我国学者又破解脊椎动物肺脏起源演化之谜

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为了解开肺脏进化之谜，该研究团队对多种动物的肺组织进行了广泛而细致的研究。研究发现，肺脏的形成其实遵循了一套“遗传控制系统”，就好比一本详细的操作手册，指导细胞如何协同工作：这套系统指挥着细胞如何排列成复杂的血管分支，同时让肺部上皮细胞（构成肺壁的细胞）发挥专门功能，从而打造出一个高效的气血交换平台。有趣的是，虽然软骨鱼（例如鲨鱼和鳐鱼）体内也具备构建肺脏所需的基础基因，但它们并没有真正发展出肺脏。原因在于，这些基因在软骨鱼体内已经被用到了其他任务上。例如，本来在肺中用于降低表面张力、帮助呼吸的表面活性蛋白基因，在软骨鱼中却主要负责免疫系统调控。

他们进一步的研究显示，真正促成肺脏形成的关键在于硬骨鱼祖先独特的基因调控网络。这一点的证据来自于对肺部特异性调控元件的详细分析：在硬骨鱼祖先中，有1040个专门调控肺脏发育的DNA序列，而在后来失去了肺脏功能的生物，如某些蝾螈中，这些序列大多消失了，相比之下，较早期的调控元件则相对保持不变。这一发现不仅解释了为什么拥有相关基因的软骨鱼却没有演化出真正的肺脏，也与最新的化石研究结果互为佐证，提供了关于脊椎动物呼吸系统起源于硬骨鱼祖先的的一份新的、充满说服力的证据。

在后续的演化过程中，哺乳动物通过获得新的基因，发展出了更精密的肺泡结构，提高了气体交换效率。这表明，器官的演化既需要重组现有的基因网络，也需要获得新的基因，两种方式共同推动了器官功能的完善。

该研究团队还关注了标志着脊椎动物成为顶级捕食者的器官：肝脏，其研究成果曾于2024年8月在Nature Ecology & Evolution杂志发表。

作为生命活动的代谢中心，肝脏能高效处理和储存营养物质，并具有解毒功能。通过详细分析，研究团队发现文昌鱼的肝盲囊和脊椎动物的肝脏在细胞组成和基因表达上有惊人的相似性。这表明，它们实际上来自相同的进化起源，可以视为同源器官。进一步的研究显示，脊椎动物进化过程中经历了两次全基因组加倍（2R-WGD），这种基因“加倍”的现象大大促进了肝脏功能的复杂化。举个例子，这次基因加倍促成了仅在脊椎动物中出现的一类特殊细胞——肝窦内皮细胞。它们构成了一个低阻力、高渗透性的血管网络，不仅提高了体内养分与废物的交换效率，同时在解毒、免疫防御和组织再生中也扮演着关键角色。更有意思的是，在肝窦内皮细胞中，有九个关键基因表现得非常活跃，其中有五个基因正是来源于那次全基因组加倍。基因敲除实验显示，这些由基因加倍产生的基因（也称为ohnologues）通过分工协作，对肝窦内皮细胞的发育起到了精细调控的作用，从而帮助构建了肝脏复杂的三维结构及其出色的再生能力。

此外，新基因的出现贯穿了肝脏核心功能系统的进化历程。例如，在凝血系统中，关键因子，如凝血酶原和纤维蛋白原是通过基因复制和功能分化而实现了凝血反应的精密控制；而在胆汁代谢过程中，随着古老途径与新替代途径的不断完善，最终在羊膜动物中建立起了一套完整的胆固醇代谢调控网络。

这些发现共同揭示，新基因在器官进化中发挥了双重作用：它们既能作为生化反应的核心成分直接参与功能实现，也能作为调控节点，重塑细胞之间的互作网络，推动器官功能的不断复杂化和优化。

生物进化研究领域相关专家认为，这些研究成果展示了器官进化中的基因调控和新基因创新如何推动结构和功能的不断优化。无论是阐明肺脏形成时特定基因网络的调控机制，还是揭示肝脏在全基因组加倍作用下如何通过基因功能分化实现复杂化，这些发现都为我们理解脊椎动物在漫长进化历程中如何适应环境提供了新的视角，也为未来生物医学与进化生物学领域的研究奠定了坚实的理论基础。