人类的手指能完成无数精细的动作——从拨动琴弦、书写文字到操控显微仪器，这种灵巧堪称进化的奇迹。然而，你绝对想不到，这双灵活的手指，最初竟源自鱼类身上的一个“末端”结构。

关于人类手指的起源，最新发表在《自然》（Nature）杂志的一项研究给出了一个“有味道”的答案，手指的起源可能与远古鱼类的泄殖腔有关。研究团队发现，控制四肢末端形成的基因调控开关，在3.8亿年前的鱼类中，最早是用于指导泄殖腔，这是一种负责排泄与繁殖的体腔结构的发育。

发表在《自然》杂志的文章（图片来源：参考文献[1]）

这一发现揭示了生命演化中的一个深层机制，新的形态结构并非凭空产生，而是源于对既有基因系统的重新利用。手指的出现，可能正是这一遗传改造过程的结果。

Hox基因与手指发育的遗传基础

四肢的形成是脊椎动物演化史上最关键的事件之一，而其中的遗传基础来自一组古老的基因——Hox基因。它们在胚胎发育过程中依次被激活，决定着身体不同部位的空间结构。对于手指和脚趾的形成，HoxD基因簇中的几个成员，尤其是Hoxd13、Hoxd12和Hoxd11起着关键作用。

在哺乳动物中，HoxD基因的表达受两个主要调控区域控制，分别位于基因簇两侧，称为3DOM和5DOM。这些区域并不编码蛋白质，而是包含众多增强子，增强子的作用是调节Hox基因在不同时间和空间中的开启方式。研究表明，5DOM区域的活动与手指和脚趾的形成密切相关，当这一区域被删除时，小鼠胚胎的指骨无法正常发育。

为了追溯这一调控系统的起源，研究团队将哺乳动物的HoxD基因组与斑马鱼基因组进行了比较。斑马鱼虽然没有手指，但其基因组中仍保留与5DOM对应的遗传结构。这一发现说明，控制四肢末端形成的遗传机制在鱼类中已经存在，只是其功能并非用于手指形成，而可能与其他身体末端器官的发育有关。这一线索为研究者揭开了手指起源的新方向。

野生型与在缺乏5DOM的斑马鱼胚胎的泄殖腔（（图片来源：参考文献[1]）

从泄殖腔到手指，基因调控系统的再利用

为了验证这些调控区域在鱼类中的作用，研究团队利用CRISPR-Cas9基因编辑技术分别删除了斑马鱼基因组中的3DOM和5DOM区域。结果显示，当3DOM被删除时，鱼鳍前部的发育出现异常；而当5DOM被删除时，鱼鳍依然可以正常形成，但泄殖腔的发育受到了严重影响。泄殖腔是鱼类用于排泄和繁殖的共同通道，其异常表明，5DOM区域的基因调控功能原本服务于这一器官的形成。

相应的实验也在小鼠中得到了印证。研究者发现，小鼠胚胎中与5DOM对应的区域不仅控制手指的形成，还在泌尿生殖系统发育过程中发挥作用。特别是在由泄殖腔演化而来的泌尿生殖窦中，Hoxd13等基因的表达依赖于同一套增强子。当研究者删除这些增强子时，小鼠不仅出现指骨缺失，生殖器官的发育也受到影响。

这一跨物种的对比说明，手指与泄殖腔的发育依赖同源的遗传控制网络。随着脊椎动物从水中登陆，这一古老的调控体系被共用到了新的形态结构中。研究团队提出，这种机制体现了进化中的功能共选，换句话说，并非产生全新的基因，而是重新利用既有的基因调控框架来驱动新的发育方向。

结尾

这项研究揭示了手指起源的一个全新视角，我们身体的重要结构，可能源于早期鱼类的排泄与生殖系统。进化的过程并非不断创造新的基因，而是在已有的基因调控体系上进行改造和组合。控制泄殖腔发育的遗传模块在漫长的演化中被保留下来，最终被用于四肢末端的形成。

从鱼的泄殖腔到人的手指，这条遗传路径跨越了约三亿八千万年的时间。它提醒我们，生物演化是一种延续性的创新过程。生命利用有限的遗传资源，通过重新排列和再利用，逐步构建出新的形态与功能。这不仅解释了手指的起源，也揭示了自然界中遗传体系的高效与保守。

参考文献：

[1] Hintermann, Aurélie, et al. "Co-option of an ancestral cloacal regulatory landscape during digit evolution." Nature (2025): doi: 10.1038/s41586-025-09548-0.

[2] Spitz, François, Federico Gonzalez, and Denis Duboule. "A global control region defines a chromosomal regulatory landscape containing the HoxD cluster." Cell 113.3 (2003): 405-417.

[3] Montavon, Thomas, et al. "A regulatory archipelago controls Hox genes transcription in digits." Cell 147.5 (2011): 1132-1145.

[4] Cloutier, Richard, et al. "Elpistostege and the origin of the vertebrate hand." Nature 579.7800 (2020): 549-554.

[5] Zakany, Jozsef, and Denis Duboule. "The role of Hox genes during vertebrate limb development." Current opinion in genetics & development 17.4 (2007): 359-366.

策划制作

作者丨邵文亚副教授 福建师范大学；杨超博士 中国科普作家协会会员

审核丨赵宝锋研究员 辽宁生命学会

来源: 科普中国新媒体

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