Vào tháng 2019 năm XNUMX, trên chuyến tàu đi về hướng Tây Nam từ Munich, nhà thần kinh học Maximilian Bothe điều chỉnh lại cách nắm cẩn thận của mình trên thùng làm mát trong lòng. Nó không chứa bữa trưa của anh ấy. Bên trong là mô từ nửa tá dây cột sống của rắn đuôi chuông được đóng gói trong đá - một chuyến hàng đặc biệt dành cho cố vấn nghiên cứu mới của ông. Boris Chagnaud, một nhà khoa học thần kinh hành vi ở phía bên kia dãy Alps. Trong phòng thí nghiệm của mình tại Đại học Graz ở Áo, Chagnaud duy trì một đàn động vật thủy sinh di chuyển theo những cách khác thường - từ cá piranha và cá da trơn đánh trống bong bóng khí để tạo ra âm thanh cho đến cá thòi lòi nhảy quanh đất liền bằng hai vây. Chagnaud nghiên cứu và so sánh các mạch thần kinh của những sinh vật này để hiểu cách thức di chuyển mới có thể phát triển như thế nào và Bothe đã mang theo những chiếc gai rắn chuông của mình để tham gia nỗ lực.

Những cách mà động vật di chuyển cũng có vô số cách như chính vương quốc động vật. Chúng đi, chạy, bơi, bò, bay và trườn - và trong mỗi loại đó có vô số kiểu chuyển động khác nhau một cách tinh tế. Hải âu và chim ruồi đều có cánh, nhưng kỹ thuật bay và khả năng bay của chúng hoàn toàn khác nhau. Cá kình và cá piranha đều có đuôi, nhưng chúng có kiểu bơi rất khác nhau. Ngay cả một người đi bộ hoặc chạy cũng đang di chuyển cơ thể của họ theo những cách cơ bản khác nhau.

Nhịp độ và loại chuyển động mà một con vật nhất định có thể thực hiện được thiết lập bởi phần cứng sinh học: dây thần kinh, cơ và xương có chức năng bị ràng buộc bởi những hạn chế về thần kinh. Ví dụ, nhịp độ đi bộ của động vật có xương sống được thiết lập bởi các mạch điện trong cột sống của chúng hoạt động mà không cần bất kỳ sự điều khiển có ý thức nào từ não. Tốc độ của chuyển động đó được quyết định bởi đặc tính của các mạch thần kinh điều khiển chúng.

Để một loài động vật tiến hóa được một cách di chuyển mới lạ, điều gì đó trong mạch thần kinh của nó phải thay đổi. Chagnaud muốn mô tả chính xác điều đó xảy ra như thế nào.

“Trong quá trình tiến hóa, bạn không chỉ phát minh ra bánh xe. Bạn lấy những phần đã có sẵn và sửa đổi chúng,” ông nói. “Làm thế nào để bạn sửa đổi những thành phần được chia sẻ giữa nhiều loài khác nhau để tạo ra những hành vi mới?”

Gần đây, nhóm của ông đã tìm ra câu trả lời cho câu hỏi này trong các thí nghiệm của họ với rắn chuông Bothe - một sinh vật có hai nhịp độ chuyển động riêng biệt được xây dựng trên một cơ thể dài và mảnh mai.

Kết quả của họ, xuất bản năm Hiện tại Sinh học vào tháng 1, đã xác định cách mày mò với một loại protein duy nhất - kênh ion kali - có thể làm cho các tế bào thần kinh vận động nhanh chóng từ cái đuôi kêu lạch cạch của con rắn hoạt động giống như các tế bào thần kinh vận động chậm chạp từ cơ thể nhấp nhô của nó và ngược lại. Phát hiện này là bằng chứng cho thấy những thay đổi dường như rất nhỏ trong sinh lý của động vật có thể chuyển cùng một mệnh lệnh từ hệ thần kinh sang các cách di chuyển khác nhau.

Nhà khoa học thần kinh cho biết: “Điều tôi nghĩ đặc biệt độc đáo và thú vị về nghiên cứu này là họ tập trung vào các tế bào thần kinh vận động với hai công việc rất khác nhau, nhưng trong cùng một con vật”. Martha Bagnall của Đại học Washington ở St. Louis, người không tham gia vào công việc này. “Nhìn chúng trong cùng một con vật đã mang lại cho chúng sự so sánh thực sự chặt chẽ và đẹp đẽ này.”

Phát hiện này chỉ ra cách mà các loài động vật trên cây sự sống có thể phát triển những hành vi mới. Việc tinh chỉnh phần bên phải của bộ máy sinh học - trong trường hợp này là một kênh ion cụ thể - có thể thay đổi đáng kể hiệu suất, giống như việc vặn nút xoay âm lượng trên loa. Evolution có thể tác động đầu tiên lên bộ điều khiển thay vì làm lại toàn bộ máy.

“Đó là một kết quả rất rõ ràng,” nói Paul Katz, một nhà khoa học thần kinh hành vi tại Đại học Massachusetts, Amherst, người cũng không tham gia vào công việc này. “Và bạn biết đấy, rắn đuôi chuông - chúng rất ngầu.”

Vít định vị

Chagnaud thực chất không quan tâm đến rắn đuôi chuông. “Tôi vừa thấy một câu hỏi sinh học thú vị,” anh nói. “Tôi là một người theo chủ nghĩa cơ hội khoa học.”

Nhóm của ông nghiên cứu các sinh vật mà họ nghĩ sẽ tiết lộ cái mà họ gọi là tiến hóa của hành vi. Stellschrauben. Từ tiếng Đức có nghĩa đen là “vít cài đặt”, mặc dù đó là một cách dịch vụng về: Stellschrauben là những bộ điều khiển nhỏ giúp điều chỉnh các cài đặt của một cỗ máy lớn hơn. Nếu cỗ máy là hệ thần kinh và các thiết lập là hành vi trực tiếp thì Stellschrauben là các công tắc, nút bấm và nút bấm sinh học mà chỉ cần một chỉnh sửa nhỏ là có thể thay đổi hành vi của động vật đủ đáng kể để gây ra hậu quả tiến hóa.

Rắn chuông mang đến cơ hội hiểu cách sinh học thay đổi cài đặt tốc độ của nó ở một loài động vật. Các nhà nghiên cứu quan tâm đến những câu hỏi như vậy thường phải so sánh các loài khác nhau với những hành vi trái ngược nhau - chẳng hạn như hải âu và chim ruồi, cả hai đều bay nhưng có những chuyển động khác nhau ở tốc độ khác nhau. Tuy nhiên, trong trường hợp đó, thật khó để xác định điểm khác biệt sinh học nào giữa hai loài làm nền tảng cho sự biến đổi trong một hành vi di chuyển. So sánh tốc độ trườn chậm của rắn chuông với tiếng kêu lục cục nhanh của nó sẽ tránh được vấn đề so sánh táo với cam, hoặc cá cơm với cá kình.

Cái nhìn sâu sắc đó - rằng rắn đuôi chuông có hai cách di chuyển trong một cơ thể - là lý do tại sao Bothe thấy mình đang ngồi trên chuyến tàu từ Munich đến Graz với một chiếc thùng chứa đầy gai rắn.

Trở lại Graz, ông nhúng mô cột sống của rắn đuôi chuông vào thạch, một loại gelatin, và tạo ra những lát mỏng như dao cạo để soi dưới kính hiển vi. Nhìn bề ngoài, các tế bào thần kinh vận động từ tiếng kêu và cơ thể của con rắn dường như giống hệt nhau. Nhưng khi Bothe sử dụng điện cực để kiểm tra tính chất điện của chúng, ông đã tìm thấy những khác biệt đáng chú ý.

Các tế bào thần kinh thay đổi hoạt động điện của chúng bằng cách sử dụng các máy bơm và các kênh được gắn trong màng tế bào của chúng để kiểm soát dòng ion tích điện như kali và natri. Khi nghỉ ngơi, tế bào thần kinh giữ bên trong chúng tích điện âm hơn môi trường bên ngoài, duy trì điện áp màng lúc nghỉ khoảng -70 mV. Sau đó, khi tín hiệu từ các tế bào thần kinh khác làm tăng điện áp màng này, tế bào sẽ “kích hoạt” - nó mở cửa xả các kênh ion của nó và cho phép các ion dương chảy vào bên trong, tạo ra điện áp tăng vọt nhanh chóng.

Sự tăng đột biến điện áp này, được gọi là điện thế hoạt động, chạy dọc theo màng tế bào của tế bào thần kinh cho đến khi nó đạt đến khớp thần kinh, giao diện giữa tế bào thần kinh và tế bào khác, nơi nó kích hoạt giải phóng các hóa chất truyền tin gọi là chất dẫn truyền thần kinh. Trong trường hợp tế bào thần kinh vận động và cơ, sự giải phóng chất dẫn truyền thần kinh acetylcholine sẽ ra lệnh cho cơ co lại.

Ông Bothe phát hiện ra rằng dòng điện cần thiết để đạt đến ngưỡng điện áp và kích hoạt tế bào thần kinh vận động cơ thể của rắn “thấp hơn nhiều so với các tế bào thần kinh vận động lúc lắc”, ông nói. “Bạn cần đưa thêm dòng điện vào tế bào thần kinh [lạch cạch] để nó phát sáng.” Và so với tế bào thần kinh vận động lúc lắc, tế bào thần kinh vận động cơ thể phản ứng chậm chạp hơn.

Bởi vì các tế bào thần kinh lạch cạch chỉ hoạt động khi phản ứng với các tín hiệu lớn, rõ ràng nên chúng ít có khả năng hoạt động sai do sự biến động yếu trong tiếng ồn nền thần kinh. Chúng ít giật hơn và chính xác hơn, cho phép chúng chuyển tiếp tín hiệu tần số cao hơn.

Sau khi đã xác định được sự khác biệt giữa tế bào thần kinh lúc lắc và tế bào thần kinh vận động cơ thể, bước tiếp theo là tìm ra Stellschrauben điều khiển nó.

Dùng thử và Lỗi

Tế bào thần kinh là tế bào, không phải máy móc, có nghĩa là chúng có tính phức tạp sinh học lộn xộn. “Ốc vít” mà Bothe và Chagnaud đang tìm kiếm để điều khiển các đặc tính điện của tế bào thần kinh vận động có thể là bất cứ thứ gì từ một sự điều chỉnh tinh vi trong cấu trúc của protein màng cho đến sự biểu hiện của một bộ kênh và bơm ion hoàn toàn khác. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu có lý do chính đáng để nghĩ rằng Stellschrauben của họ sẽ liên quan đến kênh ion kali. Các nghiên cứu trước đây về tế bào thần kinh đã chứng minh rằng các kênh này rất quan trọng trong việc điều chỉnh độ chính xác của tế bào thần kinh, nhưng vai trò của chúng trong việc điều chỉnh hành vi của tế bào thần kinh vận động cụ thể là chưa rõ ràng.

“Có một bộ công cụ nhất định có sẵn cho quá trình tiến hóa,” Bothe nói. “Vậy có lẽ ở đây cũng có các kênh ion giống nhau.”

Việc tìm ra kênh chính xác phải mất nhiều năm thử và sai. So sánh cách các tế bào cơ thể và tế bào lúc lắc biểu hiện gen cho các kênh kali không cho thấy bất kỳ sự khác biệt đáng kể nào. Vì vậy, Chagnaud và Bothe đã tiến hành thử nghiệm tác dụng của các loại thuốc được thiết kế để chặn các loại kênh cụ thể. Cuối cùng, họ tìm thấy một kênh mà khi bị chặn sẽ tạo ra các tốc độ di chuyển khác nhau: kênh kali có tên KV7_2/3.

Sau đó, Bothe thực hiện các thí nghiệm chính xác hơn, sử dụng thuốc để tăng cường và cản trở hoạt động của kênh. Khi ông hạn chế kênh truyền ở các nơ-ron vận động lúc lắc, chúng hoạt động chậm chạp và thiếu chính xác hơn, như thể chúng là các nơ-ron vận động cơ thể. Sau đó, khi tăng cường kênh ion kali, ông quan sát thấy tác dụng ngược lại: Các tế bào thần kinh vận động cơ thể hoạt động nhanh chóng và chính xác, giống như các tế bào thần kinh vận động lúc lắc.

Cứ như thể kênh ion này là một cái quay số có thể xoắn loại nơ-ron này sang loại nơ-ron khác. Nhưng điều gì thực sự khác biệt về loại protein này trong cơ thể và tiếng kêu của con rắn?

Lúc đầu, các nhà nghiên cứu cho rằng tế bào thần kinh vận động lúc lắc phải có thêm KV7_2/3 kênh kali. Các nhà khoa học nhận ra rằng nếu các tế bào thần kinh lúc lắc có nhiều kênh hơn thì chúng có thể phóng điện các ion nhanh hơn, hạ điện áp xuống để chuẩn bị cho các kênh nhanh chóng hoạt động trở lại.

Để tìm hiểu, Bothe và Chagnaud đã trích xuất và giải trình tự RNA từ cả hai loại tế bào thần kinh vận động của rắn chuông và gửi dữ liệu tới Jason dũng cảm, một nhà sinh vật học tiến hóa tại Đại học bang Michigan, nên ông có thể so sánh biểu hiện của KV7_2/3 kênh gen giữa hai mô. Gen KV7_2/3 các kênh đều giống nhau trong mọi tế bào của cơ thể động vật - nhưng nếu tế bào thần kinh lúc lắc có nhiều KV7 hơn_2/3 các kênh, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ thấy biểu hiện gen cao hơn trong mô đó.

Than ôi, lời giải thích đơn giản của họ đã không được chứng minh. Gallant cho biết: “Thực sự không có sự khác biệt về mức độ biểu hiện gen trong các kênh kali này, điều này thật đáng thất vọng”. “Nhưng tôi nghĩ nó mở ra một cái nhìn thực tế hơn về sinh học.”

Các biến thể trong biểu hiện của gen có thể cung cấp một cách đơn giản, đóng và mở để giải thích cách điều chỉnh các ốc vít tiến hóa trên tế bào thần kinh vận động của rắn đuôi chuông. Nhưng sinh học mang đến những khả năng khác. Chagnaud và Bothe suy đoán rằng sau khi các protein kênh được tạo ra từ bản thiết kế di truyền, chúng có thể được sửa đổi thành các dạng hơi khác nhau để quản lý các ion một cách khác nhau. Sẽ cần nhiều nghiên cứu hơn để xác định các chi tiết - để tìm ra bộ điều khiển điều chỉnh bộ điều khiển.

Về phần mình, Katz không hề coi kết quả này là đáng thất vọng. “Vì vậy, họ không nhìn thấy biểu hiện gen [thay đổi]. Đó là câu trả lời mà họ mong đợi”, ông nói. “Nhưng thực tế đó là một kết quả tuyệt vời.”

Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã giả định rằng các mạch vận động “tồn tại khi chúng được sử dụng”, Katz nói - có nghĩa là việc bắt đầu một hành vi như đi bộ hoặc bơi lội chỉ đơn giản là bật đúng mạch. Theo quan điểm này, việc phát triển một hành vi mới sẽ đòi hỏi một cách bố trí mạch hoàn toàn mới. Nhưng trong các nghiên cứu về sinh vật đa dạng như động vật giáp xác, sên biển và bây giờ có thể là cả rắn, các nhà nghiên cứu đang phát hiện ra rằng tương tác với chất điều hòa thần kinh và các hóa chất khác có thể điều chỉnh hoạt động mà một mạch điện gợi lên, dẫn đến cùng một mạng lưới tế bào tạo ra các hành vi khác nhau rõ rệt.

Katz cho biết, nghiên cứu mới gợi ý rằng việc chơi đùa với tính dẻo này có thể là cách để phát triển các hành vi vận động mới. Có lẽ sự khác biệt giữa tiếng lục lạc và hành vi của cơ thể có liên quan gì đó đến những khác biệt tinh tế trong môi trường hóa học của tế bào, chứ không phải cấu trúc hay biểu hiện của kênh ion.

“Đối với nhiều biến đổi tiến hóa, mục tiêu chính của bạn là không làm hỏng con vật, phải không?” Bagnall nói. “Bất cứ điều gì bạn có thể làm để điều chỉnh các đặc điểm mà không trở thành công tắc bật/tắt đều là một phương tiện mạnh mẽ để thúc đẩy sự thay đổi mà không gây tổn hại sâu sắc.”

Xoay và điều chỉnh

Nghiên cứu mới này cho thấy có thể điều chỉnh các tế bào thần kinh vận động cho các hành vi cực kỳ khác nhau bằng cách điều chỉnh một loại protein. Nhưng tế bào thần kinh vận động chỉ là một phần của câu đố chuyển động. Chúng là mắt xích cuối cùng trong chuỗi bắt đầu bằng các mạch trong hệ thần kinh trung ương được gọi là bộ tạo mô hình trung tâm, tạo ra các mô hình nhịp nhàng liên quan đến việc đi bộ hoặc bơi lội. Những mạch ngược dòng đó được hiểu rõ hơn ở các sinh vật khác, như cá ngựa vằn. Đối với rắn đuôi chuông, đánh đố chúng sẽ là bước hợp lý tiếp theo.

“Mối liên kết còn thiếu số một,” Katz nói, “là làm cách nào để tạo ra tần số cho tiếng lục lạc? Cái đó từ đâu tới?"

Chagnaud háo hức tìm hiểu xem liệu loài Stellschraube tương tự có điều chỉnh các tế bào thần kinh vận động ở loài khác sợ vết cắn của nó hay không. Giống như rắn đuôi chuông, cá piranha thực hiện hai chuyển động nhịp nhàng với tần số hoàn toàn khác nhau: bơi, với tần số lên tới sáu chu kỳ mỗi giây và rung bong bóng bơi của chúng với tần số lên tới 140 chu kỳ mỗi giây để tạo ra những âm thanh giống như tiếng sủa, tiếng yip và tiếng kêu. nhịp trống. Tuy nhiên, không giống như rắn đuôi chuông, cá piranha sử dụng cùng một phần cột sống để điều khiển cả hai kiểu chuyển động.

“Tôi tò mò muốn biết, đó có phải là KV7 không?_2/3? Chúng tôi không biết,” Chagnaud nói. “Sự tiến hóa có tìm ra cùng một giải pháp cho cùng một vấn đề không?”

Anh ấy có những nghi ngờ của mình. Mặc dù anh ấy hy vọng về việc tìm ra một cơ chế tương tự, nhưng phát hiện đáng ngạc nhiên - và đôi khi gây nản lòng - ở rắn đuôi chuông “là một điều đáng ngạc nhiên,” anh ấy nói. Sự tiến hóa không phải là một nhà thiết kế con người có mục tiêu trong đầu. Phương pháp của nó rất bí ẩn và hộp công cụ của nó rất rộng lớn. “Và bạn có những chiếc ốc vít rất khác nhau mà bạn có thể xoay được.”