会走路的鱼 生物学家揭开卡罗来纳锯鲂鮄的进化秘密

卡罗来纳锯鲂鮄（Prionotus carolinus）。 对卡罗来纳锯鲂鮄腿状附肢的研究深入揭示了其进化适应性，将其独特的特征与遗传和感官生物学联系起来，对理解人类进化具有重要意义。 图片来源：Anik Grearson

对卡罗来纳锯鲂鮄的研究始于它们不同寻常的腿状附肢，研究揭示了它们复杂的感官和遗传适应性。这些发现突出了卡罗来纳锯鲂鮄在研究生物进化方面的作用，将它们的特征与更广泛的生物过程（包括人类的生物过程）联系起来。

阿拉德是分子和细胞生物学系教授尼古拉斯-贝洛诺（Nicholas Bellono）实验室的博士后研究员。 贝洛诺实验室研究许多海洋动物的感觉生物学和细胞生理学，包括章鱼、水母和海蛞蝓。

卡罗来纳锯鲂鮄是一个物种的例子，具有非常不寻常、非常新颖的特征，Allard介绍说，研究人员们想用它们作为一个模型，询问'如何制造一个新器官？"

阿拉德随后对卡罗来纳锯鲂鮄生物学进行了深入研究，并与斯坦福大学研究这种鱼的发育遗传学的研究人员展开合作，最终在《当代生物学》（Current Biology）上连续发表了由贝洛诺、斯坦福大学的艾米-赫伯特（Amy Herbert）和大卫-金斯利（David Kingsley）等人合著的论文。 这些研究提供了迄今为止对卡罗来纳锯鲂鮄如何使用它们的腿、哪些基因控制着这些腿的出现以及如何将这些动物用作进化适应的概念框架的最全面的了解。

卡罗来纳锯鲂鮄的"腿"实际上是胸鳍的延伸，它们的胸鳍两侧各有三个。 阿拉德首先试图确定卡罗来纳锯鲂鮄的"腿"是否是真正的感觉器官。 他做了实验，观察圈养的卡罗来纳锯鲂鮄捕食猎物的过程，它们在短时间的游泳和"行走"之间交替。 在没有视觉提示的情况下，它们偶尔也会抓挠沙面，寻找埋藏的猎物，如贻贝和其他贝类。 研究人员发现，鱼腿对机械和化学刺激都很敏感。 他们甚至埋下了只含有单一化学物质的胶囊，鱼儿也能轻易找到它们。

偶然的机会带来了另一个偶然的发现。 阿拉德说，他们在研究中期收到了一批新鱼，这些鱼看起来和原鱼很像，但是新鱼并不像原鱼那样会挖掘和寻找埋藏的猎物或胶囊。原来，研究人员发现了不同种类的锯鲂鮄。 在研究中，他们最终确定了这两种鱼的特征-- Prionotus carolinus通过挖掘来寻找埋藏的猎物，对触觉和化学信号高度敏感； P. evolans啧缺乏这些感觉能力，用腿来运动和探测，但不用于挖掘。

在研究这两种鱼的腿部差异时，他们发现挖掘鱼的腿呈铲状，覆盖着乳突，类似于我们的味蕾。 而非挖掘鱼的腿呈杆状，没有乳突。 根据这些差异，研究人员得出结论，乳突是进化的亚特化。

阿拉德的论文描述了锯鲂鮄新型感觉器官的进化过程，其中包括对比较动物学博物馆的卡罗来纳锯鲂鮄标本进行分析，以研究不同物种和不同时期的腿部形态。 他发现，挖掘卡罗来纳锯鲂鮄腿部的物种仅限于少数几个地方，这表明这种特征是最近才进化出来的。

研究锯鲂鮄的腿不仅仅是为了和奇怪的动物一起玩耍（虽然这也很有趣）。 会步行的鱼是一种潜在的强大模式生物，可以用来比较特殊的性状，并告诉我们进化是如何使人适应非常特殊的环境的。

大约 600 万年前，人类进化出直立行走的能力，从灵长类祖先中分离出来。 两足行走是我们这个物种的一个决定性特征，但我们对这一变化是如何、何时以及为何发生的知之甚少。 卡罗来纳锯鲂鮄和它们对生活在海底的适应可以提供一些线索。 例如，控制其腿部发育的基因转录因子也存在于包括人类在内的其他动物的四肢中。

第二项研究的重点是遗传学，包括斯坦福大学的金斯利实验室、意大利物理学家阿涅斯-塞米娜拉和德国马克斯-普朗克研究所的生物学家莫德-鲍德温，全面研究了步行鱼这一不寻常性状的遗传基础。 研究人员利用转录组和基因组编辑等技术，确定了哪些基因转录因子用于卡罗来纳锯鲂鮄腿的形成和功能。 他们还在两种具有不同腿形的卡罗来纳锯鲂鮄之间产生了杂交种，以探索这些差异的遗传基础。

贝洛诺说："艾米和科里为描述这种动物做了很多工作，我认为从行为描述到分子描述，再到进化假说的描述是非常罕见的。我认为这是一个很好的蓝图，说明人们如何提出一个科学问题，并以好奇和开放的心态严谨地追问下去。"

编译自/SciTechDaily