斯坦福大學發育生物學教授大衛·金斯利 (David Kingsley) 回憶起 2016 年參觀伍茲霍爾海洋生物實驗室 (MBL) 的一個小型水族館，並偶然發現了一些會走路的魚。“看到一缸海魴，我簡直驚呆了，因為我從未見過一種長著腿、可以在水箱底部行走的魚，”金斯利說，他同時也是霍華德·休斯醫學研究所的研究員。“看到一條魚，它看起來像是由鳥的翅膀、魚的身體、螃蟹的腿等特徵組合而成，這讓我感到非常震驚。我的意思是，這就像看到了神話中的半人馬——只不過它是真實的。”
金斯利研究刺魚和其他動物的發育和進化，他無法將他剛剛看到的景象拋諸腦後。他在回家的路上開始瘋狂地擺弄手機，試圖弄清楚他是否可以利用他實驗室的資源來研究長腿魚進化的分子基礎。
“我不得不乘坐班車從 MBL 返回波士頓洛根[國際]機場，”他說。“我在班車上用谷歌搜尋；在我的手機上載入了關於這種不尋常的魚以及過去所做的一切研究的 PDF 檔案。我在返回斯坦福的整個飛機旅程中都在閱讀關於海魴的已知資訊——是否有可能對其進行培養？‘它們的基因組有多大？’；在形態學層面上，關於腿的來源有哪些已知資訊。當我們回到斯坦福時，我想，‘我們可以做到這一點。’”
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© 彼得·B·基利安 (Peter B. Kilian)
金斯利的團隊在此期間所做的工作——與哈佛大學分子生物學家尼古拉斯·貝洛諾 (Nicholas Bellono) 實驗室的合作者共同完成——記錄在週四發表在《當代生物學》雜誌上的兩項新研究中。這兩項研究都表明，金斯利最初的直覺是正確的，海魴確實是深入瞭解進化如何產生新的動物特徵的豐富來源。其中一篇論文 重點關注一種名為 Prionotus carolinus 的海魴，它在其六條類似螃蟹的“腿”中進化出了“味覺感測器”。有了這些感測器，它可以感知沙子下方的貽貝或其他獵物，並利用其腿部的鏟形尖端挖掘出晚餐。另一項研究 則考察了使魚類能夠將胸鰭改造成腿的遺傳學機制。金斯利和貝洛諾團隊的成員都是每篇論文的共同作者。
海魴屬於魴鮄科 (Triglidae)，該科的一些物種利用類似腿的附肢在海底行走。其中一些物種可能會出現在法式海鮮湯中，作為一種配料加入湯中，俗稱“魴魚”。金斯利在 MBL 遇到的物種 P. carolinus，被稱為北方海魴，分佈在美國東海岸的淺水區。長期以來，它一直受到生物學家的關注，因為——除了它能夠在海底行走之外——一些初步證據表明，它的腿部有化學感應器官。
總的來說，生物學家發現研究進化過程中特徵的喪失——蛇類腿的消失或洞穴魚色素的喪失——比研究新特徵的獲得要容易得多。因此，海魴似乎提供了一個難得的機會，讓我們能夠觀察到一種特定新奇事物的出現：一種幫助魚類四處走動，並賦予其感知和“品嚐”隱藏獵物的特殊能力的腿。
金斯利最初的興奮之情也感染了貝洛諾實驗室的博士後研究員科裡·阿拉德 (Corey Allard)，他對研究奇異魚類的生物學充滿熱情。阿拉德在 2019 年自己訪問 MBL 期間，也被海魴深深吸引。他將這種魚帶到哈佛實驗室，並開始填補關於他的實驗物件知之甚少的空白。此前曾有報道稱，其他魚類會跟隨海魴，可能是將這種長腿魚作為偵察兵，以追蹤視線之外的獵物。一些幾十年前的論文檢測到海魴腿部對觸覺和化學物質的神經反應——這可能是存在尋覓獵物的感覺器官的線索——但這項工作從未得到後續研究。“關於這種生物，幾乎一無所知，”阿拉德說。“因此，我們真的必須從非常簡單的基礎知識開始，這些基礎知識幾乎是愚蠢的。我們必須弄清楚‘這些魚真的會挖洞嗎？它們挖洞是為了什麼？’”
在實驗室中，研究小組觀察到圈養的海魴在水箱底部的沙子下尋找隱藏的貝類。它們會行走（更像是爬行）或短距離游泳，有時只是抓撓沙子。它們成功地發現了看不見的貽貝，這表明它們可以利用觸覺和化學感應來找到獵物可能潛伏的地方。
有一次，阿拉德從 MBL 訂購了更多的魚，但新一批魚卻無法找到埋藏的獵物。結果，它是一種不同的海魴，Prionotus evolans。這個失誤是幸運的，因為它使研究小組能夠比較兩種物種的腿部進化所採取的不同路徑。成功捕獵埋藏的美味珍寶的挖掘物種，其腿部有稱為乳突的突起，這可能被用來感受沙子下方的振動，並進行化學感應。透過比較這兩個物種，研究人員發現，挖掘者腿的底部有鏟狀的勺子。新到的物種只配備了桿狀的腿。
阿拉德說，當他尋找線索，瞭解魚類如何利用它們的腿來化學追蹤獵物時，他有了一個頓悟的時刻。“我想，‘這會像舌頭一樣，’”他說。“‘腿上會有味蕾，那將是化學感測器。’雖然它確實很像舌頭，但它也不像舌頭，因為腿上沒有味蕾。它感知化學物質的方式是完全新穎的。”這個謎題的答案最終被證明是一種眾所周知的味覺感受器，它被味蕾使用，但在海魴中，它的配置方式卻完全不同。“我們看到它們使用了一些相同的分子，但在不同的細胞型別和不同的組合中，”阿拉德說。“這有點像你在玩樂高積木。你買了一套，但你用同樣的零件建造了其他東西。”
斯坦福大學的研究人員（由金斯利實驗室的博士後研究員、遺傳學家艾米·赫伯特 (Amy Herbert) 領導）對兩種海魴的基因組進行了測序，記錄了在正常發育過程中哪些基因被開啟，分析了他們培育的雜交魚，並確定了基因組被編輯後會發生什麼。這讓他們能夠撥回進化的時鐘。“你不僅可以找到在腿形成的地方表達的基因，”金斯利說，“而且你可以靶向和編輯該基因，並知道你找到了正確的基因——因為你編輯了該基因，腿就會變回類似鰭的結構。”
基因組編輯過程證實，基因 tbx3a——編碼一種古老的轉錄因子，已知可以開啟從老鼠到人類等脊椎動物的基因——對海魴腿、乳突甚至挖掘行為的發育至關重要。“你使用老朋友來構建新特徵，”金斯利說。“這就是我們在海魴研究中看到的情況之一：是的，魚類的腿是新的，但它們是使用其他生物體中眾所周知的古老基因工具包生成的。”
這些研究引起了其他科學家的關注。佛羅里達大學分子遺傳學和微生物學系的教授馬丁·J·科恩 (Martin J. Cohn) 沒有參與這項研究，他說，在進化發育生物學研究中，尋找導致解剖結構變化的分子機制是標準做法。“這項[研究]的獨特之處在於，”他說，“它在多個生物組織層面上解決了這個問題。作者確定了海魴基因組中的進化變化，透過基因組編輯測試了對骨骼和神經發育的功能性影響，使用跨物種遺傳學揭示了基因調控的差異，然後進行了一項行為研究，以確定這些變化如何影響海魴與其環境的相互作用方式。這是一場真正的傑作。”
這些使用新型模式生物的廣泛方法可能會改變正在進行的追蹤新特徵如何出現的嘗試。“隨著海魴基因組和其他分子資源的可用性，這些觀察結果為理解進化新屬性的遺傳學提供了入口，”德克薩斯大學奧斯汀分校神經科學和整合生物學系的教授哈羅德·H·扎孔 (Harold H. Zakon) 說，他為新的《當代生物學》論文撰寫了一篇隨附評論，但沒有參與這些論文。
隨著這些研究的進展，海魴將成為無疑會繼續受到密切關注的生物之一。在芝加哥大學和哈佛大學，赫伯特和阿拉德分別正在建立自己的實驗室，致力於研究長腿魚的生物學。