A non-reciprocal model for morphogenesis in symbiosis

सूक्ष्म जगत की कल्पना एक शांत, स्थिर नन्हे गोलों के संग्रह के रूप में नहीं, बल्कि एक हलचल भरे, अराजक डांस फ्लोर के रूप में करें। इस क्षेत्र में, कोशिकाएं लगातार एक-दूसरे से टकराती हैं, सामान का आदान-प्रदान करती हैं, और अपना आकार बदलती हैं। यह सहजीविता (symbiosis) की दुनिया है, जहाँ विभिन्न जीव एक साथ रहते हैं और भोजन या रसायनों जैसे संसाधनों का आदान-प्रदान करते हैं। आमतौर पर, हम इन व्यापारों को निष्पक्ष सौदों के रूप में सोचते हैं: मैं आपको एक सेब देता हूँ, आप मुझे एक संतरा देते हैं। लेकिन जीव विज्ञान की वास्तविक, अव्यवस्थित दुनिया में, व्यापार अक्सर असंतुलित होते हैं। एक साथी बहुत बड़ा उपहार दे सकता है जबकि बदले में केवल एक छोटा सा टुकड़ा प्राप्त करता है। इस असंतुलन को गैर-पारस्परिकता (non-reciprocity) कहा जाता है।

वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि कोशिकाएं अपना आकार बदल सकती हैं—खिंचना, उंगलियां निकालना, या अंदर की ओर मुड़ना—ताकी वे जीवित रहने या पड़ोसियों के साथ जुड़ने में मदद कर सकें। वे यह भी जानते हैं कि ये आकार परिवर्तन अक्सर उनके पड़ोसियों के साथ होने वाली अंतःक्रियाओं द्वारा संचालित होते हैं। हालाँकि, यह समझना कि एक असंतुलित व्यापार (जहाँ एक पक्ष दूसरे की तुलना में अधिक जोर लगाता है) एक विशिष्ट, जंगली आकार में कैसे बदल जाता है, एक पहेली रहा है। अधिकांश कंप्यूटर मॉडल जिनका उपयोग अध्ययन के लिए किया जाता है, वे मानते हैं कि व्यापार पूरी तरह से निष्पक्ष है या कोशिकाएं कठोर, अपरिवर्तनीय चट्टानें हैं। लेकिन वास्तविक कोशिकाएं नरम, लचीले गुब्बारों की तरह होती हैं जो खिंच और हिल-डुल सकती हैं। असमान साझेदारी से ये लचीले आकार कैसे उभरते हैं, इसे समझने से हमें यह समझने में मदद मिलती है कि कैसे पौधों की जड़ें कवक (fungi) को गले लगाती हैं या हमारा अपना शरीर कैसे विकसित होता है।

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लचीला गुब्बारा और असमान धक्का

इस शोध पत्र में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया ताकि यह देखा जा सके कि क्या होता है जब एक नरम, लचीली "मेजबान" (host) कोशिका कई कठोर "सहजीवी" (symbiont) भागीदारों से मिलती है। मेजबान कोशिका को एक तरल झिल्ली से बने विशाल, लचीले वाटर बैलून के रूप में और सहजीवियों को छोटे, कठोर मोतियों के रूप में सोचें। वैज्ञानिकों ने यह देखना चाहा कि जब ये दो समूह परस्पर क्रिया करते हैं, तो क्या होता है, लेकिन एक मोड़ के साथ: अंतःक्रिया निष्पक्ष नहीं है।

वास्तविक दुनिया में, यदि एक मेजबान कोशिका और एक सहजीवी व्यापार करते हैं, तो मेजबान द्वारा सहजीवी पर लगाया गया बल, सहजीवी द्वारा मेजबान पर लगाए गए बल से भिन्न हो सकता है। शोधकर्ताओं ने इस अंतर को $\Delta\varepsilon$ (डेल्टा-एप्सिलॉन) कहा। यदि बल समान हैं, तो यह एक "पारस्परिक" (reciprocal) व्यापार है (जैसे हाथ मिलाना)। यदि वे असमान हैं, तो यह "गैर-पारस्परिक" (non-reciprocal) है (जैसे एक व्यक्ति दरवाजे को खोलने के लिए धक्का दे रहा है जबकि दूसरा बस उस पर झुक गया है)।

महान आकार बदलने वाला प्रयोग

टीम ने हजारों सिमुलेशन चलाए, यह बदलकर कि धक्का कितना मजबूत था और व्यापार कितना असमान था। उन्होंने पाया कि जब व्यापार पूरी तरह से निष्पक्ष (पारस्परिक) होता है, तो मेजबान कोशिका सहजीवी के चारों ओर धीरे से लिपट जाती है, जैसे एक कंबल बच्चे को सुलाता है। लेकिन जब व्यापार असमान (गैर-पारस्परिक) हो जाता है, तो चीजें रोमांचक हो जाती हैं।

1. एकतरफा धक्के का जादू
जब सहजीवी मेजबान को मेजबान द्वारा वापस दिए जाने वाले बल से अधिक जोर से धक्का देता है (गैर-पारस्परिकता का एक विशिष्ट प्रकार), तो मेजबान कोशिका केवल लिपटती ही नहीं है; वह खिंचना शुरू कर देती है। यह लंबी, पतली टेंड्रिल्स या "प्रोट्रूज़न" (protrusions) उगाती है जो अंतरिक्ष में बाहर की ओर बढ़ती हैं। यह ऐसा है जैसे असमान धक्का एक फीडबैक लूप बनाता है: कोशिका जितना अधिक खिंचती है, बल उतना ही बदल जाता है, जो इसे और अधिक खींचता है। यह ऐसे आकार बनाता है जो लंबी, शाखाओं वाली उंगलियों जैसे दिखते हैं।

2. अंदरूनी घुमाव
दूसरी ओर, यदि मेजबान सहजीवी को सहजीवी द्वारा वापस दिए जाने वाले बल से अधिक जोर से धक्का देता है, तो कोशिका इसके विपरीत करती है। बाहर की ओर बढ़ने के बजाय, यह अंदर की ओर मुड़ जाती है। झिल्ली अंदर की ओर धंस जाती है (invaginates), जिससे जेब या गुफाएं बन जाती हैं जहाँ सहजीवी को अंदर रखा जाता है। कुछ मामलों में, सहजीवी पूरी तरह से लिपट जाता है और दूसरी तरफ से बाहर धकेल दिया जाता है, जैसे साबुन के झाग से बुलबुला बाहर निकल आता है।

3. कई साथियों का नृत्य
शोधकर्ताओं ने फिर इसमें और अधिक सहजीवियों को जोड़ा, एक भीड़ भरी पार्टी का अनुकरण करते हुए। उन्होंने पाया कि साथियों की संख्या बहुत मायने रखती है:

• कम साथी: प्रत्येक सहजीवी एक एकल कलाकार की तरह कार्य करता है, जिससे अपना छोटा सा उभार या खिंचाव बनता है।
• मध्यम भीड़: सहजीवी एक साथ मिलकर काम करने लगते हैं। वे एक समूह बनाते हैं, और उनका संयुक्त असमान धक्का विशाल, शाखाओं वाली संरचनाएं बनाता है जो जटिल पेड़ों या मूंगे (coral) की तरह दिखते हैं।
• बहुत अधिक साथी: यदि भीड़ बहुत घनी हो जाती है, तो झिल्ली इतनी सख्त और तनावपूर्ण हो जाती है कि वह और अधिक नहीं खिंच सकती। फैंसी आकार गायब हो जाते हैं, और कोशिका अपेक्षाकृत चिकनी रहती है क्योंकि "तनाव" इतना अधिक होता है कि विरूपण (deformation) संभव नहीं होता।

गुप्त फीडबैक लूप

इस पेपर की सबसे रोमांचक खोज फीडबैक लूप है। पिछले मॉडलों में, वैज्ञानिकों ने माना था कि कोशिका को धक्का देने वाला बल स्थिर था, जैसे कि एक स्थिर हवा। लेकिन यहाँ, बल कोशिका के अपने आकार के आधार पर बदल जाता है।

एक बच्चे के झूले की कल्पना करें। यदि आप सही समय पर झूले को धक्का देते हैं, तो वह ऊँचा जाता है। इस सिमुलेशन में, "धक्का" (सहजीवी से मिलने वाला बल) इस पर निर्भर करता है कि "झूला" (कोशिका झिल्ली) कैसे चल रहा है। जब कोशिका खिंचना शुरू करती है, तो अंतःक्रिया की ज्यामिति (geometry) बदल जाती है, जो बल को बदल देती है, जो फिर कोशिका को और अधिक खींचने के लिए प्रेरित करती है। यह एक स्व-निरंतर चक्र बनाता है जो ऐसे आकार उत्पन्न करता है जो आप तब नहीं देख पाएंगे जब बल स्थिर या निष्पक्ष हों।

इसका क्या अर्थ है

लेखक सावधानीपूर्वक नोट करते हैं कि यह एक सिमुलेशन है, एक कंप्यूटर मॉडल, न कि पेट्री डिश में वास्तविक जैविक घटना का सीधा अवलोकन। हालाँकि, परिणाम बताते हैं कि वास्तविक जीवन में चयापचय आदान-प्रदान (metabolic exchanges) की असमान, गैर-निष्पक्ष प्रकृति उन जटिल, शाखाओं वाले आकारों को चलाने वाला छिपा हुआ इंजन हो सकती है जिन्हें हम प्रकृति में देखते हैं।

उन्होंने यह साबित नहीं किया कि यह बिल्कुल उसी तरह काम करता है जैसे हर सहजीवी संबंध काम करता है, लेकिन उनका मॉडल बताता है कि यदि आपके पास एक नरम कोशिका और एक असमान साझेदारी है, तो स्वाभाविक रूप से ये गतिशील, बदलते आकार प्राप्त होते हैं। यह सोचने का एक नया तरीका है: कोशिका का आकार केवल एक स्थिर कंटेनर नहीं है; यह एक ऐसी बातचीत का गतिशील परिणाम है जहाँ एक पक्ष दूसरे से अधिक ज़ोर से बोलता है।

यह शोध पत्र इस विचार को भी खारिज करता है कि ये आकार केवल यादृच्छिक संयोग (random flukes) हैं या कोशिकाओं द्वारा सक्रिय रूप से "चलने की कोशिश" करने के कारण हैं। इसके बजाय, आकार असमान धक्के के भौतिकी (physics) से स्वाभाविक रूप से उभरते हैं। शोधकर्ताओं ने यह भी दिखाया कि यदि अंतःक्रिया पूरी तरह से निष्पक्ष है, तो आपको ये जंगली आकार नहीं मिलते; आपको केवल साधारण लिपटना मिलता है। "जादू" तभी होता है जब संतुलन बिगड़ जाता है।

अंत में, यह कार्य एक मनोरंजक, भौतिकी-आधारित स्पष्टीकरण प्रदान करता है कि प्रकृति में कोशिकाएं इतनी अजीब और अद्भुत क्यों दिखती हैं। यह सुझाव देता है कि साथियों के बीच व्यापार का अराजक, असमान नृत्य ही उन सुंदर, शाखाओं वाले और अंदर की ओर धंसे हुए रूपों को गढ़ता है जिन्हें हम सूक्ष्म जगत में देखते हैं।