Az Amazonas folyó zavaros fenekén az elektromos angolnának nevezett kígyózó halak óvatlan békákat vagy más apró zsákmányt keresnek a homályban. Amikor az ember elúszik, a hal két 600 voltos elektromos impulzust bocsát ki, hogy elkábítsa vagy megölje. Ez a nagyfeszültségű vadásztaktika jellegzetes, de egy maroknyi más halfaj is használ elektromosságot: gyengébb feszültséget generálnak és érzékelnek, amikor sáros, lassan mozgó vizeken hajóznak, és amikor morzekódhoz hasonló enyhe ütésekkel kommunikálnak más fajukkal. .
Általában, ha több faj olyan szokatlan képességgel rendelkezik, mint az elektromos áram előállítása, ez általában azért van, mert szoros rokonságban állnak egymással. De a dél-amerikai és afrikai folyókban élő elektromos halak hat különálló taxonómiai csoportot ölelnek fel, és az elektromos halak három másik tengeri származása is létezik rajtuk kívül. Még Charles Darwin is töprengett elektromos képességeik újdonságán és furcsa taxonómiai és földrajzi eloszlásukon. A A fajok eredete, írás„Lehetetlen elképzelni, milyen lépésekkel készültek ezek a csodálatos szervek” – nem csak egyszer, hanem többször is.
A friss papír kiadva Tudomány előlegek segít megfejteni ezt az evolúciós rejtélyt. „Valójában csak Darwint követjük nyomon, ahogy a legtöbb biológus teszi” – mondta Harold Zakon, az austini Texasi Egyetem integratív biológusa és a tanulmány társszerzője. Texasi csapata és a Michigani Állami Egyetem munkatársai a genomikai nyomok összerakásával feltárták, hogyan keletkezett számos feltűnően hasonló elektromos szerv az elektromos halak vonalaiban, amelyeket nagyjából 120 millió éves evolúció és 1,600 mérföldnyi óceán választ el egymástól. Mint kiderült, egynél több módja van az elektromos orgona fejlesztésének, de a természetnek van néhány kedvenc trükkje, amelyekre vissza kell térnie.
Azok a dél-amerikai és afrikai halak, amelyeket Zakon csoportja tanulmányoz, speciális elektromos szervektől kapják a testük nagy részét. A szervekben elektrocitáknak nevezett módosult izomsejtek nátriumion-gradienseket hoznak létre. Amikor az elektrociták membránjában lévő nátrium-kapu fehérjék megnyílnak, ez áramkitörést okoz. „Körülbelül az elképzelhető legegyszerűbb jelről van szó” – mondta Zakon.
Az izomzatban ezek az elektromos jelek a sejteken keresztül és a sejtek között áramlanak, hogy elősegítsék a mozgások összehúzódását, de az elektromos szervekben a feszültség kifelé irányul. Az egyes ütések erőssége attól függ, hogy hány elektrocita tüzel egyszerre. A legtöbb elektromos hal egyszerre csak néhányat lő ki, de mivel az elektromos angolnák szokatlanul sok elektromos cellát tartalmaznak, elég erős feszültséget tudnak felszabadítani a kis zsákmány megöléséhez.
Az új műben Zakon, korábbi kutatótechnikusa, Sarah LaPotin (most doktorjelölt a Utah-i Egyetemen) és más kollégái a halak genomtörténetének nyomon követésével rekonstruálták ezen elektromos szervek evolúciójának egyik kulcsfontosságú aspektusát.
320 millió és 400 millió évvel ezelőtt kezdődött, amikor az összes teleosztatnak minősített hal őse túlélt egy ritka genetikai balesetet, amely megkettőzte a teljes genomját. A teljes genom megkettőződése gyakran halálos a gerincesekre. De mivel redundáns másolatokat hoznak létre a genomban mindenről, a megkettőződések korábban kiaknázatlan genetikai lehetőségeket is megnyithatnak. „Hirtelen megvan a képessége, hogy egy teljesen új utat alakítson ki egyetlen új gén helyett” – mondta Gavin Conant, az Észak-Karolinai Állami Egyetem rendszerbiológusa, aki nem vett részt a vizsgálatban.
A mai édesvízi elektromos halak újabb ősei számára, amelyek teleoszták, a megkettőzés azt jelentette, hogy egy gén extra másolatával rendelkeztek egy fontos nátriumpumpa számára. Az egyik példány továbbra is működött az izomsejtekben; a második olyan mutációkat szerzett, amelyek megkülönböztető elektromos tulajdonságokat adtak az elektrocitáknak.
De döntő fontosságú, hogy mielőtt bármilyen elektromos szerv-specifikus adaptációt elfogadhattak volna, a gén második példányát először deaktiválni kellett az izomsejtekben – különben a feltörekvő elektrocita képességek megzavarták volna a mozgást. És amikor Zakon és kollégái megvizsgálták, hogyan kapcsolták ki az elektromos halak a gént, meglepődve fedezték fel, hogy az elektromos halak különböző származásai eltérően csinálják.
Az afrikai halak izomszövetében a nátriumpumpa gén még működött, de mint egy kulcs nélküli zár, nem tudott aktiválódni olyan segítő molekulák nélkül, amelyeket az izomszövet nem állított elő. A legtöbb dél-amerikai hal esetében a pumpa csak hiányzott az izmokból – a nátrium-pumpa gén nagyrészt inaktív volt, mert hiányzott egy lényeges vezérlőelem, amely kifejezetten fokozza a nátriumpumpa expresszióját az izmokban. A dél-amerikai halak egyik furcsa vonalában a gén még mindig működött az izmokban. Fiatal halakban átmenetileg inaktív volt, de visszakapcsolódott, amikor egy teljesen más gének átvették az elektromos szerv nátriumcsatornájának irányítását a halak érésekor.
Tehát a konvergens evolúció tankönyvi esetében a halak különböző származásai egymástól függetlenül találkoztak azzal a stratégiával, hogy elektromos szerveket hozzanak létre izomszövetük módosításával, sőt ezt úgy tették, hogy nátriumpumpáikat szelektíven működtették a különböző szövetekben. De eltértek abban, hogy pontosan hogyan szabályozták a szivattyúkat.
Amikor a tudósok egy konvergens evolúció esetét vizsgálják, gyakran kiderül, hogy a tulajdonságok lényegében ugyanazon mechanizmus révén keletkeznek. Johann Eberhart, az austini Texasi Egyetem molekuláris biológusa és az új tanulmány egyik társszerzője. "De ez egészen más volt" - mondta. – És szerintem ez izgalmas.
Conant megjegyezte, hogy az új eredmények „valahogy azt tükrözik, amit saját csoportja kutatásában láttunk”. Laboratóriuma felfedezte, hogy míg más teleoszta halak elveszítettek bizonyos duplikált géneket az idegek és az izmok közötti jelek küldésére, egyes elektromos halak megőrizték azokat. Anélkül, hogy ezek a kulcsfontosságú gének elektromos szerveiket közvetlen önkéntes irányítás alá helyeznék, az elektromos angolnák nem tudták volna kifejleszteni jellegzetes, erős zapjukat.
Zakont és munkatársait a nátriumpumpa génjeiben talált kontroll régió potenciális jelentősége is érdekli, mivel úgy tűnik, hogy pontosan meghatározza, mely szövetek expresszálják a fehérjét. Ugyanez a kontroll régió jelenik meg az emberek és más gerincesek nátriumpumpáiban. Lehetséges, hogy a sejtjeink pumpaaktivitását befolyásoló mutációk különféle egészségügyi problémákat okozhatnak, vagy hozzájárulhatnak ezekhez, például a myotonia nevű izomgyengeséghez.
Az új kutatás csak néhány példát érint az elektromos halak konvergenciájára és divergenciájára vonatkozóan. Egyes dél-amerikai vonalak gyenge sokkot okoznak módosított idegsejtek felhasználásával módosított izomsejtek helyett. Néhány elektromos hal az óceánokban még bizarrabb áramütési stratégiákat fejlesztett ki; a csillagnéző például a megváltozott izmok által adott sokkot ad be a szemébe.
De Zakon számára a konvergens megoldások a leghasznosabbak a biológia alapvető rejtvényének megfejtésében: ha visszatekerné az evolúció menetét, ugyanúgy visszajátszana? Egy egyedülálló újítás „lenyűgöző” – mondta –, de „nem ad választ arra a kérdésre, hogy „Csak egyetlen módja volt ennek a célnak?” A konvergencia és a divergencia keveréke olyan szervrendszerekben, mint például a sokféle elektromos rendszerben megfigyelhető. A hal sokkal gazdagabb képet ad arról, hogy a biológia mennyire kiszámítható és furcsa.
