想讓魚“飛”起來，只需要改變兩個基因

飛魚（Exocoetidae）是一類廣泛分布于全球海洋中的魚。與一般的魚相比，它們的造型略顯怪異，擁有長而堅硬的胸鰭和腹鰭，就像雄偉的機翼那樣。但也僅需要身體上的這寥寥幾處變化，這些原本只能在水里游動的生物就具備了“飛翔”的能力。當然，嚴格意義上說，它們只能滑翔：利用在水下的加速躍出水面，在空中利用空氣動力學特性延長滑翔時間，在即將再次入水時用尾部拍擊水面實現(xiàn)連續(xù)騰空。飛魚的單次滑翔距離最遠可達 180 米，而多次滑翔距離甚至可達 400 米，這可以幫助它們逃脫捕食者。

不過，一直以來，科學家并不知道是什么樣的遺傳機制讓飛魚有了這種特征。最近，在哈佛大學醫(yī)學院的馬修?哈里斯（Matthew Harris）的帶領(lǐng)下，一群研究人員揭示了飛魚演化出奇特魚鰭的遺傳機制。結(jié)合多種技術(shù)，他們發(fā)現(xiàn)只需要 2 個基因發(fā)生變化，就足以讓飛魚擁有這種奇特的身體結(jié)構(gòu)，其機制之簡單讓人驚訝不已。這項研究已于去年 11 月發(fā)表在《當代生物學》（Current Biology）上。

魚鰭生長的秘密

為了搜尋讓飛魚擁有奇特身體結(jié)構(gòu)的遺傳機制，哈里斯的團隊對包括飛魚和它們的近緣種在內(nèi)的 35 個物種進行了基因組測序和比對。他們把目光瞄準了不同物種間差異較明顯的 DNA 區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了一些貌似在選擇壓下發(fā)生了演化的基因。

德國康斯坦茨大學的演化生物學家朱斯特?沃爾特林（Joost Woltering）認為，這種比較性的研究有助于發(fā)掘促使新的身體形態(tài)形成的驅(qū)動因素?！暗牵绾巫C明就是這一個基因?qū)е铝瞬町惸?？我們很難讓飛魚的鰭再縮短回去，”他說道，“必須要另外找一種可以開展實驗的動物?！?/p>

于是，哈里斯的團隊用斑馬魚（Danio rerio）開展了實驗。他們使用化學試劑和伽馬射線，在 1 萬多個斑馬魚胚胎中誘發(fā)了隨機突變，然后從那些存活至成體的個體中，尋找他們感興趣的性狀。這種做法并不常見，因為在斑馬魚中開展的遺傳學研究關(guān)注的通常是它們的發(fā)育過程。

雅各布?達恩（Jacob Daane）當時是哈里斯實驗室里的一名博士后研究員。他和同事還篩選了此前的一批斑馬魚長鰭突變體，以更精確地尋找可能調(diào)控斑馬魚鰭生長的基因變體。他們的目光落到了 2 個突變基因上，分別是導致細胞過表達外膜上的鉀通道蛋白的 kcnh2a，以及導致細胞亮氨酸轉(zhuǎn)運體功能缺失的 lat4a。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在斑馬魚中，亮氨酸轉(zhuǎn)運體的突變導致所有的鰭都變短了，而鉀通道的突變導致所有的鰭變長了。如果這兩種突變只發(fā)生其中一處，斑馬魚的運動能力就會受到影響。但當這兩個突變同時發(fā)生時，斑馬魚的胸鰭就會變長，而奇鰭（median fin，魚類沿身體正中線生長的不對稱鰭，如背鰭、臀鰭和尾鰭）會變短，變成儼然一副飛魚的模樣。對此，達恩說道：“據(jù)我所知，像這樣通過非常簡單的機制，就能對器官的尺寸產(chǎn)生如此巨大的影響的情況，在動物中并不常見。”

演化的勝利

放眼廣袤的自然界，不同的動物身體形態(tài)可謂是五花八門，這種形態(tài)上的多樣性很大程度上歸功于自然選擇的作用。哪怕一塊組織生長的時間和速度只發(fā)生些微變化，都有可能影響某處身體結(jié)構(gòu)的長度和大小，甚至讓動物多長或者少長一塊骨頭，這樣一來便產(chǎn)生了新的適應性狀，為物種贏得了新的生態(tài)位（niche）。飛魚這種獨特的性狀，正可謂是一種演化上的勝利。

在不同的飛魚譜系中，它們的身體構(gòu)造發(fā)生了數(shù)次獨立的演化，但都與亮氨酸轉(zhuǎn)運體和鉀通道基因的突變相關(guān)。不同譜系中發(fā)生的亮氨酸轉(zhuǎn)運體突變并不完全相同，但它們涉及的氨基酸變化是一樣的，這就表明不同譜系各自獨立地采用了相同的遺傳機制，從而演化出這種魚鰭的形狀?！霸诓煌谋尘跋?，自然都瞄準了同一個特定的基因?！辈ㄊ款D學院的演化發(fā)育生物學家薩拉?麥克梅納敏（Sarah McMenamin）說道。

至于鉀通道突變?nèi)绾螌е卖~鰭過度生長，科學家仍沒有答案。當鉀通道過表達時，細胞膜的靜息膜電位和細胞質(zhì)的 pH 值會改變，增強細胞的活性和對刺激的響應。于是，魚鰭細胞開始發(fā)出一些類似神經(jīng)元和干細胞會發(fā)出的信號。哈里斯表示，也許細胞信號的變化會影響魚鰭的生長，但這只是一種推測。“這些都是生物學中的新問題，還很少有人研究，人們對其中機制的了解其實很少?！彼f道。

研究人員通過抑制鉀通道突變基因的表達，抑制了鉀離子流動，發(fā)現(xiàn)魚鰭的生長因此而受到阻滯。他們猜想，在發(fā)育的某個階段，魚鰭中的細胞會變得類似合胞體（syncytium，含有多個核的單個細胞質(zhì)團）。如果情況確實如此，那么鉀離子流產(chǎn)生的電場就可以傳播到整個魚鰭中，實現(xiàn)長程的信號調(diào)控，這一點可能強于一般的形態(tài)發(fā)生素或者分泌因子等影響形態(tài)發(fā)生（morphogenesis）的化學信號。也就是說，生物電信號也可能對魚鰭的生長和形態(tài)起調(diào)控作用，甚至可能影響其他身體結(jié)構(gòu)。

魚鰭向左，四肢向右

對魚鰭的發(fā)育和演化進行研究，或許還能幫助我們回答四足動物四肢演化的問題。斑馬魚的胸鰭和身體之間只通過一層骨質(zhì)結(jié)構(gòu)相連，即近端輻鰭骨（proximal radial），該結(jié)構(gòu)和魚的“肩部”直接形成關(guān)節(jié)。去年 2 月，布倫特?霍金斯（BrentHawkins）、卡特琳?亨克（KatrinHenke）和哈里斯曾在《細胞》（Cell）上發(fā)表了一項研究。他們發(fā)現(xiàn)，只需一條表達通路上發(fā)生突變，就可以影響斑馬魚鰭的發(fā)育模式，使其展現(xiàn)出發(fā)育成四肢的潛能。

突變的斑馬魚會形成兩塊“中輻鰭骨”（intermediate radial），它們與近端輻鰭骨形成關(guān)節(jié)。這些新形成的骨骼上甚至還有肌肉附著。這樣的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)展露出更為精細的四肢的雛形。然而，早在約 4.5 億年前，斑馬魚和四足動物的祖先就已經(jīng)分道揚鑣了。這種返祖現(xiàn)象（atavism）還原了數(shù)億年前的演化圖景，也揭示了編碼魚鰭和肢體的遺傳機制非常古老，或許普遍存在于脊椎動物中。

對于附肢演化研究而言，他們的發(fā)現(xiàn)令人欣喜?！肮锼箞F隊的工作實際上表明了，現(xiàn)生的輻鰭魚基因組內(nèi)依然保留著可以生成精細內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu)的信息，它們有可能發(fā)育出更為精細的結(jié)構(gòu)?！丙溈嗣芳{敏說道。

另外兩項同時發(fā)表在《細胞》上的研究，分別對輻鰭魚的早期分支和非洲肺魚的基因組進行了分析，表明所有硬骨魚的共同祖先已經(jīng)具備了發(fā)育出肢體的潛能。

后續(xù)研究也不斷地表明，與鰭和肢體發(fā)育相關(guān)的遺傳機制相當保守。例如，去年 11 月發(fā)表在《美國科學院院刊》（PNAS）上的一項研究發(fā)現(xiàn)了一個基因，它同時調(diào)控著四足動物肢端指（趾）結(jié)構(gòu)和魚鰭外緣結(jié)構(gòu)的形成。同月，一項發(fā)表在《當代生物學》上的研究表明，跳鼠之所以擁有很長的后足，是因為一個基因?qū)е滤鼈冎w的骨骼不成比例地生長，與飛魚鰭的異速生長（指某個部位的生長速度或模式與個體的生長不成比例）現(xiàn)象相似。

起源之謎

詹姆斯?麥迪遜大學的演化發(fā)育生物學家馬庫斯?戴維斯（Marcus Davis）認為，如今學界應當思考的一個問題是，魚鰭和四肢的這一套發(fā)育程序，最初到底是從哪里來的？“這樣的程序肯定是有源頭的，不可能憑空產(chǎn)生?！贝骶S斯說道。

這套程序有可能來源于動物體內(nèi)其他部位的一套更古老的發(fā)育程序。羅格斯大學的發(fā)育生物學家中村徹也（Tetsuya Nakamura）猜測，編碼偶鰭（paired fin，魚類身體兩側(cè)對稱生長的鰭，如胸鰭和腹鰭）和四肢的遺傳機制，衍生于編碼背鰭和臀鰭發(fā)育過程的機制，這些鰭比偶鰭更為古老。例如，七鰓鰻（lampreys）是約 5 億年前演化出的一類無頜魚，它們擁有背鰭和臀鰭，但沒有偶鰭。

盡管這些迥然不同的附肢和身體形態(tài)有著共同而古老的遺傳淵源，但沃爾特林指出，從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種形態(tài)是非常重大的演化事件：“我相信，四足動物四肢的誕生，絕對是演化史上的一大創(chuàng)舉?！?/p>

這些演化事件是如何發(fā)生的仍有待研究，而哈里斯團隊新穎的研究方法，為演化發(fā)育生物學研究提供了新思路。在尋找調(diào)控發(fā)育程序的基因時，科學家常常會關(guān)注某些常見的、關(guān)聯(lián)密切的機制，例如調(diào)控異速生長的胰島素信號通路，還有調(diào)控肢體和魚鰭發(fā)育模式的 Hox 基因。但哈里斯的團隊使用了比較基因組學和大規(guī)?；蚝Y查技術(shù)，來找出具備目標表型的斑馬魚個體。這樣的做法不確定性更大，難以預料實驗結(jié)果。

不過哈里斯認為，他們的努力是值得的：“一旦思考的方向正確了，我們就會得到出乎意料的結(jié)果，這些結(jié)果是經(jīng)典的群體水平研究無法得出的。”

原文鏈接：

https://www.quantamagazine.org/flying-fish-and-aquarium-pets-yield-secrets-of-evolution-20220105/

研究論文：

https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.08.054

參考鏈接：

• https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.003

• https://www.britannica.com/animal/flying-fish

• https://en.wikipedia.org/wiki/Flying_fish

本文來自微信公眾號：環(huán)球科學 （ID：huanqiukexue），編譯：李詩源，審校：二七

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