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【论文故事】你长肌肉我放电:发电器官养成指南

皮卡丘 电鳗 电鲶 电鳗的天敌 吸血鬼鱼 鬼鱼 食人鱼 巨型鲶鱼 电鳐 电鳗能电死人吗 魔

Paradoxian 发表于  2014-06-28 19:34

自然界中能放电的动物非鱼类莫属——在类似的生长环境里,电鳗、电鳐、电鲶这些亲缘关系并不相近的鱼类,共同演化出了能够发电的器官。为了弄清这种演化背后的秘密,美国数个科研院校组成的研究团队通过分析放电鱼类的基因组和转录组,对这些鱼类演化出发电器官的分子机制进行了阐述,甚至提示了将普通肌肉转变为发电器官的可能方式。这篇极富洞见的研究于2014年6月27日发表在《科学》杂志上[1]。果壳网就此对其通讯作者,得克萨斯大学的神经生物学家哈罗德·扎肯(Harold Zakon)进行了专访。

“发电细胞是一类演化上十分新颖的细胞,至少独立演化出了六次,”扎肯教授介绍道,“它们是研究复杂性状演化路径是否相同的很好的模式系统。”不仅如此,由于这些鱼儿依靠电信号相互交流,发电细胞的演化也能反映生物通信系统和通信信号的演化。“我们研究的主要发现在于,虽然不同的鱼类演化出发电器官的过程是独立的,但这种演化所涉及的似乎都是同样的转录因子。”

电鳐。图片来源:shutterstock友情提供

人类对发电鱼类的痴迷从古埃及时候就有了——那时,古埃及的人们把电鳐(Torpediniformes)作为治疗癫痫的理疗工具。在维多利亚时代,当这些"水中皮卡丘"被带到欧洲时,人们甚至会组织聚会来排队体验它的威力。甚至早期的电学研究也有一部分灵感来源于此。

尽管在人类历史上一直有着很强的存在感,发电器官在演化史上的出现其实较晚,大概在新生代。拥有发电器官的鱼类亲缘关系不近,以致我们可以认为,几乎每种发电鱼类都独立演化出了发电器官。达尔文当年就把它们作为趋同演化(convergent evolution)的典型案例之一。他曾解剖过电鳗,发现几乎电鳗所有的脏器都挤在前五分之一的身体里,而剩下的则是三个似肌肉又非肌肉的器官。后来的生理研究发现,这就是发电器官——它们大多是特化的肌肉组织,其中的细胞大多失去了肌肉机械拉伸的力量,离子通道密集的细胞膜下陷折叠,共同产生出可观的电势差。当它们串联起来,便会像串联电池一样将电压放大。这样的器官在各类发电鱼类中都能找到,虽然形态各异,但原理相似。

涵盖了发电鱼类的系统发生图。各类发电鱼类的亲缘关系较远,发电器官更有可能是趋同演化的结果。图片来源:Gallant JR, et al. (2014)Science.

发电鱼类在许多地区都有分布——南美洲的裸背鱼(Gymnotiformes),热带海洋里的电鳐(Torpediniformes),非洲的象鼻鱼(Mormyriformes)和电鲶(Siluriformes)等等,不一而足。是怎样的选择压力使它们演化出发电器官?“这些鱼中的大部分不是有夜行习性,就是生活在浑浊的溪流里。”扎肯教授解释说,“它们没法看清楚。有了弱的发电器官和感觉受体来感测微弱的电场之后,这些鱼就能感知周围的环境,并 进行通讯。强的发电器官则能让它们电晕猎物或者赶走天敌。”

研究小组首先对电鳗(Electrophorus electricus)进行了基因组测序,又从它们不同的组织中提取了RNA,测定了它们的转录组。电鳗的发电器官能发出高达600伏特的电击。“电鳗虽然只是一个物种,但它们有三种不同的发电器官。我们研究了这三种器官在该物种种内的演化方式,”扎肯告诉果壳网。在归纳出发电器官的表达特性后,他们又进而对另外四个物种的发电器官和正常肌肉组织进行了转录组测序,这些物种分别是线鳍电鳗(Sternopygus macrurus),青色埃氏电鳗(Eigenmannia virescens),壮象鼻鱼(Brienomyrus brachyistius)和电鲶(Malapterurus electricus)。

电鳗是这项课题的主要研究对象。图片来源:Jason Gallant/ Michigan State University

在分析数据时,研究人员们在不同种类的鱼、不同类型的发电器官中发现了一些惊人的一致性:在肌肉分化的早期,某几个基因都出现了表达上调——它们编码的蛋白类型叫做转录因子,能够与更多基因的转录位点结合,改变它们的表达状态。这些转录因子的变化进而通过细胞内已有的分子通路触发了一系列变化,包括许多肌原 性基因的下调,兴奋性的增强,肌肉特有的兴奋-收缩偶联特性的减弱,绝缘性的增强,以及个头变大等。就是这么几个固有的转录因子,让它们具有了放电的能力。

“我们的结果表明,发电器官并不是从多种途径演化来的。”扎肯说道,“类比一下,想象有一座城市:蛋糕店、餐厅,和修鞋店都在城里营业,并且都有外送服务。他们都会用城市里已经修好的路,而不会去修造新的路。这样,利用已有的材料是更容易、更便宜,也可能是唯一可行的方法。”类似的例子比比皆是,正如分子生物学家弗朗索瓦·雅各布(François Jacob)所言[2],演化是个“小气的修理匠”,只会利用后院杂物堆里已有的东西来发挥灵感,并且不情愿一次引入太多变化。“演化‘利用’了这些肌肉里已经存在的道路(基因网络)来多次制造发电器官,而不是从头搭建全新的基因网络。”扎肯说道。

“四年前当我们着手该研究时,给电鳗的基因组测序真的有很大的工作量。现在,中国的华大基因和其它机构能很快完成类似的工作,”说起研究过程,扎肯对生物技术的发展充满了感慨。“现在困难的部分在于,通过在非发电鱼类的体内操纵这些基因,尝试让它们的肌肉成为发电器官,从而检测我们的猜想。”相信在不久的将来,放电将不再是这些鱼儿的专利。

《超凡蜘蛛侠2》中的麦斯威尔·狄龙在遭遇电鳗攻击后具有了放电能力,成为“电人”。图片来源:images.starpulse.com

参考文献:

  1. Gallant JR, et al. Genomic basis for the convergent evolution of electric organs. Science. 344(6191):1522-5. doi: 10.1126/science.1254432.
  2. Jacob F. Evolution and tinkering. Science. 196(4295):1161-6.

文章题图:berkozturk.deviantart.com

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热门评论

  • 2014-06-29 00:33 巨神泰坦搜寻者

    [68] 评论
  • 2014-06-29 10:46 MooerFoes

    发电的美国人

    发电的中国人

    发电的日本人

    亲缘关系并不相近的人类,共同产生了能够发电的能力。为了弄清这种变化背后的秘密……

    ——弄清个屁啊!我不做研究了!JOJO!

    [37] 评论
  • 2014-06-28 22:48 冰红茶

    脑电波发电~

    [7] 评论

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全部评论(55)
  • 1楼
    2014-06-28 21:29 fu-80 DIYER,摄影师,电容技术顾问

    挽尊

    要是大规模出现发电能力

    会不会有文明产生出生态电池的系统?

    [1] 评论
  • 2楼
    2014-06-28 22:22 Paradoxian
    引用@fu-80 的话:挽尊要是大规模出现发电能力会不会有文明产生出生态电池的系统?

    不太可能,因为生物发电系统效率太低

    [0] 评论
  • 3楼
    2014-06-28 22:48 冰红茶

    脑电波发电~

    [7] 评论
  • 4楼
    2014-06-29 00:33 巨神泰坦搜寻者

    [68] 评论
  • 5楼
    2014-06-29 00:55 IVV万岁
    人类对发电鱼类的痴迷从古埃及时候就有了——那时,古埃及的人们把电鳐(Torpediniformes)作为治疗癫痫的理疗工具。

    来源请求!

    [0] 评论
  • 6楼
    2014-06-29 08:28 firstkey
    引用@fu-80 的话:挽尊要是大规模出现发电能力会不会有文明产生出生态电池的系统?

    如果希望工业应用,除了电压高之外,还需要强大的电流,持续稳定的放电。举个栗子,打火机也可以产生上千伏的高压,但是由于电流太小且不稳定,不能用来发电。

    即便以后科技解决了这些问题,从能量守恒角度讲,得让辛勤的小电鱼们吃多少啊!

    [0] 评论
  • 7楼
    2014-06-29 08:52 arkaling
    引用@巨神泰坦搜寻者 的话:

    农作农贷

    [0] 评论
  • 8楼
    2014-06-29 08:56 Fmfly

    = = 有个技术性问题。。。其实困扰我很多年了。。。只是没看到这些东西想不起来

    如果那个电鳗能产生电,通常意义理解就必须要有正负极。。。。而且同时在他们自身身上。。。形成一个类似下图的电场,然后猎物或攻击目标进入电场,被电流电成呆逼状。。。

    然后问题就来了。。。。

    即使假定他们很耐电,他们不怕。。。但是在海水中也会形成回路而导致短路啊。。。除非它们很长很长比如说几米长。。。而且正负极正好一头一尾。。。而且具有极高的电压。。。不然很明显很难造成一个具有杀伤力的电场啊。。。

    而且。。。如果真是类似干电池串联。。。那么。。。在海水中,各“电池”间是如何绝缘的,毕竟动物体不大可能是绝缘体,即使它们真的是,旁边的海水导电性也不差。。。

    但是,事实是不论如何,他们做到了电晕对方(包括一些体形较大的动物)。。。究竟是有神马特殊的机制?

    [0] 评论
  • 9楼
    2014-06-29 09:26 hyll

    在我爬出生物坑之后,华大基因都这么牛了!

    [0] 评论
  • 10楼
    2014-06-29 09:32 ZnO
    引用@Fmfly 的话:= = 有个技术性问题。。。其实困扰我很多年了。。。只是没看到这些东西想不起来如果那个电鳗能产生电,通常意义理解就必须要有正负极。。。。而且同时在他们自身身上。。。形成一个类似下图的电场,然后猎物或攻...

    虽然我也不清楚具体的过程……

    但正负极不需要同时存在于电鳗身上,或者说,某一极可以一直与外接联通。电鳗本身更像是个电容+电荷泵,放电器官把负(正)电荷泵出体外,而在体内存储正(负)电荷。体外液体环境直接接地,所以电鳗内部相对于外部的电势差越来越大,就像电容存储电荷一样。

    如果电鳗能实现在身体某处定点释放电荷,那在该处附近的电流强度可以变得很可观。

    [0] 评论
  • 11楼
    2014-06-29 09:39 欧剃 D&D骰子机器人,翻译爱好者

    结尾配图为啥不是霹雳贝贝!!

    [0] 评论
  • 12楼
    2014-06-29 10:38 响指大魔王

    然后世界上第一个变种人就是电系的。

    [0] 评论
  • 13楼
    2014-06-29 10:46 MooerFoes

    发电的美国人

    发电的中国人

    发电的日本人

    亲缘关系并不相近的人类,共同产生了能够发电的能力。为了弄清这种变化背后的秘密……

    ——弄清个屁啊!我不做研究了!JOJO!

    [37] 评论
  • 14楼
    2014-06-29 11:19 东方隐月
    引用@Fmfly 的话:= = 有个技术性问题。。。其实困扰我很多年了。。。只是没看到这些东西想不起来如果那个电鳗能产生电,通常意义理解就必须要有正负极。。。。而且同时在他们自身身上。。。形成一个类似下图的电场,然后猎物或攻...

    这么说吧,电鳗电电鳗一点也不疼~它不是绝缘,就是可以分流什么的,使自己身体的电流减小100多倍~

    [0] 评论
  • 15楼
    2014-06-29 12:03 Roadrunner
    引用@Fmfly 的话:= = 有个技术性问题。。。其实困扰我很多年了。。。只是没看到这些东西想不起来如果那个电鳗能产生电,通常意义理解就必须要有正负极。。。。而且同时在他们自身身上。。。形成一个类似下图的电场,然后猎物或攻...
    我的理解是这个电池的放电视可控的,引用文章内容:[object Object]


    [0] 评论
  • 16楼
    2014-06-29 12:09 whyisveryme 法理学硕士


    应该在女同胞的基因里加入这个符文,这样,就可以在遭遇性侵的时候对袭击者进行反击啦~~~~~哦也~~~我好聪慧~~~

    当然了,我觉得假如女同胞高潮的时候放电的话,男同胞就有些悲剧了。。。

    #脑洞大开停不下来_(:з」∠)_#

    [3] 评论
  • 17楼
    2014-06-29 12:17 爆爆鱼的小馒头
    引用@whyisveryme 的话: 应该在女同胞的基因里加入这个符文,这样,就可以在遭遇性侵的...

    23333333

    笑尿我啦~\(≧▽≦)/~

    [0] 评论
  • 18楼
    2014-06-29 12:36 看起来像鲨鱼

    皮卡丘通过放电保护自己不被怪蜀黍抓进精灵球里,以及和主角抢镜头。

    [0] 评论
  • 19楼
    2014-06-29 13:12 MooerFoes

    漏了个,放电的德国人……

    [1] 评论
  • 20楼
    2014-06-29 13:25 永世之星

    冲着小皮进来啦···

    [0] 评论
  • 21楼
    2014-06-29 13:35 找个恐龙生个蛋

    人可以通过脐带外挂一个能发电的瘤子23333333

    [0] 评论
  • 22楼
    2014-06-29 14:05 东方隐月
    引用@Paradoxian 的话:不太可能,因为生物发电系统效率太低

    我觉得很有可能,以后电脑啊什么的都可能用生物神经系统代替

    我们地球人其实就是宇宙终极电脑的配件撒

    [0] 评论
  • 23楼
    2014-06-29 14:06 东方隐月
    引用@whyisveryme 的话: 应该在女同胞的基因里加入这个符文,这样,就可以在遭遇性侵的时候对袭击者进行反击啦~~~~~哦也~~~我好聪慧~~~当然了,我觉得假如女同胞高潮的时候放电的话,男同胞就有些悲剧了。。。#脑洞大开停不下...

    可以采取保护措施,各大药店均有销售!

    [0] 评论
  • 24楼
    2014-06-29 14:15 the.angel.of.death
    引用文章内容:现在,中国的华大基因和其它机构能很快完成类似的工作

    不知華大的生物民工看到這句會怎麼想

    [0] 评论
  • 25楼
    2014-06-29 14:20 逸云鸟
    引用文章内容:人类对发电鱼类的痴迷从古埃及时候就有了

    为什么不管什么东西古埃及都有.....

    [1] 评论
  • 26楼
    2014-06-29 14:39 Paradoxian
    引用@东方隐月 的话:我觉得很有可能,以后电脑啊什么的都可能用生物神经系统代替我们地球人其实就是宇宙终极电脑的配件撒

    不可能。这是我在这篇文章中强调过的:演化是拆东墙补西墙的修补匠,不是工程师。

    自然界中确实有很多精美的性状,它们都是从极大的样本库里筛选来的结果,一旦够用就不会继续“升级”。事实上,还很多机制是不完美、高能耗、低效,甚至是一团糟的。指望这个低效的系统,还不如找出个别精美设计,取其精华,然后再交给仿生学工程师去自己做。

    [0] 评论
  • 27楼
    2014-06-29 14:39 Paradoxian
    引用@逸云鸟 的话:为什么不管什么东西古埃及都有.....

    因为埃及在非洲……非洲有好几种电鱼

    [0] 评论
  • 28楼
    2014-06-29 16:05 红色皇后 科普爱好者,科学松鼠会成员

    题图太可爱了求大图。


    [0] 评论
  • 29楼
    2014-06-29 17:40 尚左

    其实我一直疑问,他为什么不会把自己电死- -。

    或者两个电鳗遇到了,他们会不会不小心把对方电死

    [0] 评论
  • 30楼
    2014-06-29 19:04 凌月城

    不能吃?你还放电干嘛?(⊙o⊙)哦!你是来拯救世界的啊

    [0] 评论

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