我国科研团队最新发现破解脊椎动物肺脏起源演化之谜

中国青年报客户端讯（王堃 薛杨 中青报·中青网记者 孙海华）器官的起源和演化，一直是生命科学领域最为基础而又充满挑战的科学问题之一。2月14日，西北工业大学研究团队在动物生态学领域的最新原创研究成果在《Nature Ecology & Evolution》（《自然·生态与进化》）期刊发表，这是继2024年8月该团队在该期刊发表的又一重要研究成果。团队连续发表关于脊椎动物两个重要器官——肺脏和肝脏起源演化的研究成果，从基因和分子水平揭示了这些复杂器官是如何在演化过程中逐步形成的。

成果发表页面。西北工业大学/供图

研究发现，肺脏的形成遵循了一套“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。

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。

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。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。”团队工作人员介绍。同时，基因敲除实验显示，这些由基因加倍产生的基因通过分工协作，对肝窦内皮细胞的发育起到了精细调控的作用。

研究展示图。西北工业大学/供图

这些发现共同揭示了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。

西工大翱翔战略团队生态环境学院王堃、邱强和王文教授团队的此次研究成果，为人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。

来源：中国青年报客户端