एक उत्परिवर्तन ने चींटियों को एक पीढ़ी में परजीवियों में बदल दिया

जब शोधकर्ता डेनियल क्रोनॉयर 2008 में अभी भी एक पोस्टडॉक था, उसने क्लोनल रेडर चींटियों (प्रजातियों) के जंगली नमूनों के लिए ओकिनावा, जापान की यात्रा की Ooceraea बिरोई). पहली कॉलोनी में उन्होंने इकट्ठा किया, उन्होंने दो चींटियों को एक अजीब उपस्थिति के साथ देखा। वे श्रमिकों की तरह छोटे थे, लेकिन उन्होंने छोटे पंखों वाली कलियों को भी स्पोर्ट किया, जो हड़ताली थी क्योंकि आमतौर पर केवल चींटी रानियों के पंख विकसित होते हैं। जो चीज इसे और भी अजनबी बनाती थी वह यह थी कि क्लोनल रेडर चींटियों की रानियां भी नहीं होतीं: अपने नाम के अनुसार, ये चींटियां अलैंगिक रूप से प्रजनन करती हैं, इसलिए एक कॉलोनी में सभी चींटियां लगभग पूर्ण आनुवंशिक क्लोन हैं।

क्रोनॉयर को छोटी रानियों ने आकर्षित किया क्योंकि वे अन्य क्लोनल रेडर चींटियों से बहुत अलग दिखती थीं, हालांकि वह उन्हें एक ही प्रजाति का मानते थे। लेकिन उनके सवालों के जवाब नहीं मिल रहे थे, इसलिए उन्होंने कुछ नमूने लिए, रिकॉर्ड के लिए कुछ तस्वीरें लीं और फिर अपने काम में लग गए।

कुछ साल बाद, क्रोनॉयर ने रॉकफेलर विश्वविद्यालय में एक प्रयोगशाला स्थापित की और अध्ययन के लिए क्लोनल रेडर चींटियों की एक कॉलोनी स्थापित की। एक दिन, उनके तत्कालीन डॉक्टरेट छात्र बक ट्राइबल उस कॉलोनी में कुछ और विषम लघु रानियों को पाया और उनका चरित्र चित्रण करने का फैसला किया।

ट्राइबल ने पाया कि पंख चींटियों की केवल असामान्य विशेषता नहीं थे। अजीब चींटियों ने अलग-अलग सामाजिक व्यवहार भी दिखाए, बड़े अंडाशय थे और दो बार अंडे दिए। आनुवंशिक उपकरणों का उपयोग करते हुए, उन्होंने इन सभी परिवर्तनों को डीएनए के 2.25 मिलियन-बेस-जोड़ी-लंबे खंड में खोजा। साधारण चींटियों में, उनके गुणसूत्र 13 की दो प्रतियों में से प्रत्येक पर डीएनए अलग था। लेकिन लघु-रानी चींटियों में, दो प्रतियाँ एक जैसी थीं।

ट्राइबल, क्रोनौर और उनके सहयोगियों के रूप में मार्च में सूचना दी in वर्तमान जीवविज्ञान, अजीब चींटियों की सभी विशेषताएं - पंख, सामाजिक व्यवहार और प्रजनन लक्षण - आनुवंशिकीविद एक सुपरजीन कहते हैं, जीन का एक संग्रह जो एक इकाई के रूप में विरासत में मिला है और टूटने के लिए अत्यधिक प्रतिरोधी है। अपने विकास के किसी बिंदु पर, चींटियों ने उस सुपरजीन की दूसरी प्रति प्राप्त कर ली थी, और उस क्रोमोसोमल परिवर्तन ने उनके शरीर और व्यवहार को बदल दिया था। निष्कर्षों ने एक नए तंत्र का सुझाव दिया कि कैसे शरीर के अंगों और व्यवहारों के जटिल संयोजन कभी-कभी विकास में एक साथ सतह पर आ सकते हैं: एक उत्परिवर्तन के माध्यम से जो एक सुपरजेन को डुप्लिकेट करता है, एक प्रकाश स्विच द्वारा नियंत्रित रोशनी के तार जैसे लक्षणों के पूरे सूट पर टॉगल करता है।

चींटी के शोधकर्ता काम से उत्साहित हैं, और सिर्फ इसलिए नहीं कि यह दशकों पुराने रहस्य को सुलझाता है कि कीड़ों में कम से कम एक प्रकार का सामाजिक परजीवीवाद कैसे विकसित होता है। सुपरजीन की खोज से उन्हें चींटियों की आनुवंशिक संरचना में लंबे समय से मांगी गई विशेषताओं को पिन करने में मदद मिल सकती है जो उनकी कॉलोनियों को रानियों और श्रमिकों की पदानुक्रमित जातियों के रूप में विकसित करती हैं।

अधिक व्यापक रूप से, नया अध्ययन मौलिक विकासवादी प्रश्न में अंतर्दृष्टि प्रदान करता है कि एक प्रजाति में व्यक्ति कितने अलग हो सकते हैं।

"इस अध्ययन के बारे में सबसे रोमांचक बात यह है कि यह भविष्य की कितनी दिशाओं को खोलता है," कहा जेसिका परसेलकैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, रिवरसाइड में एक विकासवादी आनुवंशिकीविद्, जो चींटी जीनोम का अध्ययन करते हैं।

परजीवीवाद का एक विरोधाभास

चींटियां क्रोनौर और ट्राइबल जैसे शोधकर्ताओं का ध्यान आकर्षित करती हैं क्योंकि अधिकांश प्रजातियों की एक सामाजिक संरचना होती है जो उनके जीव विज्ञान से जुड़ी होती है। एक विशिष्ट घोंसले में, एक बड़ी, प्रजनन योग्य रानी चींटी छोटी, अनुत्पादक महिला श्रमिकों की सेना की अध्यक्षता करती है जो उसकी बेटियाँ हैं। श्रमिक एक घोंसला बनाते हैं, भोजन इकट्ठा करते हैं, आक्रमणकारियों को पीछे हटाते हैं और कॉलोनी के युवाओं की देखभाल करते हैं, रानी को केवल अंडे देने के लिए मुक्त करते हैं।

हालाँकि, कुछ चींटियाँ सामाजिक परजीवीवाद के रूपों में संलग्न होकर उस योजना से विदा हो जाती हैं - अर्थात, वे दूसरी चींटी प्रजातियों की सामाजिक संरचना का शोषण करती हैं। गुलाम बनाने वाली चींटियाँ, उदाहरण के लिए, अन्य घोंसलों से लार्वा चुराती हैं और रासायनिक रूप से उन्हें गुलामों की रानी की सेवा करने वाले श्रमिक बनने के लिए छाप देती हैं।

कई दशक पहले, शोधकर्ताओं ने देखा कि कुछ चींटियों की प्रजातियां अधिक गुप्त प्रकार के परजीवीवाद को नियोजित करती हैं। परजीवियों ने अपनी कार्यकर्ता जाति खो दी है। जीवित रहने के लिए, उनकी छोटी रानियां अन्य चींटियों की कॉलोनियों में घुसपैठ करती हैं और वहां अंडे देती हैं। शोषित मेज़बान कर्मचारी तब उनके लिए सब कुछ करते हैं, उनके बच्चों की देखभाल से लेकर उनकी रक्षा और उन्हें खिलाने तक। प्रजातियों के बीच इस तरह के संबंध को बाध्यकारी परजीवीवाद कहा जाता है, क्योंकि परजीवी अपने दम पर जीवित नहीं रह सकते।

ये कार्यकर्ता रहित सामाजिक परजीवी, जिन्हें कभी-कभी पूछताछ कहा जाता है ("किरायेदारों" के लिए लैटिन शब्द से), एक विशिष्ट उपस्थिति है जो मानव आंखों के लिए आसानी से उन्हें अपने मेजबानों से अलग करती है। लेकिन उनकी परजीवी योजना सफल हो जाती है क्योंकि उन्होंने खुद को छिपाने के लिए मेजबान घोंसले से रासायनिक गंधों को चुराने के तरीके विकसित कर लिए हैं।

जीनोमिक विश्लेषणों से पता चला है कि चींटियों की जिज्ञासु प्रजातियां दर्जनों बार स्वतंत्र रूप से विकसित हुई हैं, और उनमें से लगभग सभी निकट संबंधी प्रजातियों पर परजीवी हैं जो सामान्य रूप से चींटियों की तरह दिखती और व्यवहार करती हैं। विकासवादी जीवविज्ञानी के लिए, जिसने एक रहस्य बना दिया: बाध्यकारी सामाजिक परजीवियों की एक नई प्रजाति अपनी मेजबान प्रजातियों से कैसे विकसित हो सकती है? यदि उनके पूर्वज एक ही घोंसले में एक साथ रहते थे, तो वे बहुत आसानी से आपस में जुड़ जाते।

कई वर्षों के लिए, शोधकर्ताओं ने परिकल्पना की कि प्रारंभिक चरण प्रजनन अलगाव था: पूछताछ के शुरुआती पूर्वज सामान्य चींटियां थीं जो अपने परिजनों से प्रजनन रूप से काफी लंबे समय तक अलग-थलग थीं और उनसे आनुवंशिक रूप से अलग हो गईं और एक नई प्रजाति बन गईं। वे अपने दम पर जी सकते थे, लेकिन उनमें से कुछ ने अंततः मदद के लिए अपने पूर्वजों के घोंसलों में वापस घुसने के लाभों की खोज की। अपने यजमानों पर उनकी निर्भरता धीरे-धीरे बढ़ती गई, और वे परजीवीवाद को बाध्य करने के लिए वैकल्पिक या "वैकल्पिक" परजीवीवाद की स्थिति से विकसित हुए।

क्रोनॉयर ने समझाया कि उस विचार के साथ समस्या यह है कि जंगली में किसी ने कभी भी यह नहीं देखा है कि प्रक्रिया का एक आवश्यक, प्रारंभिक चरण क्या होना चाहिए: अपने करीबी रिश्तेदारों से अलगाव में रहने वाले मुक्त-जीवित, ऐच्छिक सामाजिक परजीवी।

ट्राइबल और क्रोनॉयर के नए निष्कर्ष पिछली धारणाओं को उलट देते हैं। उनका वैकल्पिक परिदृश्य क्लोनल रेडर चींटियों में बेमेल सुपरजेन की जोड़ी पर केंद्रित था। इतिहास में किसी समय, उन चींटियों में से एक ने एक उत्परिवर्तन का अनुभव किया था जिसने सुपरजीन को एक गुणसूत्र पर दूसरे गुणसूत्र से सुपरजीन की एक प्रति के साथ बदल दिया था। सुपरजीन के "परजीवी" संस्करण की दो प्रतियों के साथ परिणामी उत्परिवर्ती चींटी अचानक एक लघु रानी के रूप में विकसित हो सकती थी जो एक जिज्ञासु की तरह दिखती थी।

काम से पता चला है कि एक सुपरजीन में एक एकल उत्परिवर्तन बाध्य परजीवी में देखे गए परिवर्तनों के पूर्ण सूट का उत्पादन करने के लिए पर्याप्त था, इससे पहले कि चींटियों को अटकलों से विभाजित किया गया था।

ट्राइबल ने कहा, "आप एक चरण में मुक्त-जीवित से अनिवार्य रूप से परजीवी तक जा सकते हैं, और आपको कई क्रमिक कदम उठाने की आवश्यकता नहीं है, जिसमें प्रजननात्मक रूप से पृथक वैकल्पिक मध्यवर्ती आबादी शामिल है।" "हम जो सुनिश्चित कर सकते हैं वह यह है कि एक मुक्त रहने वाले माता-पिता की एक बेटी थी जो तुरंत एक बाध्यकारी परजीवी थी।"

उन्होंने जारी रखा: "यह वह परिदृश्य है जिसे शास्त्रीय विकासवादी सिद्धांतकारों में से किसी ने कभी भी मनोरंजन नहीं किया था, क्योंकि यह ऐसा परिदृश्य था जिसे आपके द्वारा लेने के लिए बहुत बड़ी छलांग माना गया था।"

तथ्य यह है कि एक एकल उत्परिवर्तन इन सभी लक्षणों को एक ही चरण में स्थानांतरित कर सकता है "वास्तव में इन अजीब, कार्यकर्ता रहित सामाजिक परजीवियों के विकास के बारे में सोचने के तरीके को बदल देता है," क्रोनॉयर ने कहा।

सुपरजेन्स की ताकत

क्रोमोसोम 13 पर सुपरजेन के विकासवादी इतिहास के बारे में बहुत कम जानकारी है जो सामाजिक परजीवी फेनोटाइप प्रदान करता है। हालांकि, यह रेडर चींटियों की तरह क्लोनल प्रजातियों में विकसित होने की संभावना नहीं है। "प्रतिरूप चींटियां सुपरजेन्स की तलाश के लिए अंतिम स्थान रही होंगी," कहा मिशेल चापुइसैट, जो स्विट्जरलैंड में लुसाने विश्वविद्यालय में चींटी सुपरजेन का अध्ययन करते हैं।

इसका कारण यह है कि क्लोनल प्रजातियों में सभी चींटियां आनुवंशिक रूप से समान होती हैं: यादृच्छिक उत्परिवर्तन एक तरफ, उनके जीनोम माता-पिता से बच्चे तक अपरिवर्तित होते हैं। हालाँकि, कुछ अधिक जटिल यौन प्रजनन प्रजातियों में होता है।

कोशिकाओं में जो अंडे और शुक्राणु का उत्पादन करते हैं, गुणसूत्रों की मातृ और पितृ प्रतियाँ पंक्तिबद्ध होती हैं और डीएनए के संबंधित खंडों की अदला-बदली करती हैं। "पुनर्संयोजन" की यह प्रक्रिया विरासत में मिले लक्षणों के सेट को बेतरतीब ढंग से फेरबदल करने की अनुमति देती है; इसके बिना, जीन हमेशा के लिए मातृ या पितृ वंश में बंद हो जाएंगे।

पुनर्संयोजन के कारण, विभिन्न परजीवी व्यवहारों के लिए जीन को बेतरतीब ढंग से क्रोमोसोम 13 पर एक साथ लाया जा सकता था। प्राकृतिक चयन ने तब उन एलील के संघ का दृढ़ता से समर्थन किया होगा जो एक साथ अच्छी तरह से काम करते थे। "यदि आपके पास परजीवी-निर्धारण करने वाला जीन है, तो आप धीरे-धीरे इसके बगल में अन्य जीनों का एक गुच्छा रख सकते हैं जो परजीवी होने पर [चींटी] को बेहतर और बेहतर बनाते हैं," ट्राइबल ने कहा।

पुनर्संयोजन ने अंततः उन जीनों को फिर से अलग कर दिया होगा, लेकिन एक घातक आनुवंशिक दुर्घटना ने हस्तक्षेप किया। कभी-कभी जब क्षतिग्रस्त होने के बाद गुणसूत्रों की मरम्मत की जा रही होती है, तो डीएनए का एक टुकड़ा उलटे अभिविन्यास में पुन: स्थापित हो जाता है। क्योंकि उलटा डीएनए अपने क्रोमोसोमल समकक्ष के साथ पंक्तिबद्ध नहीं हो सकता है, यह पुनर्संयोजन नहीं कर सकता है, इसलिए डीएनए में किसी भी जीन को स्थायी रूप से एक नई विरासत इकाई - एक सुपरजीन के रूप में एक साथ बंद कर दिया जाता है।

हो सकता है कि गुणसूत्र 13 पर क्या हुआ हो: डीएनए के उस 2.25 मिलियन-बेस-जोड़ी खंड में एक व्युत्क्रम एक सुपरजेन के रूप में सामाजिक परजीवीवाद के लक्षणों को एक साथ बंद कर सकता था, जो तब प्राकृतिक चयन को बनाए रखता था। पुरसेल ने कहा कि बहुत सारे शोध अन्य तरीकों से घिरे हुए हैं जो इस तरह के एक सुपरजीन उभर सकते हैं, लेकिन "एलील होने का इतना मजबूत लाभ है जो एक साथ अच्छी तरह से काम करता है, कम पुनर्संयोजन वाले क्षेत्र में एक साथ लाया जाता है," उसने कहा।

चापुइसैट को लगता है कि यह संभावना है कि क्लोन रेडर चींटियों के यौन पूर्वज में सभी देखे गए परजीवी लक्षणों के लिए सुपरजीन लंबे समय से विकसित हुआ है। परजीवीवाद उन चींटियों में प्रकट हुआ होगा जो सुपरजीन की दो प्रतियाँ ले गई थीं, और एक या बिना प्रतियों वाली चींटियाँ उनकी मेज़बान होंगी। जब रेडर चींटियां प्रतिरूप और विषमयुग्मजी बन गईं, सुपरजीन की सिर्फ एक प्रति के साथ, परजीवी व्यवहार गायब हो गया - लेकिन सुपरजीन कायम रहा। और जब एक उत्परिवर्तन ने अंततः नए समरूप क्लोनल हमलावरों का निर्माण किया, तो सुप्त सुपरजीन लक्षणों को फिर से सक्रिय कर दिया गया और रातोंरात लघु रानी म्यूटेंट दिखाई दिए।

गुणसूत्र पुनर्व्यवस्था और विकास

यह चींटी सुपरजीन एक पृथक उदाहरण से बहुत दूर है; यदि कुछ भी हो, तो यह अधिक सामान्य और अभी भी कम प्रशंसित तरीके को चित्रित कर सकता है जिसमें कई जटिल लक्षण विकसित होते हैं।

"अधिक से अधिक अध्ययन हैं जो हमें दिखाते हैं कि जीनोम पुनर्गठन का व्यवहार और प्रजातियों के सामाजिक संगठन पर मौलिक प्रभाव हो सकता है," कहा क्रिश्चियन रबेलिंगस्टटगार्ट, जर्मनी में होहेनहेम विश्वविद्यालय में एक एंटोमोलॉजिस्ट, जो अध्ययन करता है कि चींटियों में सामाजिक परजीवीवाद कैसे विकसित हुआ।

30 मिलियन वर्ष पुराने यौन प्रजनन जीनस में फॉर्मिका चींटियों, उदाहरण के लिए, कम से कम चार वंश हैं जिनमें एक साझा सुपरजीन निर्धारित करता है कि उनकी कॉलोनी में एक रानी होगी या कई। पुरसेल ने कहा कि चींटियों के अन्य समूहों में सुपरजेन होते हैं जो वे स्वतंत्र रूप से विकसित होते हैं, व्यवहार और रूपात्मक लक्षणों के सूट को नियंत्रित करते हैं जो उनके जीवन के लिए महत्वपूर्ण हैं।

ये सभी सुपरजीन वही हो सकते हैं जिन्हें ट्राइबल और अन्य शोधकर्ता अब "सामाजिक गुणसूत्र" कहते हैं। जिस तरह मनुष्यों में X और Y सेक्स क्रोमोसोम सेक्स का निर्धारण करते हैं, चींटियों में सुपरजेन कॉलोनियों के सामाजिक संगठन का निर्धारण करते हैं। यह ट्राइबल के लिए एक शानदार तुलना नहीं है। सुपरजेन और सेक्स क्रोमोसोम दोनों जीन को बंडल करते हैं जो तब हमेशा एक साथ विरासत में मिलते हैं और सामूहिक रूप से लक्षणों के सेट प्रदान करते हैं। जिस तरह कुछ सेक्स-लिंक्ड लक्षण पुरुषों या महिलाओं के लिए फायदेमंद होते हैं, लेकिन दोनों के लिए नहीं, परजीवी सुपरजेन होमोजीगस पूछताछ के लिए फायदेमंद हो सकते हैं, लेकिन हेटेरोज़ीगस होस्ट के लिए नहीं।

"किसी कारण से, जनसंख्या आनुवंशिकीविदों ने विकास के एक अलग रूप की तरह सेक्स क्रोमोसोम को अलग कर दिया है," ट्राइबल ने कहा। हालांकि यह अभी भी अनिश्चित है कि सामाजिक गुणसूत्र कितने आम हैं, "जो [वे] हमें बता रहे हैं वह यह है कि सुपरजेन सभी जगह हैं, और सेक्स क्रोमोसोम एक सुपरजीन का एक विशेष मामला है।"

क्लोनल रेडर चींटियों के सुपरजीन के भीतर कौन से सटीक जीन और नियंत्रण तत्व शामिल हैं, अभी भी अज्ञात है। लेकिन अलग-अलग चींटियों की प्रजातियों में सुपरजीन और अन्य को अलग करने से चींटियों की कॉलोनियों में जातियों के विकास और विकास के बारे में कुछ पता चल सकता है। जब एक चींटी का लार्वा विकसित हो रहा होता है, तो पर्यावरणीय संकेत यह निर्धारित करते हैं कि यह रानी या कार्यकर्ता बनेगी, एक निर्णय जो लार्वा के व्यवहार, उसके शरीर के आकार, उसके पंखों और अंडाशय के विकास और अंडे देने की उसकी क्षमता को निर्धारित करता है। वे लक्षण इतनी दृढ़ता से जुड़े हुए हैं कि शोधकर्ताओं ने पाया है कि प्रयोगात्मक रूप से स्थानांतरित करने से आमतौर पर दूसरों को इसके साथ खींच लिया जाता है। ट्राइबल और क्रोनॉयर का मानना ​​है कि परजीवीवाद सुपरजीन ने शरीर के आकार और अन्य रानी से जुड़े लक्षणों के बीच संबंध को कैसे बदल दिया, यह सीखकर शोधकर्ता सामान्य जाति के विकास के लिए आनुवंशिक तंत्र को उजागर करने में सक्षम हो सकते हैं।

प्रजाति, विकास और परजीवीवाद

Trible और Kronauer का काम विकास और विकास के बारे में अन्य प्रश्न भी उठाता है, जिसमें यह भी शामिल है कि कैसे एक सुपरजेन म्यूटेशन प्रजाति से संबंधित है। में फॉर्मिका चींटियों, एकल-रानी और बहु-रानी उपनिवेश स्वतंत्र वंशों में विभाजित नहीं होते हैं। सुपरजीन के दोनों रूपों को एक ही प्रजाति के भीतर "बहुरूपता" के रूप में आराम से बनाए रखा जाता है।

चपुइसैट के लिए, सवाल यह है कि क्या रानी के समान म्यूटेंट क्लोनल रेडर चींटी प्रजातियों के भीतर एक परजीवी की तरह व्यवहार करने वाले "चीटर वंश" हैं। "या यह एक अलग प्रजाति बनने की राह पर है?" उसने पूछा।

परजीवी फेनोटाइप उत्पन्न होने के बाद वास्तव में एक प्रजाति घटना कैसे हो सकती है, यह एक रहस्य है, लेकिन इस तरह के सुपरजेन म्यूटेशन सामाजिक परजीवीवाद के माध्यम से तेजी से अटकलों के लिए एक प्रशंसनीय तंत्र प्रदान करता है, परसेल ने कहा। हालांकि, वह और चैपुइसैट दोनों ने चेतावनी दी थी कि ये सभी प्रश्न और अटकलें इन चींटियों जैसे क्लोनल जीव में एक प्रजाति क्या है, इसे परिभाषित करने की फिसलन से जटिल हैं।

यह प्रदर्शित करने के लिए कि एक सुपरजेन म्यूटेशन वास्तव में वह तंत्र है जिसके द्वारा सामाजिक परजीवी प्रजातियां विकसित होती हैं, रबेलिंग का सुझाव है कि यह देखना महत्वपूर्ण होगा कि क्या गुणसूत्रों पर व्युत्क्रम, जो कि सुपरजेन के संरचनात्मक लक्षण हैं, कई मेजबान-परजीवी जोड़े में मौजूद हैं। क्या दर्जनों अन्य जिज्ञासु चींटियों की प्रजातियों में समान सुपरजेन म्यूटेशन हैं?

रबेलिंग का मानना ​​​​है कि संकरण जैसे अन्य तंत्र भी हो सकते हैं, जो लक्षणों के इस नक्षत्र के साथ सुपरजीन भी बना सकते हैं। "मैं उम्मीद करूंगा कि सामाजिक परजीवीवाद कैसे विकसित होता है, इसके लिए केवल एक तंत्र नहीं है, लेकिन यह शायद कई अलग-अलग तंत्र हैं," उन्होंने कहा। "और जितनी अधिक अनुभवजन्य प्रणालियाँ हम अध्ययन करते हैं, सामाजिक परजीवीवाद की उत्पत्ति के लिए उतने ही अधिक तंत्र हम शायद पाएंगे।"