问题似乎很明确，氧气是维持生命更基础的物质，营养物质似乎不那么着急。其实从能量代谢最根本的角度看，营养和氧气具有对等的地位。在生命进化历史上，是摄取营养优先，还是摄取氧气优先。或者是消化道先出现，还是呼吸器官先出现，这是个问题。传统的观点认为是气体交换先出现，但最近研究提示，故事可能不是这么简单。作为气体交换的鳃，最早本来是作为摄取食物的器官。

呼吸和消化类似先有鸡先有蛋的类似问题，或许是两种功能共同进化更符合逻辑。当然呼吸器官和消化器官则是生物复杂化后的阶段。即使是单细胞生物和植物，仍然有营养和气体交换的基本需要。

气体交换和离子调节是重要的生物过程。在脊椎动物中，气体交换从空气中获取维持生命的氧气，并把代谢产生的二氧化碳去除。离子调节控制必需离子(如钠离子和钙离子)进出细胞的运动。离子的相对水平调节细胞内的pH值，影响细胞功能。这些功能如何执行的变化对现代脊椎动物的进化至关重要，但这些变化的时间和性质仍不清楚。Sackville等人在《自然》杂志上的文章提供了一些见解，对这个谜题中的一些主要部分进行了调整。

目前的观点是，在我们的前脊椎动物海洋祖先中，离子和气体的转移最初是由皮肤完成的2(图1)。在这些相对不活跃的小型生物中，气体和离子可以很容易地从皮肤到达身体的所有部位。在这种情况下，第一个鳃主要用于滤食——从水中筛出可食用的颗粒。随后，在脊椎动物进化的早期，大约5亿年前，鳃成为气体交换和离子调节的主要场所。这种从皮肤到鳃的转变消除了动物体型的限制，因为通过鳃的血液循环提供了一种将氧气输送到身体其他部位的方式。这使得脊椎动物成为今天的大型活跃生物。

图1|鳃在离子交换中的早期作用。a、穴居小动物为理解脊椎动物早期进化的关键步骤提供了一个模型。长期以来，人们一直认为，在我们的前脊椎动物祖先身上，气体交换(氧气的吸收和二氧化碳的释放)和离子调节(离子在身体和环境之间的转移)是通过皮肤发生的，横跨身体的长度。b, Sackville等提出了一个新假设的证据，该假设认为离子调节在进化的更早时期主要发生在鳃，也许可以追溯到第一批有鳃的前脊椎动物。c，作者报告的数据表明，随着脊椎动物进化成更大、更活跃的生物，鳃成为气体交换的主要场所。

这个理论还有待验证，但是，如果没有回到过去检查第一批脊椎动物，这是一项艰巨的任务。Sackville等人利用比较生物学的力量接受了这一挑战。他们的方法假设，如果两个现存的动物物种之间有共同的生物学特征，那么这种特征很可能也存在于它们最后的共同祖先身上。通过比较现存脊椎动物和非脊椎动物体内气体交换和离子调节可能发生的部位，作者建立了脊椎动物进化过程中这些关键过程在体内的位置模型。

作者首先研究了七鳃鳗(Entosphenus tridentatus)，它们通常被称为活化石，因为它们被认为与最早的脊椎动物非常相似。年轻的七鳃鳗，被称为梭子蟹，是一种淡水穴居动物，用它们的鳃进行滤食。为了测量在身体不同部位发生的气体和离子交换的水平，作者将不同大小的甲鱼放入一个分隔的室中，将它们的鳃与身体的其他部分分开。当他们测试越来越大的甲鱼时，作者发现气体交换转向发生在鳃。这一发现支持了一种理论，即当脊椎动物进化出更大的身体尺寸时，鳃的气体交换增加了。令人惊讶的是，对于离子的调节却不是这样的——离子调节总是发生在鳃，不管梭鱼有多大。

这促使作者进一步追溯动物的族谱，以找到这一意想不到的特征的根源。在这些实验中，Sackville和他的同事们使用了橡子虫(Saccoglossus kowalevskii)和一种文昌鱼(Branchiostoma floridae)，它们都是脊椎动物的近亲。这些小型海洋生物的生活方式与梭鱼相似，生活在洞穴中，用鳃过滤食物。

作者利用了橡子虫的再生能力，将它们切成两半。当他们测量了仍然存活的前半部分和后半部分的气体交换时，他们发现这两部分的气体交换能力是相同的。这一发现支持了现有的理论，即在脊椎动物进化之前，气体交换的主要地点不是鳃。在探索橡子蠕虫和文昌鱼的离子调节时，作者受到了海水中离子含量高的阻碍，这意味着他们不能直接测量动物环境中的离子变化。相反，作者研究了被称为离子细胞的特殊细胞的已知分子标记的存在和定位，这些细胞控制脊椎动物的离子调节5。Sackville和他的同事们发现，橡子虫和文昌鱼的鳃中离子细胞标记物的水平高于皮肤。

作者对鱼鳃进行了漂亮的显微镜分析，结果显示，疑似的离子细胞位于与它们在鱼鳃中出现的位置相似的位置。这些结果与该团队的七鳃鳗的工作一起，推翻了早期脊椎动物的离子调节与气体交换一起移动到鳃的理论。相反，研究结果提示，离子调节在动物进化的更早时期转移到鳃，甚至可能早在第一个有鳃的生物时期(图1)。作者推测，鳃中离子细胞最初的调节功能可能与摄食有关，离子细胞控制形成凝胶的物质的分泌，从而捕获食物颗粒。

虽然Sackville和同事们的发现令人信服，但怀疑论者可能会指出，离子细胞标记的存在并不能证明这些细胞作为离子调节剂发挥作用，需要直接测量橡子蠕虫和文昌鱼的离子转移。另一个问题是，存在于脊椎动物鳃中的离子细胞，以及存在于非脊椎动物鳃中的可疑离子细胞，是否确实与进化相关。有可能这些相似的细胞是独立进化的。这种可能性可以通过研究这些动物的离子细胞如何发育来探索。如果它们来自胚胎的相同部分，并且在发育过程中需要相同的遗传指令，那么我们将更有力地支持鳃离子细胞的深层起源。

脊椎动物的进化无疑是一个谜题，研究人员将继续探索，以了解我们自己的起源。Sackville和同事们采取了一种创造性的方法来挑战我们目前对这一过程的理解，并为探索提供了新的途径。

doi: https://doi.org/10.1038/d41586 - 022 - 03220 - 7