Can bacteria reveal something about electrons and charge?

प्रत्येक जीवित कोशिका के भीतर, सबसे छोटे बैक्टीरिया से लेकर सबसे बड़े मानव तक, एक सूक्ष्म ऊर्जा संयंत्र कार्य कर रहा है। यह मशीनरी, जिसे इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला (इलेक्ट्रॉन ट्रांसपोर्ट चेन) के रूप में जाना जाता है, उस ऊर्जा को उत्पन्न करने के लिए जिम्मेदार है जो जीवन को चालू रखती है। यह इलेक्ट्रॉनों नामक सूक्ष्म, ऋणात्मक रूप से आवेशित कणों को आणविक स्टेशनों की एक श्रृंखला के माध्यम से भेजकर संचालित होती है। दशकों से, वैज्ञानिक इस प्रक्रिया को व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनों के एक निरंतर प्रवाह के रूप में समझते आए हैं जो एक स्टेशन से दूसरे स्टेशन तक कूदते हैं, बिल्कुल एक रिले रेस की तरह जहाँ प्रत्येक धावक एक एकल बैटन ले जाता है। यह प्रवाह जीव विज्ञान के लिए इतना मौलिक है कि इसमें कोई भी व्यवधान, मस्तिष्क और तंत्रिका तंत्र को प्रभावित करने वाली बीमारियों सहित गंभीर रोगों से जुड़ा हुआ है। हालाँकि, एलर्जी अडैप्ट, इंक. के मार्क डमके का एक हालिया शोध पत्र एक चौंकाने वाला प्रश्न पूछता है: क्या होगा यदि ये इलेक्ट्रॉन अकेले यात्रा नहीं कर रहे हैं? क्या होगा यदि, कुछ विशेष परिस्थितियों में, वे जोड़ों में यात्रा करते हैं, और क्या होगा यदि भौतिकी के वे नियम जो उनके व्यवहार को नियंत्रित करते हैं, वे वैसे नहीं हैं जैसा हम सोचते हैं?

शोध पत्र ऊर्जा बनाने की प्रक्रिया के एक विशिष्ट क्षण का परीक्षण करते हुए शुरू होता है, जहाँ दो इलेक्ट्रॉन FMN नामक अणु से पास के आयरन और सल्फर क्लस्टर को सौंपे जाते हैं। मानक दृष्टिकोण में, इन दो इलेक्ट्रॉनों को एक-दूसरे को तीव्रता से प्रतिकर्षित करना चाहिए क्योंकि वे समान ऋणात्मक आवेश वहन करते हैं। उन्हें इतनी निकटता में धकेलने के लिए भारी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होगी, जो स्पष्ट रूप से कोशिका द्वारा प्रदान की जा सकने वाली क्षमता से अधिक है। डमके सुझाव देते हैं कि भौतिकी के नियमों का यह स्पष्ट उल्लंघन एक छिपी हुई संभावना की ओर संकेत करता है: कि इलेक्ट्रॉन वास्तव में एक साथ बंधे हो सकते हैं, जिसे उन्होंने एक नया, स्थिर रूप दिया है जिसे वे "डाइइलेक्ट्रॉन" कहते हैं। इस अवस्था में, दोनों इलेक्ट्रॉन बिना किसी चुंबकीय स्पिन के एक एकल इकाई के रूप में कार्य करेंगे, जिससे उनका प्रतिकर्षण प्रभावी रूप से निष्प्रभावी हो जाएगा। यदि यह सच है, तो इसका अर्थ यह होगा कि इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला एकल धावक नहीं भेज रही है, बल्कि हाथ पकड़े हुए धावकों के जोड़े भेज रही है, जो बाद में प्रक्रिया के दौरान अलग हो जाते हैं।

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ता ने बैक्टीरिया की ओर रुख किया, जो मनुष्यों की तरह ही ऊर्जा श्रृंखला के बिल्कुल समान प्रारंभिक चरणों का उपयोग करते हैं। प्रयोग एक विशिष्ट कमजोरी पर आधारित था: प्रक्रिया शुरू करने वाला अणु, FMN, राइबोफ्लेविन नामक विटामिन से बना होता है। शोधकर्ता ने दो प्रकार की जीवाणु संवर्ध (बैक्टीरियल कल्चर) तैयार किए। एक समूह को सामान्य, अक्षुण्ण राइबोफ्लेविन खिलाया गया, जबकि दूसरे समूह को ऐसे राइबोफ्लेविन से खिलाया गया जो पराबैंगनी (UV) प्रकाश के संपर्क में आने से क्षतिग्रस्त हो गया था। सिद्धांत यह था कि यदि डाइइलेक्ट्रॉन मौजूद हैं, तो क्षतिग्रस्त राइबोफ्लेविन इलेक्ट्रॉन जोड़ों को समय से पहले टूट जाने के लिए मजबूर करेगा। जब एक जोड़ा टूटता है, तो दोनों इलेक्ट्रॉन उच्च गति से बिखर जाते हैं, पानी के अणुओं से टकराते हैं और सॉफ्ट एक्स-रे के रूप में ऊर्जा का एक विस्फोट छोड़ते हैं।

सेटअप सरल लेकिन सटीक था। बैक्टीरिया को अगर प्लेटों पर उगाया गया था, और ब्लैक-एंड-व्हाइट फोटोग्राफिक फिल्म की चादरें सीधे उनके बगल में रखी गई थीं। फिल्म को दृश्य प्रकाश से सुरक्षित रखा गया था लेकिन यह उन सॉफ्ट एक्स-रे का पता लगाने के लिए पर्याप्त संवेदनशील थी जो तब उत्सर्जित हो सकते हैं यदि इलेक्ट्रॉन जोड़े वास्तव में टूट रहे हों। शोधकर्ता ने किसी भी साधारण विकिरण को रोकने के लिए बैक्टीरिया और फिल्म के एक सेट के बीच ग्रेफाइट की एक मोटी चादर भी रखी, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि केवल सबसे अधिक प्रवेश करने वाली ऊर्जा ही निशान छोड़ सके। तीस-छह घंटों तक बैक्टीरिया को बढ़ने देने के बाद, यह देखने के लिए फिल्म विकसित की गई कि क्या हुआ था।

परिणामों ने दोनों समूहों के बीच एक स्पष्ट अंतर दिखाया। सामान्य, अक्षुण्ण राइबोफ्लेविन से खिलाए गए बैक्टीरिया के बगल में रखी फिल्म पूरी तरह से साफ रही, जिसमें एक्सपोजर का कोई संकेत नहीं मिला। हालाँकि, क्षतिग्रस्त-राइबोफ्लेविन से खिलाए गए बैक्टीरिया के बगल वाली फिल्म ने एक्सपोजर के स्पष्ट धब्बे दिखाए। ये धब्बे उन क्षेत्रों में दिखाई दिए जहाँ जीवाणु कॉलोनियाँ बढ़ रही थीं, विशेष रूपकर किनारों पर जहाँ बैक्टीरिया सबसे अधिक सक्रिय थे। शोधकर्ता ने प्रकाश के रिसाव या भौतिक संदूषण जैसी सामान्य त्रुटियों को खारिज कर दिया, यह नोट करते हुए कि क्षतिग्रस्त-राइबोफ्लेविन वाली प्लेटों पर दिखने वाले धब्बे फिल्म पर किसी भी भौतिक निशान से भिन्न थे। इन धब्बों की उपस्थिति यह सुझाव देती है कि क्षतिग्रस्त बैक्टीरिया उस विकिरण को उत्सर्जित कर रहे थे जो स्वस्थ बैक्टीरिया नहीं कर रहे थे।

डमके का तर्क है कि यह विकिरण डाइइलेक्ट्रॉनों के टूटने का हस्ताक्षर है। वे नोट करते हैं कि कोई भी ज्ञात बैक्टीरिया मानक विद्युत माध्यमों के माध्यम से ऐसे एक्स-रे उत्पन्न करने के लिए आवश्यक उच्च वोल्टेज उत्पन्न नहीं कर सकता है, और बैक्टीरिया द्वारा उत्पन्न ऊष्मा इस प्रभाव को समझाने के लिए बहुत कम है। इसके बजाय, शोध पत्र सुझाव देता है कि राइबोफ्लेविन को हुए नुकसान ने इलेक्ट्रॉन जोड़ों को विघटित कर दिया, जिससे फिल्म पर देखी गई ऊर्जा मुक्त हुई। हालाँकि शोध पत्र यह दावा नहीं करता है कि उसने डाइइलेक्ट्रॉनों के अस्तित्व को निर्णायक रूप से सिद्ध कर दिया है, फिर भी यह इस प्रयोग को इस प्रमाण के रूप में प्रस्तुत करता है कि ऐसे जोड़े वास्तव में मौजूद हो सकते हैं और उनका समय से पहले टूटना हानिकारक ऊर्जा छोड़ सकता है।

इस खोज के निहितार्थ प्रयोगशाला से परे भी हैं। यदि डाइइलेक्ट्रॉन कोशिकाओं द्वारा ऊर्जा उत्पन्न करने का एक वास्तविक हिस्सा हैं, तो उनका आकस्मिक टूटना मानव शरीर के भीतर क्षति का एक स्रोत हो सकता है। शोध पत्र बताता है कि मस्तिष्क उन क्षेत्रों में न्यूरोमेलानिन नामक एक वर्णक (पिगमेंट) का उत्पादन करता है जहाँ सबसे अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है, और यह वर्णक अक्सर अल्जाइमर जैसे न्यूरोडीजेनेरेटिव रोगों से जुड़ा होता है। यदि इलेक्ट्रॉन जोड़ों का टूटना सॉफ्ट एक्स-रे छोड़ता है, तो यह संभव है कि मस्तिष्क इस आंतरिक विकिरण से खुद को बचाने की कोशिश कर रहा हो। शोधकर्ता का सुझाव है कि इन इलेक्ट्रॉन जोड़ों की स्थिरता को प्रभावित करने वाली स्थितियाँ, जैसे कि उचित राइबोफ्लेविन की कमी, तंत्रिका संबंधी विकारों में योगदान दे सकती हैं। हालाँकि शोध पत्र इलाज का प्रस्ताव नहीं देता है, लेकिन यह सुझाव देता है कि इस छिपे हुए तंत्र को समझना यह जांचने के नए रास्ते खोल सकता है कि ये बीमारियाँ क्यों होती हैं और उन्हें कैसे रोका जा सकता है। यह अध्ययन एक सुझाव बना हुआ है, एक परिकल्पना जो विशिष्ट टिप्पणियों के एक सेट द्वारा समर्थित है, जो यह देखने के लिए और अधिक उन्नत उपकरणों के साथ आगे की जांच का निमंत्रण देती है कि क्या इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला वास्तव में आवेश और पदार्थ की प्रकृति के बारे में एक रहस्य छिपाए हुए है।