Tunable Hyperuniformity and Hidden Information in Random Cellular Structures
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि कोशिकीय संरचनाओं का एक यांत्रिक शीर्ष मॉडल (mechanical vertex model), कठोरता से स्वतंत्र रूप से ट्यूनेबल हाइपरयूनिफॉर्म अवस्थाओं को उत्पन्न कर सकता है, जिससे हाइपरयूनिफॉर्म पॉइसन एनसेम्बल (HyPE) का निर्माण होता है जो अव्यवस्थित हाइपरयूनिफॉर्म पदार्थ की सूचना सामग्री के लिए एक मौलिक ऊष्मागतिक निचली सीमा स्थापित करता है।
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प्रकृति अक्सर अपनी सबसे परिष्कृत इंजीनियरिंग को साधारण दृष्टि के सामने छिपा देती है। त्वचा की एक परत, आंत में कोशिकाओं की एक परत, या फेफड़े की एक अस्तर को देखें, और आप अनियमित आकारों का एक अराजक मोज़ेक देखेंगे, जो बिल्कुल एक फटी हुई मिट्टी के मैदान या एक जिग्सॉ पहेली की तरह है जहाँ टुकड़े पूरी तरह से एक पैटर्न में फिट नहीं होते। दशकों से, वैज्ञानिक समझते आए हैं कि ये जैविक ऊतक यादृच्छिक अव्यवस्था नहीं हैं; उनके पास एक छिपा हुआ क्रम है जो उन्हें तरल और ठोस दोनों के रूप में कार्य करने की अनुमति देता है, आवश्यकतानुसार बहना और आवश्यकतानुसार स्थिर रहना। यह संतुलन जीवन के लिए महत्वपूर्ण है, फिर भी इस बात के नियम कि ऐसी अव्यवस्था इतनी सटीक कैसे हो सकती है, रहस्यमय बने हुए हैं। प्रश्न यह रहा है कि क्या यह क्रम जीव विज्ञान का एक संयोग है या भौतिकी का एक मौलिक सिद्धांत जिसे इंजीनियर किया जा सकता है। शोधकर्ता लंबे समय से हाइपरयूनिफॉर्म (hyperuniform) प्रणालियों नामक एक विशेष वर्ग की सामग्रियों के बारे में जानते हैं। ये वे पदार्थ हैं जो नग्न आंखों को अव्यवस्थित और तरल जैसे दिखते हैं, फिर भी वे एक पूर्ण क्रिस्टल की तरह घनत्व के बड़े पैमाने पर उतार-चढ़ाव को दबा देते हैं। यह अनूठा द्वैत उन्हें विलक्षण गुण प्रदान करता है, जैसे कि साधारण सामग्रियों की तुलना में प्रकाश या ध्वनि को नियंत्रित करने की क्षमता, लेकिन उन्हें बनाने के लिए आमतौर पर जटिल, टॉप-डाउन कंप्यूटर एल्गोरिदम की आवश्यकता होती है जिनमें वास्तविक पदार्थ के व्यवहार का भौतिक आधार नहीं होता है।
भौतिकविदों की एक टीम ने अब इस अंतर को पाट दिया है और दिखाया है कि कैसे हाइपरयूनिफॉर्मिटी स्वाभाविक रूप से उन सरल यांत्रिक बलों से उत्पन्न हो सकती है जो कोशिकाएं एक-दूसरे पर लगाती हैं। एक कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करते हुए जो ऊतक को परस्पर क्रिया करने वाले बहुभुजों (polygons) के संग्रह के रूप में मानता है, शोधकर्ताओं ने पता लगाया कि कैसे कोशिका की बाहरी त्वचा का तनाव और उसका पसंदीदा आकार पूरे सिस्टम को इस छिपे हुए क्रम की ओर ले जाता है। उन्होंने खोजा कि केवल दो यांत्रिक 'नॉब्स' को समायोजित करके—कोशिका की बाहरी परत की कठोरता और कोशिका का लक्षित आकार—वे ऊतक को एक ऐसी अवस्था में निर्देशित कर सकते थे जहाँ बड़े पैमाने पर घनत्व के उतार-चढ़ाव गायब हो जाते हैं, भले ही ऊतक अव्यवस्थित बना रहे। उल्लेखनीय रूप से, उन्होंने पाया कि यह क्रम इस बात पर निर्भर नहीं करता कि ऊतक ठोस है। सिस्टम चट्टान की तरह कठोर या पानी की तरह तरल, दोनों ही स्थितियों में हाइपरयूनिफॉर्म हो सकता है, जो यह सिद्ध करता है कि बड़े पैमाने पर घनत्व भिन्नताओं को दबाने की क्षमता, आकार बनाए रखने की क्षमता से एक अलग गुण है। यह खोज बताती है कि जैविक ऊतक इस अवस्था का स्वाभाविक रूप से उपयोग निरंतर कवरेज बनाए रखने के लिए कर सकते हैं, जबकि वे पुनर्गठन और उपचार के लिए पर्याप्त लचीले बने रहते हैं।
शोधकर्ताओं ने अपने अध्ययन का निर्माण एक संलुप्त (confluent) ऊतक के मॉडल पर किया, जहाँ कोशिकाएं इतनी घनी पैक होती हैं कि उनके बीच कोई अंतराल नहीं होता, जिससे एक निरंतर शीट बनती है। इस मॉडल में, प्रत्येक कोशिका को उसके क्षेत्रफल और परिधि द्वारा परिभाषित किया जाता है। सिस्टम की ऊर्जा इस बात पर निर्भर करती है कि कोशिका का वास्तविक क्षेत्रफल और परिमीटर उनके पसंदीदा मूल्यों से कितना विचलित होता है। एक पैरामीटर, कॉर्टिकल इलास्टिसिटी (cortical elasticity), कोशिका की बाहरी परत के परिधि को खींचने या सिकोड़ने के प्रतिरोध का प्रतिनिधित्व करता है। दूसरा पैरामीटर, टार्गेट शेप इंडेक्स (target shape index), कोशिका के क्षेत्रफल और परिधि के आदर्श अनुपात का प्रतिनिधित्व करता है, जो प्रभावी रूप से यह निर्धारित करता है कि कोशिका गोल होना पसंद करती है या लंबी। हजारों सिमुलेशन चलाकर, जहाँ इन मापदंडों को बदला गया था, टीम ने एक फेज़ डायग्राम (phase diagram) तैयार किया जो यह प्रकट करता है कि ऊतक विभिन्न अवस्थाओं के बीच कैसे परिवर्तित होता है। उन्होंने पाया कि जब कोशिकाओं को लगभग समान क्षेत्रफल रखने के लिए मजबूर किया जाता है, तो सिस्टम स्वाभाविक रूप से एक हाइपरयूनिफॉर्म अवस्था में स्थिर हो जाता है, चाहे कोशिकाएं स्थिर हों या स्वतंत्र रूप से बह रही हों।
इस कार्य में एक प्रमुख सफलता यह प्रदर्शन करना है कि हाइपरयूनिफॉर्मिटी और कठोरता को स्वतंत्र रूप से ट्यून किया जा सकता है। कई भौतिक प्रणालियों में, व्यवस्था की शुरुआत सामग्री के ठोस होने से जुड़ी होती है। हालाँकि, यहाँ, शोधकर्ताओं ने दिखाया कि एक ऊतक ठोस-तरल संक्रमण के दोनों ओर हाइपरयॉर्म हो सकता है। तरल अवस्था में, जहाँ कोशिकाएं एक-दूसरे के बगल से फिसल सकती हैं, सिस्टम हाइपरयूनिफॉर्मिटी प्राप्त करता है क्योंकि कोशिकाएं ऊर्जा को कम करने के लिए स्वाभाविक रूप से अपने आकार को समायोजित करती हैं, जिससे बड़े पैमाने पर घनत्व के उतार-चढ़ाव दब जाते हैं। ठोस अवस्था में, जहाँ कोशिकाएं एक जगह स्थिर होती हैं, हाइपरयूनिफॉर्मिटी अभी भी प्राप्त की जा सकती है, लेकिन केवल तभी जब कोशिका के परिधि के प्रति प्रतिरोध को कम रखा जाए। यदि परिधि को बहुत कड़ाई से बाधित किया जाता है, तो सिस्टम अपना हाइपरयूनिफॉर्म चरित्र खो देता है और इस तरह से अव्यवस्थित हो जाता है जो बड़े घनत्व के उतार-चढ़ाव की अनुमति देता है। इसका अर्थ है कि ऊतक में व्यवस्था का स्तर कोशिकाओं के स्वयं के यांत्रिक गुणों द्वारा नियंत्रित होता है, विशेष रूप से उनके क्षेत्रफल प्रतिबंधों और उनकी परिधि लोच के बीच के संतुलन द्वारा, न कि इस बात से कि ऊतक ठोस है या तरल।
इस अव्यवस्था की सीमाओं का और अधिक अन्वेषण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने 'हाइपरयूनिफॉर्म पॉइसन एन्सेम्बल' (Hyperuniform Poisson Ensemble) नामक एक नया सैद्धांतिक निर्माण पेश किया। यह एक ऐसी अवस्था है जो एक के ऊपर एक कई स्वतंत्र हाइपरयूनिफॉर्म पैटर्न की परतों से बनाई जाती है। कल्पना कीजिए कि आप कोशिकाओं की कई अलग-अलग व्यवस्थाओं को ले रहे हैं, जिनमें से प्रत्येक एक छिपे हुए तरीके से पूरी तरह से व्यवस्थित है, और उन्हें एक के ऊपर एक इस तरह रखते हैं कि व्यक्तिगत पैटर्न आपस में मिल जाएं। परिणाम एक ऐसा सिस्टम होता है जो हाइपरयूनिफॉर्मिटी के दीर्घ-रेंज क्रम को बनाए रखता है—अर्थात यह अभी भी बड़े पैमाने पर घनत्व के उतार-चढ़ाव को दबा देता है—लेकिन कम दूरी पर, यह पूरी तरह से अव्यवस्थित गैस की तरह यादृच्छिक दिखता है। यह अवस्था महत्वपूर्ण है क्योंकि यह हाइपरयूनिफॉर्म पदार्थ के सबसे अव्यवस्थित रूप का प्रतिनिधित्व करती है। यह अनंत सुपरपोजिशन की सीमा में विन्यासगत एंट्रॉपी (configurational entropy) के लुप्त होने की स्थिति के करीब पहुँच जाता है, जो हाइपरयूनिफॉर्म क्रम को बनाए रखने के लिए आवश्यक सूचना की मात्रा के लिए एक मौलिक ऊष्मागतिक निचली सीमा स्थापित करता है। इस तरह की अवस्था अस्तित्व में हो सकती है, यह दिखाकर, शोधकर्ताओं ने स्थापित किया कि प्रकृति को इस स्तर की व्यवस्था प्राप्त करने के लिए अत्यधिक जटिल होने की आवश्यकता नहीं है; इसे संरचनात्मक जानकारी की न्यूनतम मात्रा के साथ प्राप्त किया जा सकता है।
इन निष्कर्षों के निहितार्थ जीव विज्ञान से परे नए सामग्रियों के डिजाइन तक विस्तृत हैं। क्योंकि शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि लघु-दूरी की अव्यवस्था और दीर्घ-दूरी के क्रम को अलग-अलग नियंत्रित किया जा सकता है, यह कस्टम गुणों वाली मेटामटेरियल्स (metamaterials) बनाने का द्वार खोलता है। उदाहरण के लिए, कोई ऐसी सामग्री डिजाइन कर सकता है जो एक विशिष्ट रंग के प्रकाश को रोक सके (एक फोटोनिक बैंडगैप) जबकि यांत्रिक रूप से लचीली बनी रहे, या एक ऐसा सम्मिश्र (composite) जो तनाव के प्रति अनुमानित तरीके से प्रतिक्रिया दे। घनत्व के उतार-चढ़ाव के आयाम को अंतर्निहित क्रम को खोए बिना ट्यून करने की क्षमता का अर्थ है कि इंजीनियर ऐसी सामग्रियां बना सकते हैं जो दोषों के प्रति मजबूत हों या ध्वनि और ऊष्मा को नए दिशाओं में निर्देशित कर सकें। अध्ययन यह नया दृष्टिकोण भी प्रदान करता है कि जैविक ऊतक स्वयं को कैसे विनियमित कर सकते हैं। यह तथ्य कि हाइपरयूनिफॉर्मिटी तरल ऊतकों में मौजूद हो सकती है, यह सुझाव देता है कि कोशिकाएं एक ऊतक में संसाधनों या संकेतों के समान वितरण को बनाए रखने के लिए इस अवस्था का उपयोग कर सकती हैं, भले ही कोशिकाएं स्वयं चल रही हों और आकार बदल रही हों। यह एक तंत्र हो सकता है जो यह सुनिश्चित करने के लिए है कि एक ऊतक स्वस्थ और कार्यात्मक बना रहे, और उस प्रकार के अराजक क्लस्टरिंग को रोक सके जो बीमारी का कारण बन सकती है। शोधकर्ताओं ने सावधानीपूर्वक नोट किया कि उनके परिणाम आदर्श, एथर्मल (athermal) प्रणालियों के कंप्यूटर सिमुलेशन से आते हैं, जिसका अर्थ है कि उनमें तापमान या सक्रिय कोशिका गति के प्रभाव शामिल नहीं हैं। वास्तविक जैविक ऊतकों में, थर्मल शोर और सक्रिय बल हमेशा मौजूद होते हैं, और वे सिस्टम के व्यवहार को बदल सकते हैं। हालाँकि, अध्ययन एक ठोस सैद्धांतिक आधार प्रदान करता है, जो दिखाता है कि कोशिका अंतःक्रियाओं के यांत्रिक सिद्धांत हाइपरयूनिफॉर्मिटी उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त हैं। टीम का सुझाव है कि भविष्य के प्रयोग इन विचारों का वास्तविक ऊतकों में परीक्षण कर सकते हैं, शायद यह देखकर कि कोशिका विभाजन रुकने पर या कोशिकाओं के यांत्रिक गुणों को बदलने पर कोशिका पैकिंग कैसे बदलती है। वे यह भी प्रस्तावित करते हैं कि हाइपरयूनिफॉर्म पॉइसन एन्सेम्बल के सिद्धांतों का उपयोग यह समझने के लिए किया जा सकता है कि अव्यवस्थित प्रणालियों में सूचना कैसे एनकोड की जाती है, जो पदार्थ की भौतिक संरचना को सूचना की अमूर्त अवधारणा से जोड़ता है। कोशिकाओं की यांत्रिकी को छिपे हुए क्रम की सांख्यिकीय भौतिकी से जोड़कर, यह कार्य हमारे शरीर को बनाने वाले ऊतकों से लेकर भविष्य के उन्नत सम्मिश्रों तक, जटिल सामग्रियों को समझने और डिजाइन करने के लिए एक सार्वभौमिक ब्लूप्रिंट प्रदान करता है।
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