Τα γονιδιώματα των ηλεκτρικών ψαριών αποκαλύπτουν πώς επαναλαμβάνεται η εξέλιξη
Κατά μήκος του θολού βυθού του ποταμού Αμαζονίου, φιδίσια ψάρια που ονομάζονται ηλεκτρικά χέλια ψάχνουν την καταχνιά για απρόσεκτους βατράχους ή άλλα μικρά θηράματα. Όταν κάποιος κολυμπάει, το ψάρι απελευθερώνει δύο παλμούς ηλεκτρισμού 600 βολτ για να το αναισθητοποιήσει ή να το σκοτώσει. Αυτή η τακτική κυνηγιού υψηλής τάσης είναι χαρακτηριστική, αλλά μια χούφτα άλλα είδη ψαριών χρησιμοποιούν επίσης ηλεκτρισμό:Παράγουν και αισθάνονται πιο αδύναμες τάσεις όταν πλοηγούνται σε λασπωμένα, αργά κινούμενα νερά και όταν επικοινωνούν με άλλα του είδους τους μέσω ήπιων κραδασμών παρόμοια με τον κώδικα Μορς .
Κανονικά, όταν πολλά είδη μοιράζονται μια ικανότητα τόσο ασυνήθιστη όσο η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, είναι επειδή συνδέονται στενά. Αλλά τα ηλεκτρικά ψάρια στα ποτάμια της Νότιας Αμερικής και της Αφρικής εκτείνονται σε έξι διακριτές ταξινομικές ομάδες και υπάρχουν τρεις άλλες θαλάσσιες γενεαλογίες ηλεκτρικών ψαριών πέρα από αυτές. Ακόμη και ο Κάρολος Δαρβίνος σκέφτηκε τόσο την καινοτομία των ηλεκτρικών τους ικανοτήτων όσο και την περίεργη ταξινομική και γεωγραφική κατανομή τους στο On the Προέλευση των ειδών , γράφοντας, «Είναι αδύνατο να συλλάβουμε με ποια βήματα έχουν παραχθεί αυτά τα θαυμαστά όργανα» — όχι μόνο μία φορά, αλλά επανειλημμένα.
Μια πρόσφατη εργασία που δημοσιεύτηκε στο Science Advances βοηθά στην αποκάλυψη αυτού του εξελικτικού μυστηρίου. «Πραγματικά απλώς παρακολουθούμε τον Δαρβίνο, όπως κάνουν οι περισσότεροι βιολόγοι», δήλωσε ο Χάρολντ Ζάκον, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, στο Ώστιν και συν-ανώτερος συγγραφέας της μελέτης. Συνδυάζοντας γονιδιωματικές ενδείξεις, η ομάδα του στο Τέξας και οι συνάδελφοί του στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν αποκάλυψαν πώς προέκυψαν μια σειρά από εντυπωσιακά παρόμοια ηλεκτρικά όργανα σε ηλεκτρικές γενεαλογίες ψαριών που χωρίστηκαν από περίπου 120 εκατομμύρια χρόνια εξέλιξης και 1.600 μίλια ωκεανού. Όπως αποδεικνύεται, υπάρχουν περισσότεροι από ένας τρόποι για να εξελιχθεί ένα ηλεκτρικό όργανο, αλλά η φύση έχει μερικά αγαπημένα κόλπα στα οποία μπορεί να επαναληφθεί.
Τα ψάρια της Νότιας Αμερικής και της Αφρικής που μελετά η ομάδα του Zakon παίρνουν το zap τους από εξειδικευμένα ηλεκτρικά όργανα που εκτείνονται σε μεγάλο μέρος του σώματός τους. Τα τροποποιημένα μυϊκά κύτταρα που ονομάζονται ηλεκτροκύτταρα στα όργανα δημιουργούν βαθμίδες ιόντων νατρίου. Όταν οι πρωτεΐνες της πύλης νατρίου στις μεμβράνες των ηλεκτροκυττάρων ανοίγουν, αυτό παράγει μια έκρηξη ρεύματος. «Πρόκειται για το πιο απλό σήμα που θα μπορούσατε να φανταστείτε», είπε ο Zakon.
Στους μυς, αυτά τα ηλεκτρικά σήματα ρέουν μέσα και μεταξύ των κυττάρων για να τα βοηθήσουν να συστέλλονται για κινήσεις, αλλά στα ηλεκτρικά όργανα η τάση κατευθύνεται προς τα έξω. Η ισχύς κάθε κραδασμού εξαρτάται από το πόσα ηλεκτροκύτταρα πυροδοτούνται ταυτόχρονα. Τα περισσότερα ηλεκτρικά ψάρια πυροδοτούν μόνο λίγα τη φορά, αλλά επειδή τα ηλεκτρικά χέλια περιέχουν έναν ασυνήθιστα μεγάλο αριθμό ηλεκτρικών κυψελών, μπορούν να απελευθερώσουν τάσεις αρκετά ισχυρές για να σκοτώσουν μικρά θηράματα.
Στη νέα εργασία, ο Zakon, η πρώην ερευνητική τεχνικός του Sarah LaPotin (τώρα υποψήφια διδάκτορας στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα) και οι άλλοι συνάδελφοί του ανακατασκεύασαν μια βασική πτυχή της εξέλιξης αυτών των ηλεκτρικών οργάνων, ανιχνεύοντας τη γονιδιωματική ιστορία των ψαριών.
Ξεκίνησε μεταξύ 320 και 400 εκατομμυρίων ετών πριν, όταν ο πρόγονος όλων των ψαριών που ταξινομήθηκαν ως τελεόστες επέζησε από ένα σπάνιο γενετικό ατύχημα που διπλασίασε ολόκληρο το γονιδίωμά του. Οι διπλασιασμοί ολόκληρου του γονιδιώματος είναι συχνά θανατηφόροι για τα σπονδυλωτά. Αλλά επειδή δημιουργούν περιττά αντίγραφα των πάντων στο γονιδίωμα, οι διπλασιασμοί μπορούν επίσης να ανοίξουν προηγουμένως αναξιοποίητες γενετικές δυνατότητες. "Ξαφνικά, έχετε την ικανότητα να δημιουργήσετε ένα εντελώς νέο μονοπάτι, αντί για ένα μόνο νέο γονίδιο", δήλωσε ο Gavin Conant, βιολόγος συστημάτων στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας που δεν συμμετείχε στη μελέτη.
Για τους πιο πρόσφατους προγόνους των σημερινών ηλεκτρικών ψαριών του γλυκού νερού, τα οποία είναι τελεόστια, ο διπλασιασμός σήμαινε ότι είχαν ένα επιπλέον αντίγραφο ενός γονιδίου για μια σημαντική αντλία νατρίου. Ένα αντίγραφο συνέχισε να λειτουργεί στα μυϊκά κύτταρα. η δεύτερη απέκτησε μεταλλάξεις που προσέδιδαν διακριτικές ηλεκτρικές ιδιότητες στα ηλεκτροκύτταρα.
Αλλά είναι πολύ σημαντικό, προτού υιοθετηθούν προσαρμογές ειδικών για ηλεκτρικά όργανα, αυτό το δεύτερο αντίγραφο του γονιδίου έπρεπε πρώτα να απενεργοποιηθεί στα μυϊκά κύτταρα - διαφορετικά, οι αναδυόμενες δυνατότητες ηλεκτροκυττάρων θα είχαν παρεμποδίσει την κίνηση. Και όταν ο Zakon και οι συνεργάτες του εξέτασαν πώς το ηλεκτρικό ψάρι απενεργοποίησε το γονίδιο, ανακάλυψαν έκπληκτοι ότι διαφορετικές γενεαλογίες ηλεκτρικών ψαριών το έκαναν διαφορετικά.
Στον μυϊκό ιστό των αφρικανικών ψαριών, το γονίδιο της αντλίας νατρίου ήταν ακόμα λειτουργικό, αλλά σαν μια κλειδαριά χωρίς κλειδί, δεν θα μπορούσε να ενεργοποιηθεί χωρίς βοηθητικά μόρια που δεν έφτιαχνε ο μυϊκός ιστός. Στα περισσότερα από τα ψάρια της Νότιας Αμερικής, η αντλία απλώς έλειπε από τους μύες - το γονίδιο της αντλίας νατρίου ήταν σε μεγάλο βαθμό ανενεργό επειδή του έλειπε ένα βασικό στοιχείο ελέγχου που ενισχύει ειδικά την έκφραση της αντλίας νατρίου στους μυς. Σε μια παράξενη γενεαλογία ψαριών της Νότιας Αμερικής, το γονίδιο εξακολουθούσε να λειτουργεί στους μυς. Ήταν προσωρινά ανενεργό σε νεαρά ψάρια, αλλά επανενεργοποιήθηκε όταν ένα εντελώς διαφορετικό σύνολο γονιδίων ανέλαβε τον έλεγχο του καναλιού νατρίου στο ηλεκτρικό όργανο καθώς τα ψάρια ωρίμαζαν.
Έτσι, σε μια περίπτωση συγκλίνουσας εξέλιξης, οι διάφορες γενεαλογίες των ψαριών χτύπησαν ανεξάρτητα τη στρατηγική της τροποποίησης του μυϊκού τους ιστού για να δημιουργήσουν ηλεκτρικά όργανα, και μάλιστα το έκαναν κάνοντας τις αντλίες νατρίου τους να λειτουργούν επιλεκτικά σε διαφορετικούς ιστούς. Αλλά διέφεραν ακριβώς στον τρόπο με τον οποίο ρύθμιζαν τις αντλίες.
Συχνά, όταν οι επιστήμονες ερευνούν μια περίπτωση συγκλίνουσας εξέλιξης, τα χαρακτηριστικά αποδεικνύεται ότι προκύπτουν ουσιαστικά από τον ίδιο μηχανισμό, εξήγησε ο Johann Eberhart, μοριακός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, στο Austin και ένας από τους συν-συγγραφείς της νέας μελέτης. «Αλλά αυτό ήταν πολύ διαφορετικό», είπε. "Και νομίζω ότι είναι συναρπαστικό."
Ο Conant σημείωσε ότι τα νέα ευρήματα «κάπως αντικατοπτρίζουν αυτό που έχουμε δει» στην έρευνα της δικής του ομάδας. Το εργαστήριό του ανακάλυψε ότι ενώ άλλα ψάρια τελεόστου είχαν χάσει ορισμένα διπλά γονίδια για την αποστολή σημάτων μεταξύ των νεύρων και των μυών, ορισμένες ηλεκτρικές γενεαλογίες ψαριών τα διατήρησαν. Χωρίς αυτά τα βασικά γονίδια που θέτουν τα ηλεκτρικά τους όργανα υπό άμεσο εθελοντικό έλεγχο, τα ηλεκτρικά χέλια δεν θα μπορούσαν να έχουν αναπτύξει το χαρακτηριστικό τους ισχυρό zap.
Ο Zakon και οι συνεργάτες του ενδιαφέρονται επίσης για την πιθανή σημασία της περιοχής ελέγχου που βρήκαν στα γονίδια της αντλίας νατρίου, καθώς φαίνεται να καθορίζει ακριβώς ποιοι ιστοί εκφράζουν την πρωτεΐνη. Η ίδια περιοχή ελέγχου εμφανίζεται στις αντλίες νατρίου των ανθρώπων και άλλων σπονδυλωτών. Είναι πιθανό οι μεταλλάξεις που επηρεάζουν τη δραστηριότητα της αντλίας στα κύτταρά μας να προκαλέσουν ή να συμβάλουν σε διάφορα προβλήματα υγείας, όπως η κατάσταση μυϊκής αδυναμίας που ονομάζεται μυοτονία.
Η νέα έρευνα αγγίζει μόνο μερικά από τα παραδείγματα σύγκλισης και απόκλισης που εμφανίζονται στα ηλεκτρικά ψάρια. Ορισμένες γενεαλογίες της Νότιας Αμερικής παράγουν ελαφρά σοκ χρησιμοποιώντας τροποποιημένους νευρώνες αντί για τροποποιημένα μυϊκά κύτταρα. Μερικά ηλεκτρικά ψάρια στους ωκεανούς έχουν αναπτύξει πιο περίεργες στρατηγικές ηλεκτροπληξίας. ο αστρολόγος, για παράδειγμα, χορηγεί κραδασμούς από τροποποιημένους μύες στα μάτια του.
Αλλά για τον Zakon, είναι οι συγκλίνουσες λύσεις που είναι πιο χρήσιμες για την αντιμετώπιση ενός θεμελιώδους παζλ της βιολογίας:Αν μπορούσατε να επαναφέρετε την πορεία της εξέλιξης, θα έπαιζε με τον ίδιο τρόπο; Το να βλέπεις μια μοναδική καινοτομία είναι «συναρπαστικό», είπε, αλλά «δεν απαντά στην ερώτηση:«Υπήρχε μόνο ένας τρόπος για να φτάσετε εκεί;» Ο συνδυασμός σύγκλισης και απόκλισης που παρατηρείται σε συστήματα οργάνων όπως αυτά των διαφορετικών ηλεκτρικών Το ψάρι προσφέρει μια πολύ πιο πλούσια άποψη για το πόσο προβλέψιμη —και περίεργη— μπορεί να είναι η βιολογία.
