„Elektryczne ryby” wyewoluowały kilka razy i to niezależnie

Karol Darwin uważał istnienie „elektrycznych ryb” (ang. electric fish) za nierozwikłaną zagadkę. Nie tylko dlatego, że nie potrafił wyjaśnić mechanizmu, który umożliwia im generowanie prądu. Nie rozumiał też jego ewolucyjnego pochodzenia. Zdolności wodnych kręgowców wykorzystujących woltaż nie kończą się bynajmniej na „rażeniu” ofiar prądem. Używają one sygnałów elektrycznych do nawigowania, komunikacji, rozpoznawania kształtów, wykrywania ofiar, a nawet – weryfikowania, czy są one żywe, czy martwe.

Pytanie: dlaczego ryby niespokrewnione są tak samo zdolne

Żadna z tych funkcji nie byłaby możliwa bez specjalnych struktur fizjologicznych umożliwiających generowanie prądu oraz jego wykrywanie. Te pierwsze noszą nazwę elektrocytów, drugie – elektroreceptorów. Samo wytwarzanie sygnałów elektrycznych nie jest jeszcze niczym nietypowym. Wszystkie zwierzęta (w tym ludzie) wykorzystują ujemne i dodatnie jony do komunikacji wewnątrzustrojowej: układ nerwowy czy mięśniowy opierają swoje działanie właśnie na przekazywaniu bodźców elektrycznych. Aby ta pobudliwość była zachowana, komórki muszą dbać o to, by jony w ich wnętrzu i na ich zewnątrz znajdowały się w fizjologicznej nierównowadze: po jednej stronie błony komórkowej występują przede wszystkim cząsteczki naładowane dodatnio, po drugiej – ujemnie. Na straży tej nierówności stoją białkowe pompy jonowe mozolnie wtłaczające cząsteczki wbrew gradientowi stężeń oraz kanały jonowe. Te drugie działają trochę jak wentyl w dętce napompowanej powietrzem – gdy jest zamknięty, wnętrze i zewnętrze nie mieszają się ze sobą; gdy zostanie zwolniony, natychmiast dojdzie do ucieczki (w dętce – powietrza, w komórce – jonów).

Tylko kilka gatunków ryb (w tym strętwy, nazywane potocznie węgorzami elektrycznymi) potrafi zmodyfikować powyższy proces tak, by wytworzyć prąd o niebotycznym napięciu kilkuset woltów. I – co równie istotne – wyprowadzić ten impuls z własnych tkanek na zewnątrz, np. w okolice ciała ofiary, która ma zostać porażona. Pozostałe kilkaset gatunków „elektrycznych ryb” nie generuje aż tak imponujących potencjałów, co nie oznacza, że są mniej interesujące dla badaczy.

Uczeni już od jakiegoś czasu wiedzą, że wszystkie elektrocyty są zmodyfikowanymi komórkami mięśniowymi, ale wciąż nie rozumieli, jak to możliwe, że prąd potrafią generować ryby zupełnie ze sobą niespokrewnione. Skoro tak nietypowa cecha pojawia się u kręgowców o małym stopniu pokrewieństwa, to znaczy, że wyewoluowała ona kilka razy, niezależnie. Tylko w jaki sposób jak?

Odpowiedź: komórki mięśniowe inaczej się modyfikowały

Dzięki pracy opublikowanej w „Science Advances” naukowcy znaleźli się znacznie bliżej odpowiedzi na te pytania. Autorzy zbadali afrykańskie „ryby elektryczne” z grupy Mormyroidea oraz południowoamerykańskie Gymnotiformes. Ustalili, że u przedstawicieli obu tych taksonów zaszły inne modyfikacje budowy komórek mięśniowych, a w efekcie – inne mechanizmy powstania elektrocytów. U afrykańskich ryb biologiczny generator prądu powstał dzięki temu, że kluczowa dla tkanki mięśniowej pompa jonowa została pozbawiona molekularnego klucza. W efekcie sygnały elektryczne zaczęły być generowane nie jak w mięśniach, lecz jak w elektrocytach. W przypadku południowoamerykańskich ryb zdezaktywowany został zaś gen odpowiedzialny za kodowanie „mięśniowej” pompy jonowej, przez co w ogóle nie dochodziło do jej ekspresji.

Autorzy pracy przyznają, że ich własne odkrycie ich zaskoczyło. Spodziewali się bowiem, że tak charakterystyczna umiejętność, jak generowanie elektryczności rozwinęła się u wszystkich ryb dzięki temu samemu mechanizmowi.