2019년 XNUMX월, 뮌헨에서 남서쪽으로 향하는 기차에서 신경과학자 막시밀리안 보테 무릎에 있는 쿨러를 조심스럽게 쥐었습니다. 그 안에는 그의 점심이 포함되어 있지 않았습니다. 그 안에는 얼음에 담긴 여섯 개의 방울뱀 척수 조직이 들어 있었는데, 이는 그의 새로운 연구 고문을 위한 특별 배달이었습니다. 보리스 샤그노, 알프스 반대편에 기반을 둔 행동 신경 과학자. Chagnaud는 오스트리아 그라츠 대학교 연구실에서 공기 부레를 두드려 소리를 내는 피라냐와 메기부터 두 개의 지느러미로 육지를 뛰어다니는 말뚝망둥어에 이르기까지 특이한 방식으로 움직이는 수생 동물의 동물원을 관리하고 있습니다. Chagnaud는 이러한 생물의 신경 회로를 연구하고 비교하여 새로운 이동 방식이 어떻게 진화할 수 있는지 이해했으며 Bothe는 방울뱀 등뼈를 가져와 이러한 노력에 동참했습니다.

동물이 움직이는 방식은 동물의 왕국만큼이나 다양합니다. 그들은 걷고, 달리고, 수영하고, 기어가고, 날고, 미끄러지는데, 각 범주에는 미묘하게 다른 엄청난 수의 움직임 유형이 있습니다. 갈매기와 벌새는 둘 다 날개를 가지고 있지만 그 외에는 비행 기술과 능력이 완전히 다릅니다. 범고래와 피라냐는 모두 꼬리가 있지만 서로 매우 다른 유형의 수영을 수행합니다. 인간이 걷거나 달리는 것조차 근본적으로 다른 방식으로 몸을 움직이고 있습니다.

특정 동물이 수행할 수 있는 움직임의 속도와 유형은 생물학적 하드웨어, 즉 신경학적 제약으로 기능이 제한되는 신경, 근육 및 뼈에 의해 설정됩니다. 예를 들어, 척추동물의 걷는 속도는 뇌의 의식적 입력 없이 작동하는 척추의 회로에 의해 설정됩니다. 움직임의 속도는 움직임을 제어하는 ​​신경 회로의 특성에 따라 결정됩니다.

동물이 새로운 움직임 방식을 진화시키려면 신경 회로의 무언가가 바뀌어야 합니다. Chagnaud는 그것이 어떻게 일어나는지 정확하게 설명하고 싶어합니다.

“진화에서는 바퀴만 발명하는 것이 아닙니다. 이미 있던 부분을 가져와 수정합니다.”라고 그는 말했습니다. "새로운 행동을 만들기 위해 다양한 종에 걸쳐 공유되는 구성 요소를 어떻게 수정합니까?"

최근 그의 팀은 보테 방울뱀(Bothe의 방울뱀)을 대상으로 한 실험에서 이 질문에 대한 한 가지 답을 찾았습니다. 이 유기체는 하나의 길고 가느다란 몸에 두 가지 뚜렷한 움직임 템포를 가지고 있습니다.

그들의 결과, 에 게시 현재 생물학 지난 1월에 단일 단백질(칼륨 이온 채널)을 조작하면 뱀의 덜거덕거리는 꼬리에서 빠르게 발사되는 운동 뉴런이 물결 모양 몸체의 느린 운동 뉴런처럼 행동하게 만들 수 있고 그 반대의 경우도 가능하다는 것을 확인했습니다. 이번 발견은 동물 생리학의 미세한 변화가 신경계의 동일한 명령을 다른 이동 방식으로 변환할 수 있다는 증거입니다.

“이 연구에서 특히 독특하고 흥미롭다고 생각한 점은 두 가지 매우 다른 역할을 하는 운동 뉴런에 초점을 맞추었지만 동일한 동물 내에서 이루어졌다는 것입니다.”라고 신경과학자가 말했습니다. 마사 바그날 작업에 참여하지 않은 세인트루이스에 있는 워싱턴 대학교의 교수입니다. "한 동물 내에서 그들을 살펴보면 정말 훌륭하고 긴밀한 비교가 가능합니다."

이 발견은 생명나무에 있는 동물들이 새로운 행동을 진화시킬 수 있는 방법을 지적합니다. 생물학적 기계의 올바른 부분(이 경우 특정 이온 채널)을 조정하면 스피커에서 볼륨 다이얼을 돌리는 것처럼 성능이 크게 바뀔 수 있습니다. Evolution은 전체 기계를 재작업하는 대신 제어 장치에 대해 먼저 조치를 취할 수 있습니다.

“아주 깔끔한 결과였다” 폴 카츠, 매사추세츠 대학교 애머스트 캠퍼스의 행동 신경과학자인 그는 이 연구에 참여하지 않았습니다. "그리고 방울뱀도 있어요. 정말 멋져요."

나사 설정

Chagnaud는 방울뱀 자체에는 관심이 없습니다. “방금 흥미로운 생물학적 질문을 보았습니다.”라고 그는 말했습니다. “나는 과학 기회주의자다.”

그의 팀은 행동의 진화라고 부르는 것을 밝힐 것이라고 생각하는 유기체를 연구합니다. Stellschrauben. 독일어 단어는 말 그대로 "나사 설정"을 의미하지만 번역이 어색합니다. Stellschrauben은 더 큰 기계의 설정을 조정하는 작은 컨트롤입니다. 기계가 신경계이고 설정이 직접적인 행동이라면 Stellschrauben은 약간의 조정만으로 동물의 행동을 극적으로 변화시켜 진화론적인 결과를 가져올 수 있는 생물학적 스위치, 트리거 및 손잡이입니다.

방울뱀은 생물학이 단일 동물의 속도 설정을 어떻게 변경하는지 이해할 수 있는 기회를 제공합니다. 그러한 질문에 관심이 있는 연구자들은 종종 서로 다른 종을 대조적인 행동으로 비교해야 합니다. 예를 들어 갈매기와 벌새는 둘 다 날지만 서로 다른 속도와 서로 다른 움직임을 가지고 있습니다. 그러나 이 경우 두 종 사이의 많은 생물학적 차이점 중 어느 것이 단일 동작 행동의 변화를 뒷받침하는지 파악하기가 어렵습니다. 방울뱀의 느린 미끄러짐과 빠른 덜거덕거림을 비교하면 사과를 오렌지에, 멸치를 범고래에 비교하는 문제를 피할 수 있습니다.

방울뱀이 한 몸에서 두 가지 방법으로 움직일 수 있다는 통찰은 보테가 뱀 가시로 가득 찬 쿨러를 들고 뮌헨에서 그라츠까지 가는 기차에 앉아 있는 자신을 발견한 이유입니다.

그라츠로 돌아온 그는 방울뱀의 척추 조직을 젤라틴의 일종인 한천에 넣고 현미경 관찰을 위해 아주 얇은 조각을 만들었습니다. 시각적으로 뱀의 딸랑이와 몸의 운동 뉴런은 완전히 똑같아 보였습니다. 그러나 Bothe가 전극을 사용하여 전기적 특성을 테스트했을 때 그는 눈에 띄는 차이점을 발견했습니다.

뉴런은 칼륨과 나트륨과 같은 하전 이온의 흐름을 제어하기 위해 세포막에 내장된 펌프와 채널을 사용하여 전기 활동을 변경합니다. 휴식 시 뉴런은 외부 환경보다 내부를 더 음전하로 유지하여 약 -70밀리볼트의 휴식 막 전압을 유지합니다. 그런 다음 다른 뉴런의 신호가 이 막 전압을 높이면 세포가 "발화"합니다. 즉, 이온 채널의 수문을 열고 양이온이 내부로 흐르도록 허용하여 급속한 전압 스파이크를 생성합니다.

활동전위라고 불리는 이 전압 스파이크는 뉴런과 다른 세포 사이의 경계면인 시냅스에 도달할 때까지 뉴런의 세포막을 따라 이동하며, 그곳에서 신경전달물질이라고 불리는 메신저 화학물질의 방출을 촉발합니다. 운동 뉴런과 근육의 경우 신경전달물질인 아세틸콜린이 방출되면 근육이 수축하게 됩니다.

Bothe는 전압 임계값에 도달하고 뱀의 신체 운동 뉴런을 트리거하는 데 필요한 전류가 "덜거덕거리는 운동 뉴런보다 훨씬 낮다는 것을 발견했습니다"라고 그는 말했습니다. "발화하려면 [딸랑이] 뉴런에 더 많은 전류를 공급해야 합니다." 그리고 덜거덕거리는 운동 뉴런에 비해 신체 운동 뉴런은 더 느리게 반응했습니다.

딸랑이 뉴런은 크고 분명한 신호에만 반응하여 발화하기 때문에 신경학적 배경 소음의 약한 변동으로 인해 발화할 가능성이 적습니다. 덜 불안하고 더 정확하므로 더 높은 주파수 신호를 전달할 수 있습니다.

딸랑이 운동 뉴런과 신체 운동 뉴런 사이의 이러한 차이를 확인한 후 다음 단계는 이를 제어하는 ​​Stellschrauben을 찾는 것이었습니다.

재판 및 오류

뉴런은 기계가 아닌 세포입니다. 즉, 생물학적 복잡성이 복잡하다는 의미입니다. Bothe와 Chagnaud가 찾고 있던 운동 뉴런의 전기적 특성을 제어하는 ​​"나사"는 막 단백질 구조의 미묘한 조정에서부터 완전히 다른 이온 펌프 및 채널 세트의 발현에 이르기까지 다양할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 연구자들은 Stellschrauben이 칼륨 이온 채널을 포함할 것이라고 생각할 충분한 이유가 있었습니다. 뉴런에 대한 이전 연구에서는 이러한 채널이 뉴런의 정밀도를 조정하는 데 중요하다는 것이 입증되었지만, 운동 뉴런의 행동을 조정하는 역할은 구체적으로 불분명했습니다.

"예를 들어 진화에 사용할 수 있는 특정 툴킷이 있습니다"라고 Bothe는 말했습니다. "그럼 여기도 같은 이온 채널일지도 모르겠네요."

정확한 채널을 찾는 데 수년간의 시행착오가 걸렸습니다. 신체 세포와 딸랑이 세포가 칼륨 채널에 대한 유전자를 발현하는 방식을 비교하면 어떤 중요한 차이도 나타나지 않았습니다. 그래서 Chagnaud와 Bothe는 특정 유형의 채널을 차단하도록 고안된 약물의 효과를 테스트하는 데 주력했습니다. 마지막으로, 그들은 차단되었을 때 다양한 이동 속도를 생성하는 채널, 즉 KV7이라는 칼륨 채널을 발견했습니다._2/3.

그런 다음 두 사람은 채널의 활동을 강화하고 방해하는 약물을 사용하여 보다 정확한 실험을 수행했습니다. 그가 덜거덕거리는 운동 뉴런의 채널을 제한했을 때, 그들은 마치 신체 운동 뉴런인 것처럼 더 느리고 부정확하게 활성화되었습니다. 그런 다음 칼륨 이온 채널을 강화했을 때 그는 반대 효과를 관찰했습니다. 신체 운동 뉴런은 덜거덕거리는 운동 뉴런처럼 빠르고 정확하게 발화했습니다.

마치 이 이온 채널이 하나의 뉴런 유형을 다른 유형의 뉴런으로 비틀 수 있는 다이얼인 것 같았습니다. 그러나 뱀의 몸과 딸랑이에 있는 이 단백질은 실제로 무엇이 달랐습니까?

처음에 연구자들은 딸랑이 운동 뉴런에 추가 KV7이 있어야 한다고 생각했습니다._2/3 칼륨 채널. 과학자들은 딸랑이 뉴런에 더 많은 채널이 있으면 이온을 더 빨리 방출하고 전압을 다시 낮추어 채널이 다시 빠르게 발화할 수 있도록 준비할 수 있다고 생각했습니다.

이를 알아내기 위해 Bothe와 Chagnaud는 두 가지 유형의 방울뱀 운동 뉴런에서 RNA를 추출하고 서열을 분석하여 데이터를 제이슨 갤런트미시간 주립대학교의 진화생물학자인 그는 KV7의 표현을 비교할 수 있었습니다._2/3 두 조직 사이의 채널 유전자. KV7 유전자_2/3 채널은 동물 신체의 모든 세포에서 동일합니다. 그러나 덜거덕거리는 뉴런에 KV7이 더 많으면_2/3 채널을 통해 연구자들은 해당 조직에서 더 높은 유전자 발현을 볼 수 있을 것으로 기대합니다.

아아, 그들의 간단한 설명은 입증되지 않았습니다. Gallant는 “이러한 칼륨 채널의 유전자 발현 수준에는 실제로 차이가 없어 실망스러웠습니다.”라고 말했습니다. "하지만 내 생각엔 이것이 생물학에 대한 보다 현실적인 시각을 열어준다고 생각합니다."

유전자 발현의 변화는 방울뱀 운동 뉴런의 진화 나사가 어떻게 조정되는지 설명하는 간단하고 개방적인 방법을 제공했을 것입니다. 그러나 생물학은 다른 가능성을 제공합니다. Chagnaud와 Bothe는 채널 단백질이 유전적 청사진으로 구성된 후 이온을 다르게 관리하는 약간 다른 형태로 변형될 수 있다고 추측했습니다. 세부 사항을 파악하고 컨트롤을 조정하는 컨트롤을 찾으려면 더 많은 연구가 필요합니다.

Katz는 그 결과가 전혀 실망스럽다고 생각하지 않았습니다. “그래서 그들은 유전자 발현의 [변화]를 보지 못했습니다. 그들이 예상한 대답은 바로 이것이었다”고 말했다. "그러나 사실은 그것이 멋진 결과라는 것입니다."

수십 년 동안 연구자들은 운동 회로가 "사용되는 대로 존재한다"고 가정해 왔습니다. 즉, 걷기나 수영과 같은 행동을 시작하는 것은 단순히 올바른 회로를 켜는 문제라는 의미입니다. 이러한 관점에서 새로운 동작을 발전시키려면 완전히 새로운 회로 레이아웃이 필요합니다. 그러나 다양한 유기체에 대한 연구에서는 갑각류, 바다 민달팽이 연구자들은 이제 뱀일 수도 있다는 사실을 발견했습니다. 신경조절제와의 상호작용 그리고 다른 화학물질은 회로가 유발하는 활동을 조절하여 동일한 세포 네트워크가 현저하게 다른 행동을 생성하도록 유도할 수 있습니다.

Katz는 새로운 연구에서 이러한 가소성을 활용하는 것이 새로운 움직임 행동을 진화시키는 방법이 될 수 있음을 암시한다고 말했습니다. 아마도 딸랑이 소리와 신체 행동의 차이는 이온 채널 자체의 구조나 발현이 아니라 세포의 화학적 환경의 미묘한 차이와 관련이 있을 것입니다.

"많은 진화적 변형의 주요 목표는 동물을 파괴하지 않는 것입니다. 그렇죠?" 바그날이 말했다. "켜기/끄기 스위치가 되지 않고 특성을 조정할 수 있는 모든 방법은 크게 해롭지 않으면서 변화를 주도하는 강력한 수단입니다."

터닝 및 튜닝

이 새로운 연구는 단일 단백질을 조정함으로써 완전히 다른 행동에 맞게 운동 뉴런을 조정하는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다. 그러나 운동 뉴런은 운동 퍼즐의 한 조각일 뿐입니다. 이는 걷기나 수영과 관련된 리듬 패턴을 생성하는 중추 패턴 생성기로 알려진 중추 신경계의 회로로 시작되는 사슬의 마지막 링크입니다. 이러한 상류 회로는 얼룩말 물고기와 같은 다른 유기체에서 더 잘 이해됩니다. 방울뱀에서는 수수께끼를 푸는 것이 논리적인 다음 단계가 될 것입니다.

Katz는 "제1의 누락된 링크는 딸랑이의 주파수를 어떻게 생성합니까?"라고 말했습니다. 그건 어디서 나온 거야?”

Chagnaud는 비슷한 Stellschraube가 물기를 두려워하는 다른 종의 운동 뉴런을 조정하는지 알아보고 싶어합니다. 방울뱀처럼 피라냐는 근본적으로 다른 주파수의 두 가지 리드미컬한 움직임을 실행합니다. 즉, 초당 최대 140주기의 빈도로 수영하는 것과 초당 최대 XNUMX주기의 빈도로 수영 방광을 진동하여 짖는 소리, 삑삑, 삑삑거리는 소리를 내는 것입니다. 드럼 비트. 그러나 방울뱀과 달리 피라냐는 척추의 동일한 부분을 사용하여 두 가지 움직임 유형을 모두 제어합니다.

“궁금해요. KV7일까요?”_2/3? 우리는 전혀 모른다”고 Chagnaud는 말했다. “진화는 같은 문제에 대해 같은 해결책을 찾았나요?”

그는 의심을 가지고 있습니다. 그는 유사한 메커니즘을 발견할 수 있기를 희망하지만, 방울뱀의 놀랍고 때로는 실망스러운 발견은 “눈을 뜨게 만드는 것”이라고 말했습니다. 진화는 목표를 염두에 두고 있는 인간 디자이너가 아닙니다. 그 방법은 신비롭고 도구 상자도 방대합니다. "그리고 돌릴 수 있는 나사는 아주 다양해요."