骨。在魚類向早期四足類演化的過程中，從膜骨到軟骨化骨的變化如何發生，一直並不明朗。| 參考文獻<1>
不過，這種觀點現在受到了動搖。借助CRISPR基因編輯技術，舒賓的團隊發現鰭條和指頭可能是一脈相承的結構，它們共用一套遺傳工具，也共享著一段發育曆史。2016年，他們的論文<2>被發表到《自然》（Nature）雜志上。
從鰭條到指頭：
同樣的細胞，不同的命運 ；
在之前的研究中，人們已經知道在四肢形成的過程中，一類名為Hox的基因起著關鍵作用，其中的Hox13在腕骨和指骨發育中的作用更是決定性的。
20世紀90年代，研究者發現Hoxa13和Hoxd13兩個基因失去功能的小鼠，在發育時完全失去了手部結構。這意味著，在小鼠胚胎中，在終將發育成小鼠前肢的肢芽（limb bud）裏，有一些細胞需要在這些基因被激活的狀態下才會形成腕部和指節。熒光標記指示，這些細胞集中在肢芽遠端。
小鼠前肢及後肢在胚胎發育9.5天~13.5天的肢芽發育情況 | embryology.med.unsw.edu.au
舒賓和同事借助最成熟的魚類模式生物——斑馬魚，來對魚鰭和四肢之間的關系進行更加深入的研究。他們意外地發現，斑馬魚魚鰭在發育過程中，鰭芽遠端的一些細胞也同樣會在特定時期激活Hox基因，並向外遷移發育成鰭條。
這些結果提示，盡管鰭條和指骨是發育方式完全不同的骨骼，但塑造它們的細胞卻有著同樣的特征。
舒賓實驗室的博士後中村哲也穿著印有小鼠前肢和斑馬魚魚鰭圖像的T恤。在這幅圖中，相同的熒光標記出現在了小鼠的腕部、指頭和魚鰭的鰭條部位。| Jose Luis Gomez Skar/twitter.com
2013年起，舒賓實驗室的博士後中村哲也（Tetsuya Nakamura）試圖利用當時引起巨大反響的CRISPR系統在斑馬魚中敲除Hox13家族基因，來觀察它們對斑馬魚魚鰭發育的影響。
結果顯示，只有Hoxd13a一個基因失去功能的斑馬魚成體，魚鰭長度與野生型的斑馬魚魚鰭沒有顯著差別，但同時失去了Hoxa13a和Hoxa13b（斑馬魚的兩種Hoxa13亞型）的斑馬魚，鰭條則變得更短。將這三個基因一並敲除的斑馬魚，魚鰭也呈現出相似的形態。
指頭和鰭條共享著部分發育史。小鼠（上排）胚胎發育的特定時期，表達Hox的細胞位於肢芽遠端（紅色），這些細胞將參與形成野生型小鼠的腕部和指骨——而敲除Hoxa13和Hoxd13這兩個基因後，腕部和指骨則不發育。類似地，斑馬魚（下排）受精卵產生48小時後，表達Hox的細胞位於鰭芽遠端（紅色），它們會往外遷移並參與形成鰭條。而敲除特定的Hox基因後，鰭條大幅減小。| 參考文獻<2>
更加有趣的是，他們通過CT掃描技術發現，那些鰭條劇烈縮短的斑馬魚，在鰭條基底部都出現了更多的軟骨化骨——也就是組成四足類指頭的骨骼類型。研究者推測，當缺失Hox基因時，本應向外遷移形成膜骨的間充質細胞無法正常遷移，堆積在鰭芽遠端，最終發育成軟骨化骨，從而導致鰭條變短。
野生型斑馬魚的胸鰭（上排）和Hox基因三重敲除的斑馬魚胸鰭（下排）。左列為阿爾新藍/ 茜素紅染色的胸鰭照片；中列為胸鰭的CT掃描圖像（黑色顯示軟骨化骨，灰色顯示膜骨）；右列為CT圖像的局部放大，可見遠端的軟骨化骨數量差異（紅色）。| 參考文獻<2>
這樣的變化是不是讓你想起了什麼？沒錯，膜骨的消失和軟骨化骨在肢端的發展，正是骨骼從硬骨魚向早期四足類演化的過程中所經曆的變化趨勢。
細胞的分化命運也正如你我的命運一樣千絲萬縷，或許就是數億年前一些基因突變的微妙牽動，將新的命運帶給了早已習慣打造膜骨的細胞，讓遠古的魚鰭開始了不一樣的演化之路，最終成就了我們靈巧的雙手。
由於鰭條和指骨的發育都涉及同一類細胞的遷移和分化，尼爾·舒賓團隊這些結果為鰭條與指骨之間的遺傳關聯提供了證據。在感到興奮的同時，科學家們依然保持著嚴謹的樂觀。來自加利福尼亞大學聖迭戈分校的阿迪蒂亞·瑟斯納（Aditya Saxena）和金柏莉·庫珀（Kimberly L。
Cooper）認為，研究者依然有必要在更「原始」的魚類物種，比如雀鱔和匙吻鱘中進行類似的工作，來進一步驗證尼爾·舒賓的突破性進展。
不過，在如CRISPR-Cas9這樣強力的編輯工具的幫助下，我們已經有理由相信，四肢演化的謎底即將揭曉。
新的實驗工具將幫助研究者更好地窺視數億年來四肢的演化曆程。|PBS
參考文獻
<1>Aditya Saxena & Kimberly L。
Cooper。
Evolutionary biology： Fin to limb within our grasp。
Nature （2016）
<2>Nakamura， Tetsuya， et al。
「Digits and fin rays share common developmental histories。」 Nature （2016）。
作者：Lucorta92
