Catalytic competence bounds the decay rates of a thermally formed radical pair
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि विस्तृत संतुलन (डिटेल्ड बैलेंस) फ्लेवोएंजाइमों में तापीय रूप से निर्मित रेडिकल जोड़ों की क्षय दरों पर मौलिक निचली सीमाएँ आरोपित करता है, जो यथार्थवादी उत्प्रेरक स्थितियों और ऊर्जा संबंधी बाधाओं के तहत भू-चुंबकीय क्षेत्र प्रभावों के परिमाण को 0.1% से कम तक गंभीर रूप से प्रतिबंधित करता है।
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प्रकृति के पास लंबे समय से एक शांत, आंतरिक दिशा-सूचक यंत्र (कम्पास) होने की जानकारी है। महाद्वीपों के पार हजारों मील की यात्रा करने वाले पक्षियों के लिए, पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र को महसूस करने की क्षमता एक जैविक आवश्यकता है। यह कैसे काम करता है, इसके लिए प्रमुख सिद्धांत में 'क्रिप्टोक्रोम' नामक एक अणु शामिल है, जो इन पक्षियों की आँखों में पाया जाता है। जब प्रकाश इस अणु से टकराता है, तो यह अत्यधिक प्रतिक्रियाशील टुकड़ों का एक जोड़ा बनाता है, जिन्हें 'रेडिकल्स' कहा जाता है, जो एक अजीब क्वांटम संबंध द्वारा जुड़े होते हैं। पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र, हालांकि अविश्वसनीय रूप से कमजोर है, इन टुकड़ों के व्यवहार को प्रभावित करने के लिए पर्याप्त मजबूत है, जिससे उनके बीच की रासायनिक अंतःक्रिया का परिणाम बदल जाता है और पक्षी को एक दिशात्मक संकेत प्राप्त होता है।
द दशकों से, वैज्ञानिकों ने यह विचार किया है कि क्या यही क्वांटम युक्ति अंधेरे में, मानव मस्तिष्क में न्यूरोट्रांसमीटर को तोड़ने वाले एंजाइमों के भीतर भी काम कर सकती है। ये एंजाइम, जिन्हें 'मोनोअमीन ऑक्सीडेस' कहा जाता है, मानसिक स्वास्थ्य के लिए महत्वपूर्ण हैं, फिर भी वे बिना प्रकाश के कार्य करते हैं। यदि वे भी चुंबकीय क्षेत्र को महसूस कर सकें, तो इसका अर्थ यह होगा कि हमारा मस्तिष्क पृथ्वी के चुंबकत्व से उन तरीकों से सूक्ष्म रूप से प्रभावित हो सकता है जिन्हें हम अभी तक पूरी तरह नहीं समझते हैं। हालांकि, इस तंत्र के काम करने के लिए, प्रतिक्रियाशील टुकड़ों को इतने लंबे समय तक जीवित रहना होगा कि वे कमजोर चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव को दर्ज करने के लिए पर्याप्त समय पा सकें। यदि वे बहुत जल्दी लुप्त हो जाते हैं, तो संकेत दर्ज होने से पहले ही खो जाता है।
टोक्यो के 'क्वांटम इंटीग्रेटेड रिसर्च इंस्टीट्यूट' के शोधकर्ताओं द्वारा किए गए एक नए अध्ययन ने इस संभावना पर सख्त सीमाएं लगा दी हैं। उन्होंने जांच की कि क्या ये अंधेरे में काम करने वाले एंजाइम वास्तव में चुंबकीय संवेदन के लिए आवश्यक लंबे समय तक जीवित रहने वाले 'रेडिकल पेयर्स' (युग्मों) को धारण कर सकते हैं। इन कणों के स्पिन और अंतःक्रिया के विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ रासायनिक ऊर्जा के मौलिक नियमों को जोड़कर, लेखकों ने पाया कि नियम थर्मोडायनामिक्स (ऊष्मागतिकी) के अनुसार यह संभावना कम है कि ये एंजाइम सामान्य परिस्थितियों में पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र के प्रति संवेदनशील हों, हालांकि एक अनुकूल 'एक्टिव साइट' वातावरण परिणाम को बदल सकता है।
शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट रासायनिक मार्ग पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ एक एंजाइम एक सबस्ट्रेट अणु को पकड़ता है और एक रेडिकल पेयर बनाने के लिए इलेक्ट्रॉन स्थानांतरित करता है। एक उत्प्रेरक (कैटलिस्ट) के रूप में कार्य करने के लिए, एंजाइम को अंततः एक उत्पाद छोड़ना होगा और अपनी प्रारंभिक अवस्था में वापस आना होगा। अध्ययन ने दिखाया कि यदि एंजाइम को एक वास्तविक गति से कार्य करना है, तो उसके द्वारा बनाया गया रेडिकल पेयर लंबे समय तक नहीं टिक सकता। इसमें एक गणितीय समझौता (ट्रेड-ऑफ) है: एंजाइम जितना तेजी से काम करेगा, रेडिकल पेयर का जीवन उतना ही छोटा होगा। टीम ने गणना की कि यदि एंजाइम जैविक रूप से प्रासंगिक होने के लिए पर्याप्त कुशल होना चाहिए, तो रेडकल पेयर को लगभग तुरंत ही समाप्त होना होगा।
अपने सिमुलेशन में, शोधकर्ताओं ने एक फ्लेविन अणु के व्यवहार का मॉडल तैयार किया, जो इन एंजाइमों में इलेक्ट्रॉन वाहक के रूप में कार्य करता है, जिसे एक अमीन सबस्ट्रेट के साथ जोड़ा गया था। उन्होंने इन कणों के स्पिन और अंतःक्रिया के लाखों संयोजनों का परीक्षण किया, यह देखने के लिए कि क्या पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र रासायनिक प्राप्ति (यील्ड) को बदल सकता है। उन्होंने पाया कि यदि एंजाइम एक मानक गति से काम करता है, तो चुंबकीय प्रभाव आमतौर पर एक प्रतिशत के दसवें हिस्से से भी कम होगा। जैविक संवेदन की दुनिया में, ऐसा सूक्ष्म संकेत प्रभावी रूप से अदृश्य होता है, जो कोशिका के यादृच्छिक तापीय शोर (थर्मल नॉइज़) में दब जाता है।
अध्ययन ने इन जोड़ों को बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा पर भी विचार किया। पानी में, एंजाइम की शुरुआती अवस्था और रेडिकल पेयर के बीच का ऊर्जा अंतराल इतना बड़ा है कि वह जोड़ा अत्यंत अस्थिर होगा। यहाँ तक कि जब शोधकर्ताओं ने एंजाइम के सक्रिय स्थल (एक्टिव साइट) के अद्वितीय, भीड़भाड़ वाले वातावरण को ध्यान में रखते हुए अपनी गणनाओं को समायोजित किया, तब भी ऊर्जा अंतराल इतना अधिक बना रहा कि अधिकांश परिदृश्यों में एक लंबे समय तक जीवित रहने वाले जोड़े की अनुमति न दे सके। हालांकि, सबसे अनुकूल सैद्धांतिक मामले में, जहाँ सक्रिय स्थल जोड़े के बीच आकर्षण को काफी मजबूत करता है, ऊर्जा अंतराल इतना कम हो सकता है कि एक मापने योग्य प्रभाव दिखाई दे, जिसमें अनुमानित संकेत 0.21% तक पहुँच सकते हैं।
यह कार्य इस संभावना को खारिज नहीं करता है कि कुछ एंजाइम चुंबकीय क्षेत्रों से प्रभावित हो सकते हैं, लेकिन यह सुझाव देता है कि मोनोअमीन ऑक्सीडेस के लिए लंबे समय तक जीवित रहने वाले रेडिकल पेयर्स पर आधारित विशिष्ट तंत्र उत्तर होने की संभावना कम है, जब तक कि सक्रिय स्थल का वातावरण असाधारण रूप से अनुकूल न हो। लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि उनके निष्कर्ष इस बात पर आधारित हैं कि एंजाइमों को उपयोगी होने के लिए कैसे कार्य करना चाहिए। यदि कोई एंजाइम जीवन को बनाए रखने के लिए पर्याप्त तेजी से कार्य करता है, तो वह मानक स्थितियों के तहत पृथ्वी के क्षेत्र को महसूस करने के लिए इन चुंबकीय-संवेदनशील जोड़ों को पर्याप्त समय तक जीवित रखने का जोखिम नहीं उठा सकता। अध्ययन अन्य, अधिक जटिल तंत्रों की खोज के लिए द्वार खुला छोड़ता है, और विशेष रूप से उल्लेख करता है कि यदि सक्रिय स्थल ऊर्जा अंतराल को लगभग 0.49 eV तक कम कर देता है, तो भी संभावना बनी रहती है।
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