鱼种Amia calva有很多名字，包括弓鳍鱼、淡水角鲨、grinnel 和泥梭鱼。不管你怎么称呼它，这个物种都是一个进化之谜，因为它体现了祖先和先进鱼类特征的独特组合。
在 8 月 30 日发表在Nature Genetics 上的一篇论文中，由密歇根州立大学的 Ingo Braasch 和 Andrew Thompson 领导的一个国际合作研究团队已经开始通过对弓鳍鱼的基因组进行测序来解开这个谜团。他们的合作分析对这个神秘的古老血统的生物学的各个方面产生了意想不到的见解。
弓鳍鱼是北美洲东部特有的一种硬骨鱼，是许多物种的曾经庞大谱系中唯一幸存的成员，现在只能从化石中得知。长期以来，科学家们一直对弓鳍鱼着迷，因为它结合了祖先的特征，例如像肺一样呼吸空气和强壮的鳍骨架，以及简化的鳞片和缩小的尾巴等衍生特征。弓鳍鱼在鱼类家谱中也占有关键位置，它位于硬骨鱼(最近出现的一个庞大而多样化的群体)和包括鲟鱼、白鲟和比奇鱼在内的更古老的分支之间。
由于在鱼类家谱中的这一特殊位置，弓鳍鱼可以帮助科学家了解现代鱼类的各个方面是如何从其古老的祖先进化而来的。通过检查弓鳍鱼基因组，科学家可以研究弓鳍鱼独特的一组新旧特征的遗传基础。他们还可以使用这些基因组信息作为框架来更好地了解硬骨鱼的起源，自从与弓鳍鱼世系分离并成为大多数水生栖息地的主要世系以来，硬骨鱼已经复制并广泛修改了它们的基因组。
作为哈佛大学有机和进化生物学系的博士生，该研究的合著者 M. Brent Hawkins(博士 '20)研究了弓鳍胸鳍的进化和发育。霍金斯的博士论文是与哈佛医学院和波士顿儿童医院的 Matthew P. Harris 教授以及哈佛大学有机与进化生物学系的 James Hanken 教授共同完成的，他们贡献了该研究中一些最令人惊讶的发现。
由于其骨骼的祖先构造，霍金斯专注于弓鳍的胸鳍。弓鳍保留着后胬肉，这是鳍骨架的一部分，与四足动物的肢骨同源。广泛使用的斑马鱼和青鳉等模式生物已经失去了后胬肉，这使得鳍和四肢之间的比较变得困难。通过研究弓鳍，科学家可以利用弓鳍发育的知识作为垫脚石，将硬骨鱼鳍发育与四足动物肢发育联系起来，并帮助解释鳍到肢过渡的演变。
霍金斯与康奈尔大学的合著者艾米丽芬克和艾米麦库恩一起，从纽约州北部的野外巢穴中收集了年轻的弓鳍鱼胚胎。霍金斯培养了胚胎，在它们发育时收集胸鳍样本。他从样本中提取了 mRNA，并在哈佛大学 Bauer Core 的帮助下进行了转录组测序，以确定哪些基因通过使用基因组参考序列解析转录组数据，在发育中的鳍中打开。一旦确定，他就使用原位杂交来可视化这些基因在鳍长出过程中的激活位置。最初，霍金斯预计弓鳍基因数据看起来与其他鳍和四肢非常相似。“作为一个领域，我们已经表征了许多与附属器模式相关的基因。我们很清楚基本的鳍和肢基因是什么以及它们应该在哪里打开，”霍金斯说。然而，当他分析鳍数据时，他对结果感到震惊。
虽然弓鳍胸鳍确实表达了许多预期的附肢生长基因，但其中一些最关键的基因实际上完全不存在。一种称为成纤维细胞生长因子 8 (Fgf8) 的基因在发育中的鳍和四肢的远端被开启，并且是这些附属物的生长所必需的。当 Fgf8 丢失时，附属物的生长会受到损害，如果将额外的 Fgf8 应用于胚胎，它会导致新肢体的形成。“我们所知道的所有其他鳍和肢体在发育过程中都会表达 Fgf8，”霍金斯说。“发现弓形鳍不表达 Fgf8 就像找到一辆没有油门踏板的汽车一样。弓形鳍完成了这种重新布线表明鳍开发计划具有意想不到的灵活性。有了基因组，我们现在可以解开这是如何实现的灵活性得到了发展。”
虽然像 Fgf8 这样的一些基因在弓鳍上神秘地消失了，但其他基因却在鳍中意外地被激活了。HoxD14 基因在来自鱼类家族树较深分支的鱼类的鳍中表达，例如白鲟，但该基因在包括硬骨鱼在内的较新分支中丢失。当作者在 bowfin 基因组数据中发现这个基因时，他们认为它一定不能表达，因为 DNA 序列没有编码功能性蛋白质。令人惊讶的是，Hawkins 及其同事发现，即使不编码蛋白质，弓鳍鱼鳍也会产生高水平的 HoxD14 基因转录本。“事实上，HoxD14 基因不能再制造蛋白质，但它仍然以如此高的水平转录成 mRNA，这表明可能还有另一种我们尚不了解的功能。
结合 Fgf8 和 HoxD14 结果表明，遗传程序，即使是那些指导鳍和四肢等重要结构形成的遗传程序，也并不像以前认为的那样一成不变。“通过研究更多的物种，我们了解哪些规则是严格而快速的，哪些规则是进化可以修补的。我们的研究表明对更广泛的自然多样性进行采样的重要性。我们可能会发现既定规则的重要例外，”霍金斯说。
霍金斯还表示，弓鳍鱼研究的结果警告不要将生命之树更深分支的成员视为实际祖先的替身。“有些人可能将弓鳍鱼这样的物种描述为‘活化石’，它可靠地代表了一个谱系的祖先状况。实际上，这些更深的分支已经进化到超越祖先的时间与最近的分支一样长，做他们自己的事情并以自己的方式变化。在进化过程中，老狗确实会学习新技巧。”
Hawkins 目前是哈佛医学院和波士顿儿童医院 Matthew P. Harris 实验室的博士后研究员。