想让鱼“飞”起来，只需要改变两个基因

飞鱼奇怪的运动似乎是一种躲避水下捕食者的策略。

突然，一个灵巧的身影划破了平静的水面，在上面飞速滑行——这就是飞鱼矫健的身姿是什么让这些本该生活在水中的鱼拥有了不可思议的飞行能力

飞鱼是一种广泛分布于全球海洋的鱼类与普通鱼类相比，它们的形状略显怪异，有长而硬的胸鳍和腹鳍，就像雄伟的翅膀但只需要这几个身体上的变化，这些原本只能在水里游的生物就有了飞的能力当然，严格来说，它们只能滑翔:利用水下加速度跳出水面，在空中利用空气动力特性延长滑翔时间，在即将再次入水时用尾巴拍打水面，实现连续飞行飞鱼单次滑翔最远可达180米，多次甚至可达400米，这可以帮助它们躲避捕食者

可是，长期以来，科学家不知道是什么遗传机制使得飞鱼具有这种特征最近几天，在哈佛医学院的马修·哈里斯的带领下，一组研究人员揭示了飞鱼进化出奇特鳍的遗传机制结合各种技术，他们发现只需要改变两个基因，就足以让飞鱼拥有这种奇特的身体结构，而且其机制出奇的简单这项研究发表在去年11月的《当代生物学》上

鳍生长的秘密

为了寻找使飞鱼具有奇特身体结构的遗传机制，哈里斯的团队对包括飞鱼及其亲属在内的35个物种的基因组进行了测序和比较他们重点研究了不同物种间差异明显的DNA区域，发现一些基因似乎是在选择的压力下进化而来的

德国康斯坦茨大学进化生物学家Giust Voltelyn认为，这项对比研究有助于发现促进新体型形成的驱动因素但是，如何证明是这一个基因导致了差异呢我们很难缩短飞鱼的鳍，他说

所以哈里斯的团队用斑马鱼进行了一项实验他们使用化学试剂和伽马射线，在1万多个斑马鱼胚胎中诱导随机突变，然后从那些存活到成年的个体中寻找他们感兴趣的性状这种做法并不常见，因为斑马鱼的基因研究通常集中在它们的发育过程

斑马鱼广泛应用于遗传学和发育研究，也是一种受欢迎的宠物。

雅各布·达恩当时是哈里斯实验室的博士后研究员他和他的同事之前还筛选了一组斑马鱼长鳍突变体，目的是为了更准确地寻找可能调控斑马鱼鳍生长的基因变异体他们的目光落在了两个突变基因上，分别是导致细胞外膜钾通道蛋白过量表达的kcnh2a和导致亮氨酸转运蛋白功能丧失的lat4a

研究人员发现，在斑马鱼中，亮氨酸转运蛋白的突变导致所有鳍变短，而钾通道的突变导致所有鳍变长如果这两个突变中只有一个发生，斑马鱼的运动能力就会受到影响但当这两种突变同时发生时，斑马鱼的胸鳍会变长，而奇数鳍会变短，看起来像飞鱼对此，达恩表示:据我所知，在动物中，如此简单的机制却能对器官的大小产生如此巨大的影响，这并不常见

进化的胜利

放眼浩瀚的大自然，不同的动物体型可谓五花八门，而这种形态上的多样性很大程度上归功于自然选择的作用哪怕是一片组织生长时间和速度的微小变化，都可能影响到某个身体结构的长度和大小，甚至让一个动物多多少少长出一块骨头，从而创造出新的适应性状，为物种赢得新的生态位飞鱼的独特性格是进化的胜利

在不同的飞鱼谱系中，它们的身体结构经历了几次独立的进化，都与亮氨酸转运蛋白和钾通道基因的突变有关不同家系中的亮氨酸转运蛋白突变并不完全相同，但它们涉及相同的氨基酸变化，这表明不同家系独立采用相同的遗传机制，从而进化出这种鳍的形状"在不同的背景下，大自然都瞄准了同一个特定的基因."波士顿学院进化发育生物学家莎拉·麦克马纳明说

至于钾离子通道的突变如何导致鳍的过度生长，科学家们仍然没有答案钾通道过表达时，细胞膜的静息膜电位和细胞质的pH值会发生变化，从而增强细胞的活性和对刺激的反应结果，鳍细胞开始发出一些类似于神经元和干细胞的信号哈里斯说，也许细胞信号的变化会影响鳍的生长，但这只是一种猜测这些都是生物学上的新问题，很少有人研究过人们实际上对它们的机制知之甚少他说

研究人员通过抑制钾通道突变基因的表达来抑制钾离子的流动，发现鳍的生长受阻他们怀疑在发育的某个阶段，鳍中的细胞会变得类似于合胞体如果是这样的话，那么钾离子电流产生的电场就可以扩散到整个鳍，实现长距离的信号调节，这种信号可能比一般的形态发生或影响形态发生的分泌因子等化学信号更强也就是说，生物电信号也可能调节鳍的生长和形状，甚至可能影响其他身体结构

鳍在左边，四肢在右边。

研究鳍的发育和进化也可能有助于我们回答四足动物四肢进化的问题斑马鱼的胸鳍和它的身体只有一层骨骼结构连接，即近端桡鳍骨，直接和鱼的肩膀形成关节去年2月，布伦特斯，卡特琳·亨克和哈里斯在《细胞》杂志上发表了一项研究他们发现，只有一个表达途径的突变才能影响斑马鳍的发育模式，使其显示出发育成肢体的潜力

突变的斑马鱼会形成两块中间桡鳍骨，与近端桡鳍骨形成关节这些新形成的骨骼上甚至附着有肌肉这样的结构已经显示了更精致的肢体的雏形可是，早在大约4.5亿年前，斑马鱼和四足动物的祖先就已经分道扬镳了这种返祖现象还原了几亿年前的进化图景，也揭示了编码鳍和肢的遗传机制非常古老，可能在脊椎动物中普遍存在

对于附肢进化的研究，他们的发现令人欣慰哈里斯团队的工作实际上表明，可以生成精细内骨骼结构的信息仍然保留在活着的径向鳍鱼的基因组中，它们可能会发展出更精细的结构麦克纳明说

同时发表在《细胞》杂志上的另外两项研究分别分析了辐鳍鱼和非洲肺鱼早期分支的基因组，表明所有硬骨鱼的共同祖先都具有发展四肢的潜力。

后续研究也表明，与鳍和肢发育相关的遗传机制相当保守例如，去年11月发表在《美国国家科学院学报》上的一项研究发现了一种基因，该基因调节四足动物四肢末端手指结构和鳍外缘结构的形成同月，发表在《当代生物学》上的一项研究表明，跳鼠后腿长的原因是一种基因导致其四肢骨骼不成比例地生长，这类似于飞鳍异速生长的现象

起源之谜

詹姆斯大学进化发育生物学家马库斯·戴维斯认为，现在学术界应该考虑的一个问题是，鳍和四肢的这套发育程序最初是从哪里来的

虽然这些非常不同的附肢和身体形状有着共同而古老的遗传起源，但Voltelyn指出，从一种形式到另一种形式的转变是一个非常重要的进化事件:我相信四足肢的诞生绝对是进化历史上的一个创举。

这些进化事件是如何发生的还有待研究，哈里斯团队新颖的研究方法为进化发育生物学的研究提供了新的思路科学家在寻找调控发育过程的基因时，往往会关注一些共同的，密切相关的机制，如调控异速生长的胰岛素信号通路，调控四肢和鳍发育模式的Hox基因等可是，哈里斯的团队使用比较基因组学和大规模基因筛选技术来寻找具有目标表型的斑马鱼个体这种方法更不确定，难以预测实验结果

可是，哈里斯认为他们的努力是值得的:一旦我们朝着正确的方向思考，就会得到意想不到的结果，这是经典的群体水平研究无法达到的。

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