Spontaneous Mutations from Terahertz Proton Tunneling

प्रत्येक जीवित कोशिका के भीतर एक अणु होता है जो जीवन के मास्टर ब्लूप्रिंट (मुख्य खाके) के रूप में कार्य करता है: डीऑक्सीराइबोन्यूक्लिक एसिड, या डीएनए। इस अणु का आकार एक मुड़ी हुई सीढ़ी जैसा है, जिसमें दो लंबी लड़ियाँ एक-दूसरे के समानांतर चलती हैं। इस सीढ़ी के डंडे रासायनिक आधारों (बेस) के जोड़ों से बने होते हैं, और इन जोड़ों का विशिष्ट क्रम एक जीव के निर्माण और रखरखाव के निर्देश रखता है। जीवन के जारी रहने के लिए, कोशिकाओं को इस ब्लूप्रिंट की प्रतिलिपि बनानी चाहिए ताकि इसे नई कोशिकाओं को सौंपा जा सके, और उन्हें प्रोटीन बनाने के लिए इसे पढ़ना भी चाहिए। हालाँकि, प्रतिलिपि बनाने और पढ़ने की प्रक्रिया पूर्ण नहीं होती है। कभी-कभी निर्देश बदल जाते हैं, जिससे वैज्ञानिकों द्वारा 'म्यूटेशन' (उत्परिवर्तन) कहा जाने वाला परिवर्तन होता है। ये परिवर्तन विकास (इवोल्यूशन) के लिए कच्चा माल हैं, जो प्रजातियों को समय के साथ अनुकूलित होने में सक्षम बनाते हैं, लेकिन वे व्यक्तिगत जीवों के बुढ़ापे में भी योगदान देते हैं। वह प्रश्न जिसने शोधकर्ताओं को लंबे समय से मंत्रमुग्ध किया है, वह यह है कि ये परिवर्तन इतनी दुर्लभता से, फिर भी इतनी सटीकता के साथ कैसे होते हैं, और अणु के भीतर कौन सी अदृश्य ताकतें इनके लिए जिम्मेदार हो सकती हैं।

नूह ब्राय-अली द्वारा किया गया एक नया विश्लेषण इन स्वतःस्फूर्त परिवर्तनों के लिए एक विशिष्ट भौतिक तंत्र का प्रस्ताव करता है, जो उन सूक्ष्म कणों पर ध्यान केंद्रित करता है जिन्हें प्रोटॉन कहा जाता है और जो बेस पेयर्स को एक साथ थामे रखते हैं। डीएनए के मानक मॉडल में, ये प्रोटॉन हाइड्रोजन बॉन्ड्स के भीतर विशिष्ट स्थितियों में बैठे होते हैं, जिससे एक विषमता (असमानता) पैदा होती है जो कोशिका को अपने साथी से 'सेंस' स्ट्रैंड को अलग करने में मदद करती है। शोध पत्र सुझाव देता है कि ये प्रोटॉन स्थिर नहीं हैं; वे लगातार घूम रहे हैं, टेराहर्ट्ज़ में मापी गई आवृत्ति पर बेस के बीच के अंतराल में आगे-पीछे टनलिंग कर रहे हैं। यह तीव्र गति एक सूक्ष्म क्वांटम अवस्था बनाती है जहाँ प्रोटॉन आपस में स्थान बदल सकते हैं। जब कोशिका डीएनए की प्रतिलिपि बनाने या उसे पढ़ने का प्रयास करती है, तो बेस पेयर्स को एक साथ रखने वाले बंधों को टूटना ही पड़ता है। यह टूटना अविश्वसनीय रूप से तेज़ होता है, एक ट्रिलियनवें सेकंड के एक अंश में। क्योंकि बंध इतनी तेज़ी से टूटता है, प्रोटॉन को अपनी मूल स्थितियों में वापस बैठने का समय नहीं मिलता। इसके बजाय, वे एक नई, दुर्लभ व्यवस्था में उतरते हैं। यह नई व्यवस्था उस समरूपता (सिमेट्री) को बहाल करती है जो पहले खंडित हो गई थी, प्रभावी रूप से मूल आनुवंशिक निर्देश को मिटाकर उसे एक अलग निर्देश से बदल देती है।

अध्ययन की गणना करती है कि यह प्रक्रिया प्रत्येक कॉपी या पढ़े गए बेस पेयर के लिए लगभग दस अरब में से दो की संभावना के साथ होती है। उल्लेखनीय रूप से, दुर्लभ टॉटोमर (tautomer) में उतरने की संभावना देखे गए स्वतःस्फूर्त उत्परिवर्तन दर के लगभग दोगुने के बराबर है, जहाँ कारक दो, डबल हेलिक्स संरचना के दोनों स्ट्रैंड्स के बीच डायड सिमेट्री की बहाली को दर्शाता है जब दुर्लभ टॉटोमर प्रतिकृति के दौरान एक मुक्त न्यूक्लियोटाइड से जुड़ता है। शोधकर्ता इस निष्कर्ष पर इस आधार पर पहुँचे कि डीएनए बेस पेयर को एक क्वांटम सिस्टम माना जाए जो विशिष्ट ऊर्जा पैमानों द्वारा संचालित होता है। उन्होंने पहचान की कि जबकि प्रोटॉन बहुत उच्च आवृत्ति पर चलते हैं, उनके स्थानों का वास्तविक आदान-प्रदान बहुत धीमी, रेडियो-फ्रीक्वेंसी गति पर होता है। यह धीमा आदान-प्रदान एक जटिल अंतःक्रिया का परिणाम है जिसमें प्रोटॉन को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा और अणु के भीतर विद्युत आवेश को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा शामिल है। विश्लेषण दिखाता है कि अणु कोशिका की गर्मी से सुरक्षित है, जो सामान्यतः ऐसे नाजुक क्वांटम अवस्थाओं को अस्त-व्यस्त कर देगी, जिससे यह विशिष्ट स्वैपिंग तंत्र स्थिर और प्रभावी बना रहता है।

इस खोज के निहितार्थ केवल नकल करने की त्रुटियों से परे हैं। शोध पत्र तर्क देता है कि आनुवंशिक कोड का उपयोग करके जीवन को बनाए रखने की क्रिया ही अंततः इसे कमज़ोर करती है। जब कोई कोशिका प्रोटीन बनाने के लिए अपने डीएनए को पढ़ती है, तो उसे स्ट्रैंड्स को अलग करना पड़ता है, जिससे बेस के बीच के बंध टूट जाते हैं। यदि पृथक्करण के दौरान किसी प्रोटॉन ने अपना स्थान बदल लिया है, तो बनने वाला परिणामी बंध मूल से भिन्न होता है। कोशिका की मरम्मत प्रणाली (रिपेयर मैकेनिज्म), इस बेमेल को ठीक करने की कोशिश करते हुए, अक्सर पूरक स्ट्रैंड को एक टेम्पलेट के रूप में उपयोग करती है। हालाँकि, क्योंकि उत्परिवर्तन ने दोनों स्ट्रैंड्स के बीच एक समरूपता बहाल कर दी है, मरम्मत प्रक्रिया उस परिवर्तन को लॉक कर देती है, जिससे आनुवंशिक कोड स्थायी रूप से बदल जाता है। इसका अर्थ है कि हर बार जब एक कोशिका जीवित रहती है और कार्य करती है, तो वह अपने स्वयं के ब्लूप्रिंट में एक छोटा सा परिवर्तन लाने का जोखिम उठाती है। समय के साथ, इन परिवर्तनों का संचय जीव के बुढ़ापे की ओर ले जाता है और एक पीढ़ी के कितने लंबे समय तक जीवित रह सकती है, इस पर एक मौलिक सीमा निर्धारित करता है।

शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि यह एक अराजक प्रक्रिया नहीं है बल्कि क्वांटम भौतिकी के मूलभूत नियमों द्वारा संचालित एक सुसंगत प्रक्रिया है। प्रोटॉन केवल बेतरतीब ढंग से नहीं कूदते; वे एक विशिष्ट पथ का पालन करते हैं जहाँ एक प्रोटॉन पहले चलता है, उसके बाद दूसरे की बारी आती है, जो अणु के ऊर्जा संतुलन को बनाए रखने वाला एक समन्वित क्रम है। यह समन्वय सुनिश्चित करता है कि उत्परिवर्तन दर इतनी कम बनी रहे कि जीवन कार्य कर सके, फिर भी इतनी पर्याप्त हो कि विकास के धीमे, निरंतर प्रवाह को प्रेरित कर सके। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि स्वतःस्फूर्त उत्परिवर्तन दर जीव विज्ञान की कोई दुर्घटना नहीं है बल्कि डीएनए अणु के अपने भौतिक गुणों का एक सीधा परिणाम है, जैसा कि प्रस्तुत सैद्धांतिक मॉडल द्वारा दिखाया गया है। सटीक ऊर्जा पैमानों और आवृत्तियों को समझकर, शोध पत्र एक स्पष्ट, मात्रात्मक स्पष्टीकरण प्रदान करता है कि आनुवंशिक परिवर्तन जिस दर पर होता है वह क्यों होता है, जो सूक्ष्म कणों के व्यवहार को विकास और जीवित चीजों के जीवनकाल के बड़े पैमाने से जोड़ता है।