你的手 ，粗略地说，有 3.6 亿年的历史。在那之前，它们是鳍，你的鱼类祖先用它们在海洋和河流中游泳。一旦这些鳍长出手指，它们就能帮助你的蝾螈状祖先在陆地上行走。快进 3 亿年，你的手已经变得精细，能够进行各种操作：你的狐猴状祖先用它们抓住树叶和打开水果。在过去的几百万年里，你的人类祖先拥有相当像人类的手，他们用这些手制作工具来挖掘块茎、屠宰动物尸体，并为我们今天的全球统治奠定了基础。
我们对从鳍到手的转变过程相当了解，这要归功于古生物学家们近乎疯狂的执着，他们冒着严酷的条件前往北极地区，那里埋藏着我们进化史那个时期的最佳化石。（我在我的第一本书中曾写过其中一些发现，
《水边》。
) 通过比较这些化石，科学家们可以梳理出鱼体转变为两栖动物、爬行动物、鸟类和哺乳动物（统称为四足动物）身体的顺序。当然，化石唯一能保存下来的就是这些早期四足动物的骨骼。而骨骼是由基因构建的，基因不会变成化石。最终，我们手的起源是一个关于这些构建鳍的基因如何改变的故事，但这个故事需要比化石更多的证据来讲述。一组西班牙科学家为我们提供了这个故事的一瞥。他们对鱼类的基因进行了改造，将它们的鳍变成了原始的肢体。在深入探讨新实验的细节之前，请随我一起回到 4.5 亿年前。大约在那个时候，我们最早的脊椎动物祖先——像七鳃鳗一样的无颌鱼——进化出了第一批鳍。到大约 4 亿年前，这些鳍已经骨化。如今仍然存在的硬骨鱼（如鲑鱼或金鱼）的鳍，其构造仍然遵循相同的基本模式。它们主要由坚硬的鳍条组成。在鳍的基部，它们含有一个骨节，这种骨节构成了我们整个手臂的骨骼（称为软骨内成骨）。鱼类利用附着在软骨内成骨上的肌肉来操纵鳍以游泳。我们自己的鱼类祖先经过数百万年的时间逐渐改造了这种鳍。软骨内成骨扩大，鳍条向后收缩，形成了一种叫做肉鳍鱼的新结构。如今只剩下两种肉鳍鱼：肺鱼和腔棘鱼。在我们祖先与它们分道扬镳后，我们的鳍变得更像肢体。前鳍进化出了形状和位置与我们的尺骨和肱骨相对应的骨骼。2006 年发现的一块有 3.75 亿年历史的化石，被称为“提塔利克鱼”，拥有这些长骨，末端还有与我们手腕相对应的较小骨骼。但它的肉鳍边缘仍然有形成边缘的鳍条。然而，到 3.6 亿年前，真正的四足动物已经进化出来：它们的肉鳍已经没有了鳍条，并且拥有了真正的指。 （这里使用的图来自我最近的书，《纠缠的银行》）。鳍和手在胚胎时期就开始发育。当鱼类胚胎生长时，它在身体两侧会出现隆起。隆起内的细胞迅速生长，一组基因开始启动。它们不仅决定了隆起的形状，还为将来形成骨骼奠定了模式。科学家们发现，许多相同的基因在四足动物胚胎的肢芽中也会启动。他们比较了四足动物和鱼类胚胎中的基因，以找出基因网络的改变如何将一种解剖结构转变成另一种。最有趣的差异之一涉及一个称为 5'Hoxd 的基因。在发育中的鱼鳍中，它在发育早期沿着外缘产生蛋白质。来自该基因的蛋白质然后抓住其他基因并激活它们。它们又激活其他基因，引发了一系列生物化学反应。在你还是胚胎时，5'Hoxd 也在你肢体发育的早期启动。然后它会关闭，就像在鱼类中一样。但几天后，它又重新出现。它在肢芽的 the crest 上第二次启动。这种 5'Hoxd 的第二次活动标志着你的肢体出现了一种新的模式：它确定了你的手骨将要发育的位置。一些科学家认为，这可能是手进化的一个重要线索。有可能我们祖先的突变导致 5'Hoxd 在发育晚期重新启动。因此，它可能在鳍的末端增加了新的结构。如果这是真的，那就意味着我们鱼类祖先已经具备了构建原始手的一些遗传能力。所有需要的只是在发育过程中为一些基因指定新的时间和地点。也许，一些科学家推测，今天的鱼类仍然携带那种潜在的潜力。最近，西班牙 Pablo de Olavide 大学（Universidad Pablo de Olavide）的 Renata Freitas 和她的同事们着手尝试解锁这种潜力。他们对斑马鱼进行基因改造，使用了一种经过改良的 5'Hoxd 基因，他们可以通过向斑马鱼胚胎施加激素来随时激活它。科学家们等到鱼开始发育出正常的鳍。鱼在正常、早期阶段表达了 5'Hoxd。科学家们等到基因再次沉寂，因为鳍继续膨胀。然后，他们用激素喷洒了斑马鱼。5'Hoxd 基因再次启动，并开始再次产生其蛋白质。其效果非常显著。斑马鱼的鳍条变得矮小，鳍的末端充满了将最终成为软骨内成骨的细胞。这两个图说明了这种转变。上面的图显示鱼的背部。左边是正常的斑马鱼，右边是基因改造过的。下面的图提供了鳍的特写视图。蓝色椭圆形是软骨内成骨，红色椭圆形显示一个标记，表示它们正在快速生长。
这项实验中最有趣的结果之一是，这一微小的改变——晚期 5'Hoxd 的激活——一次产生了两个主要效果。它同时缩小了鳍中发育鳍条的外侧区域，并扩大了软骨内成骨生长的区域。在手的进化过程中，这两个变化可能同时发生。如果说 Freitas 和她的同事们通过这项实验复制了手的进化，那是不对的。我们并不是从斑马鱼进化而来的。它们是我们的表亲，源自 4 亿年前的共同祖先。自从那时分离以来，它们经历了大量的进化，适应了它们自己的环境。结果，晚期 5'Hoxd 的激活对鱼类有毒。它干扰了胚胎中的其他蛋白质，导致它们死亡。相反，这项实验提供了一个线索和一个惊喜。它为导致鳍变成四足动物肢体的突变提供了一些强有力的证据。它还带来了惊喜：经过 4 亿年，我们的斑马鱼表亲仍然携带一些我们用来构建手的遗传回路。参考文献：Freitas 等人，“Hoxd13 Contribution to the Evolution of Vertebrate Appendages。”Developmental Celldx.doi.org/10.1016/j.devcel.2012.10.015 Schneider 和 Shubin，“Making Limbs from Fins。”Developmental Celldx.doi.org/10.1016/j.devcel.2012.11.011
