पेचदार पथ सूक्ष्म क्षेत्र में हर जगह हैं। कई बैक्टीरिया और परजीवी केवल सीधी रेखाओं में तैरते या सरकते नहीं हैं। तीन आयामों में, वे अपने आस-पास के माध्यम से कॉर्कस्क्रू-जैसे ट्रैक का पता लगाते हैं। उदाहरण के लिए, मलेरिया परजीवी नरम 3डी जैल के माध्यम से और, काटे हुए मेजबान की त्वचा में, फैले हुए झरनों की तरह दिखने वाले रास्तों पर सरकते हैं।
ऐसे किसी भी जीव के लिए मुख्य चुनौती शोर है। उनके वातावरण से ऊर्जा का बेतरतीब विस्फोट और उनकी स्वयं की बल-उत्पादक मशीनरी में उतार-चढ़ाव लगातार इसे दिशा से भटकाने की कोशिश करते हैं। क्लासिक कार्य चालू इशरीकिया कोली बैक्टीरिया ने दिखाया है कि एक जीवाणु घूर्णी प्रसार के कारण लगभग एक सेकंड के भीतर अपना अभिविन्यास खो सकता है, यानी आसपास के अणुओं के साथ टकराव जो धीरे-धीरे लेकिन निश्चित रूप से अपनी दिशा को यादृच्छिक बनाता है।
फिर भी मलेरिया परजीवियों और अन्य समान सूक्ष्मजीवों को पोषक तत्वों और – परजीवी के मामले में – एक रक्त वाहिका खोजने के लिए मोटे तौर पर दसियों सेकंड या उससे अधिक समय तक ट्रैक पर रहना होगा।
ट्विस्ट करो
पहले के भौतिक मॉडल आमतौर पर ऐसे सूक्ष्मजीवों को यादृच्छिक शोर से स्व-चालित ‘मोतियों’ के रूप में वर्णित करते थे। ये मॉडल अधिकतर द्वि-आयामी थे; कभी-कभी वे मोतियों को चारों ओर से घेरने के लिए एक सरल, निरंतर टॉर्क जोड़ते थे। हालाँकि, उन्होंने शोर की उपस्थिति में 3डी पेचदार गति का पूरी तरह से इलाज नहीं किया, जिसमें एक स्मृति थी, जिसका अर्थ है कि शोर जिसका वर्तमान मूल्य उसके हाल के अतीत पर निर्भर करता है। उसी समय, मलेरिया परजीवियों पर ज्यामिति-आधारित काम ने दिखाया था कि कैसे उनकी घुमावदार, छड़ी जैसी आकृति और लचीलेपन ने उन्हें रक्त वाहिकाओं जैसी बाधाओं और संरचनाओं के चारों ओर चक्कर लगाने में मदद की, लेकिन विस्तार से यह बताए बिना कि वे उस तरह से कैसे आगे बढ़ सकते हैं।
हीडलबर्ग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं के एक नए अध्ययन ने शायद इस अंतर को पाट दिया है। उन्होंने मलेरिया परजीवियों को सिंथेटिक हाइड्रोजेल के माध्यम से उड़ते हुए देखा और फिर एक मॉडल का उपयोग करके उनके पथों का पुनर्निर्माण किया, और अपने निष्कर्षों को प्रकाशित किया। प्रकृति भौतिकी 24 नवंबर को.
“हमारी नई जांच से पता चलता है कि मलेरिया परजीवी 3डी वातावरण में लगभग विशेष रूप से दाएं हाथ के हेलीकाप्टरों पर चलते हैं,” हीडलबर्ग विश्वविद्यालय के सैद्धांतिक भौतिकी संस्थान में कॉम्प्लेक्स बायोसिस्टम्स समूह के भौतिकी के अध्ययन के सह-लेखक और प्रमुख उलरिच श्वार्ज़ ने एक में कहा। मुक्त करना.
डेटा से, टीम ने पाया कि परिवर्तन दो समय के पैमाने पर हो रहे हैं: एक लगभग 20 सेकेंड पर और दूसरा लगभग 100 सेकेंड पर। 20 सेकंड एक पेचदार मोड़ की अवधि से मेल खाते थे और उस समय में परजीवी की आंतरिक ड्राइव लगभग उसी तरह से आगे बढ़ती रही। 100 एस वह समय था जब तक हेलिक्स की धुरी एक दिशा में इंगित करती रही।
सिंथेटिक हाइड्रोजेल के माध्यम से सरकते हुए मलेरिया परजीवियों के पुनर्निर्मित प्रक्षेप पथ। | फोटो क्रेडिट: arXiv:2501.18927v3
जब लूपी बेहतर हो
मानव त्वचा में इंजेक्ट किए गए मलेरिया स्पोरोज़ोइट्स को एक केशिका खोजने के लिए सैकड़ों माइक्रोमीटर को कवर करना पड़ता है जो उन्हें यकृत तक ले जाता है। पुराने ज्यामितीय मॉडलों ने पहले ही संकेत दिया था कि परजीवी जिस प्राकृतिक दूरी पर चक्कर लगाता है वह मोटे तौर पर छोटी रक्त वाहिकाओं की त्रिज्या से मेल खाती है, जिससे उनके चारों ओर घूमना आसान हो जाता है। नए कार्य ने इस चित्र में एक पूरक प्रश्न जोड़ा है: परजीवी के आंतरिक तंत्र की शोर प्रकृति को देखते हुए, क्या एक पेचदार पथ का अनुसरण करने से वास्तव में उसे समान गति से चलने वाले गैर-लूपिंग सूक्ष्मजीव की तुलना में अधिक दूर तक यात्रा करने में मदद मिल सकती है?
अध्ययन दल ने एक चिरल सक्रिय कण का एक 3डी गणितीय मॉडल बनाया, जिसका अर्थ है एक मनका जो चलते समय एक निश्चित अर्थ में घूमता है। कण के पास अपने संदर्भ के फ्रेम में एक निरंतर आगे की गति और एक कोणीय वेग था, जो शोर की अनुपस्थिति में, इसे एक आदर्श हेलिक्स का पता लगाने में सक्षम बनाता था।
कार्य की नवीनता इस बात में निहित है कि टीम ने घूर्णी शोर का इलाज कैसे किया। श्वेत शोर जोड़ने के बजाय, लेखकों ने ऑर्नस्टीन-उहलेनबेक (ओयू) प्रक्रिया के साथ कोणीय वेग का वर्णन किया। यहां, शोर को एक निश्चित विश्राम समय के साथ पसंदीदा मूल्य की ओर ‘वापस खींच लिया’ जाता है। इससे ‘रंगीन शोर’ उत्पन्न हुआ, यानी न केवल सफेद शोर बल्कि शोर जो आंशिक रूप से पूर्वानुमानित था, परजीवी के शरीर के भीतर धीरे-धीरे बदलती आंतरिक प्रक्रियाओं की नकल करता था।
इस मॉडल की मनका की औसत स्थिति और उसके विस्थापन की भविष्यवाणियां हाइड्रोजेल के माध्यम से घूमने वाले परजीवियों की भविष्यवाणी से मेल खाती हैं।
त्रिज्या और पिच
महत्वपूर्ण रूप से, लेखकों ने पाया कि 3डी स्थान में और उचित स्तर के शोर के लिए, एक पेचदार पथ के साथ चलने वाला एक मनका समान गति से सीधे यात्रा करने वाले मनका की तुलना में अधिक समय में बड़ी दूरी तय कर सकता है। अर्थात्, पर्याप्त समय दिए जाने पर, सूक्ष्मजीव अपने मूल से कितनी दूर तक फैला है, इस संदर्भ में हेलिक्स “सीधी रेखा से भी अधिक सीधी” हो सकती है। यह व्यवहार पिछले कई मॉडलों की भविष्यवाणी से भिन्न था।
नए मॉडल के सर्वोत्तम-फिट मापदंडों ने लगभग 13 माइक्रोमीटर की पिच (हेलिक्स के दो लगातार घुमावों के बीच की दूरी) और लगभग 3 माइक्रोमीटर की त्रिज्या के साथ पेचदार पथों का भी संकेत दिया। इन परजीवियों के लिए दोनों मान पहले बताई गई सीमाओं के भीतर ही गिरे। इन मापदंडों का उपयोग करके सिम्युलेटेड पथों के आकार भी उन पथों के समान थे जिन्हें लेखकों ने वास्तव में मापा था।
कुल मिलाकर, नतीजे बताते हैं कि पेचदार गति केवल एक ज्यामितीय विचित्रता नहीं है बल्कि शोर वाले स्थानों में कुशलतापूर्वक यात्रा करने के लिए मलेरिया परजीवी जैसे सूक्ष्मजीवों के लिए एक मजबूत रणनीति है। एक परजीवी के लिए जिसका आंतरिक ‘इंजन’ उसके घुमावों के समान समय के पैमाने पर उतार-चढ़ाव करता है, उसका घूर्णन पथ उन उतार-चढ़ाव को औसत भी कर सकता है और गति की समग्र दिशा को अधिक स्थिर रख सकता है।
यह निष्कर्ष शुक्राणु कोशिकाओं और शैवाल पर पहले के काम के साथ फिट बैठता है, जहां शोधकर्ताओं ने पाया था कि पेचदार तैराकी वक्रता और मरोड़ में मजबूत शोर के बावजूद भी, रासायनिक ग्रेडिएंट की उपस्थिति में कोशिकाओं को विश्वसनीय रूप से चलने में मदद कर सकती है। यह निष्कर्ष मलेरिया परजीवियों के ज्यामितीय मॉडल का भी पूरक हो सकता है, जिन्होंने तुलनात्मक त्रिज्या के रक्त वाहिकाओं से चिपके रहने में मदद करने के लिए उनकी प्राकृतिक वक्रता और लचीलेपन के महत्व पर जोर दिया है।
क्या चारों ओर चला जाता है…
मच्छर के काटने के बाद, संक्रमण के सफल होने के लिए स्पोरोज़ोइट्स के केवल एक छोटे से हिस्से को केशिका तक पहुंचने की आवश्यकता होती है। और ऐसा लगता है कि विकास ने यह सुनिश्चित करने का सबसे अच्छा तरीका ढूंढ लिया है कि प्रत्येक परजीवी दिशा खोने से पहले अधिक जमीन को कवर करता है, सटीक नियंत्रण की आवश्यकता के बिना, ‘रंगीन शोर’ के साथ पेचदार गति करना है।
अध्ययन के सह-लेखक और हीडलबर्ग विश्वविद्यालय में इंटीग्रेटिव पैरासिटोलॉजी के प्रोफेसर फ्रेडरिक फ्रिस्कनेख्त ने एक विज्ञप्ति में कहा, “हमें संदेह है कि विकास के दौरान यह चिरैलिटी विकसित हुई, जिससे रोगज़नक़ को मेजबान शरीर में विभिन्न ऊतक डिब्बों के बीच जल्दी और हमेशा एक ही तरह से स्विच करने की अनुमति मिल सके।”
मलेरिया से परे, मॉडल अन्य सूक्ष्म तैराकों जैसे कि कुछ शैवाल और औपनिवेशिक चोएनोफ्लैगलेट्स पर लागू हो सकता है, जिनके पेचदार पथ और शोर प्रणोदन वैज्ञानिकों ने पहले ही दस्तावेज कर दिए हैं। लेखकों ने सुझाव दिया कि मॉडल चिकित्सा में कृत्रिम सूक्ष्म और नैनोबॉट्स के लिए डिजाइन को भी प्रेरित कर सकता है: एक नियंत्रित घूर्णी घटक और उचित आंतरिक समय के पैमाने की इंजीनियरिंग करके, इंजीनियर छोटे उपकरण बना सकते हैं जो जटिल ऊतकों को एक सीधी रेखा में चलने की तुलना में अधिक प्रभावी ढंग से नेविगेट करते हैं।
ए 2014 अध्ययन नए अध्ययन के पीछे उसी टीम के कुछ सदस्यों ने स्पोरोज़ोइट्स को बाधाओं के साथ बातचीत करने वाली लचीली छड़ों के रूप में माना। बाद के मॉडलों ने स्पोरोज़ोइट्स के आकार को कुछ सतहों पर सरकने की उनकी क्षमता से जोड़ा। ऐसा लगता है कि नए मॉडल में गायब घटक जोड़ा गया है: आंतरिक ‘रंगीन शोर’। आगे क्या?
लेखकों ने यह कहते हुए अपने पेपर का समापन किया कि वे आंतरिक उतार-चढ़ाव के समय को जीवों की गति से जोड़ना चाहेंगे, और फिर समझेंगे कि ये संबंध इस बात से कैसे आकार लेते हैं कि वे कहाँ रहते हैं और विकास ने उन्हें कैसे निखारा है।
