小證明大發現:人類的祖先是魚?

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化石紀錄顯示,人類與海洋生活或具共同的祖先,魚類演化成兩棲類和在陸上生活的四足類。 圖片來源:redorbit
化石紀錄顯示,人類與海洋生活或具共同的祖先,魚類演化成兩棲類和在陸上生活的四足類。 圖片來源:redorbit

人類和其他多種動物都有相同的祖先,祖先擁有具指頭的肢臂,而它的後裔則進化成不同的形態來適應不同的需求,但在結構上仍是相似,這是達爾文的學說。在上月,美國芝加哥大學的研究團隊發表報告,顯示人類的手,除與馬蹄和蝙蝠翼有關聯,甚或與魚類鰭條(fin rays)有關。研究發現將能幫助科學家探究,到底人類的祖先是如何從水中世界走上陸地生活,從魚鰭演變成可在陸上移動的肢臂。

手從魚鰭來?

生物進化學家一般相信人的手是從魚類的胸鰭(pectoral fin)演變而成。化石紀錄顯示,人類與海洋生活具共同的祖先、輻鰭魚(學名Actinopterygii,又稱Ray-finned fishes),存活於 4 億 3 千萬年前。四足動物(四足類,tetrapods)則進化於 3 億 6 千萬年前,並移居到陸地。

但一直以來困擾着科學家的,是人手和魚鰭本身並不相似。手位於手臂的尾端,擁有從軟骨發展而成的骨骼,也有血管,稱「軟骨內成骨」(endochondral bone),但如金魚只有一束軟骨內成骨在魚鰭的底部,其餘的鰭條是幼細的皮表骨(dermal bone)組成,皮表骨並非從軟骨長成,也不含血管。

生物進化學家 Neil Shubin,花了 20 多年研究這方面的演化過程,例如曾發現已滅絕的提塔利克魚(Tiktaalik),具兩棲類和魚類的特徵,它的前鰭擁有類似手臂的骨骼結構,但它欠缺手指,而是仍擁有短的鰭條。除了從化石着手,Shubin 在芝加哥大學也從事比較四足類,如老鼠等,和魚類胚胎發展的研究。它們的胚胎在發育初期非常相似,均擁有頭部、尾部,在頭尾中間的脇腹則有兩對肉芽,四足類的長成肢臂,魚類則長成魚鰭。

共管鰭條與足趾的 Hox 基因

而近十多年來,科學家則發現部分掌管四足類長成肢臂的基因。在 1996 年,法國研究團隊發現在老鼠相關的腿部發育基因。當科學家關掉兩條基因,即 Hoxa-13 及 Hoxd-13,老鼠胚胎則沒有長出足腕、足踝及腳趾,顯示 Hoxa-13 及 Hoxd-13 是長成手部和足部的關鍵。

順藤摸瓜,Shubin 好奇這組基因會不會同樣影響魚鰭的生成。但在 90 年代,技術上未能中止魚類胚胎中的基因功能,幸而近年來基因編輯技術則有了突破,如稱 CRISPR 的技術,科學家終可以輕易剪輯其他物種的基因。

研究中,老鼠的手部和魚的鰭條,均發現擁有相同的分子標籤。 圖片來源:Marie Kmita and Andrew Gehrke
Gehrke 的平行研究中,老鼠的足部和魚的鰭條,發現擁有相同的分子標籤,顯示四足動物的足趾和魚類的鰭條在細胞層面屬同一層次。 圖片來源:Marie Kmita and Andrew Gehrke

在 2013 年,Shubin 實驗室的另一名研究員 Tetsuya Nakamura 開始研究魚類胚胎,他選擇了斑馬魚作研究對象,因其胚胎為透明而容易觀察發育情況。Nakamura 在斑馬魚中放置具缺憾的魚類版本的 Hoxa-13 和 Hoxd-13 基因,令斑馬魚不能從中獲取蛋白質。基因經剪輯的班馬魚一如所料長出畸形的魚鰭,但令人意外的是,連鰭條也不能正常生長,顯示 Hox 基因組在魚類也掌管着皮表骨的長成。

另一名研究員的 Gehrke 的平行研究中,則能追蹤啟動了 Hox 基因的細胞,細胞會以螢光顯示。研究發現,在魚鰭完全發育後,鰭條為光亮狀態;而在老鼠實驗中,老鼠的腳趾和足腕亦顯示為螢光。Shubin 認為,這顯示四足動物的足趾和魚類的鰭條,在構成它們的細胞層面屬同一層次。

哈佛醫學院基因學家 Matthew P. Harris 表示,新研究揭示魚鰭和肢臂在發育的部分相同之處,「它們(附屬肢體)的分子地址(molecular address)是一樣的」。在斑馬魚,那分子地址的終點是鰭條的皮表骨,而四足動物的終點是手部和足部的軟骨內成骨。在達爾文所處的維多利亞時代,能幫助研究的最先進也只有顯微鏡,但今日科學家已可藉生物學的工具,更深入揭示物種的相似性。科學家花了這麼大的力氣,就是為了印證魚類和四足類是有共同的祖先。