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(tuán)隊(duì)關(guān)于脊椎動(dòng)物兩個(gè)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(tuán)隊(duì)生態(tài)環(huán)境學(xué)院王堃、邱強(qiáng)和王文教授團(tuán)隊(duì)在動(dòng)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(jìn)化》)期刊發(fā)表。

研究團(tuán)隊(duì)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(jì)早期脊椎動(dòng)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(diǎn)仍未明確。

為了解開肺臟進(jìn)化之謎，團(tuán)隊(duì)對(duì)多種動(dòng)物的肺組織進(jìn)行了廣泛而細(xì)致的研究。研究發(fā)現(xiàn)，肺臟的形成其實(shí)遵循了一套“遺傳控制系統(tǒng)”，就好比一本詳細(xì)的操作手冊(cè)，指導(dǎo)細(xì)胞如何協(xié)同工作：這套系統(tǒng)指揮著細(xì)胞如何排列成復(fù)雜的血管分支，同時(shí)讓肺部上皮細(xì)胞(構(gòu)成肺壁的細(xì)胞)發(fā)揮專門功能，從而打造出一個(gè)高效的氣血交換平臺(tái)。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(fù)責(zé)免疫系統(tǒng)調(diào)控。

進(jìn)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(dú)特的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。這一點(diǎn)的證據(jù)來自于對(duì)肺部特異性調(diào)控元件的詳細(xì)分析：在硬骨魚祖先中，有1040個(gè)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)了器官功能的完善。

研究團(tuán)隊(duì)還關(guān)注了標(biāo)志著脊椎動(dòng)物成為頂級(jí)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(dòng)的代謝中心，肝臟能高效處理和儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并具有解毒功能。通過詳細(xì)分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)文昌魚的肝盲囊和脊椎動(dòng)物的肝臟在細(xì)胞組成和基因表達(dá)上有驚人的相似性。這表明，它們實(shí)際上來自相同的進(jìn)化起源，可以視為同源器官。

進(jìn)一步的研究顯示，脊椎動(dòng)物進(jìn)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(jìn)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(jìn)化歷程。新基因在器官進(jìn)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(shí)現(xiàn)，也能作為調(diào)控節(jié)點(diǎn)，重塑細(xì)胞之間的互作網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)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(jìn)化中的基因調(diào)控和新基因創(chuàng)新如何推動(dòng)結(jié)構(gòu)和功能的不斷優(yōu)化。無論是闡明肺臟形成時(shí)特定基因網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控機(jī)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜化，這些發(fā)現(xiàn)都為理解脊椎動(dòng)物在漫長(zhǎng)進(jìn)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(jìn)化生物學(xué)領(lǐng)域的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。(完)