लगभग 800 मिलियन वर्ष पहले, हमारे मस्तिष्क की कोशिकाओं के निर्माण खंड उथले महासागरों में बनने शुरू हुए थे। जर्नल सेल में प्रकाशित शोध, विविपेरस जानवरों, एक मिलीमीटर आकार के समुद्री जानवर, पर ध्यान केंद्रित करते हुए, न्यूरॉन्स के विकास में नई अंतर्दृष्टि प्रदान करता है। बार्सिलोना में सेंटर फॉर जीनोम रेगुलेशन के वैज्ञानिकों ने पता लगाया है कि इन प्राचीन और अद्वितीय जानवरों में विशेष स्रावी कोशिकाओं ने अधिक जटिल जानवरों के न्यूरॉन्स को जन्म दिया होगा।
विविपेरस जानवर रेत के एक बड़े दाने के आकार के छोटे जानवर होते हैं, जो गर्म उथले समुद्रों में शैवाल और सूक्ष्मजीवों पर भोजन करते हैं जो चट्टान की सतहों और अन्य सब्सट्रेट्स पर रहते हैं। गेंद और पैनकेक के आकार के जीव बहुत सरल होते हैं और उनके शरीर में कोई अंग या अंग नहीं होते हैं।
ऐसा माना जाता है कि ये जानवर लगभग 800 मिलियन वर्ष पहले पृथ्वी पर पहली बार प्रकट हुए थे और केटेनोफोरा, पोरिफेरा, निडारिया (कोरल, समुद्री एनीमोन और जेलीफ़िश) और बिलाटेरिया (अन्य सभी जानवर) के साथ पांच प्रमुख पशु संघों में से एक हैं।
ये समुद्री जीव पेप्टाइडर्जिक कोशिकाओं के माध्यम से अपने व्यवहार का समन्वय करते हैं, एक विशेष प्रकार की कोशिका जो जानवरों की गतिविधि या भोजन को निर्देशित करने के लिए छोटे पेप्टाइड छोड़ती है। इन कोशिकाओं की उत्पत्ति के बारे में जिज्ञासा से प्रेरित होकर, अध्ययन के लेखकों ने यह समझने के लिए आणविक तकनीकों और कम्प्यूटेशनल मॉडल की एक श्रृंखला का उपयोग किया कि विविपेरस पशु कोशिका प्रकार कैसे विकसित हुए और हमारे प्राचीन पूर्वजों ने कैसे देखा और कार्य किया, इसे एक साथ जोड़ा।
प्राचीन कोशिका प्रकारों का पुनर्निर्माण करें
शोधकर्ताओं ने सबसे पहले सभी अलग-अलग विविपेरस पशु कोशिका प्रकारों का एक नक्शा बनाया, जिसमें चार अलग-अलग प्रजातियों में उनकी विशेषताओं को नोट किया गया। प्रत्येक कोशिका प्रकार की विशिष्ट भूमिकाएँ होती हैं जो जीन के एक विशिष्ट समूह से उत्पन्न होती हैं। ये मानचित्र, या "सेल एटलस", शोधकर्ताओं को इन जीनों के समूहों, या "मॉड्यूल" को मैप करने की अनुमति देते हैं। फिर उन्होंने डीएनए के नियामक क्षेत्रों को मैप किया जो इन जीन मॉड्यूल को नियंत्रित करते हैं, स्पष्ट रूप से दिखाते हैं कि प्रत्येक कोशिका क्या करती है और वे एक साथ कैसे काम करती हैं। अंत में, उन्होंने कोशिका प्रकारों के विकास को फिर से संगठित करने के लिए क्रॉस-प्रजाति तुलना की।
अनुसंधान से पता चलता है कि विविपेरस जानवरों के नौ प्रमुख कोशिका प्रकार कई "मध्यवर्ती" कोशिका प्रकारों से जुड़े हुए प्रतीत होते हैं जो एक प्रकार से दूसरे प्रकार में परिवर्तित होते हैं। ये कोशिकाएँ लगातार बढ़ रही हैं और विभाजित हो रही हैं, जिससे पशु को चलने और खाने के लिए आवश्यक कोशिका प्रकारों का एक नाजुक संतुलन बना रहता है। शोधकर्ताओं ने 14 अलग-अलग प्रकार की पेप्टाइडर्जिक कोशिकाओं की भी खोज की, लेकिन ये कोशिकाएं अन्य सभी कोशिकाओं से अलग थीं और इनमें कोई मध्यवर्ती प्रकार या बढ़ने या विभाजित होने का कोई संकेत नहीं दिखा।
आश्चर्य की बात है कि, पेप्टाइडर्जिक कोशिकाओं में न्यूरॉन्स के साथ कई समानताएं होती हैं - एक कोशिका प्रकार जो लाखों साल बाद तक अधिक उन्नत जानवरों जैसे डाइचेटेस में प्रकट नहीं हुआ था। क्रॉस-प्रजाति विश्लेषण से पता चला कि ये समानताएं विविपेरस जानवरों के लिए अद्वितीय थीं और स्पंज या केटेनोफोरस जैसे अन्य प्रारंभिक समूहों में नहीं देखी गईं।
विकास की ओर पहला कदम
पेप्टाइडर्जिक कोशिकाओं और न्यूरॉन्स के बीच समानताएं तीन पहलुओं में स्पष्ट हैं। सबसे पहले, शोधकर्ताओं ने पाया कि ये विविपेरस पशु कोशिकाएं न्यूरोजेनेसिस की प्रक्रिया, कीड़े और डिप्लोपोड्स में नए न्यूरॉन्स के गठन के समान विकासात्मक संकेतों के माध्यम से देशी उपकला कोशिकाओं की आबादी से भिन्न होती हैं।
दूसरा, उन्होंने पाया कि पेप्टाइडर्जिक कोशिकाओं में कई आनुवंशिक मॉड्यूल होते हैं जो न्यूरॉन के उस हिस्से को बनाने के लिए आवश्यक होते हैं जो संदेश भेजता है (प्रीसानेप्टिक मचान)। हालाँकि, ये कोशिकाएँ वास्तविक न्यूरॉन्स से बहुत दूर हैं क्योंकि उनमें न्यूरॉन (पोस्ट-सिनैप्टिक) के सूचना प्राप्त करने वाले अंत में घटकों या विद्युत संकेतों को संचालित करने के लिए आवश्यक घटकों की कमी होती है।
अंत में, लेखकों ने यह दिखाने के लिए गहन शिक्षण तकनीकों का उपयोग किया कि विविपेरस पशु कोशिका प्रकारों के बीच संचार एक इंट्रासेल्युलर प्रणाली के माध्यम से होता है जिसमें जीपीसीआर (जी-प्रोटीन युग्मित रिसेप्टर्स) नामक विशिष्ट प्रोटीन बाहरी संकेतों का पता लगाते हैं और कोशिका के भीतर प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला शुरू करते हैं। इन बाहरी संकेतों की मध्यस्थता न्यूरोपेप्टाइड्स द्वारा की जाती है, जो कई अलग-अलग शारीरिक प्रक्रियाओं में न्यूरॉन्स द्वारा उपयोग किए जाने वाले रासायनिक संदेशवाहक हैं।
अध्ययन के सह-प्रथम लेखक और सेंटर फॉर जीनोमिक रेगुलेशन में पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता सेबेस्टियन आर. नजले, पीएच.डी. ने कहा, "हम समानताओं से आश्चर्यचकित थे।" "विविपेरस जानवरों की पेप्टाइडर्जिक कोशिकाओं में आदिम तंत्रिका कोशिकाओं के साथ कई समानताएं हैं, हालांकि वे अभी तक वहां नहीं हैं। यह एक विकासवादी कदम को देखने जैसा है।"
न्यूरॉन्स की सुबह
अध्ययन से पता चलता है कि न्यूरॉन्स के निर्माण खंड 800 मिलियन वर्ष पहले प्राचीन पृथ्वी पर उथले समुद्रों में चरने वाले पैतृक जानवरों में बन रहे थे। विकासवादी दृष्टिकोण से, प्रारंभिक न्यूरॉन्स शुरू में आज के विविपेरस जानवरों की पेप्टाइडर्जिक स्रावी कोशिकाओं के समान हो सकते हैं।
कोशिकाओं ने संचार करने के लिए न्यूरोपेप्टाइड्स का उपयोग किया, लेकिन अंततः नए आनुवंशिक मॉड्यूल हासिल कर लिए, जिससे कोशिकाओं को पोस्टसिनेप्टिक मचान बनाने, अक्षतंतु और डेंड्राइट बनाने और आयन चैनल बनाने की अनुमति मिली, जो तेजी से विद्युत संकेत उत्पन्न करते हैं - ऐसे नवाचार जो विविपेरस पशु पूर्वजों के पृथ्वी पर पहली बार दिखाई देने के लगभग 100 मिलियन वर्ष बाद न्यूरॉन्स के उद्भव के लिए महत्वपूर्ण थे।
हालाँकि, तंत्रिका तंत्र की पूर्ण विकासवादी कहानी निर्धारित की जानी बाकी है। माना जाता है कि पहले आधुनिक न्यूरॉन्स की उत्पत्ति लगभग 650 मिलियन वर्ष पहले निडारियन और उभयचरों के सामान्य पूर्वज से हुई थी। हालाँकि, न्यूरॉन जैसी कोशिकाएँ केटेनोफ़ोर्स में भी मौजूद होती हैं, हालाँकि वे संरचनात्मक रूप से बहुत भिन्न होती हैं और उनमें आधुनिक न्यूरॉन्स में पाए जाने वाले अधिकांश जीनों की अभिव्यक्ति का अभाव होता है। इनमें से कुछ न्यूरोनल जीन विविपेरस पशु कोशिकाओं में मौजूद हैं, लेकिन केटेनोफोरन्स में नहीं, जो न्यूरॉन्स के विकासवादी प्रक्षेपवक्र के बारे में नए सवाल खड़े करते हैं।
"विविपेरस जानवरों में न्यूरॉन्स की कमी होती है, लेकिन अब हमें पता चला है कि उनमें हमारी तंत्रिका कोशिकाओं के साथ आश्चर्यजनक आणविक समानताएं होती हैं। केटेनोफोरस में तंत्रिका जाल होते हैं जिनमें महत्वपूर्ण अंतर होते हैं, साथ ही हमारे साथ समानताएं भी होती हैं। क्या न्यूरॉन्स एक बार विकसित होते हैं और फिर अंतर करते हैं, या क्या वे एक से अधिक बार समानांतर में प्रगति करते हैं?" क्या वे मोज़ाइक हैं, जिनके प्रत्येक टुकड़े की उत्पत्ति अलग-अलग है? ये खुले प्रश्न हैं जिनका उत्तर दिए जाने की आवश्यकता है,'' अध्ययन के सह-प्रथम लेखक और सेंटर फॉर जीनोम रेगुलेशन में पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता जेवियर ग्रू-बोवे, पीएच.डी. ने कहा।
अध्ययन के लेखकों का मानना है कि जैसे-जैसे दुनिया भर के शोधकर्ता विभिन्न प्रजातियों के उच्च-गुणवत्ता वाले जीनोम का अनुक्रम करना जारी रखेंगे, न्यूरॉन्स की उत्पत्ति और अन्य कोशिका प्रकारों का विकास तेजी से स्पष्ट हो जाएगा।
"कोशिकाएं जीवन की मूल इकाई हैं, इसलिए यह समझना कि समय के साथ कोशिकाएं कैसे उत्पन्न होती हैं या बदलती हैं, जीवन के विकास की कहानी को समझाने के लिए महत्वपूर्ण है। विविपेरस जानवर, केटेनोफोरस, स्पंज और अन्य गैर-पारंपरिक मॉडल जानवर ऐसे रहस्य रखते हैं जिन्हें हम अभी उजागर करना शुरू कर रहे हैं," अध्ययन के संबंधित लेखक, सेंटर फॉर जीनोमिक रेगुलेशन और आईसीआरईए रिसर्च प्रोफेसर के जूनियर ग्रुप लीडर अर्नौ सेबे-पेड्रोस ने निष्कर्ष निकाला।