A compact and portable system for simultaneous CO₂ and O₂ measurements of leaf respiratory quotient

पौधे, अन्य सभी जीवित चीजों की तरह, जीवित रहने के लिए सांस लेने के लिए भी मजबूर हैं। हालांकि वे दिन के दौरान विकास को ईंधन देने के लिए कार्बन डाइऑक्साइड लेने और ऑक्सीजन छोड़ने के लिए प्रसिद्ध हैं, लेकिन वे रात में एक शांत, विपरीत प्रक्रिया भी करते हैं। अंधेरे में, पत्तियां ऑक्सीजन का सेवन करती हैं और कार्बन डाइऑक्साइड छोड़ती हैं, जिसे श्वसन (respiration) कहा जाता है। यह रात्रि श्वसन केवल ऊर्जा की निष्क्रिय बर्बादी नहीं है; यह एक जटिल मेटाबॉलिक इंजन है जो वैज्ञानिकों को ठीक से बताता है कि पौधा ईंधन के रूप में क्या जला रहा है। एक पौधे द्वारा छोड़ी जाने वाली कार्बन डाइऑक्साइड और उसके द्वारा ली जाने वाली ऑक्सीजन के बीच के अनुपात को 'रेस्पिरेटरी कोशिएंट' (श्वसन गुणांक) कहा जाता है। यदि कोई पौधा शुद्ध शर्करा (शुगर) जला रहा है, तो यह अनुपात ठीक एक पर रहता है। हालांकि, यदि वह वसा, प्रोटीन या अन्य जटिल अणुओं को जला रहा है, या यदि उसकी आंतरिक रसायन विज्ञान तनाव से निपटने के लिए बदल रही है, तो वह संख्या बदल जाती है। इस अनुपात को मापकर, शोधकर्ता पौधे की 'मेटाबॉलिक किचन' के भीतर झाँक सकते हैं कि किन सामग्रियों का उपयोग किया जा रहा है और पौधा अपने वातावरण के अनुकूल कैसे हो रहा है।

द दशकों से, इस अनुपात को मापना एक कठिन काम रहा है। वैज्ञानिक आमतौर पर एक पत्ते से निकलने वाली कार्बन डाइऑक्साइड और अंदर जाने वाली ऑक्सीजन को दो पूरी तरह से अलग मशीनों का उपयोग करके मापते थे, जो अक्सर अलग-अलग समय पर या अलग-अलग पत्तों पर होती थीं। यह दृष्टिकोण एक कार की गति का अनुमान लगाने के लिए दो अलग-अलग ट्रैक पर दो अलग-अलग स्टॉपवॉच का उपयोग करके समय मापने जैसा है; उपकरणों या स्थितियों में छोटे से अंतर भी अंतिम गणना को बिगाड़ सकते हैं। इसका परिणाम अक्सर एक भ्रमित करने वाली तस्वीर होती है जहाँ संख्याएँ मेल नहीं खातीं, और कभी-कभी ऐसा लगता है जैसे पौधा इस तरह से सांस ले रहा है जो बुनियादी जीव विज्ञान को चुनौती देता है। इस समस्या को हल करने के लिए, चिली, स्पेन और बेलिएरिक आइलैंड्स के विश्वविद्यालयों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने पौधे की सांस लेने की प्रक्रिया को देखने का एक सरल, अधिक सटीक तरीका बनाने का लक्ष्य रखा।

शोधकर्ताओं ने एक कॉम्पैक्ट, पोर्टेबल उपकरण बनाया जो एक छोटे, वायुरोधी धातु कक्ष (चैंबर) के भीतर फिट बैठता है। इस कक्ष के भीतर, उन्होंने एक छोटा सा पत्ता (लीफ डिस्क) रखा और उसे सील कर दिया। यह प्रणाली दो विशेष सेंसरों का उपयोग करती है जो साथ-साथ काम करते हैं: एक बढ़ते कार्बन डाइऑक्साइड के स्तर को ट्रैक करने के लिए और दूसरा गिरते ऑक्सीजन के स्तर की निगरानी करने के लिए। चूंकि दोनों सेंसर एक ही समय में, एक ही सीलबंद स्थान के भीतर एक ही पत्ते को देख रहे हैं, इसलिए वे पौधे के श्वसन की एक सटीक, समकालिक तस्वीर (सिमल्टेनियस स्नैपशॉट) कैप्चर करते हैं। यह नया सेटअप कम लागत वाला और पोर्टेबल है, जिससे वैज्ञानिक इसे ग्रोथ चैंबर के नियंत्रित वातावरण से बाहर निकालकर वास्तविक फसलों और जंगली पौधों का प्राकृतिक परिस्थितियों में अध्ययन करने के लिए ले जा सकते हैं।

टीम ने इस नए सिस्टम का परीक्षण तीन अलग-अलग प्रकार के पौधों पर किया: क्विनोआ, सोरघम और गेहूं, जिन्हें एक नियंत्रित लैब सेटिंग में उगाया गया था। उन्होंने अपने उपकरण को स्पेन के एक अंगूर के बाग में भी ले गए ताकि सामान्य सिंचाई और सूखे की स्थिति में अंगूर की बेलों का अध्ययन किया जा सके। हर मामले में, उन्होंने नए समकालिक माप की तुलना पारंपरिक पद्धति से की, जिसमें कार्बन डाइऑक्साइड मापने के लिए एक मानक, ओपन-एयर मशीन और ऑक्सीजन मापने के लिए नए सेंसर का अलग-अलग उपयोग किया गया था। परिणाम चौंकाने वाले थे। पारंपरिक पद्धति ने लगातार दिखाया कि पत्तियां नए सिस्टम द्वारा पता लगाए गए स्तर की तुलना में बहुत अधिक कार्बन डाइऑक्साइड छोड़ रही थीं। वास्तव में, पुरानी पद्धति ने अक्सर यह संकेत दिया कि पौधे इतनी अधिक कार्बन डाइऑक्साइड छोड़ रहे थे कि गैसों का अनुपात एक से अधिक था, जो यह दर्शाता है कि वे कार्बनिक अम्लों जैसे अत्यधिक ऑक्सीकृत ईंधन जला रहे हैं।

हालांकि, समकालिक मापों ने एक अलग कहानी बताई। जब कार्बन डाइऑक्साइड और ऑक्सीजन को एक ही सीलबंद कक्ष में एक साथ मापा गया, तो गैसों का अनुपात लगभग हमेशा एक के करीब या एक से थोड़ा कम था। यह उस स्थिति के बहुत करीब है जिसकी वैज्ञानिक अपेक्षा करते हैं जब पौधे मानक शर्करा और अन्य सामान्य ईंधनों को जलाते हैं। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि यह विसंगति पौधे के जीव विज्ञान का रहस्य नहीं थी, बल्कि माप तकनीक की एक खामी थी। पारंपरिक ओपन-एयर मशीनों में एक रबर की सील या गास्केट होता है जो पत्ते को अपनी जगह पर बनाए रखने के लिए उस पर दबाव डालता है। टीम ने पाया कि सील के नीचे फंसा हुआ ऊतक (टिश्यू) सांस लेना जारी रखता है, लेकिन उससे उत्पन्न कार्बन डाइऑक्साइड सील के नीचे से बगल में लीक हो जाती है और मशीन के सेंसर में खिंच जाती है। इस अतिरिक्त, अनचाही गैस ने मशीन को यह सोचने पर मजबूर कर दिया कि पत्ता वास्तव में जितना सांस ले रहा है, उससे कहीं अधिक सांस ले रहा है।

इसे सिद्ध करने के लिए, शोधकर्ताओं ने अपने पुराने डेटा पर एक गणितीय सुधार लागू किया, जिसमें सील के नीचे से आने वाली अतिरिक्त गैस का हिसाब रखा गया। एक बार जब उन्होंने ऐसा किया, तो पारंपरिक मशीन से प्राप्त संख्याएं अंततः नए, समकालिक सिस्टम के आंकड़ों से मेल खा गईं। दो पद्धतियां, जो पहले अलग-अलग कहानियां बताती हुई प्रतीत होती थीं, वास्तव में एक ही वास्तविकता का वर्णन कर रही थीं, बशर्ते कि माप त्रुटि को ठीक कर लिया जाए। नया पोर्टेबल सिस्टम, पूरे पत्ते को घेरकर और दोनों गैसों को एक साथ मापकर, स्वाभाविक रूप से इस लीकेज की समस्या को पूरी तरह से टाल देता है।

यह खोज वैज्ञानिकों के लिए पौधे के श्वसन का अध्ययन करने के तरीके को बदल देती है। यह दर्शाता है कि कई पिछले अध्ययनों ने शायद कार्बन डाइऑक्साइड के उत्सर्जन का अतिरंजित अनुमान लगाया होगा, जिससे वे गलत निष्कर्ष निकाल बैठे होंगे कि पौधे किस प्रकार के ईंधन का उपयोग कर रहे हैं। यह नया उपकरण सही उत्तर प्राप्त करने का एक मजबूत, सुलभ तरीका प्रदान करता है, जो यह प्रकट करता है कि पौधे अक्सर उम्मीद से कहीं अधिक एकता (unity) के करीब श्वसन संतुलन बनाए रखते हैं। लीकिंग सील्स और बेमेल मापों के तकनीकी शोर को हटाकर, यह सरल, पोर्टेबल उपकरण शोधकर्ताओं को पौधों की वास्तविक मेटाबॉलिक स्थिति को देखने की अनुमति देता है, चाहे वे लैब में बढ़ रहे हों या अंगूर के बाग में सूखे से जूझ रहे हों। यह पता चला है कि पौधे की सांस लेने की प्रक्रिया को समझने के लिए, आपको बस उसे बिना किसी बाहरी हवा के हस्तक्षेप के सुनना होगा।