Mart 2019'da, Münih'ten güneybatıya giden bir trende, nörobilimci Maximilian Bothe Kucağındaki soğutucuyu dikkatli tutuşuyla ayarladı. Öğle yemeğini içermiyordu. İçinde buzla paketlenmiş yarım düzine çıngıraklı yılanın omuriliğinden alınan doku vardı; yeni araştırma danışmanı için özel bir teslimat. Boris ChagnaudAlplerin diğer tarafında çalışan davranışsal bir sinir bilimci. Chagnaud, Avusturya'daki Graz Üniversitesi'ndeki laboratuvarında, hava keselerini hareket ettirerek ses çıkaran piranhalardan yayın balıklarına ve karada iki yüzgeç üzerinde zıplayan çamur atlayanlara kadar alışılmadık şekillerde hareket eden su hayvanlarından oluşan bir hayvanat bahçesi besliyor. Chagnaud, yeni hareket etme yollarının nasıl gelişebileceğini anlamak için bu yaratıkların nöron devrelerini inceliyor ve karşılaştırıyor ve Bothe, bu çabaya katılmak için çıngıraklı yılanın dikenlerini getiriyordu.

Hayvanların hareket şekilleri, hayvanlar aleminin kendisi kadar sayısızdır. Yürüyorlar, koşuyorlar, yüzüyorlar, sürünüyorlar, uçuyorlar ve kayıyorlar - ve bu kategorilerin her birinde çok sayıda farklı hareket türü yatıyor. Martı ve sinek kuşunun her ikisinin de kanatları vardır, ancak bunların dışında uçuş teknikleri ve yetenekleri birbirinden çok farklıdır. Orkalar ve piranaların her ikisinin de kuyrukları vardır, ancak çok farklı yüzme türlerini başarırlar. Yürüyen veya koşan bir insan bile vücudunu temelde farklı şekillerde hareket ettirir.

Belirli bir hayvanın gerçekleştirebileceği hareketlerin temposu ve türü biyolojik donanım tarafından belirlenir: işlevleri nörolojik sınırlamalarla sınırlanan sinirler, kaslar ve kemikler. Örneğin omurgalıların yürüme temposu, omurgalarında bulunan ve beyinden gelen herhangi bir bilinçli uyarı olmadan ateşlenen devreler tarafından belirlenir. Bu hareketin hızı, onları kontrol eden nöronal devrelerin özellikleri tarafından belirlenir.

Bir hayvanın yeni bir hareket şekli geliştirmesi için nörolojik devrelerinde bir şeyin değişmesi gerekir. Chagnaud bunun tam olarak nasıl gerçekleştiğini anlatmak istiyor.

“Evrimde sadece tekerleği icat etmekle kalmazsınız. Zaten orada olan parçaları alıp değiştiriyorsunuz” dedi. "Yeni davranışlar oluşturmak için birçok farklı türde paylaşılan bileşenleri nasıl değiştirirsiniz?"

Son zamanlarda ekibi, Bothe'nin çıngıraklı yılanlarıyla (uzun ve ince bir gövdede iki farklı hareket temposuna sahip bir organizma) yaptıkları deneylerde bu soruya bir yanıt buldu.

Onların sonuçları, yayınlanan Current Biology Ocak ayında, tek bir proteinle (potasyum iyon kanalı) oynamanın, bir yılanın tıkırdayan kuyruğundaki hızlı ateşlenen motor nöronlarının, dalgalı vücudundaki yavaş motor nöronları gibi davranmasına veya tam tersi şekilde davranmasına neden olabileceğini belirledi. Bulgular, bir hayvanın fizyolojisindeki ufak değişikliklerin sinir sisteminden gelen aynı komutu farklı hareket biçimlerine dönüştürebildiğinin kanıtıdır.

Sinir bilimci, "Bu çalışmanın özellikle benzersiz ve ilginç olduğunu düşündüğüm şey, aynı hayvan içinde çok farklı iki işe sahip motor nöronlara odaklanmış olmalarıdır" dedi. Martha Bagnall Çalışmada yer almayan St. Louis'deki Washington Üniversitesi'nden. "Onlara tek bir hayvanın içinde bakmak, onlara bu gerçekten güzel, sıkı karşılaştırmayı verdi."

Bulgu, hayat ağacındaki hayvanların yeni davranışlar geliştirebileceği bir yola işaret ediyor. Biyolojik mekanizmanın doğru parçasında (bu durumda belirli bir iyon kanalında) ince ayar yapmak, tıpkı hoparlördeki ses ayar düğmesini çevirmenin yaptığı gibi, performansı büyük ölçüde değiştirebilir. Evrim, makinenin tamamını yeniden işlemek yerine ilk olarak kontroller üzerinde etkili olabilir.

"Çok temiz bir sonuçtu" dedi Paul KatzAmherst'teki Massachusetts Üniversitesi'nde davranışsal sinir bilimci olan kendisi de bu çalışmaya dahil değildi. "Ve biliyorsun, çıngıraklı yılanlar, çok havalılar."

Ayar Vidaları

Chagnaud çıngıraklı yılanlarla kendi başına ilgilenmiyor. "Az önce ilginç bir biyolojik soru gördüm" dedi. “Ben bir bilim fırsatçısıyım.”

Ekibi, davranışın evrimsel süreci dedikleri şeyi ortaya çıkaracağını düşündükleri organizmalar üzerinde çalışıyor. Stellschrauben. Almanca kelime kelimenin tam anlamıyla "vidaları ayarlamak" anlamına gelir, ancak bu garip bir çeviridir: Stellschrauben, daha büyük bir makinenin ayarlarını yapan küçük kontrollerdir. Makine sinir sistemiyse ve ayarlar doğrudan davranışsa, Stellschrauben, sadece küçük bir ayarlamayla bir hayvanın davranışını evrimsel sonuçlara yol açacak kadar dramatik bir şekilde değiştiren biyolojik anahtarlar, tetikleyiciler ve düğmelerdir.

Çıngıraklı yılanlar, biyolojinin tek bir hayvanda hız ayarlarını nasıl değiştirdiğini anlama fırsatı sunuyor. Bu tür sorularla ilgilenen araştırmacılar genellikle farklı türleri, örneğin bir martı ve bir sinek kuşunun zıt davranışlarıyla karşılaştırmak zorunda kalıyor; her ikisi de uçuyor, ancak farklı hızlarda farklı hareketlerle. Ancak bu durumda, iki tür arasındaki birçok biyolojik farklılıktan hangisinin tek bir hareket davranışındaki varyasyonu desteklediğini tespit etmek zordur. Çıngıraklı yılanın yavaşça kaymasını hızlı takırdamasıyla karşılaştırmak, elmaları portakallarla veya hamsileri katil balinalarla karşılaştırma sorununu ortadan kaldırır.

Çıngıraklı yılanların tek vücutta iki hareket şekline sahip olduğu yönündeki bu içgörü, Bothe'nin kendisini Münih'ten Graz'a giden bir trende yılan dikenleriyle dolu bir soğutucuyla otururken bulmasının nedenidir.

Graz'a döndüğünde, çıngıraklı yılanın omurga dokusunu bir tür jelatin olan agara gömdü ve mikroskopi için jilet kadar ince dilimler yaptı. Görsel olarak yılanın çıngırağı ve vücudundaki motor nöronlar tamamen aynı görünüyordu. Ancak Bothe, elektriksel özelliklerini test etmek için bir elektrot kullandığında çarpıcı farklılıklar buldu.

Nöronlar, potasyum ve sodyum gibi yüklü iyonların akışını kontrol etmek için hücre zarlarına yerleştirilmiş pompaları ve kanalları kullanarak elektriksel aktivitelerini değiştirirler. Dinlenme sırasında nöronlar, yaklaşık -70 milivoltluk dinlenme membran voltajını koruyarak iç kısımlarını dış ortamlarına göre daha negatif yüklü tutar. Daha sonra, diğer nöronlardan gelen sinyaller bu membran voltajını arttırdığında, hücre "ateşlenir"; iyon kanallarının bent kapaklarını açar ve pozitif iyonların içeri akmasına izin vererek hızlı bir voltaj yükselmesine neden olur.

Aksiyon potansiyeli adı verilen bu voltaj yükselmesi, nöronun hücre zarı boyunca hızla ilerleyerek bir nöron ile başka bir hücre arasındaki arayüz olan sinapsa ulaşır ve burada nörotransmitter adı verilen haberci kimyasalların salınmasını tetikler. Motor nöronlar ve bir kas durumunda, nörotransmiter asetilkolinin salınması kasın kasılmasını söyler.

Bothe, voltaj eşiğine ulaşmak ve bir yılanın vücudundaki motor nöronunu tetiklemek için gereken elektrik akımının "çıngırak motor nöronlarına göre çok daha düşük" olduğunu bulduğunu söyledi. "Ateşlenmesi için [çıngıraklı] nörona çok daha fazla akım koymanız gerekiyor." Çıngırak motor nöronlarıyla karşılaştırıldığında vücut motor nöronları daha yavaş tepki verdi.

Çıngırak nöronları yalnızca büyük ve belirgin sinyallere tepki olarak ateşlendiğinden, nörolojik arka plan gürültüsündeki zayıf dalgalanmalar nedeniyle tekleme olasılıkları daha düşüktür. Daha az ürkek ve daha hassastırlar, bu da onların daha yüksek frekanslı sinyalleri iletmelerine olanak tanır.

Çıngırak ve vücut motor nöronları arasındaki bu farkı belirledikten sonra, bir sonraki adım onu ​​kontrol eden Stellschrauben'i bulmaktı.

Deneme Yanılma

Nöronlar makine değil hücrelerdir, bu da karmaşık bir biyolojik karmaşıklığa sahip oldukları anlamına gelir. Bothe ve Chagnaud'un aradıkları "vida", motor nöronunun elektriksel özelliklerini kontrol eden, bir zar proteininin yapısındaki ince bir ayardan tamamen farklı bir dizi iyon pompası ve kanalının ifadesine kadar herhangi bir şey olabilir. Yine de araştırmacıların Stellschrauben'in bir potasyum iyon kanalı içereceğini düşünmek için iyi nedenleri vardı. Nöronlarla ilgili önceki çalışmalar, bu kanalların nöronların hassasiyetini ayarlamak için önemli olduğunu ortaya koymuştu ancak motor nöronların davranışlarını ayarlamadaki rolleri özellikle belirsizdi.

Bothe, "Diyelim ki evrimin kullanabileceği belirli bir araç seti var" dedi. “Yani belki de buradaki aynı iyon kanallarıdır.”

Tam kanalı bulmak yıllar süren deneme yanılmayı gerektirdi. Vücut ve çıngıraklı hücrelerin potasyum kanallarına ilişkin genleri nasıl ifade ettiği karşılaştırıldığında herhangi bir önemli farklılık ortaya çıkmadı. Böylece Chagnaud ve Bothe, belirli kanal türlerini bloke etmek için tasarlanan ilaçların etkilerini test ederek ilerlemeye devam ettiler. Sonunda, engellendiğinde farklı hareket hızları üreten bir kanal buldular: KV7 adı verilen bir potasyum kanalı._2/3.

Bothe daha sonra kanalın aktivitesini artırmak ve engellemek için ilaçlar kullanarak daha kesin deneyler gerçekleştirdi. Çıngırak motor nöronlarındaki kanalı kısıtladığında, sanki vücut motor nöronlarıymış gibi daha yavaş ve belirsiz bir şekilde ateşlendiler. Daha sonra potasyum iyon kanalını güçlendirdiğinde tam tersi etkiyi gözlemledi: Vücut motor nöronları, çıngırak motor nöronları gibi hızlı ve hassas bir şekilde ateşlendi.

Sanki bu iyon kanalı, bir nöron tipini diğerine çevirebilen bir kadran gibiydi. Peki yılanın vücudundaki ve çıngırağındaki bu proteinin aslında farklı olan yanı neydi?

Araştırmacılar ilk başta çıngırak motor nöronlarının fazladan KV7'ye sahip olması gerektiğini düşündüler._2/3 potasyum kanalları. Bilim adamları, çıngırak nöronlarının daha fazla kanalı varsa, iyonları daha hızlı boşaltabileceklerini ve kanalların tekrar hızlı bir şekilde ateşlenmeye hazır hale getirilmesi için voltajı tekrar düşürebileceklerini düşündüler.

Bunu öğrenmek için Bothe ve Chagnaud, her iki çıngıraklı yılan motor nöron türünden de RNA çıkarıp dizilediler ve verileri Jason GallantMichigan State Üniversitesi'nde evrimsel biyolog olan KV7'nin ifadesini karşılaştırabildi._2/3 İki doku arasındaki kanal geni. KV7 geni_2/3 kanallar hayvanın vücudundaki her hücrede aynıdır; ancak çıngırak nöronlarında daha fazla KV7 olsaydı_2/3 Araştırmacılar bu dokuda daha yüksek gen ekspresyonu görmeyi bekleyebilirler.

Ne yazık ki basit açıklamaları kanıtlanamadı. Gallant, "Bu potasyum kanallarındaki gen ekspresyonu düzeyinde gerçekten hiçbir fark yoktu, bu da hayal kırıklığı yarattı" dedi. “Fakat bunun biyolojiye daha gerçekçi bir bakış açısı kazandırdığını düşünüyorum.”

Genin ifadesindeki farklılıklar, çıngıraklı yılanın motor nöronlarındaki evrimsel vidaların nasıl ayarlandığını açıklamanın basit, açık ve kapalı bir yolunu sağlayabilirdi. Ancak biyoloji başka olasılıklar da sunuyor. Chagnaud ve Bothe, kanal proteinleri genetik plandan oluşturulduktan sonra, iyonları farklı şekilde yöneten biraz farklı formlara dönüştürülebileceklerini öne sürdüler. Ayrıntıları belirlemek, yani kontrolü ayarlayan kontrolü bulmak için daha fazla araştırmaya ihtiyaç olacak.

Katz ise sonucun hiç de hayal kırıklığı yarattığını düşünmüyordu. “Yani gen ifadesinde bir değişiklik görmediler. Bekledikleri cevap buydu” dedi. “Ama gerçek şu ki bu harika bir sonuç.”

Katz, onlarca yıldır araştırmacıların motor devrelerinin "kullanılacakları şekilde var olduklarını" varsaydıklarını söyledi; bu da yürüme veya yüzme gibi bir davranışı başlatmanın yalnızca doğru devreyi açma meselesi olduğu anlamına geliyor. Bu görüşe göre, yeni bir davranışın geliştirilmesi tamamen yeni bir devre düzeni gerektirecektir. Ancak çok çeşitli organizmalar üzerinde yapılan çalışmalarda kabuklular, deniz salyangozları ve şimdi muhtemelen yılanlar, araştırmacılar bunu buluyor nöromodülatörlerle etkileşimler ve diğer kimyasallar bir devrenin uyandırdığı aktiviteyi modüle ederek aynı hücre ağlarının oldukça farklı davranışlar üretmesine yol açabilir.

Katz, yeni çalışmanın, bu esneklikle oynamanın yeni hareket davranışlarının gelişmesinin bir yolu olabileceğini ima ettiğini söyledi. Belki de çıngırak ve vücut davranışı arasındaki fark, iyon kanalının yapısı veya ifadesiyle değil, hücrelerinin kimyasal ortamlarındaki ince farklılıklarla ilgilidir.

"Birçok evrimsel değişiklikte öncelikli hedefiniz hayvanı kırmamak, değil mi?" Bagnall dedi. "Açma/kapama düğmesi olmadan özellikleri ayarlayan, yapabileceğiniz her şey, son derece zararlı olmadan değişimi yönlendirmenin güçlü bir yoludur."

Tornalama ve Ayarlama

Bu yeni çalışma, tek bir proteini değiştirerek motor nöronlarını çok farklı davranışlara göre ayarlamanın mümkün olduğunu gösteriyor. Ancak motor nöronlar hareket yapbozunun sadece bir parçasıdır. Merkezi sinir sistemindeki, merkezi model oluşturucular olarak bilinen ve yürüme veya yüzmeyle ilgili ritmik kalıpları üreten devrelerle başlayan zincirin son halkasıdırlar. Bu yukarı akış devreleri, zebra balığı gibi diğer organizmalarda daha iyi anlaşılmaktadır. Çıngıraklı yılanlarda onları şaşırtmak bir sonraki mantıklı adım olacaktır.

Katz, "Bir numaralı kayıp halka, çıngırakın frekansını nasıl yaratacağınızdır" dedi. Bu nereden geliyor?"

Chagnaud, benzer bir Stellschraube'un, ısırmasından korkulan başka bir türün motor nöronlarını ayarlayıp ayarlamadığını öğrenmek için sabırsızlanıyor. Çıngıraklı yılanlar gibi piranhalar da tamamen farklı frekanslarda iki ritmik hareket gerçekleştirir: saniyede altı devire kadar frekansla yüzmek ve havlama, ıslık gibi sesler çıkarmak için yüzme keselerini saniyede 140 devire kadar frekansta titreştirmek. davul sesleri. Ancak çıngıraklı yılanlardan farklı olarak piranalar, her iki hareket türünü de kontrol etmek için omurgalarının aynı bölümünü kullanır.

“Bunu merak ediyorum, KV7 mi olacak?_2/3? Hiçbir fikrimiz yok" dedi Chagnaud. “Evrim aynı soruna aynı çözümü mü buldu?”

Onun şüpheleri var. Benzer bir mekanizma bulma konusunda umutlu olmasına rağmen, çıngıraklı yılanlardaki şaşırtıcı ve bazen de sinir bozucu keşfin "göz açıcı" olduğunu söyledi. Evrim, aklında bir amaç olan bir insan tasarımcı değildir. Yöntemleri gizemlidir ve alet kutusu çok geniştir. "Ve çevirebileceğiniz çok farklı vidalarınız var."