De-a lungul fundului întunecat al râului Amazon, pești serpentin numiți anghile electrice scrutează întunericul după broaște neprevăzute sau alte prade mici. Când cineva înoată, peștele eliberează două impulsuri de electricitate de 600 de volți pentru a-l asoma sau ucide. Această tactică de vânătoare de înaltă tensiune este distinctă, dar o mână de alte specii de pești folosesc și electricitate: ei generează și simt tensiuni mai slabe atunci când navighează prin ape noroioase, care se mișcă lentă și când comunică cu alții din specia lor prin șocuri ușoare asemănătoare codului morse. .
În mod normal, atunci când mai multe specii împărtășesc o abilitate la fel de neobișnuită precum cea de a genera electricitate, aceasta se datorează faptului că sunt strâns legate. Dar peștii electrici din râurile din America de Sud și Africa se întind pe șase grupuri taxonomice distincte și există alte trei linii mari de pești electrici dincolo de ele. Chiar și Charles Darwin s-a gândit atât la noutatea abilităților lor electrice, cât și la ciudata distribuție taxonomică și geografică a acestora în Pe Originea speciilor, scris, „Este imposibil de conceput prin ce pași au fost produse aceste organe minunate” – nu doar o dată, ci în mod repetat.
A hârtie recentă publicat în Avansuri de știință ajută la dezlegarea acestui mister evolutiv. „Într-adevăr, urmărim pe Darwin, așa cum fac majoritatea biologilor”, a spus Harold Zakon, un biolog integrator la Universitatea din Texas, Austin și co-autor principal al studiului. Reunind indicii genomice, echipa sa din Texas și colegii de la Universitatea de Stat din Michigan au descoperit cum au apărut un număr de organe electrice uimitor de similare în linii de pești electrici, despărțiți de aproximativ 120 de milioane de ani de evoluție și de 1,600 de mile de ocean. După cum se dovedește, există mai multe modalități de a dezvolta un organ electric, dar natura are câteva trucuri preferate la care să recurgă.
Peștii sud-americani și africani pe care grupul lui Zakon îi studiază își obțin zapada de la organe electrice specializate care se extind pe o mare parte a corpului lor. Celulele musculare modificate numite electrocite din organe creează gradienți de ioni de sodiu. Când proteinele de poartă de sodiu din membranele electrocitelor se deschid, aceasta produce o explozie de curent. „Este vorba despre cel mai simplu semnal pe care ți-l poți imagina”, a spus Zakon.
În mușchi, aceste semnale electrice circulă prin și între celule pentru a le ajuta să se contracte pentru mișcări, dar în organele electrice tensiunea este direcționată spre exterior. Puterea fiecărui șoc depinde de câte electrocite declanșează o dată. Majoritatea peștilor electrici trag doar câțiva o dată, dar deoarece anghilele electrice împachetează un număr neobișnuit de mare de celule electrice, pot elibera tensiuni suficient de puternice pentru a ucide prada mică.
În noua lucrare, Zakon, fostul său tehnician de cercetare Sarah LaPotin (acum un doctorand la Universitatea din Utah) și ceilalți colegi ai săi au reconstruit un aspect cheie al evoluției acestor organe electrice prin urmărirea istoriei genomice a peștilor.
A început între 320 de milioane și 400 de milioane de ani în urmă, când strămoșul tuturor peștilor clasificați ca teleostei a supraviețuit unui accident genetic rar care i-a duplicat întregul genom. Dublările întregului genom sunt adesea mortale pentru vertebrate. Dar pentru că creează copii redundante ale tot ceea ce se află în genom, dublările pot deschide, de asemenea, posibilități genetice neexploatate anterior. „Deodată, aveți capacitatea de a face o cale cu totul nouă, în loc de o singură genă nouă”, a spus Gavin Conant, un biolog de sisteme la Universitatea de Stat din Carolina de Nord, care nu a fost implicat în studiu.
Pentru strămoșii mai recenti ai peștilor electrici de apă dulce de astăzi, care sunt teleostei, duplicarea a însemnat că aceștia aveau o copie suplimentară a unei gene pentru o pompă importantă de sodiu. Un exemplar a continuat să funcționeze în celulele musculare; al doilea a dobândit mutații care confereau proprietăți electrice distinctive electrocitelor.
Dar, în mod esențial, înainte de a putea fi adoptate orice adaptări specifice organelor electrice, a doua copie a genei trebuia mai întâi dezactivată în celulele musculare - altfel, capacitățile electrocitelor emergente ar fi interferat cu mișcarea. Și când Zakon și colegii săi s-au uitat la modul în care peștele electric a oprit gena, au fost surprinși să descopere că diferite linii de pești electrici au făcut-o diferit.
În țesutul muscular al peștilor africani, gena pompei de sodiu era încă funcțională, dar ca o broască fără cheie, nu se putea activa fără molecule ajutătoare pe care țesutul muscular nu le producea. La majoritatea peștilor din America de Sud, pompa lipsea din mușchi – gena pompei de sodiu era în mare parte inactivă, deoarece îi lipsea un element de control esențial care stimulează în mod specific expresia pompei de sodiu în mușchi. Într-o linie ciudată de pești din America de Sud, gena încă funcționa în mușchi. A fost temporar inactiv la peștii tineri, dar s-a reactivat când un set complet diferit de gene a preluat controlul asupra canalului de sodiu din organul electric pe măsură ce peștele se maturiza.
Deci, într-un caz manual de evoluție convergentă, diferitele linii de pești au lovit în mod independent strategia de a-și modifica țesutul muscular pentru a crea organe electrice și chiar au făcut acest lucru făcându-și pompele de sodiu să funcționeze selectiv în diferite țesuturi. Dar s-au diferit în ceea ce privește exact modul în care au reglat pompele.
Adesea, atunci când oamenii de știință investighează un caz de evoluție convergentă, trăsăturile se dovedesc să apară în esență prin același mecanism, a explicat Johann Eberhart, un biolog molecular la Universitatea din Texas, Austin și unul dintre co-autorii noului studiu. „Dar asta a fost destul de diferit”, a spus el. „Și cred că asta e incitant.”
Conant a remarcat că noile descoperiri „s-au oglindit într-un fel ceea ce am văzut” în cercetarea propriului său grup. Laboratorul său a descoperit că, în timp ce alți pești teleostei pierduseră anumite gene duplicat pentru a trimite semnale între nervi și mușchi, unele linii de pești electrici le-au păstrat. Fără aceste gene-cheie să-și pună organele electrice sub control voluntar direct, anghilele electrice nu ar fi putut dezvolta zapajul lor puternic.
Zakon și colegii săi sunt, de asemenea, intrigați de semnificația potențială a regiunii de control pe care au găsit-o în genele pompei de sodiu, deoarece pare să determine cu exactitate ce țesuturi exprimă proteina. Aceeași regiune de control apare în pompele de sodiu ale oamenilor și ale altor vertebrate. Este posibil ca mutațiile care afectează activitatea pompei în celulele noastre să cauzeze sau să contribuie la diferite probleme de sănătate, cum ar fi starea de slăbiciune musculară numită miotonie.
Noua cercetare atinge doar câteva dintre exemplele de convergență și divergență afișate la peștii electrici. Unele descendențe sud-americane produc șocuri slabe folosind neuroni modificați în loc de celule musculare modificate. Unii pești electrici din oceane au dezvoltat strategii de electrocutare mai bizare; observatorul stelelor, de exemplu, administrează în ochi șocuri de la mușchii modificați.
Dar pentru Zakon, soluțiile convergente sunt cele mai utile în abordarea unui puzzle fundamental al biologiei: dacă ai putea derula cursul evoluției, s-ar relua în același mod? A vedea o inovație unică este „fascinant”, a spus el, dar „nu răspunde la întrebarea „A existat o singură cale de a ajunge acolo?” Amestecul de convergență și divergență observat în sistemele de organe precum cele ale diverselor sisteme electrice. peștele oferă o perspectivă mult mai bogată asupra cât de previzibilă - și ciudată - poate fi biologia.
