有一种生物，有着鱼一般的躯干、鸟一般的翅膀、蟹一般的腿……
这是什么奇怪的生物，奇美拉吗？
不，它是真实存在的生物，栖息在宁静的海底，它是一类鱼，叫作角鱼。
角鱼究竟长什么样？
罗来纳锯鲂，角鱼科 （图片来源：Anik Grearson）
上面的图是一只罗来纳锯鲂，是角鱼科的一种。它的身体扁平，鱼鳍呈扇形，胸鳍特别宽大，就像是一对巨大的翅膀，可以帮助它们在海底滑行。它的背鳍细长且具有多个棘刺，看起来像是用于探测环境的“天线”。
因为它的胸鳍展开时，形状和颜色都像极了陆地上的知更鸟，所以它还有一个英文名叫Sea Robin，意思是海知更鸟。
最奇特的是，它的胸鳍附近还长着类似腿的副肢，形态独特，呈现出节状结构，像是细长的指状物，可以灵活地在沙地上支撑身体并进行挖掘动作。
角鱼在海底“漫步挖掘” （图片来源：Evan Kovacs/Bellono Lab）
这一独特的身体形态，让它不仅能在水中游动，还能用这些腿在海底漫步和挖掘，简直是鱼类世界的“陆地侠客”。而这一切的背后，竟然隐藏着一段关于古老基因的演化故事。
角鱼缘何长“脚”，它竟拥有负责人类四肢发育的基因？
很早之前，大卫·金斯利（David Kingsley）就对角鱼独特的“步行”能力产生了兴趣。于是，他带领团队选择了卡罗来纳锯鲂（Prionotus carolinus）作为研究对象。
卡罗来纳锯鲂，为辐鳍鱼纲鲉形目牛尾鱼亚目角鱼科的其中一种，分布在西大西洋沿岸，从加拿大的纽芬兰一直延伸到佛罗里达州。这种鱼通常栖息于沙质或泥质的海底，常常出现在水深30到200米的区域。选择它的原因，主要是它比较好捉，方便研究。
卡罗来纳锯鲂 （图片来源：Maryland Biodiversity Project）
首先，他们开始对卡罗来纳锯鲂的遗传信息进行分析，使用全基因组测序和RNA测序等技术，想要找到让这条鱼与众不同的基因。在不断的探索和实验中，他们逐渐锁定了一个可能的“嫌疑人”——一个名为tbx3a的基因。
这个基因原本是负责脊椎动物的肢体发育的，人类的四肢也受到该基因的影响。在进化的旅程中，卡罗来纳锯鲂凭借这个基因，把它们的鳍变成了用于“步行”的小腿。这就好像我们从一块积木玩具里变出了全新的形状，tbx3a就像这积木中的重要部件，让海鳎鱼从“普通鱼”变成了“步行鱼”。
一波三折：科学家们用基因编辑手段验证这一猜想
科学家们为了验证自己的猜想，决定动手“改造”一下这条奇特的鱼。他们首先设计了一个实验方案，包括使用CRISPR-Cas9基因编辑技术来敲除目标基因tbx3a。
科学家通过基因编辑手段敲除了角鱼的tbx3a基因后，角鱼失去了它的 “脚”
（图片来源：文献1）
接着，他们挑选了一批罗来纳锯鲂作为实验对象，并将这些鱼分为实验组和对照组。实验组的鱼经过基因编辑，而对照组保持不变，以便观察差异。他们设计了一个实验，使用CRISPR-Cas9基因编辑技术，敲除了罗来纳锯鲂的tbx3a基因，想看看没有这个基因的鱼会如何发育。整个实验过程中，科学家们定期监测鱼的生长情况和行为变化，记录每个阶段的发育特征。
实验的过程并非一帆风顺。在最初的实验阶段，科学家们遇到了许多挑战，例如基因编辑的效率不高，导致一些鱼的基因未能成功敲除。其中一个主要原因是CRISPR-Cas9系统在特定位点的切割效率较低，导致部分鱼的基因仅部分编辑。
此外，科学家们还发现了一些意料之外的脱靶效应，影响了其他基因的正常功能。为了解决这些问题，他们优化了导向RNA的设计，并调整了实验条件，以提高编辑效率和特异性。然而，经过多次调整和改进，最终他们成功地获得了一批tbx3a被敲除的实验鱼。
A图为正常的罗来纳锯鲂，B图显示了通过Tbx3a基因敲除的罗来纳锯鲂。
实验组的腿结构减少，其中1号腿呈现出异常的角度，从正常的位置偏移。
（图片来源：文献2）
当科学家们终于成功敲除了tbx3a基因后，结果非常有趣！没有了tbx3a的罗来纳锯鲂，原本结实的小腿变得又短又细，就像是鳍和腿之间的半成品。而且这些鱼失去了挖掘海底的能力，只能在海底懵懵懂懂地游来游去——看来tbx3a不仅让海鳎鱼长出了“腿”，还给它们配上了“铲子”功能。这些实验结果为科学家们提供了关于腿状附肢发育的重要线索，显示了tbx3a在控制腿的形态和功能方面的重要作用。
新发现！这些“腿”竟然还有其它“特异功能”
科学家们还发现，这种腿不仅仅是用于走路那么简单。
在早前的试验中，科学家们将成年罗来纳锯鲂小心地放入一个1.5米宽的水池中，底部覆盖着8厘米厚的细沙，沙中悄悄埋入几只新鲜的蓝贻贝。
实验示意图 （图片来源：文献2）
一开始，它们看起来似乎在沙地上漫无目的地行走，但实际上，每一个细微的动作都可能暗示着它们在寻找猎物。它们用腿状的附肢轻轻划动沙面，就像一个小心翼翼的探宝者。
实验数据显示，在10次实验中，有8次罗来纳锯鲂成功找到了埋藏的蓝贻贝，平均用时为5分钟。突然，一条海鲂停了下来，头部向下，附肢开始在一个特定区域挖掘。几分钟后，它们找到了埋藏的蓝贻贝，很明显这些腿不仅仅是用来走路的，还能用来搜寻食物。
与此同时，通过电镜扫描，科学家发现罗来纳锯鲂腿状附肢上布满了细微乳突。这些乳突的平均高度为10微米，密度约为每平方毫米120个。
罗来纳锯鲂腿上布满了乳突，这些乳突在左图为明亮场显微镜图像，中间为扫描电子显微镜（SEM）图像，右图为带有神经抗原（HNK-1，绿色）的免疫荧光图像
（图片来源：文献1）
乳突的主要组成部分是含有机械感受器的神经末梢和覆盖的上皮组织，这些神经末梢对机械刺激和化学信号非常敏感，能够迅速检测到猎物的存在，帮助海鲂精准定位埋藏猎物的位置。
罗来纳锯鲂附肢与中枢神经系统（CNS）叶片之间的1:1神经连接关系的示意图
（图片来源：文献2）
类似地，人类舌头上的乳突也富含神经末梢，帮助我们感知食物的质地和温度，并携带不同类型的味觉感受器以感知甜、酸、咸、苦和鲜等味道。
后面，科学家们还对基因编辑过的罗来纳锯鲂进行了味觉测试。结果显示，那些缺少tbx3a的鱼则对化学刺激反应迟钝，说明该基因在感知功能中十分重要。
可以看到，在 Tbx3a 基因被敲除后，附肢的乳突显著减少
（图片来源：文献2）
简言之，对于罗来纳锯鲂来说，没有了tbx3a，不仅会在物理意上失去腿，还会失去在海底寻找食物的品味能力。
在后续的测试中发现，这些乳突对特定的化学物质具有明显的感知能力，尤其是对 L-丙氨酸、甜菜碱和胆碱等化学物质表现出显著的神经反应。L-丙氨酸和甜菜碱广泛存在于小型甲壳类和软体动物中，这些是罗来纳锯鲂常见的猎物。
（图片来源：Evan Kovacs/Bellono Lab）
这里得多提一句，并不是所有的角鱼的腿都有尝味道的能力。对于其他的物种如带纹锯鲂(Prionotus evolans)，它们的腿上则缺乏这样的乳突，主要用于支撑和移动，没有化学感知的功能。
带纹锯鲂，角鱼科 （图片来源：NCFishes.com）
结语
这些看似简单的小鱼，竟然用古老的基因玩出了新花样——它们不仅能进化出类似于陆地动物的腿，还能赋予这些腿独特的感知功能，帮助它们在黑暗的海底找到藏在沙里的食物，大大地增加了它们的生存机会。
如果你可以用脚来尝咸淡，会是怎样一种体验呢？
参考文献：
Herbert, Amy L., et al. "Ancient developmental genes underlie evolutionary novelties in walking fish." Current Biology (2024).
Allard, Corey AH, et al. "Evolution of novel sensory organs in fish with legs." Current Biology (2024).
出品：科普中国
作者：苏澄宇
监制：中国科普博览