아마존 강의 어두컴컴한 바닥을 따라 전기 뱀장어라고 불리는 뱀 물고기가 부주의한 개구리나 다른 작은 먹이를 찾아 어둠을 샅샅이 뒤집니다. 사람이 헤엄치면 물고기는 600볼트의 전기 펄스를 두 번 방출하여 물고기를 기절시키거나 죽입니다. 이 고전압 사냥 전술은 독특하지만 소수의 다른 물고기 종들도 전기를 사용합니다. 그들은 진흙 투성이의 느리게 움직이는 물을 항해할 때 그리고 모스 부호와 유사한 부드러운 충격을 통해 다른 종의 다른 종과 의사 소통할 때 더 약한 전압을 생성하고 감지합니다. .
일반적으로 여러 종이 전기를 생산하는 것만큼 특이한 능력을 공유하는 것은 밀접하게 관련되어 있기 때문입니다. 그러나 남아메리카와 아프리카 강에 서식하는 전기 물고기는 XNUMX개의 별개의 분류학적 그룹에 걸쳐 있으며, 전기 물고기의 다른 XNUMX가지 계통이 그 너머에 있습니다. Charles Darwin조차도 전기 능력의 참신함과 그 능력의 이상한 분류학적, 지리적 분포에 대해 숙고했습니다. 에 종의 기원, 쓰기, "이 경이로운 기관이 어떤 단계로 만들어 졌는지는 상상할 수 없습니다."- 한 번이 아니라 반복적으로.
A 최근 논문 에 게시 과학의 발전 이 진화의 신비를 푸는 데 도움이 됩니다. “대부분의 생물학자들이 하는 것처럼 우리는 다윈을 추적하는 중입니다. 해롤드 자콘, 오스틴에 있는 텍사스 대학의 통합 생물학자이자 이 연구의 공동 수석 저자입니다. 텍사스에 있는 그의 팀과 Michigan State University의 동료들은 게놈 단서를 함께 연결함으로써 대략 120억 1,600천만 년의 진화와 XNUMX마일의 바다에 의해 분리된 전기 물고기 혈통에서 놀랍도록 유사한 다수의 전기 기관이 어떻게 발생했는지 밝혀냈습니다. 밝혀진 바와 같이, 전기 오르간을 진화시키는 방법은 여러 가지가 있지만 자연에는 의지할 수 있는 몇 가지 가장 좋아하는 트릭이 있습니다.
Zakon의 그룹이 연구하는 남미 및 아프리카 물고기는 신체의 많은 부분을 따라 뻗어 있는 특수 전기 기관에서 잽을 얻습니다. 장기의 전기세포라고 하는 변형된 근육 세포는 나트륨 이온 기울기를 생성합니다. 전기 세포의 막에 있는 나트륨 게이트 단백질이 열리면 전류가 폭발합니다. Zakon은 “상상할 수 있는 가장 단순한 신호입니다.
근육에서 이러한 전기 신호는 세포를 통해 그리고 세포 사이를 흐르며 운동을 위해 수축하는 것을 돕지만 전기 기관에서는 전압이 바깥쪽으로 향합니다. 각 충격의 강도는 한 번에 발사되는 전기세포의 수에 따라 다릅니다. 대부분의 전기 물고기는 한 번에 몇 개만 발사하지만 전기 뱀장어는 비정상적으로 많은 수의 전기 세포를 포장하기 때문에 작은 먹이를 죽일 만큼 강력한 전압을 방출할 수 있습니다.
이번 신작에서 Zakon은 그의 전 연구원인 Sarah LaPotin(현재 박사후보 University of Utah)와 그의 다른 동료들은 물고기의 게놈 역사를 추적하여 이러한 전기 기관의 진화의 핵심 측면을 재구성했습니다.
그것은 320억 400천만 년에서 XNUMX억 년 사이에 시작되었는데, 경골이족으로 분류된 모든 물고기의 조상이 전체 게놈을 복제한 드문 유전적 사고에서 살아남았을 때였습니다. 전체 게놈 복제는 종종 척추동물에게 치명적입니다. 그러나 게놈에 있는 모든 것의 중복 복사본을 생성하기 때문에 복제는 이전에 미개척된 유전적 가능성을 열어줄 수도 있습니다. "갑자기 하나의 새로운 유전자가 아닌 완전히 새로운 경로를 만들 수 있는 능력이 생겼습니다." 개빈 코난트, 연구에 참여하지 않은 노스 캐롤라이나 주립 대학의 시스템 생물학자.
최근의 민물 전기 물고기인 경골어류의 조상들에게 있어서, 그 복제는 중요한 나트륨 펌프를 위한 유전자의 여분의 사본을 가지고 있다는 것을 의미했습니다. 하나의 사본은 근육 세포에서 계속 작동했습니다. 두 번째 후천적 돌연변이는 전기세포에 독특한 전기적 특성을 부여했습니다.
그러나 결정적으로 전기 기관에 특정한 적응이 채택되기 전에 먼저 근육 세포에서 유전자의 두 번째 사본이 비활성화되어야 합니다. 그렇지 않으면 새로운 전기 세포 기능이 운동을 방해했을 것입니다. 그리고 Zakon과 그의 동료들이 전기 물고기가 어떻게 유전자를 끄는지를 보았을 때 전기 물고기의 다른 혈통이 그것을 다르게 한다는 것을 발견하고 놀랐습니다.
아프리카 물고기의 근육 조직에서 나트륨 펌프 유전자는 여전히 기능했지만 열쇠가 없는 자물쇠처럼 근육 조직이 만들지 않는 도우미 분자가 없으면 활성화될 수 없었다. 대부분의 남미 물고기에서 펌프는 근육에서 누락되었습니다. 나트륨 펌프 유전자는 근육에서 나트륨 펌프의 발현을 구체적으로 증가시키는 필수 제어 요소가 없기 때문에 대부분 비활성화되었습니다. 남아메리카 물고기의 한 이상한 혈통에서 유전자는 여전히 근육에서 기능했습니다. 어린 물고기에서는 일시적으로 비활성화되었지만 물고기가 성숙함에 따라 완전히 다른 유전자 세트가 전기 기관의 나트륨 채널을 제어하게 되면서 다시 켜졌습니다.
따라서 수렴 진화의 교과서적인 사례에서 물고기의 다양한 혈통은 근육 조직을 수정하여 전기 기관을 만드는 전략을 독자적으로 실행했으며, 심지어 나트륨 펌프가 다른 조직에서 선택적으로 작동하도록 함으로써 그렇게 했습니다. 그러나 그들은 펌프를 조절하는 방식에서 정확히 달랐습니다.
종종 과학자들이 수렴 진화의 경우를 조사할 때 특성은 본질적으로 동일한 메커니즘에 의해 발생하는 것으로 밝혀졌습니다. 요한 에버하트, 오스틴에 있는 텍사스 대학의 분자 생물학자이자 이번 연구의 공동 저자 중 한 명입니다. "하지만 이것은 상당히 달랐다"고 그는 말했다. "그리고 나는 그것이 흥미 진진하다고 생각합니다."
Conant는 새로운 발견이 자신의 그룹 연구에서 "우리가 본 것과 유사한 것"이라고 말했습니다. 그의 연구실은 다른 경골 어류가 신경과 근육 사이에 신호를 보내기 위한 특정 중복 유전자를 잃어버렸지만 일부 전기 어류 계통은 이를 유지한다는 것을 발견했습니다. 전기 기관을 직접적인 자발적 통제 하에 두는 이러한 핵심 유전자가 없었다면 전기 뱀장어의 특징적인 강력한 잽을 개발할 수 없었을 것입니다.
Zakon과 그의 동료들은 또한 어떤 조직이 단백질을 발현하는지를 정확하게 결정하는 것으로 보이기 때문에 나트륨 펌프 유전자에서 발견한 조절 영역의 잠재적 중요성에 흥미를 느꼈습니다. 인간과 다른 척추동물의 나트륨 펌프에도 동일한 제어 영역이 나타납니다. 우리 세포의 펌프 활동에 영향을 미치는 돌연변이가 근긴장증이라는 근육 약화 상태와 같은 다양한 건강 문제를 일으키거나 기여할 수 있습니다.
새로운 연구는 전기 물고기에 전시된 수렴 및 발산의 몇 가지 예만 다루고 있습니다. 일부 남미 혈통은 변형된 근육 세포 대신 변형된 뉴런을 사용하여 희미한 쇼크를 생성합니다. 바다의 일부 전기 물고기는 더 기괴한 감전 전략을 발전 시켰습니다. 예를 들어, stargazer는 눈의 변형된 근육에서 충격을 가합니다.
그러나 Zakon에게 있어 생물학의 근본적인 퍼즐을 푸는 데 가장 도움이 되는 것은 수렴형 솔루션입니다. 진화 과정을 되돌릴 수 있다면 같은 방식으로 되돌릴 수 있을까요? 그는 독특한 혁신을 보는 것이 “매혹적”이지만 “여기까지 가는 길은 하나뿐이었습니까?”라는 질문에는 답하지 않는다고 말했습니다. 물고기는 생물학이 얼마나 예측 가능하고 기발할 수 있는지에 대해 훨씬 더 풍부한 관점을 제공합니다.
