Growth-Induced Transitions in Viscoelastic Matter
यह शोधपत्र यह प्रदर्शित करता है कि बढ़ते हुए विस्कोइलास्टिक (viscoelastic) पदार्थों, जैसे कि जैविक ऊतकों में, विकास दर और स्ट्रेस रिलैक्सेशन समय की तुलना करने वाला एक विमाहीन पैरामीटर तब गुणात्मक रूप से नई यांत्रिक गतिकी और मेटास्टेबल अवस्थाओं के बीच तीक्ष्ण संक्रमणों को नियंत्रित करता है जब ये दरें तुलनीय होती हैं।
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जीवित चीजें कभी भी स्थिर नहीं होतीं; वे निरंतर विस्तार करती हैं, विभाजित होती हैं और अपने परिवेश के विरुद्ध दबाव डालती हैं। इस बात से लेकर कि कैसे शरीर के भीतर एक ट्यूमर सूज जाता है, जब तक कि कैसे बैक्टीरिया की एक कॉलोनी पेट्री डिश में फैलती है, विकास एक मौलिक बल है जो जैविक दुनिया को आकार देता है। जब यह विकास एक सीमित स्थान में होता है, तो यह दबाव पैदा करता है। दशकों से, वैज्ञानिक इस बात की भविष्यवाणी करने का प्रयास कर रहे हैं कि जीवित पदार्थ इस दबाव के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करता है, इसे या तो एक ठोस (solid) के रूप में देखते हैं जो धक्का दिए जाने पर रबर बैंड की तरह वापस उछलता है, या एक तरल (fluid) के रूप में जो शहद की तरह बहता और टपकता है। हालाँकि, वास्तविक जैविक ऊतक (tissues) शायद ही कभी इतने सरल होते हैं। उनमें एक दोहरी प्रकृति होती है, वे आंशिक रूप से ठोस और आंशिक रूप से तरल की तरह व्यवहार करते हैं, जिसे विस्कोइलास्टिसिटी (viscoelasticity) कहा जाता है। वह प्रश्न जिसने शोधकर्ताओं को लंबे समय तक उलझाए रखा, वह यह है कि इस दोहरी प्रकृति में तब क्या बदलाव आता है जब पदार्थ सक्रिय रूप से बढ़ रहा हो? क्या विकास की गति केवल तनाव को बढ़ा देती है, या यह पदार्थ के हिलने और विकृत होने के नियमों को मौलिक रूप से बदल देती है?
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब यह दिखाकर इसका उत्तर दिया है कि पदार्थ कितनी तेजी से बढ़ता है और वह अपने आंतरिक तनाव को कितनी जल्दी मुक्त कर सकता है, इनके बीच का संबंध एक आश्चर्यजनक नए प्रकार के व्यवहार को जन्म देता है। उन्होंने पाया कि जब विकास की दर उस गति से मेल खाती है जिस पर पदार्थ अपने संचित तनाव को मुक्त कर सकता है, तो प्रणाली केवल ठोस और तरल के बीच के मध्य मार्ग में नहीं settles होती है। इसके बजाय, यह एक तीव्र, अचानक परिवर्तन से गुजरती है। इस विशिष्ट क्षेत्र में, पदार्थ एक अस्थायी, अस्थिर अवस्था में फंस सकता है और फिर हिंसक रूप से एक नए आकार में बदल जाता है। यह कोई क्रमिक परिवर्तन नहीं है बल्कि एक विशिष्ट यांत्रिक संक्रमण (mechanical transition) है जो केवल तभी होता है जब विकास दर और विश्रांति समय (relaxation time) पूरी तरह से संतुलित होते हैं।
इसे समझने के लिए, बढ़ते हुए ऊतक की एक बीम की कल्पना करें जो दोनों सिरों पर बंधी हुई है। जैसे-जैसे बीम लंबी होती है, उसके पास जाने के लिए कोई जगह नहीं होती सिवाय मुड़ने के। यदि पदार्थ एक पूर्ण ठोस होता, तो यह एक चिकनी, आँसू जैसी आकृति (teardrop shape) में मुड़ जाता और वहीं रहता। यदि यह एक पूर्ण तरल होता, तो यह समय के साथ धीरे-धीरे कुंडली मार लेता। लेकिन जब पदार्थ विस्कोइलास्टिक होता है और विकास दर बिल्कुल सही होती है, तो बीम अनिश्चित व्यवहार करती है। यह मुड़ती है, रुकती है, और फिर अचानक एक तंग कुंडली में बदल जाती है, जिससे संचित ऊर्जा का एक विस्फोट निकलता है और फिर से स्थिर हो जाती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह झटके वाला व्यवहार (snapping behavior) गति के एक सीढ़ीनुमा पैटर्न (ladder-like pattern) को बनाता है, जहाँ बीम तेजी से एक विन्यास (configuration) से दूसरे में कूदती है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि तीव्र विकास से उत्पन्न तनाव, पदार्थ की आंतरिक संरचना द्वारा उसे ढीला करने की दर से अधिक तेजी से जमा होता है, जिससे तनाव का अचानक विमोचन होता है जो बीम को खुद को पुनर्गठित करने के लिए मजबूर करता है।
टीम ने इस घटना का वर्णन करने के लिए एक नया गणितीय ढांचा विकसित किया है, जो पदार्थ के विकास और उससे उत्पन्न तनाव को एक ही सिक्के के दो पहलुओं के रूप में देखता है। उन्होंने दिखाया कि पूरी प्रणाली के व्यवहार की भविष्यवाणी एक एकल संख्या द्वारा की जा सकती है: विकास दर और विश्रांति समय का गुणनफल। जब यह संख्या बहुत कम होती है, तो पदार्थ एक तरल की तरह कार्य करता है। जब यह बहुत बड़ी होती है, तो यह एक ठोस की तरह कार्य करता है। लेकिन बीच में, जहाँ संख्या एक के करीब होती है, पदार्थ इन अद्वितीय, अस्थिर उछालों को प्रदर्शित करता है। यह खोज इस पुराने अनुमान को चुनौती देती है कि बढ़ते हुए ऊतकों का व्यवहार केवल ठोस और तरल गुणों का एक सहज मिश्रण है। इसके बजाय, यह एक महत्वपूर्ण दहलीज (threshold) को प्रकट करती है जहाँ जीवन की यांत्रिकी गुणात्मक रूप से बदल जाती है।
शोधकर्ताओं ने इस विचार का परीक्षण न केवल सरल बीमों पर, बल्कि अधिक जटिल परिदृश्यों में भी किया जो वास्तविक जैविक वातावरण की नकल करते हैं। उन्होंने देखा कि बढ़ते हुए पदार्थ मिट्टी या ऊतक के बीच के स्थान जैसे छिद्रिल पदार्थों (porous materials) के माध्यम से कैसे चलते हैं। उन्होंने पाया कि विकास और विस्कोइलास्टिसिटी का संयोजन पदार्थ को अधिक पारगम्य (permeable) बनाता है, जिससे तरल पदार्थ केवल बढ़ने वाले या केवल विश्रांति करने वाले पदार्थ की तुलना में अधिक आसानी से गुजर पाते हैं। उन्होंने बढ़ते हुए ऊतकों की परतों के सिकुड़ने (wrinkle) का भी परीक्षण किया, जो फलों की त्वचा से लेकर बैक्टीरिया की फिल्मों तक में एक सामान्य विशेषता है। इन मामलों में, झुर्रियां अपने अधिकतम आकार तक तभी पहुँचीं जब विकास दर और विश्रांति समय संतुलित थे, जो फिर से दर्शाता है कि मध्य मार्ग कोई समझौता नहीं बल्कि अधिकतम प्रभाव का क्षेत्र है।
ये परिणाम बताते हैं कि जीवित चीजें कैसे बढ़ती हैं और आकार बदलती हैं, यह एक सूक्ष्म समय तंत्र (timing mechanism) द्वारा नियंत्रित होता है। यदि कोई ऊतक अपनी विश्रांति क्षमता की तुलना में बहुत धीरे बढ़ता है, तो वह बह जाता है। यदि वह बहुत तेजी से बढ़ता है, तो वह एक ठोस की तरह जम जाता है। लेकिन जब समय बिल्कुल सही होता है, तो प्रणाली गतिशील और अस्थिर हो जाती है, जो तीव्र, नाटकीय परिवर्तनों में सक्षम होती है। इसके जैविक संरचनाओं के निर्माण और कैंसर जैसी बीमारियों के विस्तार को समझने में गहरे निहितार्थ हैं। अध्ययन इंगित करता है कि जीवन की यांत्रिकी को वास्तव में समझने के लिए, वैज्ञानिकों को ठोस और तरल की सरल श्रेणियों से परे देखना चाहिए और विकास और विश्रांति के विशिष्ट समय (timing) पर विचार करना चाहिए। शोधकर्ताओं ने इन गतिकी का पता लगाने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया, जिससे पुष्टि हुई कि ये तीव्र संक्रमण बढ़ते हुए विस्कोइलास्टिक पदार्थ की एक वास्तविक और सुदृढ़ विशेषता हैं, जो हमारे चारों ओर की जटिल, जीवित दुनिया में देखे जाने की प्रतीक्षा कर रहे हैं।
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