Corallimorpharian genome supports the monophyly of Scleractinia and illuminates the cellular evolution of coral calcification
यह अध्ययन कोरलिमॉर्फेरियन *रिकॉर्डिया युमा* (Ricordea yuma) के गुणसूत्र-स्तरीय जीनोम का उपयोग करके स्टोनी कोरल के सिस्टर ग्रुप के रूप में इसकी स्थिति की पुष्टि करता है, जिससे यह पता चलता है कि कोरल कैल्सीफिकेशन एक विशिष्ट कैलिकोब्लास्ट सेल अवस्था के उद्भव और वंश-विशिष्ट नवाचारों एवं सह-विकल्पित पूर्वज जीन दोनों से निर्मित बायोमिनरलाइजेशन टूलकिट के संयोजन के माध्यम से विकसित हुआ।
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महासागर का तल पृथ्वी के कुछ सबसे जीवंत और जटिल पारिस्थितिक तंत्रों का घर है: मूंगा चट्टानें (कोरल रीफ)। ये पानी के नीचे के शहर स्टोनी कोरल (stony corals) द्वारा बनाए जाते हैं, जो सूक्ष्म जीव हैं जो कैल्शियम कार्बोनेट से विशाल, कठोर कंकाल का निर्माण करते हैं। कैल्सीफिकेशन (calcification) के रूप में जानी जाने वाली यह प्रक्रिया उस भौतिक आधार का निर्माण करती है जो विविध समुद्री जीवन को सहारा देती है। हालाँकि, प्रकृति अक्सर ऐसी पहेलियाँ पेश करती है जहाँ दो समूहों के जानवर लगभग एक जैसे दिखते हैं लेकिन व्यवहार बहुत अलग करते हैं। ऐसा ही एक रहस्य कोरलिमोरफ़ेफ़ेरियन (corallimorpharians) से जुड़ा है, जिन्हें "नेकेड कोरल" (naked corals) या मशरूम एनीमोन भी कहा जाता है। वे स्टोनी कोरल के समान बुनियादी शारीरिक आकार और कई जैविक गुणों को साझा करते हैं, फिर भी उनमें कोई कठोर कंकाल नहीं होता है। दशकों से, वैज्ञानिक इस बात पर बहस कर रहे हैं कि क्या ये नेकेड कोरल वास्तव में स्टोनी कोरल हैं जिन्होंने समय के साथ अपने कठोर कवच खो दिए हैं, शायद तब एक उत्तरजीविता रणनीति के रूप में जब समुद्र बहुत अम्लीय हो गया था, या वे परिवार के पेड़ की एक अलग शाखा हैं जिनके पास कभी कंकाल था ही नहीं। इस प्रश्न को सुलझाना महत्वपूर्ण है क्योंकि यह हमारी समझ को बदल देता है कि रीफ बनाने का इतिहास क्या है और ये जीव आज बदलते जलवायु के प्रति कैसे प्रतिक्रिया दे सकते हैं।
इस बहस को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम ने जीवन के सबसे मौलिक ब्लूप्रिंट की ओर रुख किया: जीनोम। उन्होंने नेकेड कोरल के एक विशिष्ट प्रकार, Ricordea yuma पर ध्यान केंद्रित किया, जो ताइवान के पानी में पाया जाता है। इसके संपूर्ण जेनेटिक कोड को बहुत उच्च स्तर के विवरण के साथ अनुक्रमित (sequencing) करके, वैज्ञानिक इसके गुणसूत्रों (chromosomes) की बड़े पैमाने पर संरचना का अध्ययन करने में सक्षम हुए। इस अध्ययन में, उन्होंने गुणसूत्रों को केवल जीन के कंटेनर के रूप में नहीं, बल्कि ऐतिहासिक दस्तावेजों के रूप में माना। लाखों वर्षों में, गुणसूत्र एक विशिष्ट वंश के अनुसार आपस में जुड़ सकते हैं या टूट सकते हैं। शोधकर्ताओं ने Ricordea yuma की गुणसूत्र संरचना की तुलना विभिन्न स्टोनी कोरल, सी एनीमोन और ब्लैक कोरल से की। उन्होंने पाया कि सभी स्टोनी कोरल, चाहे उन्हें "रोबस्ट" (robust) या "कॉम्प्लेक्स" (complex) प्रकार के रूप में वर्गीकृत किया गया हो, तीन विशिष्ट गुणसूत्र संलयन (chromosome fusions) साझा करते हैं जो नेकेड कोरल में पूरी तरह से अनुपस्थित हैं। यह निष्कर्ष स्टोनी कोरल के एक एकल, एकीकृत परिवार समूह होने का पुख्ता, स्वतंत्र प्रमाण प्रदान करता है। इसका अर्थ है कि नेकेड कोरल खोए हुए स्टोनी कोरल नहीं हैं; बल्कि, वे पूरे कंकाल बनाने वाले कोरल समूह के निकटतम जीवित संबंधी हैं, जो उनसे पहले अलग हुए थे जब पहला कठोर कंकाल विकसित हुआ था।
परिवार के पेड़ को स्पष्ट करने के बाद, शोधकर्ताओं ने पूछा कि वास्तव में कंकाल बनाने की क्षमता कैसे आई। वे जानते थे कि स्टोनी कोरल कंकाल बनाने के लिए एक विशेष प्रकार की त्वचा कोशिका, जिसे कैलिकोब्लास्ट (calicoblast) कहा जाता है, का उपयोग करते हैं। वे आश्चर्य कर रहे थे कि क्या नेकेड कोरल के पास इस प्रकार की एक छिपी हुई, सुप्त (dormant) संस्करण मौजूद है, जो पुन: सक्रिय होने की प्रतीक्षा कर रही है, या क्या यह कोशिका प्रकार स्टोनी कोरल के लिए एक बिल्कुल नया आविष्कार था। यह पता लगाने के लिए, टीम ने नेकेड कोरल और एक कंकाल बनाने वाले कोरल, Galaxea fascicularis से व्यक्तिगत कोशिकाओं के जीन गतिविधि के विस्तृत मानचित्र बनाए। उन्होंने पाया कि जबकि दोनों जीवों में कई समान बुनियादी कोशिका प्रकार थे, नेकेड कोरल में कैलिकोब्लास्ट का विशिष्ट जेनेटिक सिग्नेचर पूरी तरह से गायब था। कंकाल बनाने वाला कोरल एक विशिष्ट कोशिकीय अवस्था विकसित कर चुका था जो उसके नेकेड संबंधी में मौजूद नहीं थी। यह सुझाव देता है कि रीफ बनाने की क्षमता किसी पुराने स्विच को वापस चालू करने का मामला नहीं था, बल्कि एक पूरी तरह से नए प्रकार की कोशिका का विकास था।
अध्ययन ने इन कोशिकाओं द्वारा उपयोग किए जाने वाले आणविक उपकरणों (molecular tools) को भी देखा। शोधकर्ताओं ने पाया कि कंकाल बनाने के लिए टूलकिट पुराने और नए हिस्सों का मिश्रण है। स्टोनी कोरल द्वारा उपयोग किए जाने वाले कुछ जीन प्राचीन हैं, जो नेकेड कोरल और अन्य सी एनीमोन के साथ साझा किए जाते हैं, और संभवतः सामान्य त्वचा कार्यों या ऊतक मरम्मत (tissue repair) के लिए उपयोग किए जाते थे। हालाँकि, अध्ययन ने जीनों के एक महत्वपूर्ण सेट की पहचान की जो केवल स्टोनी कोरल के लिए अद्वितीय हैं। ये नए जीन, जिनमें वे प्रोटीन शामिल हैं जो खनिजों को परिवहन करने और कंकाल के संरचनात्मक मैट्रिक्स को बनाने में मदद करते हैं, विशेष रूप से कठोर कवच के निर्माण का समर्थन करने के लिए विकसित हुए प्रतीत होते हैं। यह देखने के अध्ययन के दौरान कि जब एक कोरल पॉलिप घायल होता है और उसे ठीक होने की आवश्यकता होती है तो ये जीन कैसे व्यवहार करते हैं, टीम ने देखा कि कंकाल बनने से बहुत पहले ही सामान्य ऊतक रखरखाव और मरम्मत के दौरान कई कंकाल बनाने वाले जीन सक्रिय होते हैं। यह इंगित करता है कि रीफ बनाने की प्रक्रिया के विकास में मौजूदा जीनों को नए उद्देश्यों के लिए नियुक्त करना और एक समर्पित कोशिका प्रकार बनाने के लिए विशिष्ट जीनों के एक समूह को जोड़ना शामिल था।
अंत में, शोधकर्ताओं ने इन विकासवादी घटनाओं को एक समयरेखा (timeline) पर रखा। समूहों के बीच आनुवंशिक अंतरों की तुलना करके और जीवाश्म रिकॉर्ड के साथ तालमेल बिठाकर, उन्होंने अनुमान लगाया कि नेकेड कोरल और स्टोनी कोरल के बीच का विभाजन लगभग 388 मिलियन वर्ष पहले हुआ था। कंकाल का विकास और स्टोनी कोरल के क्राउन समूह का उदय बाद में, लगभग 300 मिलियन वर्ष पहले हुआ। यह समय पृथ्वी के इतिहास के एक ऐसे कालखंड के साथ मेल खाता है जब महासागर की रसायन विज्ञान बदल गई थी जिससे एरागोनाइट (aragonite) के निर्माण के अनुकूल परिस्थितियाँ बनी थीं, जो कि क्रिस्टल का वह विशिष्ट प्रकार है जिससे कोरल कंकाल बनते हैं। साक्ष्य बताते हैं कि कंकाल अचानक किसी संकट की प्रतिक्रिया में नहीं आया, बल्कि यह तब धीरे-धीरे उभरा जब महासागर की स्थितियाँ इस प्रकार के खनिजीकरण (mineralization) के लिए अधिक अनुकूल हो गईं। अध्ययन का निष्कर्ष है कि कोरल रीफ का उदय एक प्रमुख विकासवादी संक्रमण था जो एक नए कोशिका प्रकार और एक विशेष जेनेटिक टूलकिट के समन्वित विकास द्वारा संचालित था, जिसने एक कोमल शरीर वाले जीव को दुनिया के सबसे जैव-विविध समुद्री पारिस्थितिक तंत्रों के वास्तुकार में बदल दिया।
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