象鼻鱼,古老的电信号专家

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(文/Ed Yong)非洲的河流和湖泊充斥着我们无法聆听和参与的对话。一种叫做象鼻鱼的生灵可以制造和感应电场,并使用这种能力在浑水中探索、追捕猎物、相互交流。它们绝对是成功的生命形式,至今有超过两百种的象鼻鱼畅游在生命之河。

圣路易斯华盛顿大学的布鲁斯•卡尔森认为这一可爱物种多样性起源的秘密隐藏在它们变化无穷的电吟唱中。不同种的象鼻鱼采用不同的电信号交流,形成了特定的身份标识。当准备交配时,它们会通过聆听喜爱的“电语”寻找伴侣。

信号多样性的发展与象鼻鱼大脑和感应器官的变化相关联。它们能够识别电信号中微弱的不同,并用特殊的方式交谈。一个能够交流的世界由此展开,但这也相当于象鼻鱼类的巴别塔。获取了使用不同语言的能力后,象鼻鱼物种分崩离析。

通过对比26种不同象鼻鱼,卡尔森发现象鼻鱼使用分布在全身的一种瘤状物探测电场。这些结构与脑部的中脑外侧核(EL)相连。

卡尔森发现象鼻鱼的一个亚科——象鼻鱼亚科(Mormyrinae)的EL结构更加复杂。通常体积较大而且分成不同的前后区域。另一个亚科——岩头长颌鱼亚科(Petrocephalinae)的EL简单、一致。所以象鼻鱼亚科有178个物种而岩头长颌鱼亚科只有30个。

数不胜数的象鼻鱼亚科物种的电感应器官遍布全身而岩头长颌鱼亚科物种的只长在头上。象鼻鱼通过比较不同瘤状物的响应时间来分析电信号。器官的间隔越大,鱼类对不同的信号越敏感。

卡尔森的研究似乎交会到了一起。表面上看,一些象鼻鱼拥有发达的皮肤可以探测电信号间的微妙变化,而且大脑可以更好地处理来自皮肤的信息。

为了证明这一观点,卡尔森对活电鱼进行了测试。他向它们发送了十次十个电脉冲信号,所有的信号都相同,唯独第九次脉冲时间上有轻微的不同。你会认为它们对重复脉冲的响应越来越弱,但如果注意到了第九次脉冲的变化,响应会重新变强。答对了。这正是它们的行为方式,但前提是有复杂的EL。如果鱼类的EL简单、一致,则不会发现第九次脉冲的变化。

有一个例外证明了这项规则。象鼻鱼亚科物种中唯一不能探测出第九个脉冲的是族群中最原始的成员( Myomyrus ,鼠长颌鱼属),它们没有进化出复杂的EL。同时,唯一能够探测出第九个脉冲的岩头长颌鱼是小眼岩头长颌鱼 Petrocephalus microphthalmus ,它是族群中唯一进化出复杂EL的成员。

所以一般情况下象鼻鱼亚科物种探测不同电信号的能力比岩头长颌鱼亚科物种更强,制造变化信号的能力也更强。所有的象鼻鱼都使用尾巴附近的一片特殊肌肉生成电脉冲。它们叫做发电细胞,就像活电池。象鼻鱼亚科的发电细胞生长方式很灵活,所以不同的物种会根据电池的进化发出不同的脉冲。

两种能力的结合(产生和探测不同品种信号的能力)使象鼻鱼的进化进入了快车道。这是伟大的实验音乐时代,新物种以惊人的速度一个接一个出现,一切都要归功于新“电曲”的产生。

卡尔森发现拥有复杂EL和灵活电细胞的象鼻鱼传输电信号的速度比其他成员快10倍。它们以三倍到五倍的速度产生新物种(这只群组在图中标为“分支A”;它几乎由所有的象鼻鱼亚科物种组成,唯一例外的是古老的鼠长颌鱼)

同样地,此例外也具有启发性。小眼岩头长颌鱼没有产生大量不同物种的原因是,尽管拥有复杂的EL,他们却没有象鼻鱼亚科灵活的电细胞。它们可以探测出电信号中的微妙变化却不能制造,就像不会演奏的古典音乐鉴赏家。同时,鼠长颌鱼属拥有灵活的电细胞,但EL结构简单,它是听觉障碍的歌唱家。

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博主介绍:
Ed Yong,著名科学作者。他白天在英国癌症研究中心上班,晚上回家写他自己的科普博客Not Exactly Rocket Science。他的文章被众多知名刊物采用,包括New Scientist, Nature, the Economist, the Guardian, the Daily Telegraph以及SEED等。

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