मार्च 2019 में, म्यूनिख से दक्षिण-पश्चिम की ओर जाने वाली एक ट्रेन में, न्यूरोसाइंटिस्ट मैक्सिमिलियन बोथे अपनी गोद में कूलर पर अपनी सावधानीपूर्वक पकड़ को समायोजित किया। इसमें उनका दोपहर का भोजन शामिल नहीं था. अंदर आधा दर्जन रैटलस्नेक रीढ़ की हड्डी के ऊतक बर्फ में पैक थे - उनके नए शोध सलाहकार के लिए एक विशेष डिलीवरी बोरिस चागनॉड, आल्प्स के दूसरी ओर स्थित एक व्यवहारिक तंत्रिका विज्ञानी। ऑस्ट्रिया में ग्राज़ विश्वविद्यालय में अपनी प्रयोगशाला में, चगनौद जलीय जानवरों का एक समूह रखता है जो असामान्य तरीके से चलते हैं - पिरान्हा और कैटफ़िश से लेकर जो ध्वनि उत्पन्न करने के लिए एयर ब्लैडर को ड्रम करते हैं और दो पंखों पर जमीन पर उछलने वाले मडस्किपर तक। चैगनॉड इन प्राणियों के न्यूरोनल सर्किट का अध्ययन और तुलना करता है ताकि यह समझ सके कि आगे बढ़ने के नए तरीके कैसे विकसित हो सकते हैं, और बोथे इस प्रयास में शामिल होने के लिए अपनी रैटलस्नेक रीढ़ ला रहे थे।

जानवरों के चलने के तरीके भी पशु साम्राज्य के समान ही असंख्य हैं। वे चलते हैं, दौड़ते हैं, तैरते हैं, रेंगते हैं, उड़ते हैं और फिसलते हैं - और उनमें से प्रत्येक श्रेणी के भीतर सूक्ष्म रूप से भिन्न प्रकार के आंदोलन की एक जबरदस्त संख्या निहित है। सीगल और हमिंगबर्ड दोनों के पंख होते हैं, लेकिन अन्यथा उनकी उड़ान तकनीक और क्षमताएं अलग-अलग होती हैं। ओर्कास और पिरान्हा दोनों की पूँछ होती है, लेकिन वे बहुत अलग प्रकार की तैराकी करते हैं। यहां तक ​​कि एक इंसान का चलना या दौड़ना भी उनके शरीर को मौलिक रूप से अलग-अलग तरीकों से आगे बढ़ा रहा है।

किसी दिए गए जानवर की गति और प्रकार की हरकतें जैविक हार्डवेयर द्वारा निर्धारित की जाती हैं: तंत्रिकाएं, मांसपेशियां और हड्डी जिनके कार्य न्यूरोलॉजिकल बाधाओं से बंधे होते हैं। उदाहरण के लिए, कशेरुकियों के चलने की गति उनकी रीढ़ में सर्किट द्वारा निर्धारित की जाती है जो मस्तिष्क से किसी भी सचेत इनपुट के बिना सक्रिय होती है। उस गति की गति न्यूरोनल सर्किट के गुणों द्वारा निर्धारित होती है जो उन्हें नियंत्रित करते हैं।

किसी जानवर को चलने का एक नया तरीका विकसित करने के लिए, उसके न्यूरोलॉजिकल सर्किटरी में कुछ बदलना होगा। चग्नौद वास्तव में यह वर्णन करना चाहता है कि ऐसा कैसे होता है।

“विकास में, आप केवल पहिये का आविष्कार नहीं करते हैं। आप उन टुकड़ों को लेते हैं जो पहले से ही वहां मौजूद थे, और आप उन्हें संशोधित करते हैं," उन्होंने कहा। "आप उन घटकों को कैसे संशोधित करते हैं जो नए व्यवहार बनाने के लिए कई अलग-अलग प्रजातियों में साझा किए जाते हैं?"

हाल ही में, उनकी टीम को बोथे रैटलस्नेक के साथ अपने प्रयोगों में इस प्रश्न का एक उत्तर मिला - एक ऐसा जीव जिसमें दो अलग-अलग गति वाले टेम्पो होते हैं जो एक लंबे, पतले शरीर में निर्मित होते हैं।

उनके परिणाम, में प्रकाशित वर्तमान जीवविज्ञान जनवरी में, पहचान की गई कि कैसे एक प्रोटीन - एक पोटेशियम आयन चैनल - के साथ छेड़छाड़ करने से सांप की तेजस्वी पूंछ से त्वरित-फायरिंग मोटर न्यूरॉन्स उसके लहरदार शरीर से सुस्त मोटर न्यूरॉन्स की तरह व्यवहार कर सकते हैं, और इसके विपरीत। यह खोज इस बात का प्रमाण है कि किसी जानवर के शरीर विज्ञान में होने वाले सूक्ष्म परिवर्तन तंत्रिका तंत्र से एक ही आदेश को चलने के विभिन्न तरीकों में अनुवादित कर सकते हैं।

न्यूरोसाइंटिस्ट ने कहा, "इस अध्ययन के बारे में मुझे जो विशेष रूप से अनोखा और दिलचस्प लगा, वह यह है कि उन्होंने दो अलग-अलग कार्यों के साथ मोटर न्यूरॉन्स पर ध्यान केंद्रित किया, लेकिन एक ही जानवर के भीतर।" मार्था बैगनॉल सेंट लुइस में वाशिंगटन विश्वविद्यालय के, जो इस काम में शामिल नहीं थे। "उन्हें एक जानवर के भीतर देखने से उन्हें यह वास्तव में अच्छी, कड़ी तुलना मिली।"

यह खोज इस बात की ओर इशारा करती है कि जीवन के वृक्ष के पार जानवर नए व्यवहार विकसित कर सकते हैं। जैविक मशीनरी के सही टुकड़े को मोड़ना - इस मामले में, एक विशिष्ट आयन चैनल - प्रदर्शन को काफी हद तक बदल सकता है, जैसे लाउडस्पीकर पर वॉल्यूम डायल को मोड़ना। संपूर्ण मशीन पर दोबारा काम करने के बजाय, इवोल्यूशन पहले नियंत्रणों पर कार्य कर सकता है।

"यह एक बहुत ही साफ परिणाम था," ने कहा पॉल काट्ज़ोमैसाचुसेट्स विश्वविद्यालय, एमहर्स्ट में एक व्यवहारिक न्यूरोसाइंटिस्ट, जो इस काम में शामिल नहीं थे। "और, आप जानते हैं, रैटलस्नेक - वे अच्छे हैं।"

सेटिंग पेंच

चाग्नॉड को रैटलस्नेक में कोई दिलचस्पी नहीं है। "मैंने अभी एक दिलचस्प जैविक प्रश्न देखा," उन्होंने कहा। "मैं एक विज्ञान अवसरवादी हूँ।"

उनकी टीम जीवों का अध्ययन करती है, उनका मानना ​​है कि इससे पता चलेगा कि वे व्यवहार के विकासवादी क्या कहते हैं स्टेल्सक्राउबेन. जर्मन शब्द का शाब्दिक अर्थ है "सेटिंग स्क्रू", हालांकि यह एक अजीब अनुवाद है: स्टेल्सक्राउबेन छोटे नियंत्रण हैं जो एक बड़ी मशीन की सेटिंग्स को समायोजित करते हैं। यदि मशीन तंत्रिका तंत्र है और सेटिंग्स प्रत्यक्ष व्यवहार हैं, तो स्टेल्सक्राउबेन जैविक स्विच, ट्रिगर और नॉब हैं, जो थोड़े से बदलाव के साथ, जानवर के आचरण को नाटकीय रूप से इतना बदल देते हैं कि विकासवादी परिणाम हो सकते हैं।

रैटलस्नेक यह समझने का अवसर प्रदान करते हैं कि जीवविज्ञान एक जानवर में अपनी गति सेटिंग्स को कैसे बदलता है। ऐसे प्रश्नों में रुचि रखने वाले शोधकर्ताओं को अक्सर विपरीत व्यवहार वाली विभिन्न प्रजातियों की तुलना करनी पड़ती है - जैसे, एक सीगल और एक हमिंगबर्ड, जो दोनों उड़ते हैं, लेकिन अलग-अलग गति से अलग-अलग गति के साथ। हालाँकि, उस मामले में यह तय करना मुश्किल है कि दो प्रजातियों के बीच कई जैविक अंतरों में से कौन सा एकल आंदोलन व्यवहार में भिन्नता को रेखांकित करता है। रैटलस्नेक की धीमी गति से सरकने की तुलना उसकी तेज़ खड़खड़ाहट से करने से सेब की तुलना संतरे से, या एंकोवी की ऑर्कस से तुलना करने की समस्या से बचा जा सकता है।

वह अंतर्दृष्टि - कि रैटलस्नेक के एक शरीर में चलने के दो तरीके होते हैं - यही कारण है कि बोथे ने खुद को सांपों की रीढ़ से भरे कूलर के साथ म्यूनिख से ग्राज़ तक ट्रेन में बैठे पाया।

ग्राज़ में वापस, उन्होंने रैटलस्नेक रीढ़ की हड्डी के ऊतकों को अगर, एक प्रकार का जिलेटिन, में एम्बेड किया और माइक्रोस्कोपी के लिए रेज़र-पतली स्लाइसें बनाईं। देखने में सांप की खड़खड़ाहट और शरीर के मोटर न्यूरॉन्स बिल्कुल एक जैसे लग रहे थे। लेकिन जब बोथे ने उनके विद्युत गुणों का परीक्षण करने के लिए एक इलेक्ट्रोड का उपयोग किया, तो उन्होंने आश्चर्यजनक अंतर पाया।

पोटेशियम और सोडियम जैसे आवेशित आयनों के प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए न्यूरॉन्स अपनी कोशिका झिल्ली में लगे पंपों और चैनलों का उपयोग करके अपनी विद्युत गतिविधि को बदलते हैं। आराम के समय, न्यूरॉन्स अपने बाहरी वातावरण की तुलना में अपने अंदर को अधिक नकारात्मक रूप से चार्ज रखते हैं, लगभग -70 मिलीवोल्ट का आराम झिल्ली वोल्टेज बनाए रखते हैं। फिर, जब अन्य न्यूरॉन्स से संकेत इस झिल्ली वोल्टेज को बढ़ाते हैं, तो कोशिका "फायर" हो जाती है - यह अपने आयन चैनलों के फ्लडगेट को खोल देती है और सकारात्मक आयनों को अंदर प्रवाहित करने की अनुमति देती है, जिससे तीव्र वोल्टेज स्पाइक उत्पन्न होता है।

यह वोल्टेज स्पाइक, जिसे एक्शन पोटेंशिअल कहा जाता है, न्यूरॉन की कोशिका झिल्ली के साथ तब तक घूमता रहता है जब तक कि यह एक सिनैप्स तक नहीं पहुंच जाता, एक न्यूरॉन और दूसरी कोशिका के बीच का इंटरफ़ेस, जहां यह न्यूरोट्रांसमीटर नामक संदेशवाहक रसायनों की रिहाई को ट्रिगर करता है। मोटर न्यूरॉन्स और मांसपेशियों के मामले में, न्यूरोट्रांसमीटर एसिटाइलकोलाइन की रिहाई मांसपेशियों को सिकुड़ने के लिए कहती है।

बोथे ने पाया कि वोल्टेज सीमा तक पहुंचने और सांप के शरीर के मोटर न्यूरॉन को ट्रिगर करने के लिए आवश्यक विद्युत प्रवाह "रैटल मोटर न्यूरॉन्स की तुलना में काफी कम था," उन्होंने कहा। "आपको [रैटल] न्यूरॉन को सक्रिय करने के लिए उसमें और अधिक करंट डालने की आवश्यकता है।" और रैटल मोटर न्यूरॉन्स की तुलना में, शरीर के मोटर न्यूरॉन्स अधिक धीमी गति से प्रतिक्रिया करते हैं।

क्योंकि रैटल न्यूरॉन्स केवल बड़े, स्पष्ट संकेतों के जवाब में फायर करते हैं, न्यूरोलॉजिकल बैकग्राउंड शोर में कमजोर उतार-चढ़ाव के कारण उनके मिसफायर होने की संभावना कम होती है। वे कम उछल-कूद करने वाले और अधिक सटीक होते हैं, जो उन्हें उच्च-आवृत्ति संकेतों को रिले करने की अनुमति देता है।

रैटल और बॉडी मोटर न्यूरॉन्स के बीच इस अंतर की पहचान करने के बाद, अगला कदम इसे नियंत्रित करने वाले स्टेल्सक्राउबेन को ढूंढना था।

परीक्षण और त्रुटि

न्यूरॉन्स कोशिकाएं हैं, मशीनें नहीं, जिसका अर्थ है कि उनमें अव्यवस्थित जैविक जटिलता है। बोथे और चैगनॉड जिस "स्क्रू" की तलाश कर रहे थे, वह मोटर न्यूरॉन के विद्युत गुणों को नियंत्रित करता है, जो झिल्ली प्रोटीन की संरचना में सूक्ष्म बदलाव से लेकर आयन पंप और चैनलों के एक पूरी तरह से अलग सेट की अभिव्यक्ति तक कुछ भी हो सकता है। फिर भी, शोधकर्ताओं के पास यह सोचने का अच्छा कारण था कि उनके स्टेल्सक्राउबेन में पोटेशियम आयन चैनल शामिल होगा। न्यूरॉन्स के पिछले अध्ययनों ने स्थापित किया था कि ये चैनल न्यूरॉन्स की सटीकता को ट्यून करने के लिए महत्वपूर्ण हैं, लेकिन विशेष रूप से मोटर न्यूरॉन्स के व्यवहार को समायोजित करने में उनकी भूमिका स्पष्ट नहीं थी।

बोथे ने कहा, "मान लीजिए कि एक निश्चित टूलकिट है, जो विकास के लिए उपलब्ध है।" "तो शायद यहाँ वही आयन चैनल हैं।"

सटीक चैनल ढूंढने में वर्षों का परीक्षण और त्रुटि हुई। शरीर और रैटल कोशिकाओं ने पोटेशियम चैनलों के लिए जीन कैसे व्यक्त किए, इसकी तुलना करने से कोई महत्वपूर्ण अंतर सामने नहीं आया। इसलिए चगनॉड और बोथे ने विशिष्ट प्रकार के चैनलों को अवरुद्ध करने के लिए डिज़ाइन की गई दवाओं के प्रभावों का परीक्षण करके आगे बढ़ने का संकल्प लिया। अंत में, उन्हें एक चैनल मिला, जो अवरुद्ध होने पर, अलग-अलग गति उत्पन्न करता था: एक पोटेशियम चैनल जिसे KV7 कहा जाता था_2/3.

इसके बाद बोथे ने चैनल की गतिविधि को बढ़ाने और बाधित करने के लिए दवाओं का उपयोग करते हुए अधिक सटीक प्रयोग किए। जब उन्होंने रैटल मोटर न्यूरॉन्स में चैनल को प्रतिबंधित किया, तो उन्होंने अधिक धीमी गति से और अस्पष्टता से फायर किया, जैसे कि वे बॉडी मोटर न्यूरॉन्स हों। फिर, जब उन्होंने पोटेशियम आयन चैनल को बढ़ाया, तो उन्होंने विपरीत प्रभाव देखा: बॉडी मोटर न्यूरॉन्स तेजी से और सटीक रूप से सक्रिय हो गए, जैसे रैटल मोटर न्यूरॉन्स।

यह ऐसा था मानो यह आयन चैनल एक डायल हो जो एक न्यूरॉन प्रकार को दूसरे में मोड़ सकता है। लेकिन वास्तव में साँप के शरीर और खड़खड़ाहट में इस प्रोटीन के बारे में क्या अलग था?

सबसे पहले, शोधकर्ताओं ने सोचा कि रैटल मोटर न्यूरॉन्स में अतिरिक्त KV7 होना चाहिए_2/3 पोटेशियम चैनल. वैज्ञानिकों ने अनुमान लगाया कि यदि रैटल न्यूरॉन्स में अधिक चैनल होते हैं, तो वे आयनों को अधिक तेजी से डिस्चार्ज कर सकते हैं, जिससे वोल्टेज को वापस नीचे लाया जा सकता है ताकि चैनल जल्दी से फिर से सक्रिय हो सकें।

यह पता लगाने के लिए, बोथे और चैग्नॉड ने दोनों प्रकार के रैटलस्नेक मोटर न्यूरॉन्स से आरएनए को निकाला और अनुक्रमित किया और डेटा भेजा। जेसन गैलेंटमिशिगन स्टेट यूनिवर्सिटी में एक विकासवादी जीवविज्ञानी, इसलिए वह KV7 की अभिव्यक्ति की तुलना कर सकता है_2/3 दो ऊतकों के बीच चैनल जीन। KV7 के लिए जीन_2/3 जानवर के शरीर की प्रत्येक कोशिका में चैनल समान होते हैं - लेकिन यदि रैटल न्यूरॉन्स में अधिक KV7 होता है_2/3 चैनल, शोधकर्ता उस ऊतक में उच्च जीन अभिव्यक्ति देखने की उम्मीद करेंगे।

अफ़सोस, उनकी सरल व्याख्या सिद्ध नहीं हुई। गैलेंट ने कहा, "इन पोटेशियम चैनलों में जीन अभिव्यक्ति के स्तर में वास्तव में कोई अंतर नहीं है, जो निराशाजनक था।" "लेकिन मुझे लगता है कि यह जीव विज्ञान के बारे में अधिक यथार्थवादी दृष्टिकोण खोलता है।"

जीन की अभिव्यक्ति में भिन्नता ने यह समझाने का एक सरल, खुला और बंद तरीका प्रदान किया होगा कि रैटलस्नेक मोटर न्यूरॉन्स पर विकासवादी पेंच कैसे समायोजित किए जाते हैं। लेकिन जीव विज्ञान अन्य संभावनाएँ प्रदान करता है। चैगनॉड और बोथे ने अनुमान लगाया कि आनुवंशिक ब्लूप्रिंट से चैनल प्रोटीन के निर्माण के बाद, उन्हें थोड़ा अलग रूपों में संशोधित किया जा सकता है जो आयनों को अलग तरीके से प्रबंधित करते हैं। विवरणों को स्पष्ट करने के लिए अधिक शोध की आवश्यकता होगी - नियंत्रण को समायोजित करने वाले नियंत्रण को खोजने के लिए।

अपनी ओर से, काट्ज़ ने परिणाम को बिल्कुल भी निराशाजनक नहीं माना। “इसलिए उन्होंने जीन अभिव्यक्ति में [परिवर्तन] नहीं देखा। उन्हें यही उत्तर अपेक्षित था,'' उन्होंने कहा। "लेकिन तथ्य यह है कि यह एक अच्छा परिणाम है।"

कई दशकों से, शोधकर्ताओं ने माना है कि मोटर सर्किट "उसी तरह मौजूद हैं जैसे उनका उपयोग किया जाएगा," काट्ज़ ने कहा - जिसका अर्थ है कि चलने या तैरने जैसा व्यवहार शुरू करना केवल सही सर्किट को चालू करने का मामला है। इस दृष्टि से, एक नया व्यवहार विकसित करने के लिए पूरी तरह से नए सर्किट लेआउट की आवश्यकता होगी। लेकिन जीवों के अध्ययन में जितनी विविधता है क्रसटेशियन, समुद्र का टुकड़ा और अब संभवतः साँप, शोधकर्ता इसका पता लगा रहे हैं न्यूरोमोडुलेटर के साथ बातचीत और अन्य रसायन उस गतिविधि को नियंत्रित कर सकते हैं जो एक सर्किट उत्पन्न करती है, जिससे कोशिकाओं के समान नेटवर्क स्पष्ट रूप से भिन्न व्यवहार उत्पन्न करते हैं।

काट्ज़ ने कहा, नया अध्ययन संकेत देता है कि इस प्लास्टिसिटी के साथ खेलने से नए आंदोलन व्यवहार विकसित हो सकते हैं। शायद खड़खड़ और शरीर के व्यवहार के बीच अंतर का संबंध उनकी कोशिकाओं के रासायनिक वातावरण में सूक्ष्म अंतर से है, न कि आयन चैनल की संरचना या अभिव्यक्ति से।

"बहुत से विकासवादी संशोधनों के लिए, आपका प्राथमिक लक्ष्य जानवर को तोड़ना नहीं है, है ना?" बैगनॉल ने कहा। "आप जो कुछ भी कर सकते हैं, वह बिना ऑन/ऑफ स्विच बने, बदलाव लाने का एक सशक्त माध्यम है।"

टर्निंग और ट्यूनिंग

इस नए अध्ययन से पता चलता है कि एक ही प्रोटीन में बदलाव करके मोटर न्यूरॉन्स को बेहद अलग व्यवहार के लिए ट्यून करना संभव है। लेकिन मोटर न्यूरॉन्स आंदोलन पहेली का सिर्फ एक टुकड़ा हैं। वे उस श्रृंखला की अंतिम कड़ी हैं जो केंद्रीय तंत्रिका तंत्र में सर्किट से शुरू होती है जिसे केंद्रीय पैटर्न जनरेटर के रूप में जाना जाता है, जो चलने या तैराकी में शामिल लयबद्ध पैटर्न उत्पन्न करता है। उन अपस्ट्रीम सर्किट को ज़ेबरा मछली जैसे अन्य जीवों में बेहतर ढंग से समझा जाता है। रैटलस्नेक में, उन्हें परेशान करना अगला तार्किक कदम होगा।

"नंबर-एक गायब लिंक," काट्ज़ ने कहा, "यह है कि आप खड़खड़ाहट के लिए आवृत्ति कैसे बनाते हैं? वह कहां से आता है?"

चगनौद यह पता लगाने के लिए उत्सुक है कि क्या इसी तरह का स्टेल्सक्राउब किसी अन्य प्रजाति में मोटर न्यूरॉन्स को ट्यून करता है जिसके काटने की आशंका होती है। रैटलस्नेक की तरह, पिरान्हा मौलिक रूप से अलग-अलग आवृत्तियों के साथ दो लयबद्ध आंदोलनों को निष्पादित करते हैं: तैराकी, प्रति सेकंड छह चक्र तक की आवृत्ति के साथ, और अपने तैरने वाले मूत्राशय को 140 चक्र प्रति सेकंड तक की आवृत्ति पर कंपन करते हुए ऐसी आवाजें निकालते हैं जो भौंकने, यिप्स और जैसी आवाजें निकालती हैं। ड्रम धड़कता है। हालाँकि, रैटलस्नेक के विपरीत, पिरान्हा दोनों प्रकार की गतिविधियों को नियंत्रित करने के लिए अपनी रीढ़ के एक ही हिस्से का उपयोग करते हैं।

“मैं यह जानने को उत्सुक हूं कि क्या यह KV7 होगा_2/3? हमें कोई अंदाज़ा नहीं है,'' चगनॉड ने कहा। "क्या विकास ने एक ही समस्या का एक ही समाधान ढूंढ लिया?"

उसके अपने संदेह हैं. हालाँकि वह एक समान तंत्र खोजने के बारे में आशान्वित हैं, लेकिन आश्चर्यजनक - और कभी-कभी निराशा होती है - रैटलस्नेक में खोज "आंखें खोलने वाली थी," उन्होंने कहा। विकास एक लक्ष्य को ध्यान में रखकर बनाया गया मानव डिज़ाइनर नहीं है। इसकी विधियाँ रहस्यमय हैं, और इसका टूलबॉक्स विशाल है। "और आपके पास बहुत अलग पेंच हैं जिन्हें आप मोड़ सकते हैं।"