多虧了額外的基因,鰻魚從帶狀變成管狀

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很少有動物像歐洲鰻魚一樣為了交配而長途跋涉。秋天來臨時,這些鰻魚離開它們的湖泊和河流,開始前往馬尾藻海的艱苦旅程。大多數魚在第一段旅程中就 погибают 了。有些在水力發電廠的渦輪機中被碾碎,另一些則被捕在籠狀陷阱中。對於那些成功將淡水換成鹹水的水生生物來說,旅程才剛剛開始。它們的產卵場仍在 5000 公里(3000 英里)之外。鰻魚遊動數月,不休息也不進食。當它們疲憊不堪地到達馬尾藻海時,只剩下一項任務:交配,然後死亡。

當一個生命週期結束時,另一個生命週期開始了。新生鰻魚生命中的第一個主要階段是柳葉鰻,意思是“細長的頭”。在這個階段,鰻魚幼蟲像微小的玻璃葉子。它們的身體完全透明,像鎳幣一樣扁平。柳葉鰻看起來可能很脆弱,但不要搞錯:這些幼魚能夠自食其力。它們比普通魚類幼蟲生長得更大,並且是游泳健將。它們必須如此,因為它們生命中的第一個目標是返回父母的故鄉。即使它們搭乘墨西哥灣暖流和其他洋流,也可能需要一年時間才能到達歐洲海岸。

當柳葉鰻接近海岸時,它們會變成管狀的玻璃鰻。玻璃鰻的身體結構更接近成年鰻魚,儘管它仍然是透明的。幼小的鰻魚可能會在沿海水域停留一段時間,但最終它們會向上遊遷徙,並在小溪和河流中定居。內陸水域將是它們未來十年的家園。隨著體型的增長,鰻魚攀登食物鏈的階梯,直到達到頂端。不久之後,馬尾藻海再次召喚。


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這似乎是一種非常複雜的成長和繁殖方式,事實也確實如此。鰻魚及其近親(主要是大海鰱狐鰹)的生命週期是魚類中最複雜的生命週期之一。例如,沒有其他魚類經歷柳葉鰻階段。這些幼蟲與成年鰻魚如此不同,以至於在 19 世紀末之前一直被視為一個單獨的物種。

荷蘭研究人員現在發現了鰻魚基因組中關於這種複雜生命週期如何產生的線索。與其他魚類不同,鰻魚的基因組中保留了八個完整的 Hox 基因簇。Hox 基因是胚胎髮育的主控制器。透過開啟和關閉其他基因,它們塑造了未來動物的佈局。除其他外,Hox 活性的位置和時間決定了肢體將在哪裡萌芽以及大腦如何被圖案化。

大多數脊椎動物(包括我們)有四個 Hox 基因簇。矛形文昌魚,最接近的現存脊椎動物親戚之一,僅靠一個基因簇就能生存。我們額外的 Hox 基因簇起源於我們遙遠祖先的兩次古老基因組複製。一個基因簇變成兩個,兩個變成四個。原始脊椎動物充分利用了這些額外的 Hox 基因簇——它們進化出了大腦、頭骨和下頜。矛形文昌魚仍然沒有大腦、頭骨和下頜。

對於魚類來說,這種雙重複制還不夠。真骨魚祖先的基因經歷了第三輪複製,產生了 8 個 Hox 基因簇。但這一次,擴大的基因工具包並沒有產生新的器官和骨骼。相反:大多數魚類擺脫了它們額外的 Hox 基因和基因簇。例如,斑馬魚完全失去了它們的第 8 個基因簇,而鱂魚則失去了第 6 個。當然,鰻魚除外。它們只是保留了所有這些基因簇。

荷蘭研究人員認為,如此高的 Hox 基因簇數量使鰻魚能夠將兩種截然不同的身體結構結合到一個生命週期中。從柳葉鰻到玻璃鰻的轉變當然是戲劇性的。柳葉鰻的膠狀骨骼被吸收並被骨骼取代,幼蟲縮小到原來的一半大小,帶狀身體變成圓柱形。幼蟲似乎必須利用其額外 Hox 基因的發育潛力才能完成這一轉變,儘管研究人員尚未對此進行測試(他們只研究了早期胚胎中的 Hox 活性)。

當然,Hox 基因的數量本身並不是複雜性的直接衡量標準。它們活動的時間和位置的細微變化才是幼蟲發育的關鍵。然而,存在第二個具有額外 Hox 基因的生物的例子,其生命週期的複雜性與歐洲鰻魚的生命週期相匹配。鮭魚。鮭魚的基因組已經被第四次複製,這可能並非巧合。

到目前為止,繪製歐洲鰻魚漫長而曲折的生命週期已經花費了數個世紀,但時間可能不多了。漫長的世代時間使這些生物容易受到過度捕撈和棲息地破壞的影響。近年來,鰻魚種群已經崩潰,以至於 IUCN 已經將該物種列入紅色名錄。漁民仍然被允許捕撈幼鰻和老鰻,這真是一個小小的悲劇。希望返回歐洲的玻璃鰻在英國、西班牙和法國被捕撈。成年銀鰻在離開前往馬尾藻海時,在荷蘭等國家被捕撈。

歐洲堡壘。遙不可及,無法逃脫。


參考文獻

Henkel CV, Burgerhout E, de Wijze DL, Dirks RP, Minegishi Y, Jansen HJ, Spaink HP, Dufour S, Weltzien FA, Tsukamoto K, & van den Thillart GE (2012). Primitive Duplicate Hox Clusters in the European Eel's Genome. PloS one, 7 (2) PMID: 22384188

照片

格雷弗林根梅爾湖中的鰻魚 作者:Arne Kuilman,保留所有權利。經許可使用。

鰻魚生命週期來自參考文獻。

My name is Lucas Brouwers. Most of my writings here will concern evolution somehow, which is the one topic that fascinates most. I like exploring evolution through bioinformatics or molecular biology, though I won't eschew other fields of science if the topic is interesting. Please call out any mistakes I might make while doing so! Science is amazing and I love writing about science. I currently write for a daily Dutch newspaper, where I hope I can convince others of the awesomeness of science and evolution.

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