中新網(wǎng)西安2月15日電 (記者 阿琳娜)器官的起源和演化一直是生命科學(xué)領(lǐng)域最為基礎(chǔ)而又充滿挑戰(zhàn)的科學(xué)問題之一。記者15日從西北工業(yè)大學(xué)獲悉，該校研究團隊關(guān)于脊椎動物兩個重要器官——肺臟和肝臟起源演化的研究成果，從基因和分子水平揭示了這些復(fù)雜器官是如何在演化過程中逐步形成的。

　　西北工業(yè)大學(xué)翱翔戰(zhàn)略團隊生態(tài)環(huán)境學(xué)院王堃、邱強和王文教授團隊在動物生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的最新原創(chuàng)研究成果在《Nature Ecology& Evolution》(《自然·生態(tài)與進化》)期刊發(fā)表。

　　研究團隊2021年在《CELL》雜志發(fā)表的研究顯示，肺與魚鰾同源，至少在硬骨魚祖先中初現(xiàn)雛形，并早于泥盆紀早期脊椎動物登陸事件。另一方面，一些化石記錄、發(fā)育模式和分子數(shù)據(jù)則暗示，肺可能起源于軟骨魚與硬骨魚的共同祖先，但其具體起源節(jié)點仍未明確。

　　為了解開肺臟進化之謎，團隊對多種動物的肺組織進行了廣泛而細致的研究。研究發(fā)現(xiàn)，肺臟的形成其實遵循了一套“遺傳控制系統(tǒng)”，就好比一本詳細的操作手冊，指導(dǎo)細胞如何協(xié)同工作：這套系統(tǒng)指揮著細胞如何排列成復(fù)雜的血管分支，同時讓肺部上皮細胞(構(gòu)成肺壁的細胞)發(fā)揮專門功能，從而打造出一個高效的氣血交換平臺。有趣的是，雖然軟骨魚(例如鯊魚和鰩魚)體內(nèi)也具備構(gòu)建肺臟所需的基礎(chǔ)基因，但它們并沒有真正發(fā)展出肺臟。原因在于，這些基因在軟骨魚體內(nèi)已經(jīng)被用到了其他任務(wù)上。例如，本來在肺中用于降低表面張力、幫助呼吸的表面活性蛋白基因，在軟骨魚中卻主要負責免疫系統(tǒng)調(diào)控。

　　進一步研究顯示，真正促成肺臟形成的關(guān)鍵在于硬骨魚祖先獨特的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這一點的證據(jù)來自于對肺部特異性調(diào)控元件的詳細分析：在硬骨魚祖先中，有1040個專門調(diào)控肺臟發(fā)育的DNA序列，而在后來失去了肺臟功能的生物(如某些蠑螈)中，這些序列大多消失了，相比之下，較早期的調(diào)控元件則相對保持不變。這一發(fā)現(xiàn)不僅解釋了為什么擁有相關(guān)基因的軟骨魚卻沒有演化出真正的肺臟，也與最新的化石研究結(jié)果互為佐證，提供了關(guān)于脊椎動物呼吸系統(tǒng)起源于硬骨魚祖先的一份新的、充滿說服力的證據(jù)。

　　在后續(xù)的演化過程中，哺乳動物通過獲得新的基因，發(fā)展出了更精密的肺泡結(jié)構(gòu)，提高了氣體交換效率。這表明，器官的演化既需要重組現(xiàn)有的基因網(wǎng)絡(luò)，也需要獲得新的基因，兩種方式共同推動了器官功能的完善。

　　研究團隊還關(guān)注了標志著脊椎動物成為頂級捕食者的器官：肝臟。研究成果于2024年8月在《Nature Ecology& Evolution》雜志發(fā)表。

　　作為生命活動的代謝中心，肝臟能高效處理和儲存營養(yǎng)物質(zhì)，并具有解毒功能。通過詳細分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)文昌魚的肝盲囊和脊椎動物的肝臟在細胞組成和基因表達上有驚人的相似性。這表明，它們實際上來自相同的進化起源，可以視為同源器官。

　　進一步的研究顯示，脊椎動物進化過程中經(jīng)歷了兩次全基因組加倍(2R-WGD)，這種基因“加倍”的現(xiàn)象大大促進了肝臟功能的復(fù)雜化。此外，新基因的出現(xiàn)貫穿了肝臟核心功能系統(tǒng)的進化歷程。新基因在器官進化中發(fā)揮了雙重作用：它們既能作為生化反應(yīng)的核心成分直接參與功能實現(xiàn)，也能作為調(diào)控節(jié)點，重塑細胞之間的互作網(wǎng)絡(luò)，推動器官功能的不斷復(fù)雜化和優(yōu)化。

　　這些研究成果展示了器官進化中的基因調(diào)控和新基因創(chuàng)新如何推動結(jié)構(gòu)和功能的不斷優(yōu)化。無論是闡明肺臟形成時特定基因網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控機制，還是揭示肝臟在全基因組加倍作用下如何通過基因功能分化實現(xiàn)復(fù)雜化，這些發(fā)現(xiàn)都為理解脊椎動物在漫長進化歷程中如何適應(yīng)環(huán)境提供了新的視角，也為未來生物醫(yī)學(xué)與進化生物學(xué)領(lǐng)域的研究奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。(完)

責任編輯：王雨蜻