电鳗是如何进化成带电的?

时间:2022-08-13 16:42:20   作者:
查尔斯·达尔文意识到鱼的电器官呈现了自然选择理论的特殊困难。他说:无法想象这些神奇的器官是通过什么步骤产生的。电鳗有三种不同的电器官,它们占据了它们身体的大部分它们产生的非常强的电流通过引起全身肌肉的强力收缩来麻痹猎物。

电鳗

进化是通过一系列的小步骤进行的,每一种新能力都能帮助有机体更好地生存。但眩晕鱼的能力是如何逐渐进化的呢?产生非常微弱的电流不会伤害猎物或捕食者。达尔文了解弱电鱼,并指出它们即使在动物非常恼怒的时候,也很少产生电流;如此之少,以至于对上述目的几乎没有任何用处。

如果你意识到所有的鱼都能通过它们的神经和肌肉产生轻微的电流,而且许多鱼都能感觉到这些电流,那么产生电流的能力就变得更容易理解了。例如,鲨鱼利用这种感觉来探测附近的猎物这是达尔文不知道的。

鲨鱼

产生微弱的电流并不难。大多数动物细胞把钠挡在外面,把钾挡在里面。调节这些物质在细胞膜上的流动会产生轻微的电流,因为钠和钾都带正电荷。每个电池只产生很小的电流,但你可以通过堆叠电池来获得很多伏特,就像人们堆叠低电压电池来获得更高的电压一样。

产生轻微的电流可以帮助鱼定位电绝缘体。物体不导电,或者导电不如水,会改变水中电场的整体形状。通过测量这种失真,鱼可以感知附近的物体。这张图展示了这是如何对象鱼起作用的这些鱼可以产生微弱的电流,但不会产生足够强的电流来伤害猎物或捕食者。所以,有一条清晰的路径让进化缓慢、渐进地发挥作用。

定位电绝缘体

查尔斯·达尔文指出了另一个困难;许多不相关的鱼有电器官:这些器官起初似乎带来了另一个更严重的困难;因为它们出现在大约十几种鱼类中,其中有几种的亲缘关系非常遥远。当同一类群的几个成员身上都发现了同一种器官时,特别是在生活习惯截然不同的成员身上,我们一般可以把它的存在归因于从同一个祖先遗传而来;它的缺失在一些成员中通过废弃或自然选择而失去。因此,如果电的器官是从某个远古祖先那里继承来的,我们也许会认为所有的电的鱼彼此之间一定有特殊的关系;但事实远非如此,我们现在知道,鱼类的电器官至少独立进化了六次。这张图显示了一个进化树,显示了进化出电器官的谱系(红色或粉色条)。

电器官的谱系

这张图显示了三种电鱼,在左上角的进化树中图表的下半部分以一种不同寻常的方式完成。颜色显示了一个基因在鱼的电器官中过度或过低表达的程度。暗红色意味着这种鱼的电子器官产生了大量该基因的产物。深蓝色意味着电子器官产生的基因产物非常少。

电鱼

基因是根据它们的功能分组的。兴奋组中的基因调节整个细胞的兴奋。最后一组被称为绝缘,因为它包含了帮助鱼与自身的电流绝缘的基因。这些基因在大多数物种中过度表达并不奇怪。收缩基因组控制产生电流的肌肉生物化学物质;这些基因大多表达不足。

看起来不同种类的鱼似乎通过某种相同的生化机制进化出了电器官。电动器官的趋同进化并不像达尔文认为的那么难。请记住,我们讨论的是基因产物,而不是突变。有几种方法可以让一个基因产生或多或少的产物。我怀疑每条鱼都有一个独特的突变模式,但这些突变的结果往往是相似的。例如,帮助隔离鱼的基因大多变得更加活跃。

这项研究的作者用专业语言描述了这一点:我们的分析表明,在EOs进化过程中,一个共同的转录因子调控网络和发育途径可能反复被选择靶向,尽管它们的形态非常不同。此外,我们的工作阐明了EOs的趋同进化,并强调了可能是其他生物组织和器官进化的焦点的关键信号步骤。
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