जीव विज्ञान में सबसे लंबे समय तक चलने वाले प्रश्नों में से एक यह है कि एक जीवित चीज जो एक समान कोशिकाओं के भ्रूण के रूप में शुरू होती है, समय के साथ विभिन्न ऊतकों वाले जीव में बदल जाती है, प्रत्येक का अपना अनूठा पैटर्न और विशेषताएं होती हैं। इसका उत्तर समझाएगा कि एक तेंदुए को अपने धब्बे कैसे मिलते हैं, एक ज़ेबरा को अपनी धारियाँ मिलती हैं, पेड़ों को अपनी शाखाएँ मिलती हैं और जीव विज्ञान में पैटर्न के विकास के कई और रहस्य हैं। आधी सदी से अधिक समय से, पसंदीदा व्याख्या रही है एक सुंदर मॉडल गणितज्ञ एलन ट्यूरिंग द्वारा प्रस्तावित रासायनिक संकेतन के आधार पर, जिसने किया है कई सफलताएं.
लेकिन वैज्ञानिकों की बढ़ती संख्या को संदेह है कि ट्यूरिंग का सिद्धांत कहानी का केवल एक हिस्सा है। "मेरी राय में हम अंधे हो गए हैं कि इसकी सुंदरता के कारण इसे कितने व्यापक रूप से लागू किया जाना चाहिए," ने कहा एमी शायररॉकफेलर विश्वविद्यालय में एक विकास जीवविज्ञानी। उनके विचार में, संकुचन और संपीड़न की शारीरिक ताकतें जो कोशिकाओं के बढ़ने और विभाजित होने पर कार्य करती हैं, वे भी एक केंद्रीय भूमिका निभा सकती हैं।
और अब उसके पास इसका सबूत है। में एक में प्रकाशित कागज सेल मई में, शायर, उनके सह-वरिष्ठ लेखक और साथी विकास जीवविज्ञानी एलन रोड्रिग्स और उनके सहयोगियों ने दिखाया कि यांत्रिक बल भ्रूण के चिकन की त्वचा को बढ़ते पंखों के लिए रोम बनाने के लिए प्रेरित कर सकते हैं। जिस तरह सतह तनाव पानी को कांच की सतह पर गोलाकार मोतियों में खींच सकता है, उसी तरह भ्रूण के भीतर शारीरिक तनाव भी ऐसे पैटर्न स्थापित कर सकते हैं जो विकासशील ऊतकों में विकास और जीन गतिविधि को निर्देशित करते हैं।
जैसे-जैसे कोई जीव बढ़ता है और विकसित होता है, उसके ऊतकों में कोशिकाएं एक-दूसरे को खींचती हैं और सहायक प्रोटीन मचान (बाह्य मैट्रिक्स) पर धक्का देती हैं जिससे वे जटिल रूप से जुड़े होते हैं। कुछ शोधकर्ताओं ने संदेह किया है कि इन बलों, में परिवर्तन के साथ युग्मित कोशिकाओं का दबाव और कठोरता, जटिल पैटर्न के गठन को निर्देशित कर सकता है। अब तक, हालांकि, कोई भी अध्ययन इन भौतिक शक्तियों के प्रभाव को रासायनिक स्टू से अलग करने में सक्षम नहीं था जिसमें वे उबालते हैं।
एक पैटर्न खींचना
रॉकफेलर यूनिवर्सिटी में मॉर्फोजेनेसिस की प्रयोगशाला में, जिसका वे संयुक्त रूप से नेतृत्व करते हैं, शायर और रॉड्रिक्स ने चिकन भ्रूण से त्वचा को हटा दिया और कोशिकाओं को अलग करने के लिए ऊतक को विघटित कर दिया। फिर उन्होंने पेट्री डिश में सेलुलर घोल की एक बूंद डाल दी और इसे संस्कृति में बढ़ने दिया। उन्होंने देखा कि त्वचा कोशिकाएं डिश के फर्श पर एक रिंग में स्व-संगठित होती हैं - कोशिकाओं की गेंद के 2-डी संस्करण की तरह जो भ्रूण सामान्य रूप से बन जाता है। स्पंदित और सिकुड़ते हुए, कोशिकाएं बाह्य मैट्रिक्स में कोलेजन फाइबर पर खींचती हैं जो वे अपने चारों ओर इकट्ठी होती हैं। 48 घंटों में, तंतु धीरे-धीरे घूमते हैं, एक साथ गुच्छित होते हैं और फिर एक दूसरे को अलग करते हैं, कोशिकाओं के गुच्छों का निर्माण करते हैं जो पंखों के रोम बन जाते हैं।
"यह एक ऐसा साफ, सरल प्रयोगात्मक सेटअप था, जहां आप एक सुंदर पैटर्न को देख सकते थे और मात्रात्मक रूप से इसे नियंत्रित कर सकते थे," ने कहा ब्रायन कैमली, जॉन्स हॉपकिन्स विश्वविद्यालय में एक बायोफिजिसिस्ट जो अध्ययन में शामिल नहीं थे।
बाद में, कोशिका संकुचन और अन्य चर की दर को समायोजित करके, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि भ्रूण द्रव्यमान में शारीरिक तनाव ने सीधे पैटर्न को प्रभावित किया। रोड्रिग्स ने कहा, "मुझे लगता है कि सबसे बड़ा आश्चर्य यह था कि इन पैटर्नों को बनाने के लिए कोशिकाओं ने बाह्य कोशिकीय मैट्रिक्स के साथ इस गतिशील तरीके से बातचीत की।" "हमने महसूस किया कि यह दोनों के बीच एक पारस्परिक नृत्य है।"
"इससे पता चलता है कि पैटर्न गठन को चलाने के लिए सिकुड़न पर्याप्त हो सकती है," कैमली ने कहा। "यह वास्तव में एक नया आवश्यक टुकड़ा है।"
यांत्रिकी पहले, जीन बाद में?
गणितज्ञ डी'आर्सी वेंटवर्थ थॉम्पसन ने प्रस्तावित किया कि भौतिक बल 1917 में सभी तरह से विकास को निर्देशित कर सकते हैं। अपनी पुस्तक में विकास और रूप परथॉम्पसन ने बताया कि कैसे मरोड़ वाली ताकतें सींग और दांतों के निर्माण को नियंत्रित करती हैं, कैसे अंडे और अन्य खोखली संरचनाएं उभरती हैं, और यहां तक कि जेलिफ़िश और तरल की बूंदों के बीच समानताएं भी।
लेकिन थॉम्पसन के विचारों को बाद में ट्यूरिंग के स्पष्टीकरण ने ग्रहण कर लिया, जो जीन की उभरती समझ से अधिक आसानी से जुड़ा। अपनी मृत्यु से दो साल पहले प्रकाशित 1952 के एक पत्र, "द केमिकल बेसिस ऑफ मॉर्फोजेनेसिस" में, ट्यूरिंग ने सुझाव दिया कि कंकाल में स्पॉट, धारियों और यहां तक कि हड्डियों के गढ़े हुए आकार जैसे पैटर्न मॉर्फोजेन्स नामक रसायनों के घूमने वाले ढाल का परिणाम थे। एक दूसरे के साथ बातचीत करते हैं क्योंकि वे सभी कोशिकाओं में असमान रूप से फैलते हैं। आणविक खाका के रूप में कार्य करते हुए, मॉर्फोगेंस आनुवंशिक कार्यक्रमों पर किक करेंगे जिससे उंगलियों, दांतों की पंक्तियों या अन्य भागों का विकास हुआ।
ट्यूरिंग का सिद्धांत अपनी सादगी के लिए जीवविज्ञानियों के बीच प्रिय था, और यह जल्द ही विकासात्मक जीव विज्ञान का एक मुख्य सिद्धांत बन गया। "जीव विज्ञान के अधिकांश तंत्रों के बारे में अभी भी एक मजबूत आणविक और आनुवंशिक दृष्टिकोण है," रॉड्रिक्स ने कहा।
लेकिन उस समाधान में कुछ कमी थी। यदि रासायनिक मॉर्फोगेंस विकास को आगे बढ़ाते हैं, तो शायर ने कहा, तो वैज्ञानिकों को यह दिखाने में सक्षम होना चाहिए कि एक दूसरे से पहले आता है - पहले रसायन आते हैं, फिर पैटर्न।
वह और रॉड्रिक्स इसे लैब में कभी नहीं दिखा पाए। 2017 में, उन्होंने चिकन भ्रूण की त्वचा के छोटे-छोटे टुकड़े लिए और बारीकी से देखा क्योंकि ऊतक एक कूप बनाने की तैयारी में बंधा हुआ था। इस बीच, उन्होंने कूप निर्माण में शामिल जीनों की सक्रियता को ट्रैक किया। उन्होंने जो पाया वह यह था कि जीन की अभिव्यक्ति लगभग उसी समय हुई थी जब कोशिकाएं इकट्ठी हुई थीं - लेकिन पहले नहीं।
"पहले 'जीन अभिव्यक्ति, फिर यांत्रिकी बाद में' के बजाय, यह एक तरह से यांत्रिकी इन आकृतियों को उत्पन्न कर रहा था," शायर ने कहा। बाद में, उन्होंने दिखाया कि कुछ जीन-विनियमन रसायनों को हटाने से भी प्रक्रिया बाधित नहीं हुई। "उसने कहने के लिए एक दरवाजा खोल दिया, 'अरे, यहाँ कुछ और चल रहा होगा," उसने कहा।
जीव विज्ञान का सक्रिय शीतल पदार्थ
शायर और रॉड्रिक्स को उम्मीद है कि उनके काम और भविष्य की जांच से भौतिकी की भूमिका और विकास के दौरान रसायनों और जीन के साथ इसके परस्पर क्रिया को स्पष्ट करने में मदद मिलेगी।
"हम महसूस कर रहे हैं कि सेल आंदोलन में सभी आणविक जीन अभिव्यक्ति, सिग्नलिंग और बलों का उत्पादन एक दूसरे के साथ अटूट रूप से जुड़ा हुआ है," ने कहा। एडविन मुनरो, शिकागो विश्वविद्यालय में एक आणविक जीवविज्ञानी जो अध्ययन में शामिल नहीं था।
मुनरो सोचते हैं कि बाह्य मैट्रिक्स की भूमिका वर्तमान में वैज्ञानिकों की तुलना में अधिक महत्वपूर्ण है, हालांकि विकास में इसकी अधिक केंद्रीय भूमिका की मान्यता निर्माण है। उदाहरण के लिए, हाल के शोध ने फल मक्खी के अंडों के विकास के लिए बाह्य मैट्रिक्स में बलों को जोड़ा है।
रॉड्रिक्स सहमत हुए। "यह कोशिकाओं की तरह है और बाह्य मैट्रिक्स अपने आप में एक सामग्री बना रहे हैं," उन्होंने कहा। वह सिकुड़ा कोशिकाओं और बाह्य कोशिकीय मैट्रिक्स के इस युग्मन को "सक्रिय नरम पदार्थ" के रूप में वर्णित करता है और सोचता है कि यह बाह्य बलों के माध्यम से होने वाले भ्रूण के विकास के नियमन के बारे में सोचने के एक नए तरीके की ओर इशारा करता है। भविष्य के काम में, वह और शायर विकास में भौतिक बलों के अधिक विवरण को स्पष्ट करने और उन्हें आणविक दृष्टिकोण के साथ विलय करने की उम्मीद करते हैं।
"हम सोचते थे कि अगर हम जीनोम का अधिक से अधिक गहराई और कठोरता के साथ अध्ययन करें, तो यह सब स्पष्ट हो जाएगा," शायर ने कहा, लेकिन "महत्वपूर्ण प्रश्नों के उत्तर जीनोम के स्तर पर नहीं हो सकते हैं।" एक बार ऐसा लगता था कि विकास संबंधी निर्णय कोशिकाओं के भीतर जीन और उनके उत्पादों के परस्पर क्रिया के माध्यम से किए जाते हैं, लेकिन उभरती सच्चाई यह है कि "निर्णय लेना कोशिका के बाहर, एक दूसरे के साथ कोशिकाओं की भौतिक बातचीत के माध्यम से हो सकता है।"
