近700年前，荷兰诗人Jacob van Maerlant想象了一种准备在陆地上生活的鱼：它长出了手臂，可以把自己抬到岸上。现在，三项基因研究使他的幻想看起来非常具有预见性。这些研究表明，四足陆地动物的水生祖先在基因方面已经为适应陆地生活做好了充分准备。它们已经具备了制造四肢、高效呼吸空气的肺部以及适应陆地生活的神经系统的基因。
化石揭示了这个故事的大致轮廓。大约3.75亿年前，具有肉质鳍的鱼类，即肉鳍鱼，进入了浅水区。大约500万年后，其中一些肉鳍鱼爬上了陆地。第一批登上陆地的鱼类必须已经具备了一些必要的物理特征和基因改造，但研究人员尚未弄清楚它们是如何以及何时变得适应这一变化的。
在上周发表在《细胞》杂志上的三项研究中，活鱼中的基因取代了化石，成为回顾过去的一种方式。其中一个线索来自对突变斑马鱼的研究，斑马鱼是研究发育的热门模型。哈佛大学研究生M. Brent Hawkins发现，斑马鱼突变体在前鳍中具有两个类似于陆地动物前肢骨的骨头，包括肌肉、关节和血管。
其他遗传线索来自古代鱼类谱系的现代表现形式。只有两组肉鳍鱼今天仍然存在：肺鱼和腔棘鱼。大约4亿年前，它们从3000万年后产生四足动物的肉鳍鱼谱系中分化出来。今天的海洋主要由另一组大约4.2亿年前起源的物种组成：射线鳍鱼，因其鳍由细长的刺支撑而得名。
哥本哈根大学的Guojie Zhang和西安西北工业大学的Wen Wang及其同事对非洲肺鱼的基因组进行了测序，非洲肺鱼是从其他肉鳍鱼中较早分化出来的。研究人员还对生活在热带非洲河流浅水区的细长、呼吸空气的射线鳍鱼——多鳍鱼，以及美国匙吻鲟、弓鳍鱼和鳄雀鳝进行了基因组测序。所有这些都是比今天世界水域中占主导地位的硬骨鱼更早进化的射线鳍鱼。
尽管测序的鱼类并不是精确地导致四足动物出现的那一支，但它们都具有在陆地上生活所需的大部分遗传设备，包括大部分用于构建四肢的基因和调控DNA。例如，所有测序的鱼类都有一个帮助形成滑膜关节的调控元件，这对于陆地运动至关重要。
肺鱼的基因组提供了对陆地生活后期适应的窥视。它包括射线鳍鱼所缺乏的额外肺表面活性物质基因，以及指定五个脚趾、连接神经到肢体肌肉以及使大脑快速反应的DNA。所有这些基因以前都被认为是四足动物独有的。
将所有这些结合起来，Wang和Zhang认为向陆地的转变涉及三个关键步骤。大约4.25亿年前，射线和肉鳍鱼的共同祖先偶尔开始呼吸空气。然后，表面活性物质基因、新的神经系统基因和其他创新使肉鳍鱼能够暂时离开水域。最后，在非洲肺鱼从肉鳍鱼中分化出来后，陆地脊椎动物的共同祖先获得了其他呼吸和运动改进，以适应在水中生活。