鱼类泄殖腔里，藏着你手指的秘密

撰文 | 不周
审校 | 二七、clefable

请花三秒钟，欣赏一下自己的四肢。从躯干开始，到近端的大腿和上臂，再到小腿和小臂，最后是手足的末端，手指与脚趾。

最末端的手指无疑是其中最小的结构，却能握笔写字、敲击键盘、感知世界，实现无比复杂且精巧的动作。它让我们能牢牢握住工具，创造文明，拥有“操纵”世界的能力。脚趾则默默承担了许多支撑与平衡的责任，让我们能稳健地行走、奔跑，甚至攀爬。放眼整个动物界，从哺乳动物的爪、蹄，到爬行动物、鸟类的趾，这些位于四肢最末端的微小结构，赋予了人类与许多其他四足动物独有的能力。但如此重要的身体部位，究竟从何而来？演化生物学家一直都抱有疑问。

“从鱼到人”的故事，我们已不陌生。大约3.8亿年前，一些鱼类祖先爬上岸，它们的胸鳍和腹鳍逐渐演化为四肢。随着时间推移，这些早期的两栖动物不断分化，最终发展出丰富的脊椎动物类群。但演化故事中的许多具体细节始终是一团迷雾。手指与脚趾，在生物学上被称为指和趾（digits），它们的出现无疑是四足动物祖先得以行走、觅食和繁衍的关键，但它们与四肢同源，都由鱼鳍末梢演化而来吗？还是在四肢末端独立演化出的一种全新结构？

故事远比我们想象的更复杂。最近，一项发表于《自然》（Nature）的新研究发现，尽管我们的手臂和腿的主体确实由鱼鳍演化而来，但负责构建四肢最末端指趾的基因调控程序，其真正起源却并非鱼鳍这个“直系祖先”，而是借用了一个看上去风马牛不相及的结构：泄殖腔。这意味着，人体灵巧的末端结构，与鱼类消化生殖系统的末端，在基因调控的蓝图上拥有一个共同的起源。

手臂与手指同源吗？

包括人类在内的所有四足动物，从远古时期便一直遵循着相当保守的骨骼构造“蓝图”。正如文章开头我们扫视四肢的顺序一样，无论是青蛙、鸟、老鼠还是人类，四肢的骨骼大多拥有一致的排列架构：一根长骨，到两根并列的长骨，最后是许多小骨头构成的复杂结构。

此前科学家已经发现，由相互关联的一串基因构成的Hox基因簇，对四足动物的肢体发育至关重要，特别是其中的Hoxa13和Hoxd13基因。如果在小鼠中敲除这两个基因，会导致小鼠的手足结构无法发育。因此，当研究人员发现，在鱼类中敲除对应的同源基因，会干扰鱼鳍末端结构形成时，他们很自然地推论出，负责构建身体远端结构的基因调控网络，早已出现在鱼类祖先中。

然而，基因本身与基因的调控区域是完全不同的概念，就像工具与遥控器关系不同一样。尽管找到了与指趾发育相关的“工具”基因，科学家显然不能全凭推论，草率地认定“工具”对应的“遥控器”的演化过程也一致。为了理解在指趾演化过程中，这些“遥控器”是原有调控网络的再利用，还是全新演化而来，研究人员需要深入分子层面，在调控基因表达的区域一探究竟。

这引入了新的空白。科学家发现，小鼠体内的HoxD基因簇存在明确的分工：位于基因簇一侧的基因调控区域，名为3DOM，负责调控与肢体近端区域发育相关基因的表达；随后3DOM关闭，基因簇另一侧的5DOM调控区域被激活，负责控制指趾的形成。当研究人员分别删除这两个调控区域后，会分别影响Hoxd基因在肢体近端和远端的表达，这表明二者分别独立地主导了小鼠肢体近端和远端的发育。而在斑马鱼中，尽管存在与小鼠HoxD基因簇同源的hoxda基因簇，但研究者此前并不确定它是否有和3DOM与5DOM相似的双重调控机制。我们仍不清楚，哺乳动物与鱼类祖先的“遥控器”是否采用了相同策略操控肢体发育，而理解这一点正是揭示指趾如何由鱼鳍演化而来的关键。

都是末端

为了破解这一谜题，在这项新研究中，研究人员用基因编辑工具CRISPR删除了斑马鱼中与3DOM和5DOM对应的同源基因调控区域。预想中，如果这套调控机制是保守的，删除这些基因调控区域的结果应与小鼠实验结果一致，即删除5DOM同源区域，会干扰斑马鱼鱼鳍最末端的发育；而删除3DOM同源区域，则会影响鱼鳍的发育。

但令人意外的是，实验结果与预想大相径庭。研究人员发现，无论是删除哪一个同源区域，对斑马鱼的鱼鳍发育都没有造成严重影响。这意味着，在鱼类中，调控鱼鳍发育的“遥控器”另有其人，并非类似于小鼠体内的3DOM和5DOM操控区域。那么，如果研究者删除的“遥控器”无法激活与指趾发育相关的基因，它会在哪里发挥作用呢？

研究人员仔细观察了删除5DOM同源区域的斑马鱼，他们惊讶地发现，虽然鱼鳍安然无恙，但其泄殖腔却出现了明显的发育缺陷。随着研究团队进一步扩大调查范围，他们在与我们关系更近的鱼类的基因组中，也找到了与5DOM同源的“遥控器”区域，而删除这些调控区域同样会导致泄殖腔内的基因表达缺失。这意味着，在斑马鱼中，5DOM同源“遥控器”的原始功能与鱼鳍无关，而是负责调控泄殖腔的发育，且该应用在鱼类祖先中普遍存在。但在演化中，它开始参与调控四足动物的肢体的发育。

与哺乳动物体内复杂的构造相比，鱼类的泄殖腔称得上简单粗暴——它是消化、排泄和生殖系统共同的终点。“泄殖腔与指趾的相似之处在于，它们都是身体的末端，只是一个是消化系统的末端，另一个则是手或脚的末端，”美国斯托尔斯研究所（Stowers Institute）的博士后研究员奥雷莉·欣特曼（Aurélie Hintermann，新研究的共同作者）表示，“因此，这两者都意味着某种事物的终结。”

“回收再利用”

我们之所以有手指与脚趾，是因为一些帮助鱼类祖先泄殖腔发育的基因区域，被用于调控正确的基因。这一发现不可谓不惊人，它为指趾的起源提供了一个全新的演化叙事。

“这些基因的参与，是演化过程如何创新性地‘回收旧物’‘创造新物’的惊人例证，”日内瓦大学（UNIGE）、法国法兰西学院（Collège de France）名誉教授丹尼斯·杜布勒（Denis Duboule，新研究的发起人）评论道，“大自然并没有为指趾发育构建一个全新的调控系统，而是重新利用了泄殖腔原有的机制。”

演化远不限于基因本身及编码基因的故事，更重要的还有其调控架构。这项研究关注的调控区域，通过控制数千个编码基因的表达，在由这些基因组成的复杂网络之上发挥作用，进而影响生物体内组织、器官的发育计划。

因此，这些基因调控区域的演化，可能会对解剖学上的变化造成极为深远的影响，比如泄殖腔调控区域在另一种生物体内被循环利用为指趾发育调控区域，而这也能解释其在演化过程中发挥的决定性作用。理解调控基因表达区域的演化，或许能更深刻地理解演化机制，为我们更好地讲述“从鱼到人”的转变故事。

虽然但是……吮指原味鸡再见！

参考链接：
https://arstechnica.com/science/2025/09/distinct-digits-may-have-evolved-by-using-dna-that-makes-the-cloaca/
https://www.eurekalert.org/news-releases/1098650
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09548-0