魚類是如何進(jìn)化成會(huì)走路的 _魚類

提塔利克魚的3D渲染，這是一種滅絕的行走魚。Credit: Dotted Yeti/Shutterstock
據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)（by Chris Organ, The Conversation）：當(dāng)你思考人類進(jìn)化的時(shí)候，很有可能你會(huì)想象黑猩猩探索古老的森林或者早期人類在洞穴墻壁上涂抹長(zhǎng)毛象。但我們?nèi)祟悾B同熊、蜥蜴、蜂鳥和霸王龍，其實(shí)都是總鰭魚類。
這聽起來(lái)可能很奇怪，但證據(jù)就在我們的基因、解剖學(xué)和化石中。我們屬于一群叫做陸棲肉鰭魚類的動(dòng)物，但是大量的進(jìn)化改變掩蓋了我們的外貌。
我們認(rèn)為魚是游泳專家，但事實(shí)上它們已經(jīng)進(jìn)化出至少五次“行走”的能力。一些物種利用發(fā)育良好的前鰭向前移動(dòng) ，而另一些則沿著海底“行走” 。
我們的肉鰭魚類祖先在冒險(xiǎn)登陸之前，進(jìn)化出了肺和其他呼吸空氣的機(jī)制、瘦骨嶙峋的四肢和更強(qiáng)壯的脊柱。這些適應(yīng)不僅在水生環(huán)境中有用，而且允許我們的祖先探索陸地——它們是陸地生活的“預(yù)適應(yīng)” 。
水陸過渡是脊椎動(dòng)物進(jìn)化中最重要的事件之一。它可能是作為一種逃避捕食者的方式開始的，但我們的祖先發(fā)現(xiàn)的景觀已經(jīng)有豐富的植物，如苔蘚，馬尾和蕨類植物，以及數(shù)百萬(wàn)年前定居陸地的節(jié)肢動(dòng)物(千足蟲) 。
我們并不孤單
魚類的獨(dú)立行走進(jìn)化了幾次，成為進(jìn)化趨同的一個(gè)例子(獨(dú)立進(jìn)化的相似特征，像蝙蝠和鳥類的翅膀) 。然而，魚類行走的進(jìn)化是罕見的。我們今天所知的魚類有30，000多種(不是進(jìn)化意義上的)，其中只有極少數(shù)能“行走” 。
肉鰭魚類在幾個(gè)重要方面不同于其他類型的魚類。例如，我們的鰭(四肢)有骨骼支撐和肌肉葉，使我們能夠在陸地上移動(dòng) 。
在大約3.75億年前的泥盆紀(jì)晚期，這種適應(yīng)被認(rèn)為對(duì)四足動(dòng)物(兩棲動(dòng)物、哺乳動(dòng)物、爬行動(dòng)物和鳥類)的進(jìn)化至關(guān)重要。在四足動(dòng)物中，許多與形成四肢和腳趾有關(guān)的基因也在像肺魚這樣的水生肉鰭魚類中發(fā)現(xiàn)，這表明這些特征是在我們古老的共同祖先中進(jìn)化而來(lái)的。
我們不知道這個(gè)祖先是哪個(gè)物種，但它可能看起來(lái)類似于腔棘魚，腔棘魚有豐富的化石記錄，是今天生活在西印度洋和印度尼西亞的“活化石” 。

腔棘魚仍然存在于熱帶海洋中。Credit: Catmando/Shutterstock
行走的肉鰭魚類要么已經(jīng)滅絕，就像提塔利克魚，要么已經(jīng)高度進(jìn)化到我們?cè)僖舱J(rèn)不出它們是魚了(四足動(dòng)物) 。
活魚行走的一個(gè)例子是彈涂魚(屬于牛科) 。這些魚生活在紅樹林沼澤和灘涂，用胸鰭在陸地上行走。這些鰭幫助它們逃離水生捕食者，尋找食物(它們消耗泥土中的有機(jī)物質(zhì))，甚至通過尋找配偶在陸地上相互交流。
另一個(gè)例子是胡鲇(Clarias batrachus)，它利用胸鰭在陸地上旅行，幫助它逃離干涸的池塘，找到新的棲息地。
與行走相關(guān)的基因是如何進(jìn)化的？
小白鰩(Leucoraja erinacea)是一種軟骨魚，與鰩魚和鯊魚(相對(duì)于硬骨魚，包括肉鰭魚類)有關(guān) 。這是另一種用像腿一樣的鰭在水下“行走”的魚，模仿陸地動(dòng)物的動(dòng)作。
研究運(yùn)動(dòng)進(jìn)化的科學(xué)家對(duì)這種小鰩魚很感興趣，因?yàn)樗菑娜怫掫~類獨(dú)立進(jìn)化而來(lái)的基于鰭的行走。然而，直到現(xiàn)在，由于缺乏高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，小滑板行走背后的遺傳學(xué)很難研究。
這種情況最近發(fā)生了變化，來(lái)自首爾和紐約的研究人員利用尖端技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)高質(zhì)量的小鰩魚基因組。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，它只用10塊肌肉進(jìn)行基于鰭的行走，而四足動(dòng)物通常用50塊肌肉來(lái)移動(dòng)四肢。
關(guān)于脊椎動(dòng)物進(jìn)化的一個(gè)大問題是:哪些基因?qū)τ诎l(fā)展能夠行走的肌肉是重要的？為了找到答案，研究小組觀察了老鼠、雞和小滑板中控制肢體肌肉的神經(jīng)(運(yùn)動(dòng)神經(jīng))中哪些基因是活躍的。
他們?cè)趲椭@些肌肉發(fā)揮功能的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)中發(fā)現(xiàn)了類似的基因表達(dá)模式。因此，鲇魚可能走了幾種不同的進(jìn)化道路，但最近的研究表明了一種共同的遺傳機(jī)制。

彈涂魚現(xiàn)存32種。Credit: Polbkt/Shutterstock
人類進(jìn)化成了最好的步行者
大約在2.01億年前的三疊紀(jì)末期，恐龍和哺乳動(dòng)物都進(jìn)化出了出色的奔跑能力。人類完善了這些運(yùn)動(dòng)能力，進(jìn)化出無(wú)數(shù)的適應(yīng)能力，使我們成為地球上最有效率和能力的跑步物種之一。
這些適應(yīng)包括有助于儲(chǔ)存能量的彈簧狀跟腱、長(zhǎng)步幅和平衡的重心，以及出汗降溫。這些適應(yīng)使我們能夠以極大的耐力跑長(zhǎng)距離，盡管速度很慢。
我們的祖先用跑步來(lái)打獵、躲避捕食者和覓食。它塑造了我們的解剖學(xué)、生理學(xué)和文化。許多研究表明，走路和跑步對(duì)我們的健康和身體健康至關(guān)重要。
從我們最初殖民陸地的魚類祖先的行走起源來(lái)看，這是一條漫長(zhǎng)的道路。但是行走和跑步仍然是我們生活的核心部分，也是我們進(jìn)化成功的關(guān)鍵。