Nonmonotonic control of pattern formation by chemotaxis

प्रकृति पैटर्न से भरी हुई है। जेब्रा की धारियों से लेकर तेंदुए के धब्बों तक, दुनिया शायद ही कभी रंगों का एक समान धुंधलापन होती है। वैज्ञानिकों को लंबे समय से पता है कि ये डिज़ाइन अक्सर दो विपरीत बलों के बीच एक सरल, अदृश्य खींचतान से उत्पन्न होते हैं: रासायनिक प्रतिक्रियाएं जो नई सामग्रियां बनाती हैं और उन सामग्रियों के फैलने और मिश्रित होने की प्राकृतिक प्रवृत्ति। यह मिश्रण, जिसे विसरण (diffusion) कहा जाता है, आमतौर पर चीजों को सुचारू बनाने का काम करता है, जिससे अंतर मिट जाते हैं। हालांकि, सही परिस्थितियों में, विसरण वास्तव में इसके विपरीत कर सकता है, एक चिकनी, एक समान अवस्था को धब्बों और धारियों के एक संरचित, ऊबड़-खाबड़ परिदृश्य में तोड़ सकता है। यह घटना, जिसका वर्णन दशकों पहले किया गया था, बताती है कि कैसे जीवन बिना किसी केंद्रीय ब्लूप्रिंट के अराजकता से खुद को व्यवस्थित कर सकता है।

फिर भी, जीवित दुनिया में एक अन्य बल काम कर रहा है जो साधारण फैलाव से अलग कार्य करता है। कई जैविक प्रणालियों में, बैक्टीरिया की कॉलोनियों से लेकर विकसित होते ऊतकों तक, कोशिकाएं केवल बेतरतीब ढंग से नहीं तैरतीं; वे रासायनिक संकेतों की ओर या उनसे दूर सक्रिय रूप से चलती हैं। यह निर्देशित गति, जिसे कीमोटैक्सिस (chemotaxis) कहा जाता है, जीवों को भोजन का पीछा करने या खतरे से भागने की अनुमति देती है। जबकि वैज्ञानिकों ने रासायनिक प्रतिक्रियाओं द्वारा पैटर्न बनाने और कोशिकाओं के संकेतों की ओर बढ़ने का अलग-अलग अध्ययन किया है, वे पूरी तरह से यह नहीं समझ पाए हैं कि जब ये दो शक्तिशाली तंत्र एक साथ काम करते हैं तो क्या होता है। क्या कोशिकाओं की सक्रिय गति केवल पैटर्न बनाने की प्रक्रिया में योगदान देती है, या यह नियमों को पूरी तरह से बदल देती है?

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस प्रश्न का पता लगाने के लिए एक गणितीय मॉडल बनाया है जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं को पारस्परिक कीमोटैक्सिस (mutual chemotaxis) के साथ जोड़ता है। उन्होंने एक ऐसी प्रणाली की कल्पना की जहाँ दो प्रकार के कण एक-दूसरे के साथ अंतःक्रिया करते हैं, एक-दूसरे के साथ प्रतिक्रिया करते हुए और साथ ही एक-दूसरे की ओर या एक-दूसरे से दूर जाने का संकेत महसूस करते हुए। व्यापक कंप्यूटर सिमुलेशन चलाकर और इन प्रणालियों का विश्लेषण करके, उन्होंने पाया कि इस निर्देशित गति की शक्ति और परिणामी पैटर्न के बीच का संबंध उम्मीद से कहीं अधिक जटिल है। एक सरल, स्थिर परिवर्तन के बजाय, प्रणाली एक आश्चर्यजनक, गैर-रैखिक व्यवहार प्रदर्शित करती है जहाँ गति की शक्ति बढ़ाने से पहले पैटर्न नष्ट हो जाता है, और फिर और अधिक उच्च शक्ति पर वापस आ जाता है।

शोधकर्ताओं ने रासायनिक प्रतिक्रियाओं के एक विशिष्ट, सुप्रसिद्ध मॉडल पर ध्यान केंद्रित किया जो ग्लाइकोलाइसिस (glycolysis) की प्रक्रिया की नकल करता है, जिस तरह से कोशिकाएं ऊर्जा के लिए चीनी को तोड़ती हैं। उन्होंने इस मॉडल में एक स्तर की जटिलता जोड़ दी जिससे दो रासायनिक प्रजातियां एक-दूसरे की गति को प्रभावित कर सकें। जब कण एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं, तो वे करीब आते हैं; जब वे प्रतिकर्षण करते हैं, तो वे दूर चले जाते हैं। टीम ने पाया कि जैसे-जैसे उन्होंने इस आकर्षण या प्रतिकर्षण की शक्ति को समायोजित किया, पैटर्न का आकार और आकृति नाटकीय रूप से बदल गई। कुछ परिदृश्यों में, जैसे-जैसे आकर्षण की शक्ति बढ़ती है, पैटर्न सिकुड़कर गायब हो जाते हैं, जिससे एक एकसमान, विशेषताहीन अवस्था बच जाती है। लेकिन यदि आकर्षण को और अधिक बढ़ाया गया, तो पैटर्न अचानक फिर से दिखाई देने लगे। यह "पुनरावर्ती" (re-entrant) व्यवहार बताता है कि एक प्रणाली पैटर्नयुक्त हो सकती है, फिर चिकनी हो सकती है, और फिर से पैटर्नयुक्त हो सकती है, और यह सब केवल इस बात को बढ़ाकर किया जा सकता है कि कण एक-दूसरे को कितनी मजबूती से खींचते हैं।

यह खोज प्रकट करती है कि कीमोटैक्सिस पैटर्न निर्माण के लिए एक शक्तिशाली ट्यूनिंग नॉब (tuning knob) के रूप में कार्य करता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि रासायनिक संकेतों की शक्ति को बदलकर, एक प्रणाली को विभिन्न प्रकार के डिजाइनों के बीच स्विच करने के लिए प्रेरित किया जा सकता है। अपने सिमुलेशन में, उन्होंने आकर्षण या प्रतिकर्षण की विशिष्ट स्थितियों के आधार पर स्पॉट-जैसे पैटर्न से स्ट्राइप-जैसे (धारियों वाले) पैटर्न में और फिर वापस जाने का स्पष्ट संक्रमण देखा। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि प्रणाली को नियंत्रित करने वाले अंतर्निहित समीकरण पूरी तरह से सममित (symmetrical) हैं; इसमें धब्बों या धारियों के लिए कोई अंतर्निहित प्राथमिकता नहीं है। तथ्य यह है कि पैटर्न का आकार नाटकीय रूप से बदल जाता है, यह सुझाव देता है कि कणों की सक्रिय गति ही निर्णायक कारक है, जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं की प्राकृतिक समरूपता को दबा देती है।

अध्ययन ने एक नए प्रकार की अस्थिरता को भी उजागर किया जो विशेष रूप से तब उत्पन्न होती है जब कण एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं। कुछ श्रेणियों में, यह आकर्षण एक ऐसी स्थिति पैदा करता है जहाँ प्रणाली इस तरह से अस्थिर हो जाती है जो मानक मॉडलों में नहीं होती है। शोधकर्ताओं ने प्रत्यक्ष कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ इन सैद्धांतिक भविष्यवाणियों की पुष्टि की, जिससे पता चला कि पैटर्न के आकार के बारे में गणितीय भविष्यवाणियां दृश्य परिणामों से पूरी तरह मेल खाती हैं। जब सिमुलेशन ने दिखाया कि आकर्षण बढ़ने पर पैटर्न सिकुड़ रहा है, तो गणितीय मॉडल ने वही भविष्यवाणी की। जब पैटर्न उच्च आकर्षण स्तरों पर फिर से प्रकट हुए, तो मॉडल ने इसकी भी पुष्टि की। सिद्धांत और सिमुलेशन के बीच यह एक-से-एक पत्राचार निष्कर्षों को उच्च विश्वसनीयता प्रदान करता है।

जो इस कार्य को विशेष रूप से सम्मोहक बनाता है वह यह है कि यह इस सहज विचार को चुनौती देता है कि अधिक गति हमेशा अधिक विकार या अधिक जटिल पैटर्न की ओर ले जाती है। इसके बजाय, शोधकर्ताओं ने पाया कि संबंध एक नाजुक संतुलन है। बहुत कम गति शायद एकरूपता को तोड़ने के लिए पर्याप्त नहीं होगी, जबकि बहुत अधिक गति पैटर्न को पूरी तरह से धो सकती है, केवल तभी जब गति इतनी मजबूत हो जाए कि एक नए प्रकार का क्रम बना सके। यह सुझाव देता है कि जैविक प्रणालियों में, पैटर्न निर्माण को नियंत्रित करने की क्षमता केवल रसायनों पर ही नहीं, बल्कि इस पर भी निर्भर हो सकती है कि कोशिकाएं उन रसायनों के प्रति कितनी मजबूती से प्रतिक्रिया करती हैं।

इस शोध के निहितार्थ उपयोग किए गए विशिष्ट मॉडल से परे हैं। यह सुझाव देता है कि वास्तविक जैविक प्रणालियों में, जैसे कि ऊतकों का विकास या बैक्टीरिया की कॉलोनियों का संगठन, कीमोटैक्टिक संकेतों की शक्ति यह निर्धारित करने में एक महत्वपूर्ण कारक हो सकती है कि एक संरचना बनती है, गायब होती है, या अपना आकार बदलती है। शोधकर्ताओं ने यह दावा नहीं किया है कि उन्होंने सभी जैविक पैटर्न के रहस्य को सुलझा लिया है, लेकिन उन्होंने एक स्पष्ट, नया तंत्र प्रदान किया है कि कैसे पैटर्न को नियंत्रित और हेरफेर किया जा सकता है। यह दिखाकर कि कीमोटैक्सिस एक प्रणाली को पैटर्न, एकरूपता और फिर से पैटर्न के चक्र के माध्यम से संचालित कर सकता है, उन्होंने यह समझने के लिए एक नया मार्ग खोल दिया है कि जीवन अंतरिक्ष में खुद को कैसे व्यवस्थित करता है। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि जटिल संरचनाओं के निर्माण को नियंत्रित करने वाले नियम स्थिर नहीं हैं; वे घटकों के बीच की अंतःक्रियाओं की तीव्रता के आधार पर नाटकीय रूप से बदल सकते हैं, जो गैर-संतुलन प्रणालियों (nonequilibrium systems) की गतिशील प्रकृति के लिए एक नया दृष्टिकोण प्रदान करते हैं।