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鰩魚後鰭行走神經系統 或為陸上動物發展四肢秘密

2018/2/9 — 16:04

並非所有魚都擺動鰭於水中游動,有些如猬白鰩 (Leucoraja erinacea) 的魚會在海床如陸上動物一樣行走。

最新刊於《細胞》的研究顯示,猬白鰩以後鰭於海床行走所用的神經系統與陸上哺乳類動物一樣,可能引證該些行走所需的神經早在 4.2 億年已在魚類出現,比四腳動物由海中行到陸上生活早 2000 萬年。

科學家長久以來認為,由在海中游泳到陸上行走,神經細胞需要逐步激活更多指定肌肉才能做到,但一些如猬白鰩的保有較原始形態的魚,會利用胸肌同時伸展和收縮其葉狀前鰭,動作就似雀鳥拍動翅膀一樣,而在海床牠們就用後鰭行走。

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有份參與是次研究的紐約大學醫學院神經科學家 Jeremy Dasen 之前已發現,蛇有某些基因被關閉,令其變成無四肢的爬蟲類動物。為了將結果與其他生物比較,他向麻省海洋生物實驗室借取 20 粒猬白鰩魚卵,以分析其肌肉與運動神經迴路的發展。

團隊發現,猬白鰩胚胎在未發展出前鰭時,要移動就會擺動整個身體;妊娠後期則會使用尾巴移動,前鰭則上下擺動。在孵化後,他們的後肢會有節奏地來回擺動,就像很多陸上動物一樣不用扭動脊椎即可在海床上行走。

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更重要是 Dasen 的團隊分析猬白鰩的神經細胞時發現,它與人類控制肢體肌肉收縮和延展的一樣;而猬白鰩運動神經細胞的基因,有很多也出現在哺乳類動物身上。團隊由此估計,哺乳類動物與猬白鰩的共同祖先在 4.2 億年前已擁有行走所需的神經系統。

Dasen 指,很多人以為演化是由簡單到較為複雜的過程,但研究顯示相對簡單或原始的物種可能都用上非常複雜的神經系統做出跟人類一樣的動作;陸上動物所用的神經系統在魚類早就出現。

不過,人類與鰩科魚類如何變成雙足行走仍然是謎。團隊認為兩者的可能使用共同祖先遺下的同一系列基因,獨立演化出雙足行走的能力。

其他專家對研究有所保留。芝加哥大學演化生物學家 Michael Coates 表示,我們需要非常小心現代生物就算較為原始,但仍與遠古生物有一段距離,未必完全一樣。他強調需要比較更多物種,包括與哺乳類基因上更親近的魚類才能下定論。

然而, Dasen 仍然充滿希望,認為報告可引發更多深入研究。他指出,研究發現猬白鰩在後鰭行走時只用六個組肌肉,如老鼠和人類等較近期才演化出來的物種則需要動用幾百組肌肉。科學家們可由兩者的不同,了解其他生物的神經網絡如何控制行走這個動作。

最終,這些知識或可幫助醫生修復因脊髓損傷而無法行走的情況,或治療一些影響運動能力的神經系統疾病。

來源:
Science, This walking fish may reveal how animals first took to land, 8 February 2018
Nature, Primitive fish's sea-floor shuffle illuminates the origins of walking, 8 February 2018

報告:
Jung, H., Baek, M., D’Elia, K.P. & et al. (2018). The Ancient Origins of Neural Substrates for Land Walking. Cell Volume 172, Issue 4, 667-682.e15. doI: 10.1016/j.cell.2018.01.013

文/Alan Chiu 、審核/Edward Ho

 

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