斯坦福大学发育生物学教授大卫·金斯利 (David Kingsley) 回忆起 2016 年参观伍兹霍尔海洋生物实验室 (MBL) 的一个小型水族馆，并偶然发现了一些会走路的鱼。“看到一缸海鲂，我简直惊呆了，因为我从未见过一种长着腿、可以在水箱底部行走的鱼，”金斯利说，他同时也是霍华德·休斯医学研究所的研究员。“看到一条鱼，它看起来像是由鸟的翅膀、鱼的身体、螃蟹的腿等特征组合而成，这让我感到非常震惊。我的意思是，这就像看到了神话中的半人马——只不过它是真实的。”
金斯利研究刺鱼和其他动物的发育和进化，他无法将他刚刚看到的景象抛诸脑后。他在回家的路上开始疯狂地摆弄手机，试图弄清楚他是否可以利用他实验室的资源来研究长腿鱼进化的分子基础。
“我不得不乘坐班车从 MBL 返回波士顿洛根[国际]机场，”他说。“我在班车上用谷歌搜索；在我的手机上加载了关于这种不寻常的鱼以及过去所做的一切研究的 PDF 文件。我在返回斯坦福的整个飞机旅程中都在阅读关于海鲂的已知信息——是否有可能对其进行培养？‘它们的基因组有多大？’；在形态学层面上，关于腿的来源有哪些已知信息。当我们回到斯坦福时，我想，‘我们可以做到这一点。’”
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© 彼得·B·基利安 (Peter B. Kilian)
金斯利的团队在此期间所做的工作——与哈佛大学分子生物学家尼古拉斯·贝洛诺 (Nicholas Bellono) 实验室的合作者共同完成——记录在周四发表在《当代生物学》杂志上的两项新研究中。这两项研究都表明，金斯利最初的直觉是正确的，海鲂确实是深入了解进化如何产生新的动物特征的丰富来源。其中一篇论文 重点关注一种名为 Prionotus carolinus 的海鲂，它在其六条类似螃蟹的“腿”中进化出了“味觉传感器”。有了这些传感器，它可以感知沙子下方的贻贝或其他猎物，并利用其腿部的铲形尖端挖掘出晚餐。另一项研究 则考察了使鱼类能够将胸鳍改造成腿的遗传学机制。金斯利和贝洛诺团队的成员都是每篇论文的共同作者。
海鲂属于鲂鮄科 (Triglidae)，该科的一些物种利用类似腿的附肢在海底行走。其中一些物种可能会出现在法式海鲜汤中，作为一种配料加入汤中，俗称“鲂鱼”。金斯利在 MBL 遇到的物种 P. carolinus，被称为北方海鲂，分布在美国东海岸的浅水区。长期以来，它一直受到生物学家的关注，因为——除了它能够在海底行走之外——一些初步证据表明，它的腿部有化学感应器官。
总的来说，生物学家发现研究进化过程中特征的丧失——蛇类腿的消失或洞穴鱼色素的丧失——比研究新特征的获得要容易得多。因此，海鲂似乎提供了一个难得的机会，让我们能够观察到一种特定新奇事物的出现：一种帮助鱼类四处走动，并赋予其感知和“品尝”隐藏猎物的特殊能力的腿。
金斯利最初的兴奋之情也感染了贝洛诺实验室的博士后研究员科里·阿拉德 (Corey Allard)，他对研究奇异鱼类的生物学充满热情。阿拉德在 2019 年自己访问 MBL 期间，也被海鲂深深吸引。他将这种鱼带到哈佛实验室，并开始填补关于他的实验对象知之甚少的空白。此前曾有报道称，其他鱼类会跟随海鲂，可能是将这种长腿鱼作为侦察兵，以追踪视线之外的猎物。一些几十年前的论文检测到海鲂腿部对触觉和化学物质的神经反应——这可能是存在寻觅猎物的感觉器官的线索——但这项工作从未得到后续研究。“关于这种生物，几乎一无所知，”阿拉德说。“因此，我们真的必须从非常简单的基础知识开始，这些基础知识几乎是愚蠢的。我们必须弄清楚‘这些鱼真的会挖洞吗？它们挖洞是为了什么？’”
在实验室中，研究小组观察到圈养的海鲂在水箱底部的沙子下寻找隐藏的贝类。它们会行走（更像是爬行）或短距离游泳，有时只是抓挠沙子。它们成功地发现了看不见的贻贝，这表明它们可以利用触觉和化学感应来找到猎物可能潜伏的地方。
有一次，阿拉德从 MBL 订购了更多的鱼，但新一批鱼却无法找到埋藏的猎物。结果，它是一种不同的海鲂，Prionotus evolans。这个失误是幸运的，因为它使研究小组能够比较两种物种的腿部进化所采取的不同路径。成功捕猎埋藏的美味珍宝的挖掘物种，其腿部有称为乳突的突起，这可能被用来感受沙子下方的振动，并进行化学感应。通过比较这两个物种，研究人员发现，挖掘者腿的底部有铲状的勺子。新到的物种只配备了杆状的腿。
阿拉德说，当他寻找线索，了解鱼类如何利用它们的腿来化学追踪猎物时，他有了一个顿悟的时刻。“我想，‘这会像舌头一样，’”他说。“‘腿上会有味蕾，那将是化学传感器。’虽然它确实很像舌头，但它也不像舌头，因为腿上没有味蕾。它感知化学物质的方式是完全新颖的。”这个谜题的答案最终被证明是一种众所周知的味觉感受器，它被味蕾使用，但在海鲂中，它的配置方式却完全不同。“我们看到它们使用了一些相同的分子，但在不同的细胞类型和不同的组合中，”阿拉德说。“这有点像你在玩乐高积木。你买了一套，但你用同样的零件建造了其他东西。”
斯坦福大学的研究人员（由金斯利实验室的博士后研究员、遗传学家艾米·赫伯特 (Amy Herbert) 领导）对两种海鲂的基因组进行了测序，记录了在正常发育过程中哪些基因被开启，分析了他们培育的杂交鱼，并确定了基因组被编辑后会发生什么。这让他们能够拨回进化的时钟。“你不仅可以找到在腿形成的地方表达的基因，”金斯利说，“而且你可以靶向和编辑该基因，并知道你找到了正确的基因——因为你编辑了该基因，腿就会变回类似鳍的结构。”
基因组编辑过程证实，基因 tbx3a——编码一种古老的转录因子，已知可以开启从老鼠到人类等脊椎动物的基因——对海鲂腿、乳突甚至挖掘行为的发育至关重要。“你使用老朋友来构建新特征，”金斯利说。“这就是我们在海鲂研究中看到的情况之一：是的，鱼类的腿是新的，但它们是使用其他生物体中众所周知的古老基因工具包生成的。”
这些研究引起了其他科学家的关注。佛罗里达大学分子遗传学和微生物学系的教授马丁·J·科恩 (Martin J. Cohn) 没有参与这项研究，他说，在进化发育生物学研究中，寻找导致解剖结构变化的分子机制是标准做法。“这项[研究]的独特之处在于，”他说，“它在多个生物组织层面上解决了这个问题。作者确定了海鲂基因组中的进化变化，通过基因组编辑测试了对骨骼和神经发育的功能性影响，使用跨物种遗传学揭示了基因调控的差异，然后进行了一项行为研究，以确定这些变化如何影响海鲂与其环境的相互作用方式。这是一场真正的杰作。”
这些使用新型模式生物的广泛方法可能会改变正在进行的追踪新特征如何出现的尝试。“随着海鲂基因组和其他分子资源的可用性，这些观察结果为理解进化新属性的遗传学提供了入口，”德克萨斯大学奥斯汀分校神经科学和整合生物学系的教授哈罗德·H·扎孔 (Harold H. Zakon) 说，他为新的《当代生物学》论文撰写了一篇随附评论，但没有参与这些论文。
随着这些研究的进展，海鲂将成为无疑会继续受到密切关注的生物之一。在芝加哥大学和哈佛大学，赫伯特和阿拉德分别正在建立自己的实验室，致力于研究长腿鱼的生物学。