Amazonase jõe häguse põhja ääres otsivad ussikalad, mida nimetatakse elektriangerjateks, pimeduses ettevaatamatute konnade või muu väikese saaklooma järele. Mööda ujudes vallandavad kalad kaks 600-voldist elektriimpulssi, et neid uimastada või tappa. See kõrgepinge jahitaktika on omanäoline, kuid ka käputäis teisi kalaliike kasutab elektrit: nad genereerivad ja tajuvad nõrgemat pinget, kui nad navigeerivad mudases, aeglaselt liikuvas vees ja suhtlevad teiste oma liikidega morsekoodiga sarnaste õrnade löökide abil. .
Tavaliselt, kui mitmel liigil on sama ebatavaline võime nagu elektrienergia tootmine, on see seetõttu, et nad on tihedalt seotud. Kuid Lõuna-Ameerika ja Aafrika jõgede elektrikalad hõlmavad kuut erinevat taksonoomilist rühma ja nendest kaugemal on veel kolm elektrikalade mereliini. Isegi Charles Darwin mõtiskles nii nende elektriliste võimete uudsuse kui ka kummalise taksonoomilise ja geograafilise jaotuse üle. Kohta Liikide päritolu, kirjutamine, "On võimatu ette kujutada, milliste sammudega need imelised elundid on toodetud" - mitte ainult üks kord, vaid korduvalt.
A viimastel paber avaldatakse Teadus ettemaksed aitab seda evolutsioonilist müsteeriumi lahti harutada. "Me lihtsalt jälgime Darwinit, nagu enamik biolooge teeb," ütles Harold Zakon, Austini Texase ülikooli integreeriv bioloog ja uuringu kaasautor. Genoomilisi vihjeid koondades avastasid tema meeskond Texases ja kolleegid Michigani osariigi ülikoolist, kuidas elektrikalade suguvõsades tekkis hulk hämmastavalt sarnaseid elektriorganeid, mida eraldas ligikaudu 120 miljonit aastat evolutsiooni ja 1,600 miili ookeani. Nagu selgub, on elektrioreli arendamiseks rohkem kui üks viis, kuid loodusel on mõned lemmiknipid, mille kallal tagasi pöörduda.
Lõuna-Ameerika ja Aafrika kalad, keda Zakoni rühm uurib, saavad oma löögi spetsiaalsetest elektriorganitest, mis ulatuvad suure osa nende kehast. Elundite modifitseeritud lihasrakud, mida nimetatakse elektrotsüüdideks, loovad naatriumioonide gradiente. Kui elektrotsüüdi membraanides avanevad naatriumivärava valgud, tekitab see voolupurske. "See on kõige lihtsam signaal, mida võite ette kujutada," ütles Zakon.
Lihastes liiguvad need elektrilised signaalid läbi ja rakkude vahel, et aidata neil liigutusteks kokku tõmbuda, kuid elektriorganites on pinge suunatud väljapoole. Iga löögi tugevus sõltub sellest, kui palju elektrotsüüte korraga süttib. Enamik elektrikalu laseb korraga vaid paar tükki, kuid kuna elektriangerjas on ebatavaliselt palju elektrielemente, võivad nad vallandada piisavalt võimsaid pingeid, et tappa väike saak.
Uues töös Zakon, tema endine uurimistehnik Sarah LaPotin (nüüd doktorant Utahi ülikoolis) ja tema teised kolleegid rekonstrueerisid nende elektriorganite evolutsiooni võtmeaspekti, jälgides kalade genoomi ajalugu.
See sai alguse 320–400 miljonit aastat tagasi, kui kõigi teleostideks liigitatud kalade esivanem elas üle haruldase geneetilise õnnetuse, mis dubleeris kogu tema genoomi. Terve genoomi dubleerimine on selgroogsetele sageli surmav. Kuid kuna need loovad genoomis kõigest üleliigseid koopiaid, võivad dubleerimised avada ka seni kasutamata geneetilisi võimalusi. "Järsku on teil võimalus ühe uue geeni asemel luua täiesti uus rada, " ütles Gavin Conant, Põhja-Carolina osariigi ülikooli süsteemibioloog, kes ei osalenud uuringus.
Tänapäeva magevee elektrikalade, kes on teleostid, hiljutiste esivanemate jaoks tähendas dubleerimine seda, et neil oli olulise naatriumipumba geeni lisakoopia. Üks eksemplar jätkas tööd lihasrakkudes; teine omandas mutatsioonid, mis andsid elektrotsüüdidele eristatavad elektrilised omadused.
Kuid ülioluline on see, et enne elektriliste organispetsiifiliste kohanduste kasutuselevõttu tuli see geeni teine koopia kõigepealt lihasrakkudes deaktiveerida - vastasel juhul oleksid tekkivad elektrotsüüdid häirinud liikumist. Ja kui Zakon ja tema kolleegid vaatasid, kuidas elektrikala geeni välja lülitas, avastasid nad üllatusega, et elektrikalade erinevad suguvõsad tegid seda erinevalt.
Aafrika kalade lihaskoes oli naatriumpumba geen endiselt funktsionaalne, kuid nagu võtmeta lukk, ei saanud see aktiveeruda ilma abistavate molekulideta, mida lihaskude ei valmistanud. Enamikul Lõuna-Ameerika kaladel puudus pump lihtsalt lihastest - naatriumpumba geen oli suures osas passiivne, kuna sellel puudus oluline kontrollelement, mis suurendab spetsiaalselt naatriumpumba ekspressiooni lihastes. Lõuna-Ameerika kalade ühes kummalises liinis toimis geen ikka veel lihastes. See oli noorte kalade puhul ajutiselt passiivne, kuid lülitus uuesti sisse, kui kala küpsedes võttis elektriorgani naatriumikanali kontrolli üle täiesti erinev geenide komplekt.
Nii et konvergentse evolutsiooni õpikujuhtumis tabasid kalade erinevad suguvõsad iseseisvalt strateegiat muuta oma lihaskudet, et luua elektrilisi elundeid, ja nad tegid seda isegi, pannes oma naatriumipumbad erinevates kudedes selektiivselt tööle. Kuid nad erinesid täpselt selles, kuidas nad pumpasid reguleerisid.
Sageli, kui teadlased uurivad konvergentse evolutsiooni juhtumit, ilmnevad tunnused, et need tekivad põhimõtteliselt samast mehhanismist, selgitas Johann Eberhart, Austini Texase ülikooli molekulaarbioloog ja üks uue uuringu kaasautoritest. "Aga see oli hoopis teistsugune," ütles ta. "Ja ma arvan, et see on põnev."
Conant märkis, et uued leiud "omamoodi peegeldasid seda, mida oleme näinud" tema enda rühma uurimistöös. Tema labor avastas, et kuigi teised teleostkalad olid kaotanud teatud dubleerivad geenid signaalide saatmiseks närvide ja lihaste vahel, säilitasid mõned elektrikalade liinid need. Ilma nende võtmegeenideta, mis oleksid oma elektrilised organid otsese vabatahtliku kontrolli all, poleks elektriangerjad saanud välja arendada neile iseloomulikku tugevat zapi.
Zakonit ja tema kolleege huvitab ka naatriumpumba geenides leitud kontrollpiirkonna potentsiaalne tähtsus, kuna tundub, et see määrab täpselt, millised koed valku ekspresseerivad. Sama kontrollpiirkond ilmneb inimeste ja teiste selgroogsete naatriumipumpades. Võimalik, et mutatsioonid, mis mõjutavad pumba aktiivsust meie rakkudes, võivad põhjustada või kaasa aidata mitmesugustele terviseprobleemidele, nagu lihasnõrkus, mida nimetatakse müotooniaks.
Uued uuringud puudutavad vaid mõnda elektrikalade konvergentsi ja lahknemise näidet. Mõned Lõuna-Ameerika liinid tekitavad nõrku lööke, kasutades modifitseeritud lihasrakkude asemel modifitseeritud neuroneid. Mõned ookeanide elektrilised kalad on välja töötanud veidramad elektrilöögistrateegiad; näiteks tähevaatleja annab lööke oma silmade muudetud lihastest.
Kuid Zakoni jaoks on just koonduvad lahendused kõige kasulikumad bioloogia põhimõistatuse lahendamisel: kui saaksite evolutsiooni kulgu tagasi kerida, kas see mängiks tagasi samamoodi? Unikaalse uuenduse nägemine on "lummav," ütles ta, kuid "see ei vasta küsimusele: "Kas sinna jõudmiseks oli ainult üks viis?" kala pakub palju rikkalikumat ülevaadet sellest, kui etteaimatav ja omapärane võib bioloogia olla.
