From promiscuity to specialization: The origin of cholinergic and monoaminergic signaling is pre-bilaterian
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि कोलिनेर्जिक और मोनोअमीनर्जिक सिग्नलिंग प्रणालियाँ प्री-बाइलेटरियन (pre-bilaterian) पूर्वजों में न्यूरोनल और गैर-न्यूरोनल कोशिकाओं के बीच साझा की जाने वाली सामान्यवादी, व्यापक-विशिष्टता वाली मशीनरी के माध्यम से उत्पन्न हुई थीं, जबकि विशेषीकृत, समर्पित घटकों का बाद का विकास विशेष रूप से बाइलेटेरिया (Bilateria) के भीतर हुआ।
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एक सदी से भी अधिक समय से, जीवविज्ञानी इस बात को समझते आए हैं कि जानवर एक जटिल रासायनिक भाषा के माध्यम से संचार करते हैं। तंत्रिका कोशिकाएं (nerve cells) सूक्ष्म अणुओं को छोड़ती हैं जिन्हें न्यूरोट्रांसमीटर कहा जाता है ताकि अन्य कोशिकाओं को निर्देश दिया जा सके, चाहे वह मांसपेशियों को सिकोड़ना हो, मस्तिष्क को संकेत भेजना हो, या व्यवहार बदलना हो। इन संदेशवाहकों में सबसे महत्वपूर्ण में से एक 'बायोजेनिक एमाइन्स' (biogenic amines) का समूह है, जिसमें डोपामाइन और सेरोटोनिन जैसे परिचित पदार्थ, साथ ही एसिटाइलकोलाइन (acetylcholine) भी शामिल हैं। दशकों तक, प्रचलित दृष्टिकोण यह था कि यह परिष्कृत रासायनिक प्रणाली एक अपेक्षाकृत हालिया आविष्कार थी, जो केवल तभी प्रकट हुई जब जटिल, द्विपक्षीय (bilateral) जानवर—ऐसे जीव जिनके पास मनुष्यों, कीटों और कृमियों की तरह एक बायां और दायां भाग होता है—विकसित हुए। यह विचार था कि स्पंज और जेलीफ़िश जैसे सरल जानवरों में इन संकेतों को बनाने, ले जाने और प्राप्त करने के लिए आवश्यक विशिष्ट आणविक मशीनरी की कमी थी, और वे इसके बजाय अधिक आदिम संचार रूपों पर निर्भर थे।
एक नया अध्ययन इस लंबे समय से चले आ रहे कालक्रम को चुनौती देता है, जो यह सुझाव देता है कि हमारे अपने तंत्रिका तंत्र की जड़ें जीवन के इतिहास में बहुत गहरी हैं। पृथ्वी के सबसे सरल जीवों का परीक्षण करके, शोधकर्ताओं ने पाया कि इस सिग्नलिंग सिस्टम के लिए आवश्यक रासायनिक उपकरण पहले द्विपक्षीय जानवर के तैरने से बहुत पहले ही मौजूद थे। उन्होंने खोजा कि इन प्राचीन जीवों के पास इन न्यूरोट्रांसमीटरों को बनाने और उपयोग करने के लिए समान बुनियादी सामग्री है, लेकिन वे इनका उपयोग बहुत अधिक सामान्य और लचीले तरीके से करते हैं। मनुष्यों और अन्य उन्नत जानवरों में देखा जाने वाला जटिल, विशिष्ट प्रणाली, एक प्राचीन, बहुमुखी टूलकिट का एक बाद का परिष्कृत रूप प्रतीत होती है जो सभी जानवरों के सामान्य पूर्वज में पहले से ही मौजूद था।
शोधकर्ताओं ने यह परीक्षण करने के लिए प्रयास किया कि क्या ये रासायनिक संकेत वास्तव में शुरुआती जानवरों में अनुपस्थित थे या उन्हें बस अनदेखा कर दिया गया था। उन्होंने पशु परिवार वृक्ष की विभिन्न शाखाओं का प्रतिनिधित्व करने वाले चार अलग-अलग प्रजातियों के नमूने एकत्र किए: एक मीठे पानी का स्पंज, 'हाइड्रा' (Hydra) नामक एक छोटा मीठा पानी का पॉलिप, एक सी एनीमोन (sea anemone), और एक समुद्री कृमि। अत्यधिक संवेदनशील रासायनिक विश्लेषण का उपयोग करते हुए, उन्होंने विभिन्न बायोजेनिक एमाइन्स की उपस्थिति की जांच की। परिणाम स्पष्ट थे: स्पंज, पॉलिप और सी एनीमोन तीनों में एसिटाइलकोलाइन, डोपेमाइन, हिस्टामाइन, एड्रेनालिन और कई अन्य संबंधित यौगिकों की मापने योग्य मात्रा मौजूद थी। स्पंज में एड्रेनालिन भी पाया गया, जो एक ऐसा पदार्थ है जो वर्टेब्रेट्स (कशेरुकी जीवों) में अक्सर "लड़ो या भागो" (fight or flight) की प्रतिक्रिया से जुड़ा होता है। इस खोज ने अकेले ही यह सिद्ध कर दिया कि ये अणु जटिल जानवरों के विशेष नहीं थे; वे उन जीवों में भी मौजूद थे जिनमें केंद्रीय मस्तिष्क या हमारी तरह तंत्रिका तंत्र का अभाव होता है।
अगला कदम यह समझना था कि ये जीव इन रसायनों को कैसे बनाते हैं। जटिल जानवरों में, विशिष्ट न्यूरोट्रांसमीटरों के उत्पादन का कार्य अत्यधिक विशिष्ट एंजाइमों द्वारा संभाला जाता है, जिनमें से प्रत्येक को केवल एक विशिष्ट अणु बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। शोधकर्ताओं ने पाया कि प्राचीन जानवरों के पास ये विशिष्ट एंजाइम नहीं थे। इसके बजाय, उनके पास पुराने, अधिक लचीले संस्करण थे। ये पूर्वज एंजाइम "प्रॉमिसक्यूअस" (promiscuous - अर्थात विविध कार्यों में सक्षम) थे, जिसका अर्थ है कि एक ही एंजाइम एक ही शुरुआती सामग्री से विभिन्न प्रकार के रासायनिक संदेशवाहक बना सकता था। उदाहरण के लिए, मनुष्यों में एसिटाइलकोलाइन बनाने के लिए जिम्मेदार एंजाइम एक समर्पित विशेषज्ञ है। स्पंज और पॉलिप में, इसके समकक्ष एंजाइम एक सामान्यवादी (generalist) है जो मुख्य रूप से एक अलग चयापचय कार्य को संभालता है लेकिन एसिटाइलकोलाइन भी एक दुष्प्रभाव के रूप में बना सकता है। यह सुझाव देता है कि इन संकेतों को बनाने की क्षमता के लिए किसी समर्पित आविष्कार की आवश्यकता नहीं थी; यह उन चयापचय प्रक्रियाओं से स्वाभाविक रूप से उत्पन्न हुई जो पहले से ही प्रारंभिक कोशिकाओं में सक्रिय थीं।
अध्ययन ने यह भी देखा कि इन रसायनों को कैसे स्थानांतरित और प्राप्त किया जाता है। जटिल जानवरों में, विशिष्ट ट्रांसपोर्टर न्यूरोट्रांसमीटरों को छोटे भंडारण बुलबुलों में लोड करते हैं, और कोशिकाओं की सतह पर विशिष्ट रिसेप्टर्स उन्हें पकड़ते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि प्राचीन जानवरों के पास व्यापक-स्पेक्ट्रम वाले ट्रांसपोर्टर और रिसेप्टर्स थे। उनके पास ऐसे ट्रांसपोर्टर थे जो कई प्रकार के अणुओं को ले जाने में सक्षम थे, और ऐसे रिसेप्टर्स थे जो कई अलग-अलग संकेतों से जुड़ सकते थे। हालांकि, उन्हें पॉलिप और सी एनीमोन में एक विशिष्ट प्रणाली का एक महत्वपूर्ण प्रमाण मिला। इन जानवरों में ऐसे रिसेप्टर्स हैं जो विशेष रूप से एसिटाइलकोलाइन से जुड़ते हैं, और उनके पास मांसपेशी जैसी कोशिकाएं हैं जो इस संकेत पर प्रतिक्रिया करती हैं। पॉलिप में, ये रिसेप्टर्स तंत्रिका कोशिकाओं पर पाए जाते हैं, लेकिन वे शरीर की दीवार बनाने वाली कोशिकाओं पर भी पाए जाते हैं, जिससे पता चलता है कि एसिटाइलकोलाइन हमारे अपने शरीर की मांसपेशियों की तरह ही इन सरल जानवरों में गति को समन्वित करने के लिए उपयोग किया जाता है।
यह खोज हमारे तंत्रिका तंत्र के विकास की समझ को नया आकार देती है। यह सुझाव देती है कि तंत्रिका तंत्र की रासायनिक भाषा पहले जटिल जानवर के आने के साथ अचानक प्रकट नहीं हुई थी। इसके बजाय, इसके निर्माण खंड (building blocks) पहले से ही वहां मौजूद थे, जो शुरुआती जानवरों की कोशिकाओं में बिखरे हुए थे। ये कोशिकाएं इन रसायनों का उपयोग सामान्य संचार और चयापचय उद्देश्यों के लिए करती थीं। लाखों वर्षों में, जैसे-जैसे जानवर अधिक जटिल होते गए, इन एंजाइमों और रिसेप्टर्स के जीन की नकल (copying) और संशोधन किया गया। जीन डुपलीकेशन (duplication) की इस प्रक्रिया ने प्रणाली को अधिक विशिष्ट बनने में मदद की, जिससे समर्पित एंजाइम विशिष्ट संकेत बनाने लगे और समर्पित रिसेप्टर्स उन्हें उच्च सटीकता के साथ पढ़ने लगे। इसलिए, मानव मस्तिष्क की जटिल, उच्च-गति संचार प्रणाली एक बिल्कुल नया आविष्कार नहीं है, बल्कि एक प्राचीन, सामान्य-उद्देश्य वाली प्रणाली का एक अत्यधिक परिष्कृत संस्करण है जो जीवन के आरंभ से ही उपयोग में है।
शोधकर्ताओं ने इन निष्कर्षों की पुष्टि करने के लिए इन जानवरों के आनुवंशिक ब्लूप्रिंट का अध्ययन किया। उन्होंने इन रसायनों को बनाने और ले जाने के लिए जिम्मेदार जीनों के विकासवादी इतिहास का पता लगाया, जिससे यह प्रदर्शित हुआ कि मनुष्यों में पाए जाने वाले विशिष्ट संस्करण स्पंज और जेलीफ़िश में पाए जाने वाले व्यापक, लचीले संस्करणों के प्रत्यक्ष वंशज हैं। उन्होंने कंप्यूटर मॉडलिंग का भी उपयोग किया ताकि पॉलिप के रिसेप्टर्स के व्यवहार की भविष्यवाणी की जा सके, जिससे पुष्टि हुई कि वे संरचनात्मक रूप से मानव रिसेप्टर्स की तरह ही मजबूती से एसिटाइलकोलाइन से जुड़ने में सक्षम हैं। रासायनिक पहचान, आनुवंशिक विश्लेषण और संरचनात्मक मॉडलिंग का यह संगम अतीत की एक सशक्त तस्वीर प्रस्तुत करता है। यह दर्शाता है कि एक सरल, सामान्य रासायनिक संकेत से एक जटिल, विशिष्ट तंत्रिका तंत्र में संक्रमण एक क्रमिक विशेषज्ञता की प्रक्रिया थी, न कि कोई अचानक छलांग।
इस कार्य के निहितार्थ केवल अतीत को समझने तक सीमित नहीं हैं। यह सुझाव देता है कि कोशिकीय संचार के मौलिक तंत्र संपूर्ण प्राणी जगत में गहराई से संरक्षित हैं। छोटे अणुओं का उपयोग करके कोशिका के व्यवहार को प्रभावित करने की क्षमता उन गुणों में से एक है जो शुरुआती बहुकोशिकीय जानवरों के समय से चली आ रही है। विशिष्ट प्रणालियाँ जिन्हें हम मनुष्यों में देखते हैं, वे इसी प्राचीन आधार पर निर्मित हैं। सरलतम जीवों का अध्ययन करके, वैज्ञानिक देख सकते हैं कि हमारे अपने जटिल जीव विज्ञान का निर्माण किन कच्चे माल से हुआ था। अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि रासायनिक सिग्नलिंग सिस्टम जिस पर हम विचार, गति और संवेदना के लिए भरोसा करते हैं, वे हमारे अद्वितीय नहीं हैं, बल्कि एक सामान्य पूर्वज से विरासत में मिले गुण हैं जो सैकड़ों मिलियन वर्षों पहले अस्तित्व में था, इससे भी बहुत पहले जब पहला द्विपक्षीय जानवर अस्तित्व में आया था।
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