Nature | 魏家琳等揭示动物从海洋走向陆地的基因组秘密

5 亿年前，所有动物都生活在海洋中。在寒武纪末期，生命开启了从海洋迈向陆地的重大旅程——登陆（terrestrialization），这一栖息地的转变成为地球历史上最具标志性的演化事件之一，也奠定了现代陆地生态系统的基础。这引发了一个核心问题：动物究竟是如何从海洋“踏上”陆地的？

与植物的一次性登陆不同，动物登陆在多个谱系中独立发生了多次——从陆生蜗牛、蚯蚓、昆虫到四足动物等，这些跨越数亿年的独立转变构成了演化生物学中典型的趋同演化（convergent evolution）。每一次成功的登陆，都开辟了全新的陆地生态空间，深刻影响全球生物圈的结构。然而，以往研究多聚焦于单一类群，而整个动物界登陆背后的基因组机制仍缺乏系统性研究

20225 年 11 月 12 日，一项由英国布里斯托大学博士生魏家琳（Jialin Wei）主导的研究成果发表于Nature杂志，题为Convergent genome evolution shaped the emergence of terrestrial animals。作为这篇论文的独立第一作者魏家琳在Jordi Paps课题组的指导下，完成了对动物登陆演化的大规模比较基因组学研究，研究显示，动物在不同谱系中的登陆事件具有较强的趋同性，呈现出相似的基因组变化与反复出现的生物功能，而半陆生和完全陆生动物在环境适应道路上有所差别。研究还提出了动物历史上的三次“登陆窗口期”，揭示全球生态变化与动物登陆演化之间的紧密联系。

动物登陆伴随大规模基因获得与基因减少

研究团队基于全新设计的比较基因组框架InterEvo，对比了150余个物种的基因组，重建了11次独立动物登陆事件的祖先基因组（genome reconstruction）。结果显示，几乎所有的登陆事件都伴随显著的基因获得（gene gains，包括新基因与扩张基因）和基因减少（gene reductions，包括基因丢失与收缩）。这意味着，动物在适应陆地环境的过程中，并非简单的“携带海洋基因组上岸”，而是通过不断增加某些关键基因，删减不再适用的基因，从而构建了适配陆地环境的新功能机制。研究指出，这种基因组可塑性（genome plasticity）极大地推动了动物从水中向陆地的迁移过程。

反复获得与反复减少的基因

在陆地适应中，被不同动物谱系反复获得的基因多与渗透压调节（通过离子转运功能应对脱水），应激反应（如G-protein-coupled receptor抵抗环境压力），代谢与解毒功能（如Cytochrome P450处理陆地上的新型毒素）和繁殖过程（在陆地完成完整的生命周期）等相关，这些反复出现的基因几乎构成了“登陆必备基因包”。而反复减少的基因多涉及可再生能力，饮食调控相关机制和昼夜节律调控等功能，揭示登陆动物在这些原有的海洋时期生理机制上进行调适，选择了更适应陆地环境的基因策略。这些反复发生的基因组改变也印证了动物登陆的趋同性演化。

(图片来源：魏家琳；Organism silhouettes 来源于phylopic.org)

半陆生与完全陆生动物的基因组机制对比

尽管动物登陆存在趋同演化，但由于不同动物类群对水的依赖程度仍有很大差别，研究进一步将陆生动物划分为半陆生和完全陆生两大类，探讨其不同的基因组适应路径。结果表明，半陆生动物（如蚯蚓和线虫）虽然登陆，但仍依赖湿润环境，它们普遍共享高度一致的基因组适应策略，这些基因参与体液运输、渗透调节和营养处理等功能，使其能够应对潮湿土壤环境的各种生理挑战。而完全陆生动物（如陆生节肢动物和四足动物）则演化出更为多样的适应性，从复杂的视觉系统，到强大的先天免疫应答，再到坚硬的外骨骼与皮肤结构。研究指出，这些差异源于不同动物类群演化的生理基础和生态需求。

各动物谱系登陆的独特创新

尽管动物登陆事件存在高度趋同演化，不同动物仍展现出特有的基因创新。比如，陆生蜗牛获得壳体形成与粘液分泌的相关基因，陆生节肢动物（如昆虫）则获得更多的外骨骼、蜕皮和视觉基因，而四足动物的先天免疫与防御机制受到了强化。这些各具特点的基因组创新（genome innovation）揭示各动物类群在应对陆地环境时也形成了独特的“适应基因工具箱”。

三次“登陆窗口期”：生命何时走向陆地？

通过整合基因组、系统发育与化石记录，研究揭示了生命登陆的时间节律：过去约4.87 亿年间，动物登陆主要发生在三个关键时间窗口，分别是奥陶纪（距今4.85–4.43亿年），泥盆纪—石炭纪之交（距今3.6–3.3亿年）与白垩纪（距今1.45–0.66亿年）。这些时期都伴随全球性的生态与地质剧变，为动物提供了适宜的“登陆窗口”。从最早的陆生节肢动物，到后期出现的陆生蜗牛，多次登陆浪潮塑造了现今地球上丰富的陆地生态系统。

反复播放的“生命录像带”：必然与偶然的交织

这是首次将所有动物独立登陆事件整合起来的开创性研究，呈现了一幅宏观又统一的图景。从基因组视角看，某些基因变化在不同谱系登陆事件中反复出现，似乎是登陆演化的“必然”，是不可避免的结果；而另一些变化则是“偶然”，由各谱系独特的演化历史所决定。这项研究整合大量基因组数据，为生命如何适应新环境提供了一幅宏大的全景图：

地球的环境挑战从未停止，但生命也在不断演化，寻找可能性，反复探索新的生存之路。

（艺术家:杨定华/绘）

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09722-4

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Bowles, A. M. C., Bechtold, U. & Paps, J. The origin of land plants is rooted in two bursts of genomic novelty. Curr. Biol.30, 530–536 e2 (2020).

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