根據達爾文的進化論,生物進化的路徑大致是從水生到陸地,即從魚類到兩棲動物,到爬行動物,到靈長類動物到人類等等,但從水生到陸地有一個至關重要的進化問題:魚鰭等水生動物如何進化成陸地的腿或四肢動物?
事實上,從鰭到腿的進化是漸進的,這已經被化石證明了。十多年前,芝加哥大學(University of Chicago)解剖學教授尼爾舒賓(Neil Shubin)和他的同事在北極的埃爾斯米爾島(Ellesmere)發現了一種名為「Tik」的魚(「提克」)。Tik是因紐特人語,意思是大型淡水魚。
提克魚介於魚和陸生動物之間,背部有鱗,鰭有蹼。然而,和早期陸地動物一樣,它的頭和脖子是平的。更重要的是,它的鰭。可以發現,它的鰭上有與陸生動物前肢相對應的骨頭,還有手腕的一部分,這是一條長著肩膀、肘關節和腕關節的魚,所有這一切都藏在帶蹼的鰭裡面。
但從鰭到腿(手)的進化是如何開始的呢?現在,研究人員從分子角度提供了一種解答。基因導致了從鰭到腿(手)的進化。這個基因是肌動蛋白(actinodin),由四個基因組成。
事實上,肌動蛋白是編碼魚鰭的基因。魚鰭對魚來說最重要的功能是保持平衡,同時幫助它們遊動,就像陸地動物的四肢一樣。鰭主要由硬蛋白纖維組成,稱為角質鰭,垂直排列。肌動蛋白(actinodin)就是編碼產生這些角質鰭條。
加拿大渥太華大學瑪麗·安德烈·伊基研究小組發現,斑馬魚和遠古魚類都有肌動蛋白基因(actinodin),但在小鼠等四足動物身上沒有肌動蛋白基因(actinodin)。研究人員首先在斑馬魚胚胎的鰭芽中發現了該基因,但在小鼠胚胎的肢芽中沒有發現。從那時起,研究人員還在斑馬魚斷鰭部位又長出來的鰭發現了肌動蛋白基因(actinodin)。
接著,艾基門科的研究小組用嗎啉核酸(Morpholinos)來檢驗這些基因的功能。嗎啉核酸是一種小分子,附著在RNA(核糖核酸)上,可以阻斷蛋白質翻譯(RNA就是擔任蛋白質生成的翻譯工作),從而抑制目標基因的表達。使用嗎啉核酸抑制了肌動蛋白actinodin基因表達後,研究人員發現,斑馬魚胚胎的鰭芽中沒有出現角質鰭條,而後者是生成鰭必須的物質。於是,胚胎中的鰭芽沒有發育,最後鰭芽捲曲起來。
研究人員用同樣的方法阻止了成年斑馬魚重新生長的鰭中肌動蛋白actinodin基因的表達,結果成年斑馬魚重新生長的鰭中角質鰭條的分布也受到影響。而且,肌動蛋白actinodin基因表達減少或不表達後在其他動物也會引起肢體發育的異常,例如,產生額外的趾。
根據生物進化的時間線,研究人員推測,在泥盆紀晚期(約3.65億年前),第一批類魚生物產生了有8個腳趾的腿,然後開始從淺水到陸地冒險,從而進化成兩棲動物,然後變成爬行動物。陸地動物的腿是由鰭進化而來的。其實,這也是人類祖先的進化過程。在從鰭到腿的轉變過程中,我們有刺的祖先失去了一排叫做角質鰭的硬纖維。然而,腳趾的數量後來演變成今天的動物。每條腿最多有五個腳趾,如人的手和腳。
然而,正是由於缺乏肌動蛋白基因表達,才引發了這一過程。因此,因此基因的缺失也與基因的擁有一樣,已經成為進化中的一種創造性力量。此外,actinodin肌動蛋白基因在其他骨性魚類中也有被發現,但在爬行動物中沒有發現。因此,這個基因家族可能有著非常古老的根源,就像在象鮫(又稱姥鯊,是大洋性大型鯊魚,魚類中體型第二大者)的基因組中發現的部分序列一樣。
當然,actinodin基因的功能缺失導致了鰭轉化為腿這一假說還需要更多的研究來檢驗。而且,其他研究人員提出了一個有意思的問題:我們是因為沒有使用鰭才失去了這些基因呢,還是因為失去了這些基因才失去了鰭?瑞士洛桑的聯邦技術學院(EPFL)的進化發育生物學家丹尼斯·杜波爾認為,這是一個進化問題,你不能做實驗來證實。
對此,艾基門科提出,會在以後的研究中用小鼠等動物來觀察actinodin基因,以進一步確認是否是該基因導致了從鰭到腿的轉換,以及如何轉換的。