放眼广袤的自然界 ， 不同的动物身体形态可谓是五花八门 ， 这种形态上的多样性很大程度上归功于自然选择的作用 。 哪怕一块组织生长的时间和速度只发生些微变化 ， 都有可能影响某处身体结构的长度和大小 ， 甚至让动物多长或者少长一块骨头 ， 这样一来便产生了新的适应性状 ， 为物种赢得了新的生态位（niche） 。 飞鱼这种独特的性状 ， 正可谓是一种演化上的胜利 。
在不同的飞鱼谱系中 ， 它们的身体构造发生了数次独立的演化 ， 但都与亮氨酸转运体和钾通道基因的突变相关 。 不同谱系中发生的亮氨酸转运体突变并不完全相同 ， 但它们涉及的氨基酸变化是一样的 ， 这就表明不同谱系各自独立地采用了相同的遗传机制 ， 从而演化出这种鱼鳍的形状 。 “在不同的背景下 ， 自然都瞄准了同一个特定的基因 。 ”波士顿学院的演化发育生物学家萨拉·麦克梅纳敏（Sarah McMenamin）说道 。

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亮氨酸转运体的基因（中间列）在多数鱼类物种（上）中是高度保守的 。 但是在飞鱼（下）和它们的一些近缘种（中）中 ， 转运体蛋白中都有一个氨基酸残基（右列）与其他鱼类不同 。 因此研究人员怀疑 ， 这个基因影响了鱼鳍的长度比例 。 （图片来源：Samuel Velasco/Quanta Magazine ， 有裁剪；资料来源：https：//doi.org/10.1016/j.cub.2021.08.054）
至于钾通道突变如何导致鱼鳍过度生长 ， 科学家仍没有答案 。 当钾通道过表达时 ， 细胞膜的静息膜电位和细胞质的pH值会改变 ， 增强细胞的活性和对刺激的响应 。 于是 ， 鱼鳍细胞开始发出一些类似神经元和干细胞会发出的信号 。 哈里斯表示 ， 也许细胞信号的变化会影响鱼鳍的生长 ， 但这只是一种推测 。 “这些都是生物学中的新问题 ， 还很少有人研究 ， 人们对其中机制的了解其实很少 。 ”他说道 。
研究人员通过抑制钾通道突变基因的表达 ， 抑制了钾离子流动 ， 发现鱼鳍的生长因此而受到阻滞 。 他们猜想 ， 在发育的某个阶段 ， 鱼鳍中的细胞会变得类似合胞体（syncytium ， 含有多个核的单个细胞质团） 。 如果情况确实如此 ， 那么钾离子流产生的电场就可以传播到整个鱼鳍中 ， 实现长程的信号调控 ， 这一点可能强于一般的形态发生素或者分泌因子等影响形态发生（morphogenesis）的化学信号 。 也就是说 ， 生物电信号也可能对鱼鳍的生长和形态起调控作用 ， 甚至可能影响其他身体结构 。
鱼鳍向左 ， 四肢向右
对鱼鳍的发育和演化进行研究 ， 或许还能帮助我们回答四足动物四肢演化的问题 。 斑马鱼的胸鳍和身体之间只通过一层骨质结构相连 ， 即近端辐鳍骨（proximal radial） ， 该结构和鱼的“肩部”直接形成关节 。 去年2月 ， 布伦特·霍金斯（BrentHawkins）、卡特琳·亨克（KatrinHenke）和哈里斯曾在《细胞》（Cell）上发表了一项研究 。 他们发现 ， 只需一条表达通路上发生突变 ， 就可以影响斑马鱼鳍的发育模式 ， 使其展现出发育成四肢的潜能 。


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硬骨鱼的鳍（上）缺少像四足动物的四肢（下）那样精细的结构 。 然而 ， 只需一条表达通路上发生突变 ， 就可以影响斑马鱼鳍的发育模式 ， 使其展现出发育成四肢的潜能（中） 。 （图片来源：https：//doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.003）
突变的斑马鱼会形成两块“中辐鳍骨”（intermediate radial） ， 它们与近端辐鳍骨形成关节 。 这些新形成的骨骼上甚至还有肌肉附着 。 这样的结构 ， 已经展露出更为精细的四肢的雏形 。 然而 ， 早在约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（atavism）还原了数亿年前的演化图景 ， 也揭示了编码鱼鳍和肢体的遗传机制非常古老 ， 或许普遍存在于脊椎动物中 。