अब कई दशकों से, वैज्ञानिक और जीवविज्ञानी यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि अविकसित कोशिकाओं के समूह से जानवरों के कोट में मंत्रमुग्ध कर देने वाले पैटर्न कैसे उभरते हैं।
ब्रिटिश गणितज्ञ एलन ट्यूरिंग ने 1950 के दशक की शुरुआत में प्रस्तावित किया था कि जैसे-जैसे कोशिकाएं और ऊतक विकसित होते हैं, वे कुछ अणुओं या रासायनिक एजेंटों का उत्पादन करते हैं जो उनके परिवेश में फैलते हैं, एक-दूसरे के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, और अंततः पैटर्न के लिए रंगद्रव्य बनाने की प्रक्रिया को सक्षम करते हैं। इसके साथ ही अन्य इंटरैक्शन उनके प्रसार को रोक सकते हैं, पैटर्न के बीच गैर-वर्णित स्थान बना सकते हैं और उन्हें विशेष क्षेत्रों तक सीमित कर सकते हैं।
इस मॉडल के लिए धन्यवाद, परिणामी पैटर्न को आज ट्यूरिंग पैटर्न कहा जाता है।
हालाँकि, जब वैज्ञानिकों ने ट्यूरिंग के फॉर्मूले के आधार पर कंप्यूटर पर इस मॉडल का अनुकरण किया, तो उन्होंने पाया कि पैटर्न ज़ेबरा, तेंदुए और सांपों पर देखी जाने वाली तेज रूपरेखाओं को विकसित नहीं करते हैं। इसके बजाय, मॉडल में केवल धुंधले पैटर्न सामने आए, जैसे कि प्रसार सीमित नहीं था।
अलंकृत बॉक्सफिश
कुछ वैज्ञानिक यह निर्धारित करने का प्रयास कर रहे हैं कि क्यों और साथ ही ‘सही’ मॉडल बायोफिजिसिस्ट परिवहन घटना के क्षेत्र पर काम कर रहे हैं। ऐसी ही एक जांच के क्रम में बेल्जियम के भौतिक रसायन विज्ञान के प्रतिपादक इल्या प्रिगोगिन को 1977 में रसायन विज्ञान का नोबेल पुरस्कार मिला।
अब, कोलोराडो-बोल्डर विश्वविद्यालय का एक अध्ययन, जर्नल में प्रकाशित हुआ मामला पर 27 अक्टूबरने कथित तौर पर यह पता लगाया है कि तेज किनारों वाले जानवरों के कोट के पैटर्न कैसे आकार लेते हैं।
अध्ययन के सह-लेखक और रसायन और जैविक इंजीनियरिंग विभाग में सहायक प्रोफेसर अंकुर गुप्ता ने कहा, “ये जानवरों के पैटर्न इतने सुंदर फिर भी अपूर्ण कैसे हैं? यही वह सवाल है जिसका हम जवाब देना चाहते थे।”
एक नर अलंकृत बॉक्सफ़िश की छवि की ओर इशारा करते हुए (अरकाना ओर्नाटा), डॉ. गुप्ता ने कहा कि उनके छात्र विशेष रूप से इसकी ज्वलंत बैंगनी-पीली गिल्डिंग से मंत्रमुग्ध थे और यह समझना चाहते थे कि इसके शरीर पर पीली हेक्सागोनल रेखाएं कैसे आकार लेती हैं।
“हमने लगभग दुर्घटनावश ही इस पर काम करना शुरू कर दिया, क्योंकि पैटर्न बहुत करीब से वैसा ही था जैसा मेरी टीम सिमुलेशन के माध्यम से प्राप्त कर रही थी।”
पूर्ण अपूर्णता
डॉ. गुप्ता की टीम ट्यूरिंग पैटर्न पर काम कर रही थी। 2023 में, उन्होंने डिफ्यूसियोफोरेसिस नामक एक घटना पर ध्यान केंद्रित किया: जहां तरल पदार्थ या फैलाव माध्यम में निलंबित कोलाइडल कण चुंबक की तरह अन्य कणों को आकर्षित कर सकते हैं, उन्हें एक साथ चिपका सकते हैं।
जब उन्होंने सिमुलेशन चलाया, तो उन्होंने पाया कि डिफ्यूज़ियोफोरेसिस के परिणामस्वरूप ट्यूरिंग मॉडल द्वारा बनाए गए पैटर्न की तुलना में अधिक तेज पैटर्न बन सकते हैं। लेकिन दूसरी तरफ, ये पैटर्न सममित थे – जबकि प्रकृति में उनमें थोड़ी खामियाँ थीं।
नए अध्ययन में, डॉ. गुप्ता और उनके सहयोगी सियामक मिर्फेंडेरेस्की ने विभिन्न कोशिकाओं को विशिष्ट आकार निर्दिष्ट करके अपने स्वयं के मॉडल में सुधार किया, फिर ऊतकों के माध्यम से इन कोशिकाओं की गति का अनुकरण किया। और वहां वे थे: अपूर्ण ट्यूरिंग पैटर्न, जो कि जंगली पैटर्न के समान थे।
प्रसार और फैलाव
जब कोई अणु किसी तरल माध्यम से चलता है, तो वह केवल एक सीधी रेखा में स्थिर गति से नहीं चल रहा होता है। शुरुआत के लिए, क्योंकि यह बहुत छोटा है, यह इसके चारों ओर होने वाले छोटे तापमान परिवर्तनों से प्रभावित होगा। दूर से देखने पर अणु बेतरतीब दिशाओं में इधर-उधर घूमता हुआ प्रतीत होगा। यह ब्राउनियन गति है – और इस तरह से माध्यम के माध्यम से अणु की यात्रा को प्रसार कहा जाता है।
डॉ. गुप्ता की पसंद का उदाहरण कुछ स्याही को पानी में गिराना था: समय के साथ, स्याही के अणु विशेष स्थानों पर एक साथ चिपके बिना, पानी में पूरी तरह से फैल जाते हैं। यह प्रसार है.
यदि स्याही को किसी नदी में गिराया गया होता, तो उसके अणु अभी भी छोटे पैमाने पर पानी में फैलते रहते। हालाँकि, बड़े पैमाने पर, विभिन्न धाराएँ सभी अणुओं को नीचे की ओर खींच लेंगी। इसे फैलाव कहते हैं.
“एक माध्यम में सभी कणों में कुछ प्रसार गुणांक और चारों ओर फैलने की कुछ प्रकार की प्रवृत्ति होती है। लेकिन अगर वे एक-दूसरे के साथ प्रतिक्रिया भी कर रहे हैं, और सही परिस्थितियों में, तो आप एकरूपता से विषमता प्राप्त कर सकते हैं,” डॉ. गुप्ता।
सातत्य मॉडल
अपने काम के दौरान, टीम ने पाया कि यदि शास्त्रीय ट्यूरिंग मॉडल का उपयोग किया जाता है, तो पैटर्न उचित सीमाओं के बिना धुंधले दिखाई देते हैं, जिसका अर्थ है कि जब रंगद्रव्य को केवल फैलने की अनुमति होती है।
लेकिन अगर उन्हें एक साथ इकट्ठा होने की अनुमति दी गई, तो टीम ने पाया कि माध्यम में त्रि-आयामी धब्बों का एक समूह बनेगा, जिसमें कण एकत्र होंगे और प्रत्येक स्थान के चारों ओर तैरेंगे। इस घटना को डिफ्यूज़ियोफोरेसिस कहा जाता है।
जब शोधकर्ताओं ने पूरे सिस्टम को डिफ्यूसियोफोरेसिस के साथ मॉडल किया, तो उन्होंने देखा कि पैटर्न घटित हुए और वे शास्त्रीय ट्यूरिंग मॉडल की तुलना में बहुत तेज थे। लेकिन क्योंकि सभी कोशिकाओं का आकार एक जैसा था, इसलिए उनके पैटर्न बहुत सटीक थे।
डॉ. गुप्ता ने कहा, “सियामैक ने अपनी पीएचडी से विशेषज्ञता हासिल की, जिससे हमें अलग-अलग कोशिकाओं का मॉडल बनाने में मदद मिली और हमने 1,00,000 से 10,00,000 से अधिक ऐसी कोशिकाओं के लिए ऐसा किया।”
“इससे हमें इस मॉडलिंग के लिए एक कम्प्यूटेशनल एल्गोरिदम बनाने की अनुमति मिली जिसका हमने पेपर में विस्तार से वर्णन किया है। अब, हम एक सातत्य मॉडल से दूर जा रहे हैं और प्रत्येक कोशिका को व्यक्तिगत रूप से मॉडल करने की कोशिश कर रहे हैं, और इसके परिणामस्वरूप बहुत अधिक यथार्थवादी पैटर्न प्राप्त होता है।”
अच्छी पैकिंग
स्याही के उदाहरण में, अद्यतन मॉडल पानी में कुछ कणों के समान है जो स्याही के अणुओं की ओर आकर्षित होते हैं जबकि अन्य विकर्षित होते हैं।
इस परिदृश्य में कोशिकाओं का आकार मायने रखता है क्योंकि यह नियंत्रित करता है कि जब कोशिकाएँ एकत्रित होती हैं तो वे एक-दूसरे के चारों ओर कितनी अच्छी तरह पैक हो सकती हैं।
मॉडल में, जब कोशिकाएं पैटर्न की मोटाई की तुलना में बहुत छोटी थीं, तो वे स्वतंत्र रूप से घूम सकती थीं और नए पैटर्न में बड़े करीने से फिट हो सकती थीं और उनके द्वारा बनाए गए गुच्छे चिकने और सुव्यवस्थित थे। लेकिन जैसे-जैसे कोशिकाएँ बड़ी होती गईं, रासायनिक पैटर्न की चौड़ाई के करीब पहुँचते-पहुँचते, वे एक-दूसरे से टकराने लगीं और सभी पैटर्न के ‘आदर्श’ स्थानों में पूरी तरह से फिट नहीं हो सके, जिससे खामियाँ पैदा हुईं। कुछ क्षेत्रों को कसकर पैक किया जा सकता था जबकि अन्य विरल या खंडित थे।
चूँकि बड़े कणों, या कोशिकाओं का सतह क्षेत्र भी अधिक होता है, वे छोटी कोशिकाओं द्वारा निर्मित पैटर्न की तुलना में व्यापक पैटर्न बना सकते हैं।
जब वे और भी बड़े हो गए, तो कोशिकाएँ पूर्ण पैटर्न नहीं बना सकीं। गुच्छे अनियमित और मोटे हो जाते हैं, जैसे वास्तविक जैविक ऊतक में दिखाई देने वाले असमान धब्बे होते हैं।
अपूर्ण पैटर्न
डॉ. गुप्ता ने कहा, “जब हमने कोशिकाओं को विभिन्न आकारों में मॉडल किया, तो हमारी मछली का पैटर्न अचानक बहुत अधिक यथार्थवादी हो गया।” “पैटर्न में खामियां मौजूद हैं और कड़ी हो गई हैं, और विसंगति के विचार जैसा कुछ इस ढांचे में देखा जाता है, और ये पैटर्न प्रकृति में हम जो पाते हैं उससे अधिक निकटता से मिलते हैं।”
अध्ययन सीमाओं के बिना नहीं है. नया मॉडल किसी ऊतक या कोशिका (जैसे आसंजन) के भीतर जैविक शक्तियों का हिसाब नहीं देता है, और इसने कोशिकाओं को पारगम्य और स्क्विशी बूँदों के बजाय कठोर गोले के रूप में अनुकरण किया है जो वे वास्तव में हैं। डॉ. गुप्ता के अनुसार, एक भविष्य का मॉडल जिसमें ये कारक शामिल हों, पैटर्न निर्माण के संबंध में सूक्ष्म निष्कर्ष प्राप्त कर सकता है।
अभी के लिए, नए निष्कर्ष मछली, छिपकलियों, स्तनधारियों और अन्य जानवरों में पाए जाने वाले प्राकृतिक पैटर्न को समझाने के करीब आते हैं, और बेहतर छलावरण और कपड़ा डिजाइन के लिए मार्ग प्रशस्त कर सकते हैं।
संध्या रमेश एक स्वतंत्र विज्ञान पत्रकार हैं।
