Somatic differentiation evolves rapidly and repeatedly through the modification of developmental plasticity

जीवन अक्सर एक एकल, आत्मनिर्भर कोशिका के रूप में शुरू होता है, लेकिन पृथ्वी पर जीवन का इतिहास इस बात की भी कहानी है कि कैसे उन एकल कोशिकाओं ने एक साथ जुड़ना और विशिष्ट होना सीखा। सबसे जटिल बहुकोशिकीय जीवों में, जैसे कि मनुष्य या पेड़, कोशिकाएं विशिष्ट कार्य संभालती हैं। कुछ शरीर को चलाने के लिए मांसपेशी बनती हैं, अन्य संकेतों को भेजने के लिए तंत्रिका कोशिकाएं बनती हैं, और कुछ शरीर के अंदर की रक्षा के लिए त्वचा बनती हैं। श्रम का यह विभाजन विकास (इवोल्यूशन) का एक प्रमुख चरण है, जो कोशिकाओं के एक समूह को एक एकल, एकीकृत जीव में बदल देता है। लंबे समय से, वैज्ञानिक आश्चर्य करते रहे हैं कि यह संक्रमण कैसे होता है। क्या इसके लिए लाखों वर्षों में सूक्ष्म परिवर्तनों के धीमे, यादृच्छिक संचय की आवश्यकता होती है? या क्या यह अधिक तेज़ी से हो सकता है यदि वातावरण जीव को एक नई दिशा में धकेले? जीव विज्ञान का एक प्रमुख विचार सुझाव देता है कि यदि कोई लक्षण पर्यावरण के जवाब में बदल सकता है—एक गुण जिसे 'प्लास्टिसिटी' (लचीलापन) कहा जाता है—तो वह लचीलापन ही वह चीज़ हो सकती है जो एक नए, स्थायी लक्षण को विकसित होने की अनुमति देती है।

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने अपना ध्यान यूडोरिना (Eudorina) नामक एक सूक्ष्म, हरे शैवाल की ओर केंद्रित किया। ये जीव मीठे पानी में रहते हैं और आमतौर पर समान कोशिकाओं से बनी गोलाकार कॉलोनियाँ बनाते हैं, जो सभी प्रजनन करने में सक्षम होती हैं। हालाँकि, यूडोरिना का एक रहस्य है: जब उसे ठंड लगती है, तो उसकी कुछ कोशिकाएं बदल जाती हैं। वे छोटी हो जाती हैं, प्रजनन करना बंद कर देती हैं, और कॉलोनी को तैरने में मदद करने के लिए 'फ्लैगेला' नामक छोटी पूंछ विकसित करती हैं। ये दैहिक (सोमैटिक) कोशिकाएं हैं, और प्रकृति में, यह परिवर्तन अस्थायी होता है; एक बार ठंड बीत जाने के बाद, कोशिकाएं सामान्य हो जाती हैं। बदलने और वापस लौटने की यह क्षमता उस प्लास्टिसिटी को दर्शाती है जिसका अध्ययन वैज्ञानिक करना चाहते थे। उन्होंने एक सरल लेकिन गहन प्रश्न पूछा: यदि वे इन शैवालों को बार-बार ठंड के तनाव के संपर्क में रखते हैं, तो क्या वह अस्थायी परिवर्तन स्थायी हो जाएगा? क्या शैवाल हमेशा इन विशिष्ट, गैर-प्रजनन कोशिकाओं को रखने के लिए विकसित हो जाएंगे, भले ही पानी गर्म हो?

इसका उत्तर पेशेवर शोधकर्ताओं और सैकड़ों स्नातक छात्रों के शामिल एक बड़े पैमाने के प्रयोग से आया। टीम ने यूडोरिना की एक एकल कॉलोनी से शुरुआत की और उसे कई अलग-अलग रेखाओं (lines) में विभाजित किया। उन्होंने इन रेखाओं को बार-बार 'कोल्ड शॉक' (ठंड के झटके) दिए, जो एक ऐसे कठोर शीतकाल की नकल थी जो कभी समाप्त नहीं होता। प्रयोगशाला में, उन्होंने दो रेखाओं के साथ प्रयोग चलाया, जबकि एक विश्वविद्यालय पाठ्यक्रम में, छात्रों ने चालीस छह और रेखाओं का प्रबंधन किया, जिनमें से प्रत्येक ठंडेपन के संपर्क के थोड़े अलग शेड्यूल का पालन कर रही थी। इस तनाव के कुछ महीनों के बाद, परिणाम चौंकाने वाले थे। लगभग आधी रेखाओं में, शैवालों ने तब भी विशिष्ट कोशिकाएं बनाना शुरू कर दिया जब वे ठंडे नहीं थे। वह अस्थायी प्रतिक्रियाशील बदलाव जीव का एक स्थायी लक्षण बन गया था।

एक विशिष्ट रेखा, जिसका शोधकर्ताओं ने बारीकी से अनुसरण किया, और भी आगे निकल गई। इस वंश में, हर एक कॉलोनी ने तापमान की परवाह किए बिना विशिष्ट कोशिकाएं उत्पन्न कीं। शैवाल एक लचीली, अविभेदित अवस्था से एक 'ओब्लिगेट' (अनिवार्य) अवस्था में विकसित हो गए थे, जिसका अर्थ है कि विशेषज्ञता अब उनके जीव विज्ञान का एक निश्चित नियम बन गई थी। यह पहली बार है जब वैज्ञानिकों ने प्रयोगशाला सेटिंग में 'ओब्लिगेट सोमैटिक डिफरेंशिएशन' वाला जीव सफलतापूर्वक बनाया है। शोधकर्ताओं ने पाया कि नई रेखाओं में इन विशिष्ट कोशिकाओं का अनुपात प्लीओडेरिना (Pleodorina) नामक शैवाल के एक संबंधित वंश में देखा जाने वाला अनुपात है, जिसमें यह लक्षण प्राकृतिक रूप से कई बार विकसित हुआ है। प्रयोग ने दिखाया कि एक नए प्रकार के जीव का मार्ग मौजूदा पर्यावरणीय प्रतिक्रिया को संशोधित करके बनाया जा सकता है।

यह समझने के लिए कि यह कैसे हुआ, टीम ने विकसित शैवालों के डीएनए का अनुक्रम (sequence) किया और इसकी तुलना मूल, अनविकसित संस्करण से की। उन्होंने पाया कि परिवर्तन यादृच्छिक नहीं थे। उत्परिवर्तन (mutations) उन जीन में हुए जो यह नियंत्रित करते हैं कि जीव ठंड के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देता है और यह निर्णय कैसे लेता है कि किन कोशिकाओं को विशिष्ट बनना चाहिए। मूल शैवाल में, ये दो प्रक्रियाएं अलग-अलग हैं: ठंड एक अस्थायी परिवर्तन को प्रेरित करती है, और विकास सामान्य रूप से होता है। विकसित शैवालों में, इन दो प्रक्रियाओं के लिए जेनेटिक स्विच आपस में मिल गए थे। वे जीन जो आमतौर पर केवल ठंड के झटके के दौरान सक्रिय होते थे, अब स्थायी रूप से सक्रिय थे, जिससे कोशिकाओं को हर समय विशिष्ट बनने के लिए मजबूर होना पड़ा। यह सुझाव देता है कि विकास ने शून्य से कोई नया तंत्र नहीं बनाया; इसके बजाय, इसने एक मौजूदा उपकरण—ठंड की प्रतिक्रिया—को लिया और इसे एक नए उद्देश्य के लिए पुनर्गठित किया।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि यह संक्रमण आश्चर्यजनक रूप से तेज़ हुआ। कुछ ही महीनों और कुछ दर्जन पीढ़ियों के भीतर, शैवालों ने सरल, एक जैसी कोशिकाओं वाली कॉलोनी से एक अधिक जटिल व्यक्तिगत इकाई (division of labor के साथ) में संक्रमण की दहलीज को पार कर लिया था। यह तीव्र परिवर्तन इस विचार का समर्थन करता है कि जब कोई जीव तनाव के जवाब में अपना रूप बदलने में पहले से ही सक्षम होता है, तो उस परिवर्तन का स्थायी होना बहुत आसान हो जाता है। शोधकर्ताओं ने देखा कि शैवालों को जितना अधिक तनाव के संपर्क में लाया गया, उनके इस स्थायी विशेषज्ञता को विकसित करने की संभावना उतनी ही अधिक थी। ऐसा प्रतीत होता है कि वातावरण ने एक मार्गदर्शक के रूप में कार्य किया, जिसने उन जेनेटिक परिवर्तनों को चुना जिन्होंने एक उपयोगी अस्तित्व रणनीति को सुरक्षित कर दिया।

यह कार्य जीवन के इतिहास के सबसे महत्वपूर्ण चरणों में से एक में एक स्पष्ट खिड़की प्रदान करता है: सरल, एकल-कोशिकीय अस्तित्व से जटिल, बहुकोशिकीय व्यक्तित्व की ओर संक्रमण। यह दिखाता है कि एक नए प्रकार के अस्तित्व की छलांग के लिए हमेशा यादृच्छिक उत्परिवर्तनों के लंबे, धीमे मार्च की आवश्यकता नहीं होती है। कभी-कभी, यह तब हो सकता है जब किसी जीव को उसकी सीमाओं तक धकेला जाता है, और वह जेनेटिक मशीनरी जो उस दबाव में जीवित रहने में मदद करती है, उसे कुछ नया बनाने के लिए पुन: उपयोग किया जाता है। इन नन्हे हरे उपनिवेशों को वास्तविक समय में विकसित होते देखकर, वैज्ञानिकों ने प्रदर्शित किया है कि जीवन का लचीलापन केवल एक बुरे दिन में जीवित रहने का तरीका नहीं है; यह जीवन जीने के एक पूरे नए तरीके की नींव हो सकता है।