アマゾン川の濁った底に沿って、デンキウナギと呼ばれる曲がりくねった魚が、不注意なカエルや他の小さな獲物を求めて暗がりを探し回っています。泳ぐと、魚は 600 ボルトの電気パルスを 2 回放出して、気絶させたり殺したりします。この高電圧の狩猟戦術は独特ですが、他のいくつかの魚種も電気を使用します。それらは、泥だらけで動きの遅い海を航行するとき、およびモールス信号に似た穏やかな衝撃を介して同種の他の種と通信するときに、より弱い電圧を生成して感知します.
通常、いくつかの種が電気を生成するという珍しい能力を共有しているのは、それらが密接に関連しているからです。しかし、南アメリカとアフリカの川に生息する電気魚は、6 つの異なる分類グループにまたがり、それら以外にも 3 つの海洋系統の電気魚が存在します。チャールズ ダーウィンでさえ、On the で、彼らの電気的能力の斬新さとそれらの奇妙な分類学的および地理的分布の両方について熟考しました。 種の起源 、「これらの驚異的な臓器がどのような手順で作成されたかを想像することは不可能です」と書いています.1回だけでなく、繰り返し.
Science Advancesに掲載された最近の論文 この進化の謎を解明するのに役立ちます。テキサス大学オースティン校の統合生物学者で、この研究の共同筆頭著者であるハロルド・ザコンは、「ほとんどの生物学者がそうであるように、私たちは実際にダーウィンを追跡しているだけです。テキサスの彼のチームとミシガン州立大学の同僚は、ゲノムの手がかりをつなぎ合わせることで、およそ 1 億 2000 万年の進化と 1,600 マイルの海によって分離された電気魚の系統で、非常によく似た多くの電気器官がどのように発生したかを明らかにしました。結局のところ、電気オルガンを進化させる方法は複数ありますが、自然には頼りになるいくつかのお気に入りのトリックがあります.
ザコンのグループが研究している南アメリカとアフリカの魚は、体の大部分に沿って伸びる特殊な電気器官からザップを取得します。臓器内の電気細胞と呼ばれる改変された筋細胞は、ナトリウムイオン勾配を作り出します。電気細胞の膜にあるナトリウムゲートタンパク質が開くと、バースト電流が発生します。 「想像できる最も単純な信号です」とザコンは言いました。
筋肉では、これらの電気信号は細胞を通り抜けて細胞間を流れ、運動のために収縮するのを助けますが、電気器官では電圧は外側に向けられます.各ショックの強さは、一度に発火する電気細胞の数によって異なります。ほとんどの電気魚は一度に数発しか発火しませんが、電気ウナギは非常に多くの電気細胞を詰め込んでいるため、小さな獲物を殺すのに十分強力な電圧を解き放つことができます.
新しい研究では、Zakon、彼の元研究技術者である Sarah LaPotin (現在はユタ大学の博士候補) と彼の他の同僚は、魚のゲノムの歴史をたどることによって、これらの電気器官の進化の重要な側面を再構築しました.
それは 3 億 2000 万から 4 億年前に始まり、硬骨魚に分類されるすべての魚の祖先が、そのゲノム全体を複製するまれな遺伝子事故を生き延びたときに始まりました。全ゲノム重複はしばしば脊椎動物にとって致命的です。しかし、それらはゲノム内のすべての重複コピーを作成するため、重複によって、これまで利用されていなかった遺伝的可能性が開かれる可能性もあります。ノースカロライナ州立大学のシステム生物学者で、この研究には関与していない Gavin Conant 氏は、「突然、1 つの新しい遺伝子ではなく、まったく新しい経路を作成する能力が得られます」と述べています。
硬骨類である今日の淡水電気魚のより最近の祖先にとって、重複は重要なナトリウムポンプのための遺伝子の余分なコピーを持っていたことを意味しました. 1 つのコピーは筋細胞で機能し続けました。電気細胞に特有の電気的特性を付与する 2 番目の後天的変異。
しかし重要なことは、電気器官に特異的な適応を採用する前に、まずその遺伝子の 2 番目のコピーを筋肉細胞で不活性化する必要があったことです。そしてザコンと彼の同僚が電気魚が遺伝子をオフにする方法を調べたとき、彼らは電気魚の異なる系統が異なる方法でそれを行うことを発見して驚いた.
アフリカの魚の筋肉組織では、ナトリウムポンプ遺伝子はまだ機能していたが、鍵のない鍵のように、筋肉組織が作らないヘルパー分子なしでは活性化できなかった.南アメリカの魚のほとんどでは、ポンプが筋肉から欠落しているだけでした.ナトリウムポンプ遺伝子は、筋肉内のナトリウムポンプの発現を特異的に促進する必須の制御要素を欠いているため、ほとんど不活性でした.南アメリカの魚の奇妙な系統の 1 つでは、この遺伝子は依然として筋肉で機能していました。それは若い魚では一時的に不活性でしたが、魚が成熟するにつれて、まったく異なる遺伝子セットが電気器官のナトリウムチャネルの制御を引き継ぐと再び活性化されました.
そのため、収斂進化の教科書的なケースでは、さまざまな系統の魚が、筋肉組織を変更して電気器官を作成する戦略を独自に打ち出し、ナトリウムポンプをさまざまな組織で選択的に機能させることさえしました.しかし、彼らはポンプをどのように調整したかという点で意見が分かれました.
多くの場合、科学者が収斂進化のケースを調査すると、特性は本質的に同じメカニズムによって生じることが判明する、とテキサス大学オースティン校の分子生物学者であり、新しい研究の共著者の 1 人である Johann Eberhart は説明した。 「しかし、これはかなり異なっていました」と彼は言いました。 「それはエキサイティングだと思います。」
コナント氏は、新しい発見は、彼自身のグループの研究で「私たちが見たものを反映したもの」であると述べました.彼の研究室は、他の硬骨魚が神経と筋肉の間で信号を送るための特定の重複遺伝子を失っている一方で、いくつかの電気魚系統がそれらを保持していることを発見しました.これらの重要な遺伝子が電気器官を直接の自発的制御下に置くことがなければ、電気ウナギは特徴的な強力なザップを発達させることができなかったでしょう.
Zakon と彼の同僚は、ナトリウムポンプ遺伝子で発見された制御領域の潜在的な重要性にも興味をそそられています。同じ制御領域が、ヒトおよび他の脊椎動物のナトリウム ポンプに現れます。私たちの細胞のポンプ活動に影響を与える突然変異は、ミオトニーと呼ばれる筋力低下状態など、さまざまな健康問題を引き起こしたり、助長したりする可能性があります.
新しい研究は、電気魚で示されている収束と発散の例のほんの一部に触れています。いくつかの南アメリカの系統は、改変された筋肉細胞の代わりに改変されたニューロンを使用して、かすかなショックを引き起こします.海の電気魚の中には、より奇妙な感電死戦略を進化させたものがあります。たとえば、スターゲイザーは目の中の改造された筋肉から電気ショックを与えます。
しかし、Zakon にとって、生物学の根本的な謎に取り組む上で最も役立つのは収束解です。進化の過程を巻き戻すことができれば、同じように再生されるでしょうか?ユニークなイノベーションを見ることは「魅力的」ですが、「そこにたどり着く方法は 1 つだけだったのでしょうか?」という質問には答えません。 fish は、生物学がいかに予測可能であり、風変わりであるかについて、より豊かな見方を提供します。
