零距離科學:人類的四肢源自魚類?

零距離科學:人類的四肢源自魚類?
嶄新的科學顯影技術讓科學家更好地審視和比較不同生物的骨骼結構。
我們想讓你知道的是

科學家對於人類身體部位本源的研究並不限於四肢,還有眼睛、性器官等。

唸給你聽
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文:吳家亮(香港中文大學通識教育基礎課程講師)
圖:香港電台

當我們從一個宏觀角度看演化論,所有地球上的生物都有著同一個起源,可以追溯至最近普適共同祖先(last universal common ancestor)。理論上來說,我們可以不斷地尋索基因的源頭,得出每一個基因的演變歷程。舉一個例,人類的眼睛之所以能生成,是因著一堆基因的表達,而這些基因的DNA序列不是一成不變的,充斥著隨機的變異。那我們是否可以追蹤這些基因數百萬、數千萬、數十億年來的轉變,得出它們的族譜?這些基因在千萬年前,功用是甚麼?是跟現在一樣負責眼睛的生成?還是有著截然不同的角色?

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科學家從這塊四億年前的完整眼球化石得知,眼球的基本結構形式在四億五千萬到五億年前之間已經開始形成。
追本溯源的科學

可惜的是,DNA的穩定性會被保存狀態所影響,也會隨著時日過去而衰敗,科學家經過多番努力,才得出幾萬年前的尼安德塔人(Neanderthal)的基因序列,遑論好像電影般複製在6500百萬年前滅絕的恐龍。我們既然沒法從數百萬、數千萬年前的化石提取DNA來測序,那我們該如何去為身體的各部位,甚至是個別的基因追本溯源?

那又不是全然沒有辦法!我們有的是地球這個多姿多采的生物寶庫。演化生物學家認為,原始的生命是一些單細胞生物,接著通過演化,慢慢變得複雜,細胞核(nucleus)由無到有,單細胞演化成多細胞等等。原始的硬骨魚走上了陸地,再而演化成各種陸地上的有脊椎動物。縱然我們不能回到過去,找到幾百萬年前的原始硬骨魚,幸而硬骨魚今天還存在著,科學家可以透過比對今天的硬骨魚和今天的人類,嘗試破解基因的族譜。

手腳從何來?

假若原始硬骨魚是我們的祖先,那不難想像,原始硬骨魚的胸鰭和腹鰭演變成我們的前肢和後肢。讓我們再退後一步想想,原始硬骨魚的魚鰭是從甚麼演化而來?

早於150年前,已有德國的比較解剖學家研究這個問題。Karl Gegenbaur提出了「鰓弓假說 (gill-arch hypothesis)」,認為硬骨魚的胸腹鰭是由軟骨魚的鰓弓和鰓條演化而來。這個說法一直沒有受到很大的注視,直至近年英國劍橋大學的科學家Andrew Gillis讓這個假說再次回到科學界的舞台,以分子發育生物學的方法研究這個問題。

鰩魚VS四足動物

Gillis的研究對象是鰩。鰩是軟骨魚的一種,包含我們較熟悉的魔鬼魚。鰩的鰓部比較特別,不單有鰓弓(gill arches),還長出了觸鬚形狀的鰓條(branchial rays)。套用Gegenbaur的假說並以前肢為例,鰓弓演變成硬骨魚的胸帶骨和我們的肩胛骨及鎖骨,鰓條則演變為硬骨魚的胸鰭和我們的手臂、手指。

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鰩的X光照片

哺乳類動物的四肢發育研究成果比較豐富,科學家發現,一個名為Sonic hedgehog的基因相當重要。它會表達出Shh蛋白,負責細胞與細胞之間的溝通,引導著四肢前後軸的形成,並維持著骨骼細胞的生長。在老鼠和蠑的胚胎實驗中,當Shh訊息傳遞系統失效,指骨的數目便會減少。

驗証百多年前的假說

Gillis嘗試以藥物Cyclopamine抑制鰩的Shh訊息傳遞。他把藥物於階段22、27或29注射到鰩的卵內,並在胚胎發育8至12星期後檢視鰓弓和鰓條的狀態。他發現,藥物在階段22和27對Shh的抑制會造成鰓條數量的顯著減少,在階段22的抑制還會影響前後軸的形成。藥物在階段29的抑制則對鰓條的數量影響不大。

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不同發展階段的鰩寶寶,是科學家Gillis這次研究的對象。

這個結果支持了Gegenbaur的假說,軟骨魚鰓弓鰓條的發育跟哺乳類動物四肢的發育採用著同一套訊息傳遞系統,由同一個基因支配。那我們就可以斷定原始軟骨魚的鰓弓鰓條就是人類四肢的本源嗎?當然不可!因為也有可能是,軟骨魚跟人類各自演化出這套調控機制,這種相似只是自然界的巧合……那軟骨魚的鰓弓鰓條的本源又是甚麼?那就留待科學家繼續考究了。

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科學家在顯微鏡下仔細研究鰩的鰓弓和鰓條。

科學家對於人類身體部位本源的研究並不限於四肢,還有眼睛、性器官等,大家想知道更多的話,請留意一連兩星期的《零距離科學》,跟大家一起追本溯源!

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延伸閱讀:

Gillis, A. and Hall, B. K. 2016. A shared role for sonic hedgehog signalling in patterning chondrichthyan gill arch appendages and tetrapod limbs. Development 143: 1313-1317

《零距離科學》集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31及31A播映。本集於1月17日播出。港台網站tv.rthk.hk及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。節目網站

責任編輯:Alvin
核稿編輯:Alex