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魚鰭演化成人類手指的秘密

2016/9/9 — 14:00

via pexels.com

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2004 年於加拿大北部出土的 Tiktaalik 魚可算是水棲版本的始祖鳥,牠生存於 3.75 億年前的泥盆紀晚期,魚鰭特徵與過去所發現的古魚類不同, 擁有原始的腕骨及單純的趾頭。專家相信 Tiktaalik 是魚類及兩棲類之間的過渡物種,牠們就算不能以鰭爬行,仍可以承受重量做數下掌上壓。(詳盡 Tiktaalik 資訊可參考芝加哥大學設立的專頁

Credit: University of Chicago, Kevin Jiang

Credit: University of Chicago, Kevin Jiang

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重點是,各種生物為了應付不同的生活環境而演化出貌似不同的四肢,不過萬變不離其宗,馬的蹄、鼴鼠的爪,甚至我正在打字的手指或許就與 Tiktaalik 擁有著同一個基因。

其實早在 1996 年,法國一個研究團隊已從老鼠身上發現到控制四肢發展的基因 Hoxa-13 與 Hoxd-13 。當時團隊在老鼠胚胎發展出四肢中的長骨後,關閉這兩個基因,結果老鼠的足踝無法出現,趾骨也沒有長出。

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演化學家一直知道魚類也有同樣基因,但因技術問題,一直未能進行相關的實驗。直到 2013 年,發掘 Tiktaalik 而成名的 Neil Shubin 教授,其實驗室一名研究生中村哲也,利用新的基因編改技術 Crispr ,將已修改的 Hoxa-13 與 Hoxd-13 基因插入透明的斑馬魚胚胎,以追蹤牠們的生長情況。這些基因會令斑馬魚無法製造蛋白質,實驗亦顯示斑馬魚因此長出畸形魚鰭。最令團隊意外的是,鰭條(魚鰭軟骨組織)也無法成型。

Nakamura, T. & et al. (2016)

Nakamura, T. & et al. (2016)

科學家一直認為鰭條和我們其他動物的趾骨毫無關係,因為我們的手指、腳趾都是軟骨內成骨 Endochondral bone) ,由軟骨發展出來,骨中含血管;而鰭條僅為簡單軟骨組織形成,當中不含血管,被稱為膜骨 (dermal bone) 。然而,中村的發現卻顯示,我們的趾骨發展基因與魚類無異。

實驗室的另一位 Andrew Gehrke 就進行平衡實驗,他將螢光 Hox 基因分別插入斑馬魚與老鼠胚胎,分析個別細胞的流向。他發現製製造 Hox 蛋白的細胞最終會停留在魚鰭令其發光;老鼠的研究就顯示其足踝與趾骨也發光。團隊的結論是:趾骨與魚鰭在很大程度上有關聯。

那這個研究有什麼啟示?至少我們知道,控制 Hox 基因或會幫助到手腳出現異常發展的情況,令病者重拾正常生活。中村的研究結果亦已刊於《自然》期刊,可以參考一下。

論文:
Nakamura, T., Gehrke, A.R. & et al. (2016). Digits and fin rays share common developmental histories. Nature 537, 225–228. doi:10.1038/nature19322

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