飞鱼这种奇特的运动方式，似乎是一种躲避水面下的捕食者的策略。（图片来源：John Cobb）
倏然间，一道灵巧的身影刺破宁静的水面，在水面上空疾速滑翔——这是飞鱼矫健的身姿。是什么让这些应该生活在水里的鱼，具有不可思议的“飞行”能力？
编译｜李诗源
飞鱼（Exocoetidae）是一类广泛分布于全球海洋中的鱼。与一般的鱼相比，它们的造型略显怪异，拥有长而坚硬的胸鳍和腹鳍，就像雄伟的机翼那样。但也仅需要身体上的这寥寥几处变化，这些原本只能在水里游动的生物就具备了“飞翔”的能力。当然，严格意义上说，它们只能滑翔：利用在水下的加速跃出水面，在空中利用空气动力学特性延长滑翔时间，在即将再次入水时用尾部拍击水面实现连续腾空。飞鱼的单次滑翔距离最远可达180米，而多次滑翔距离甚至可达400米，这可以帮助它们逃脱捕食者。
不过，一直以来，科学家并不知道是什么样的遗传机制让飞鱼有了这种特征。最近，在哈佛大学医学院的马修·哈里斯（Matthew Harris）的带领下，一群研究人员揭示了飞鱼演化出奇特鱼鳍的遗传机制。结合多种技术，他们发现只需要2个基因发生变化，就足以让飞鱼拥有这种奇特的身体结构，其机制之简单让人惊讶不已。这项研究已于去年11月发表在《当代生物学》（Current Biology）上。
鱼鳍生长的秘密
为了搜寻让飞鱼拥有奇特身体结构的遗传机制，哈里斯的团队对包括飞鱼和它们的近缘种在内的35个物种进行了基因组测序和比对。他们把目光瞄准了不同物种间差异较明显的DNA区域，发现了一些貌似在选择压下发生了演化的基因。
德国康斯坦茨大学的演化生物学家朱斯特·沃尔特林（Joost Woltering）认为，这种比较性的研究有助于发掘促使新的身体形态形成的驱动因素。“但是，如何证明就是这一个基因导致了差异呢？我们很难让飞鱼的鳍再缩短回去，”他说道，“必须要另外找一种可以开展实验的动物。”
于是，哈里斯的团队用斑马鱼（Danio rerio）开展了实验。他们使用化学试剂和伽马射线，在1万多个斑马鱼胚胎中诱发了随机突变，然后从那些存活至成体的个体中，寻找他们感兴趣的性状。这种做法并不常见，因为在斑马鱼中开展的遗传学研究关注的通常是它们的发育过程。
斑马鱼被广泛应用于遗传学和发育研究，同时也是流行的宠物。（图片来源：Michael Goderre/Boston Children's Hospital; In Laos）
雅各布·达恩（Jacob Daane）当时是哈里斯实验室里的一名博士后研究员。他和同事还筛选了此前的一批斑马鱼长鳍突变体，以更精确地寻找可能调控斑马鱼鳍生长的基因变体。他们的目光落到了2个突变基因上，分别是导致细胞过表达外膜上的钾通道蛋白的kcnh2a，以及导致细胞亮氨酸转运体功能缺失的lat4a。
研究人员发现，在斑马鱼中，亮氨酸转运体的突变导致所有的鳍都变短了，而钾通道的突变导致所有的鳍变长了。如果这两种突变只发生其中一处，斑马鱼的运动能力就会受到影响。但当这两个突变同时发生时，斑马鱼的胸鳍就会变长，而奇鳍（median fin，鱼类沿身体正中线生长的不对称鳍，如背鳍、臀鳍和尾鳍）会变短，变成俨然一副飞鱼的模样。对此，达恩说道：“据我所知，像这样通过非常简单的机制，就能对器官的尺寸产生如此巨大的影响的情况，在动物中并不常见。”
演化的胜利
放眼广袤的自然界，不同的动物身体形态可谓是五花八门，这种形态上的多样性很大程度上归功于自然选择的作用。哪怕一块组织生长的时间和速度只发生些微变化，都有可能影响某处身体结构的长度和大小，甚至让动物多长或者少长一块骨头，这样一来便产生了新的适应性状，为物种赢得了新的生态位（niche）。飞鱼这种独特的性状，正可谓是一种演化上的胜利。
在不同的飞鱼谱系中，它们的身体构造发生了数次独立的演化，但都与亮氨酸转运体和钾通道基因的突变相关。不同谱系中发生的亮氨酸转运体突变并不完全相同，但它们涉及的氨基酸变化是一样的，这就表明不同谱系各自独立地采用了相同的遗传机制，从而演化出这种鱼鳍的形状。“在不同的背景下，自然都瞄准了同一个特定的基因。”波士顿学院的演化发育生物学家萨拉·麦克梅纳敏（Sarah McMenamin）说道。
亮氨酸转运体的基因（中间列）在多数鱼类物种（上）中是高度保守的。但是在飞鱼（下）和它们的一些近缘种（中）中，转运体蛋白中都有一个氨基酸残基（右列）与其他鱼类不同。因此研究人员怀疑，这个基因影响了鱼鳍的长度比例。（图片来源：Samuel Velasco/Quanta Magazine，有裁剪；资料来源：https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.08.054）
至于钾通道突变如何导致鱼鳍过度生长，科学家仍没有答案。当钾通道过表达时，细胞膜的静息膜电位和细胞质的pH值会改变，增强细胞的活性和对刺激的响应。于是，鱼鳍细胞开始发出一些类似神经元和干细胞会发出的信号。哈里斯表示，也许细胞信号的变化会影响鱼鳍的生长，但这只是一种推测。“这些都是生物学中的新问题，还很少有人研究，人们对其中机制的了解其实很少。”他说道。
研究人员通过抑制钾通道突变基因的表达，抑制了钾离子流动，发现鱼鳍的生长因此而受到阻滞。他们猜想，在发育的某个阶段，鱼鳍中的细胞会变得类似合胞体（syncytium，含有多个核的单个细胞质团）。如果情况确实如此，那么钾离子流产生的电场就可以传播到整个鱼鳍中，实现长程的信号调控，这一点可能强于一般的形态发生素或者分泌因子等影响形态发生（morphogenesis）的化学信号。也就是说，生物电信号也可能对鱼鳍的生长和形态起调控作用，甚至可能影响其他身体结构。
鱼鳍向左，四肢向右
对鱼鳍的发育和演化进行研究，或许还能帮助我们回答四足动物四肢演化的问题。斑马鱼的胸鳍和身体之间只通过一层骨质结构相连，即近端辐鳍骨（proximal radial），该结构和鱼的“肩部”直接形成关节。去年2月，布伦特·霍金斯（BrentHawkins）、卡特琳·亨克（KatrinHenke）和哈里斯曾在《细胞》（Cell）上发表了一项研究。他们发现，只需一条表达通路上发生突变，就可以影响斑马鱼鳍的发育模式，使其展现出发育成四肢的潜能。
硬骨鱼的鳍（上）缺少像四足动物的四肢（下）那样精细的结构。然而，只需一条表达通路上发生突变，就可以影响斑马鱼鳍的发育模式，使其展现出发育成四肢的潜能（中）。（图片来源：https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.003）
突变的斑马鱼会形成两块“中辐鳍骨”（intermediate radial），它们与近端辐鳍骨形成关节。这些新形成的骨骼上甚至还有肌肉附着。这样的结构，已经展露出更为精细的四肢的雏形。然而，早在约4.5亿年前，斑马鱼和四足动物的祖先就已经分道扬镳了。这种返祖现象（atavism）还原了数亿年前的演化图景，也揭示了编码鱼鳍和肢体的遗传机制非常古老，或许普遍存在于脊椎动物中。
对于附肢演化研究而言，他们的发现令人欣喜。“哈里斯团队的工作实际上表明了，现生的辐鳍鱼基因组内依然保留着可以生成精细内骨骼结构的信息，它们有可能发育出更为精细的结构。”麦克梅纳敏说道。
另外两项同时发表在《细胞》上的研究，分别对辐鳍鱼的早期分支和非洲肺鱼的基因组进行了分析，表明所有硬骨鱼的共同祖先已经具备了发育出肢体的潜能。
后续研究也不断地表明，与鳍和肢体发育相关的遗传机制相当保守。例如，去年11月发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上的一项研究发现了一个基因，它同时调控着四足动物肢端指（趾）结构和鱼鳍外缘结构的形成。同月，一项发表在《当代生物学》上的研究表明，跳鼠之所以拥有很长的后足，是因为一个基因导致它们肢体的骨骼不成比例地生长，与飞鱼鳍的异速生长（指某个部位的生长速度或模式与个体的生长不成比例）现象相似。
起源之谜
詹姆斯·麦迪逊大学的演化发育生物学家马库斯·戴维斯（Marcus Davis）认为，如今学界应当思考的一个问题是，鱼鳍和四肢的这一套发育程序，最初到底是从哪里来的？“这样的程序肯定是有源头的，不可能凭空产生。”戴维斯说道。
这套程序有可能来源于动物体内其他部位的一套更古老的发育程序。罗格斯大学的发育生物学家中村彻也（Tetsuya Nakamura）猜测，编码偶鳍（paired fin，鱼类身体两侧对称生长的鳍，如胸鳍和腹鳍）和四肢的遗传机制，衍生于编码背鳍和臀鳍发育过程的机制，这些鳍比偶鳍更为古老。例如，七鳃鳗（lampreys）是约5亿年前演化出的一类无颌鱼，它们拥有背鳍和臀鳍，但没有偶鳍。
飞鱼的成对胸鳍（位于身体前部）和腹鳍（位于尾部之前）比其他大多数的硬骨鱼更长而坚硬，可以发挥类似机翼的作用。而位于身体上下两侧的奇鳍则相对较小，可以减小空气阻力。（图片来源：Valerii Evlakhov）
尽管这些迥然不同的附肢和身体形态有着共同而古老的遗传渊源，但沃尔特林指出，从一种形态转变成另一种形态是非常重大的演化事件：“我相信，四足动物四肢的诞生，绝对是演化史上的一大创举。”
这些演化事件是如何发生的仍有待研究，而哈里斯团队新颖的研究方法，为演化发育生物学研究提供了新思路。在寻找调控发育程序的基因时，科学家常常会关注某些常见的、关联密切的机制，例如调控异速生长的胰岛素信号通路，还有调控肢体和鱼鳍发育模式的Hox基因。但哈里斯的团队使用了比较基因组学和大规模基因筛查技术，来找出具备目标表型的斑马鱼个体。这样的做法不确定性更大，难以预料实验结果。
不过哈里斯认为，他们的努力是值得的：“一旦思考的方向正确了，我们就会得到出乎意料的结果，这些结果是经典的群体水平研究无法得出的。”
原文链接：
https://www.quantamagazine.org/flying-fish-and-aquarium-pets-yield-secrets-of-evolution-20220105/
研究论文：
https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.08.054
参考链接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.003
https://www.britannica.com/animal/flying-fish
https://en.wikipedia.org/wiki/Flying_fish
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