器官的起源和演化一直是生命科學領域最為基礎而又充滿挑戰的科學問題之一。2月14日，西北工業大學翱翔戰略團隊生態環境學院王堃、邱強和王文教授團隊在《自然·生態與進化》（Nature Ecology & Evolution）期刊繼2024年8月發表標志著脊椎動物成為頂級捕食者的器官——肝臟的演化形成研究論文后，再次發表該研究團隊關于脊椎動物重要器官——肺臟起源演化的研究成果，連續從基因和分子水平揭示了這些復雜器官是如何在演化過程中逐步形成的。
該研究團隊2021年在《細胞》（CELL）雜志發表的研究顯示，肺與魚鰾同源，至少在硬骨魚祖先中初現雛形，并早于泥盆紀早期脊椎動物登陸事件。另一方面，一些化石記錄、發育模式和分子數據則暗示，肺可能起源于軟骨魚與硬骨魚的共同祖先，但其具體起源節點仍未明確。
為了解開肺臟進化之謎，該團隊對多種動物的肺組織進行了廣泛而細致的研究。
為了解開肺臟進化之謎，該研究團隊對多種動物的肺組織進行了廣泛而細致的研究。研究發現，肺臟的形成其實遵循了一套“遺傳控制系統”，就好比一本詳細的操作手冊，指導細胞如何協同工作：這套系統指揮著細胞如何排列成復雜的血管分支，同時讓肺部上皮細胞（構成肺壁的細胞）發揮專門功能，從而打造出一個高效的氣血交換平臺。有趣的是，雖然軟骨魚（例如鯊魚和鰩魚）體內也具備構建肺臟所需的基礎基因，但它們并沒有真正發展出肺臟。原因在于，這些基因在軟骨魚體內已經被用到了其他任務上。例如，本來在肺中用于降低表面張力、幫助呼吸的表面活性蛋白基因，在軟骨魚中卻主要負責免疫系統調控。
他們進一步的研究顯示，真正促成肺臟形成的關鍵在于硬骨魚祖先獨特的基因調控網絡。這一點的證據來自于對肺部特異性調控元件的詳細分析：在硬骨魚祖先中，有1040個專門調控肺臟發育的DNA序列，而在后來失去了肺臟功能的生物，如某些蠑螈中，這些序列大多消失了，相比之下，較早期的調控元件則相對保持不變。這一發現不僅解釋了為什么擁有相關基因的軟骨魚卻沒有演化出真正的肺臟，也與最新的化石研究結果互為佐證，提供了關于脊椎動物呼吸系統起源于硬骨魚祖先的的一份新的、充滿說服力的證據。
在后續的演化過程中，哺乳動物通過獲得新的基因，發展出了更精密的肺泡結構，提高了氣體交換效率。這表明，器官的演化既需要重組現有的基因網絡，也需要獲得新的基因，兩種方式共同推動了器官功能的完善。
該研究團隊還關注了標志著脊椎動物成為頂級捕食者的器官：肝臟，其研究成果曾于2024年8月在Nature Ecology & Evolution雜志發表。
作為生命活動的代謝中心，肝臟能高效處理和儲存營養物質，并具有解毒功能。通過詳細分析，研究團隊發現文昌魚的肝盲囊和脊椎動物的肝臟在細胞組成和基因表達上有驚人的相似性。這表明，它們實際上來自相同的進化起源，可以視為同源器官。進一步的研究顯示，脊椎動物進化過程中經歷了兩次全基因組加倍（2R-WGD），這種基因“加倍”的現象大大促進了肝臟功能的復雜化。舉個例子，這次基因加倍促成了僅在脊椎動物中出現的一類特殊細胞——肝竇內皮細胞。它們構成了一個低阻力、高滲透性的血管網絡，不僅提高了體內養分與廢物的交換效率，同時在解毒、免疫防御和組織再生中也扮演著關鍵角色。更有意思的是，在肝竇內皮細胞中，有九個關鍵基因表現得非常活躍，其中有五個基因正是來源于那次全基因組加倍。基因敲除實驗顯示，這些由基因加倍產生的基因（也稱為ohnologues）通過分工協作，對肝竇內皮細胞的發育起到了精細調控的作用，從而幫助構建了肝臟復雜的三維結構及其出色的再生能力。
此外，新基因的出現貫穿了肝臟核心功能系統的進化歷程。例如，在凝血系統中，關鍵因子，如凝血酶原和纖維蛋白原是通過基因復制和功能分化而實現了凝血反應的精密控制；而在膽汁代謝過程中，隨著古老途徑與新替代途徑的不斷完善，最終在羊膜動物中建立起了一套完整的膽固醇代謝調控網絡。
這些發現共同揭示，新基因在器官進化中發揮了雙重作用：它們既能作為生化反應的核心成分直接參與功能實現，也能作為調控節點，重塑細胞之間的互作網絡，推動器官功能的不斷復雜化和優化。
生物進化研究領域相關專家認為，這些研究成果展示了器官進化中的基因調控和新基因創新如何推動結構和功能的不斷優化。無論是闡明肺臟形成時特定基因網絡的調控機制，還是揭示肝臟在全基因組加倍作用下如何通過基因功能分化實現復雜化，這些發現都為我們理解脊椎動物在漫長進化歷程中如何適應環境提供了新的視角，也為未來生物醫學與進化生物學領域的研究奠定了堅實的理論基礎。
文章相關信息：https://www.nature.com/articles/s41559-025-02642-6；
https://www.nature.com/articles/s41559-024-02510-9
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