电鳗是南美洲几种淡水鱼中的一种，它们通过发电来导航、交流、狩猎或自卫。非洲的鱼独立进化出非常相似的电子器官，尽管它们运作的分子细节不同。
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沿着亚马逊河的黑暗底部，被称为电鳗的蛇形鱼在黑暗中搜寻粗心的青蛙或其他小型猎物。当一个人游过时，鱼会释放出两个 600 伏的电脉冲来击晕或杀死它。这种高压狩猎策略很独特，但少数其他鱼类也使用电力：当它们在泥泞、缓慢移动的水域中航行时，以及通过类似于摩尔斯电码的温和电击与其他物种交流时，它们会产生并感知较弱的电压.
通常，当几个物种共享像发电这样不寻常的能力时，这是因为它们密切相关。但南美洲和非洲河流中的电鱼跨越六个不同的分类群，除此之外还有其他三个海洋电鱼谱系。就连查尔斯·达尔文（Charles Darwin）也在《物种起源》一书中对它们的电能力的新颖性以及它们奇怪的分类学和地理分布进行了思考，写道：“无法想象这些奇妙的器官是通过什么步骤产生的”——不止一次，但反复。
德克萨斯大学奥斯汀分校的综合生物学家 Harold Zakon 是电鱼进化新研究的领导者之一。 “正如大多数生物学家所做的那样，我们实际上只是在跟进达尔文，”他说。
对于今天淡水电鱼的较近的祖先，即硬骨鱼来说，重复意味着它们有一个额外的基因拷贝，用于重要的钠泵。一份继续在肌肉细胞中起作用；第二个获得性突变赋予了电细胞独特的电特性。
但至关重要的是，在采用任何电器官特异性适应之前，必须首先在肌肉细胞中使该基因的第二个副本失活——否则，新兴的电细胞能力会干扰运动。当 Zakon 和他的同事们研究电鱼如何关闭基因时，他们惊讶地发现不同血统的电鱼做的方式不同。
在非洲鱼的肌肉组织中，钠泵基因仍然起作用，但它就像一把没有钥匙的锁，没有肌肉组织没有制造的辅助分子就无法激活。在大多数南美鱼类中，肌肉中缺少钠泵基因——钠泵基因在很大程度上是不活跃的，因为它缺少一个重要的控制元件，该元件专门促进肌肉中钠泵的表达。在南美鱼类的一个奇怪血统中，该基因确实仍然在肌肉中起作用。它在幼鱼中暂时不活跃，但随着鱼的成熟，当一组完全不同的基因接管了对电子器官中钠通道的控制时，它又重新启动。
因此，在一个教科书式的趋同进化案例中，鱼的不同谱系独立地采用了修改其肌肉组织以产生电子器官的策略，它们甚至通过使钠泵在不同组织中选择性地工作来实现这一点。但他们在如何调节泵方面存在分歧。
在斑马鱼（左）的肌肉内部，荧光绿色标签显示细胞中的钠泵产生的强烈电活动波。在南美电鱼（右）的肌肉中，活动要弱得多，因为电器官的进化始于肌肉中泵的抑制。
玛丽·斯沃茨和约翰·艾伯哈特
德克萨斯大学奥斯汀分校的分子生物学家、新研究的合著者之一约翰·埃伯哈特解释说，当科学家们研究趋同进化的案例时，通常会发现这些特征是通过基本相同的机制产生的。 “但这完全不同，”他说。 “而且我认为这很令人兴奋。”
科南特指出，新发现“在某种程度上反映了我们在他自己小组的研究中所看到的”。他的实验室发现，虽然其他硬骨鱼失去了某些用于在神经和肌肉之间发送信号的重复基因，但一些电鱼谱系保留了它们。如果没有这些关键基因将它们的电器官置于直接自愿控制之下，电鳗就不可能发展出它们标志性的强效电击。
Zakon 和他的同事们也对他们在钠泵基因中发现的控制区域的潜在意义很感兴趣，因为它似乎可以精确地确定哪些组织表达这种蛋白质。相同的控制区域出现在人类和其他脊椎动物的钠泵中。影响我们细胞中泵活动的突变可能会导致或促成各种健康问题，例如称为肌强直的肌肉无力状况。
新研究仅涉及电鱼中展示的收敛和发散的几个例子。一些南美血统使用修饰的神经元而不是修饰的肌肉细胞产生微弱的电击。海洋中的一些电鱼已经进化出更奇异的触电策略；例如，观星者会通过其眼睛中改良的肌肉进行电击。
但对于 Zakon 来说，融合解决方案最有助于解决生物学的一个基本难题：如果你可以倒转进化过程，它会以同样的方式回放吗？他说，看到一项独特的创新是“令人着迷的”，但“它并没有回答这样一个问题，‘只有一种方法可以到达那里吗？’”鱼为生物学的可预测性和古怪性提供了更丰富的观点。
原文： https://www.quantamagazine.org/electric-fish-genomes-reveal-how-evolution-repeats-itself-20220822/