. फू-शुआंग लीकैम्ब्रिज, मैसाचुसेट्स में व्हाइटहेड इंस्टीट्यूट के एक बायोकेमिस्ट और शोध वैज्ञानिक को अपने शोध के लिए कुछ पराग की आवश्यकता थी, उन्हें पता था कि कहाँ जाना है। हर वसंत ऋतु में, कॉनकॉर्ड में वाल्डेन तालाब पर बजने वाले देवदार के पेड़ सुनहरे पराग के बादल छोड़ते हैं जो पानी को ढक देते हैं और किनारे पर गांगेय भँवरों में इकट्ठा हो जाते हैं। हेनरी डेविड थोरो, जिन्होंने 1840 के दशक में तालाब के किनारे दो साल बिताए थे, अपने अनुभव के प्रसिद्ध वृत्तांत को इतने सारे पराग का वर्णन करते हुए समाप्त करते हैं, "आप एक बैरल एकत्र कर सकते थे।"
काली हुडी और स्वेटपैंट में तालाब के किनारे पर बैठकर, ली ने एक परखनली में डुबकी लगाई, जिसमें पराग और जो कुछ भी उग रहा था, उससे भरा हुआ कुछ सौ मिलीलीटर पानी बाहर निकाला। यह बैरल भर सामान से बहुत दूर था, लेकिन पराग के बाहरी आवरण की आणविक संरचना का अध्ययन करने के ली के प्रयासों के लिए यह पर्याप्त से अधिक था। स्पोरोपोलेनिन कहा जाता है, वह सामग्री जो खोल बनाती है वह इतनी कठोर होती है कि इसे कभी-कभी पौधे की दुनिया का हीरा कहा जाता है।
एक सदी से भी अधिक समय से, वैज्ञानिकों ने स्पोरोपोलेनिन की अद्वितीय ताकत के रासायनिक आधार को समझने की कोशिश की है। स्पोरोपोलेनिन पराग और बीजाणुओं में डीएनए को प्रकाश, गर्मी, ठंड और सूखने से बचाता है। इसके बिना, पौधे भूमि पर रहने में असमर्थ होंगे। लेकिन सेलूलोज़, लिग्निन और अन्य बुनियादी पौधों के पॉलिमर की आणविक संरचनाओं को समझने के दशकों बाद भी स्पोरोपोलेनिन की कठोरता का अध्ययन करना कठिन हो गया। ली ने कहा, "प्रकृति ने किसी भी हमले का विरोध करने के लिए स्पोरोपोलेनिन विकसित किया है।" "वैज्ञानिकों सहित।"
हालाँकि, हाल ही में, स्पोरोपोलेनिन की सुरक्षा पर काबू पा लिया गया है। 2018 में, ली और व्हाइटहेड के अन्य शोधकर्ताओं ने, पादप जीवविज्ञानी के नेतृत्व में जिंग-के वेंग, स्पोरोपोलेनिन की पहली पूर्ण संरचना प्रकाशित की। टीम के बाद के काम में, जिनमें से कुछ अभी तक प्रकाशित नहीं हुए हैं, इस बारे में अधिक विवरण दिया गया है कि पौधों के विभिन्न समूहों ने अपनी आवश्यकताओं को बेहतर ढंग से पूरा करने के लिए उस संरचना को कैसे ठीक किया। उनकी प्रस्तावित संरचना और स्पोरोपोलेनिन का बेहतर दृष्टिकोण जो इसे प्रस्तुत करता है, विवाद से रहित नहीं है, लेकिन इसने पौधों को भूमि पर विजय प्राप्त करने में मदद करने में अणु की आवश्यक भूमिका को स्पष्ट कर दिया है।
जड़ पहेली
सभी बीज बोने वाले पौधे पराग बनाते हैं; अन्य भूमि पौधे, जैसे काई, बीजाणु पैदा करते हैं। पौधों को प्रजनन के लिए आवश्यक आधी आनुवंशिक जानकारी लेकर, पराग और बीजाणु हवा के माध्यम से या किसी सहायक जानवर पर पर्यावरण के माध्यम से चलते हैं, ताकि वे अपनी प्रजाति के दूसरे पौधे तक पहुंच सकें और उसके अंडे की कोशिका को निषेचित कर सकें। लेकिन रास्ते में, पराग और बीजाणुओं को उन खतरों से जूझना पड़ता है जो निर्जलीकरण से लेकर सूरज की पराबैंगनी किरणों से लेकर भूखे कीड़ों तक होते हैं। चूंकि पौधे पहली बार लगभग 470 मिलियन वर्ष पहले भूमि पर पाए गए थे, इसलिए निषेचन की यात्रा के दौरान पराग और बीजाणुओं के भीतर आनुवंशिक जानकारी को सुरक्षित रखना बेहद महत्वपूर्ण रहा है।
डीएनए की सुरक्षा के लिए पौधे जो मुख्य रणनीति अपनाते हैं, वह इसे स्पोरोपोलेनिन के एक विशेष खोल में बंद करना है, जो तत्वों के लिए अभेद्य है और किसी भी जीवित चीज़ द्वारा उत्पादित सबसे कठिन सामग्रियों में से एक है। यह आधा अरब वर्ष पुरानी चट्टानों में अक्षुण्ण पाया गया है। ए 2016 कागज पाया गया कि स्पोरोपोलेनिन की मजबूती के कारण, बीजाणुओं ने 10 गीगापास्कल, या 725 टन प्रति वर्ग इंच के दबाव पर हीरे की निहाई में अपनी स्थिरता बनाए रखी।
शोधकर्ता कम से कम 1814 से स्पोरोपोलेनिन के बारे में जानते हैं और आश्चर्य करते हैं। उन्होंने देखा कि पराग कण या बीजाणु के बाकी हिस्से को रासायनिक रूप से विघटित करने के बाद भी, एक अजीब पदार्थ हमेशा बना रहता है। अगली शताब्दी के अधिकांश समय में, बीजाणुओं और पराग में इसका अध्ययन करने वालों ने अलग-अलग काम किया, और इसे विशेष रूप से स्पोरोनिन या परागण के रूप में संदर्भित किया। दोनों समुदायों को खुश करने के लिए 1931 में इसे स्पोरोपोलेनिन नाम दिया गया।
उसके बाद के दशकों तक, अणु के बारे में ज्ञान काफी हद तक नाम के साथ समाप्त हो गया। शोधकर्ताओं ने माना कि स्पोरोपोलेनिन यह समझने में महत्वपूर्ण हो सकता है कि पौधों ने पृथ्वी पर लगभग हर निवास स्थान पर कैसे कब्जा कर लिया, और उन्होंने जहाजों के पतवारों को कोटिंग करने से लेकर मौखिक टीकों में नाजुक प्रोटीन की रक्षा करने तक हर चीज के लिए इस सामग्री का उपयोग करने का सपना देखा। लेकिन स्पोरोपोलेनिन की संरचना और रासायनिक संरचना प्राप्त करना किसी भी आगे के काम के लिए एक शर्त थी, और स्पोरोपोलेनिन ने हर प्रयास को विफल कर दिया।
रसायनज्ञ आमतौर पर एक जटिल अणु की संरचना को उसके घटक भागों में तोड़कर, उनकी संरचना का पता लगाकर, फिर उन्हें वापस जोड़कर निर्धारित करते हैं। लेकिन स्पोरोपोलेनिन सामान्य रासायनिक एजेंटों के लिए इसे पचाने के लिए बहुत निष्क्रिय था। 1960 के दशक की शुरुआत में, नई जैव रासायनिक विधियों और मास स्पेक्ट्रोमेट्री ने संरचना और रासायनिक संरचना पर कुछ प्रगति की, और जीवविज्ञानियों ने बाद में जीन और एंजाइमेटिक प्रक्रियाओं के ज्ञान से कुछ विवरणों का अनुमान भी लगाया जो स्पोरोपोलेनिन को संश्लेषित करते हैं।
हालाँकि, इनमें से कोई भी तरीका अणु की पूरी तस्वीर नहीं दे सका। ऐसा प्रतीत होता है कि स्पोरोपोलेनिन में पॉलीकेटाइड्स नामक अणुओं से बनी दो समानांतर रीढ़ हैं, जो डीएनए के दोहरे हेलिक्स में चीनी रीढ़ की हड्डी के विपरीत नहीं हैं। ऐसा प्रतीत होता है कि ये रीढ़ विभिन्न प्रकार की कड़ियों की बुनाई से जुड़ी हुई हैं। लेकिन यह स्केच अधूरा था, और जैव रासायनिक और आनुवंशिक तरीकों से कुछ निष्कर्ष एक दूसरे के साथ विरोधाभासी थे।
"केवल एक चीज जिस पर सभी सहमत थे वह कार्बन, हाइड्रोजन, ऑक्सीजन की संरचना के लिए अनुभवजन्य सूत्र था," ने कहा जोसेफ बानौब, कनाडा में मेमोरियल यूनिवर्सिटी ऑफ़ न्यूफ़ाउंडलैंड में रसायन विज्ञान और जैव रसायन विज्ञान के प्रोफेसर।
पिच पाइन परफेक्ट
2014 में पोस्टडॉक के रूप में व्हाइटहेड इंस्टीट्यूट में वेंग की लैब में शामिल होने के तुरंत बाद ली ने स्पोरोपोलेनिन पर काम करना शुरू कर दिया। केंडल स्क्वायर के कैम्ब्रिज पड़ोस में, जहां बायोमेडिकल अनुसंधान प्राथमिक जुनून है, लैब उन कुछ स्थानों में से एक है जहां लोग पौधों का अध्ययन करते हैं, वनस्पति अणुओं की आकाशगंगा पर एक शोध फोकस के साथ जो अस्वाभाविक रहता है।
स्पोरोपोलेनिन ली के लिए एक अप्रतिरोध्य चुनौती थी। इसका कार्य सर्वविदित था, और इसे बनाने के लिए जीन प्रत्येक बीज और बीजाणु पैदा करने वाले पौधे में थे, जिसका अर्थ था कि स्पोरोपोलेनिन एक बुनियादी अनुकूलन था जो पौधों को महासागरों से भागने की शुरुआत में ही जमीन पर रहने में सक्षम बनाता था। (शैवाल की कुछ प्रजातियां स्पोरोपोलेनिन जैसा पदार्थ भी बनाती हैं, जिससे पता चलता है कि भूमि पौधों ने अपने विकास के दौरान उस अणु के जैवसंश्लेषण को अनुकूलित किया है।) फिर भी उस क्षमता के पीछे का रसायन धुंधला रहा।
यह काव्यात्मक होता यदि स्पोरोपोलेनिन पर ली के शुरुआती काम में वाल्डेन तालाब के पानी से एकत्र पराग का उपयोग किया गया होता। लेकिन सुविधा ने रोमांस को पछाड़ दिया: उनकी टीम ने शुरू में जिस पराग का अध्ययन किया था, उसे अमेज़ॅन से ऑर्डर किया गया था। (पिच पाइन से पराग, जो प्रचुर मात्रा में सामान पैदा करता है, व्यापक रूप से स्वास्थ्य पूरक के रूप में बेचा जाता है।) बाकी केप कॉड से आया था।
महीनों तक, ली और उनके सहयोगियों ने ऐसे यौगिकों पर परीक्षण-और-त्रुटि परीक्षण चलाया जो अन्य कठिन बायोपॉलिमरों को ख़राब कर सकते हैं। आखिरकार, उन्होंने एक नई मल्टीस्टेप प्रक्रिया विकसित की जो पराग के नमूने ले सकती है, उन्हें बॉल मिलिंग मशीन में दबा सकती है, और उनमें मौजूद स्पोरोपोलेनिन अणुओं को रासायनिक रूप से तोड़ सकती है। प्रत्येक अणु का आधा हिस्सा छह अलग-अलग टुकड़ों में टूट गया, जिन्हें मास स्पेक्ट्रोमेट्री द्वारा चित्रित किया जा सकता था।
अणु का दूसरा आधा हिस्सा, जिसे वे आर समूह ("अड़ियल" के लिए) कहते हैं, केवल तभी टूट गया जब एक अन्य घुलनशील एजेंट के साथ मिलाया गया। वे इस तरह से आर का आंशिक दृश्य प्राप्त कर सकते थे, लेकिन इस प्रक्रिया ने अणु की अन्य विशेषताओं को ख़राब कर दिया, इसलिए ली के समूह ने इसे चिह्नित करने के लिए एक अधिक विदेशी तकनीक, ठोस-राज्य परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी का सहारा लिया।
फूलों ने फर्क पैदा किया
उस कार्य का फल, एक पेपर में प्रकाशित प्रकृति पौधों दिसंबर 2018 में, स्पोरोपोलेनिन की अब तक की सबसे पूर्ण आणविक संरचना का प्रस्ताव रखा।
बातचीत में, ली ने संरचना के जटिल आकार का वर्णन करने के लिए अपने हाथों का उपयोग किया। अपने अंगूठे और तर्जनी से उन्होंने दिखाया कि कैसे सुगंधित अणु रीढ़ की हड्डी से बारी-बारी एल-आकार में लटकते हैं। उन्होंने एक चपटे हाथ को एक कोण पर दूसरे हाथ की ओर इंगित करके प्रदर्शित किया कि कैसे रीढ़ की हड्डी क्रॉस-लिंकेज से बंधी होती है, जैसे कि प्रार्थना के किसी अजीब रूप में संलग्न हो। ये मूल इकाइयाँ एक साथ जुड़कर पूर्ण एक्साइन शेल बनाती हैं, जो विभिन्न पौधों में मौलिक रूप से भिन्न आकार लेती है, हालाँकि मूल आणविक उपइकाइयाँ मौलिक रूप से समान होती हैं।
संरचना ने इस विचार को बल दिया कि स्पोरोपोलेनिन की कठोरता रीढ़ की हड्डी के बीच विविध, लटके हुए संबंधों से उत्पन्न होती है। ये एस्टर और ईथर लिंकेज क्रमशः बुनियादी और अम्लीय स्थितियों के लिए प्रतिरोधी हैं; वे मिलकर दोनों का विरोध करते हैं। ली के समूह द्वारा प्रस्तावित संरचना में पराबैंगनी प्रकाश के प्रतिरोधी माने जाने वाले कई सुगंधित अणु भी शामिल थे, जो तत्वों से डीएनए की रक्षा करने के लिए स्पोरोपोलेनिन की क्षमता के लिए जिम्मेदार थे।
वेंग ने एक ईमेल में लिखा, "इन चयापचय नवाचारों के बिना, पौधे पानी से जमीन पर स्थानांतरित करने में सक्षम नहीं होते।" क्वांटा.
हाल ही में, ली और उनके सहयोगियों ने उत्तरपूर्वी संयुक्त राज्य अमेरिका के आसपास के वनस्पति उद्यानों से एकत्र की गई 100 से अधिक विविध भूमि पौधों की प्रजातियों से स्पोरोपोलेनिन को चिह्नित करने के लिए अपनी पद्धति का उपयोग किया। ली के अनुसार, जो अध्ययन के परिणामों को प्रकाशन के लिए प्रस्तुत करने की तैयारी कर रहे हैं, स्पोरोपोलेनिन की संरचना विभिन्न प्रकार के पौधों में एक अजीब पैटर्न में भिन्न होती है।
उन्होंने पाया कि जिम्नोस्पर्म, भूमि पादप समूह जिसमें पिच पाइन जैसे साइकैड और कोनिफ़र शामिल हैं, और तथाकथित निचली भूमि के पौधे जैसे मॉस और फ़र्न में लंबे, समान स्पोरोपोलेनिन होते हैं। यह समझ में आता है क्योंकि ये पौधे बिना सोचे-समझे हवा में अपने पराग फैलाते हैं; इसकी सुरक्षा के लिए उन्हें लंबी श्रृंखला वाले स्पोरोपोलेनिन की आवश्यकता होती है।
लेकिन आवृतबीजी, या फूल वाले पौधों के बीच, स्थिति अधिक जटिल है। उनके फूल अपने परागकणों को धूप और सूखने से बचाते हैं, और कीड़े कुशलतापूर्वक पराग को एक फूल से दूसरे फूल तक ले जाते हैं, जिससे अन्य जोखिमों का जोखिम कम हो जाता है। नतीजतन, एंजियोस्पर्मों को अपने स्पोरोपोलेनिन को समान रूप से मजबूत होने की आवश्यकता नहीं है।
और लंबी-श्रृंखला स्पोरोपोलेनिन बनाना एक ऊर्जा-गहन प्रक्रिया है, ली ने कहा, इसलिए "जब फूल विकसित हुए, तो वे अब पाइन-जैसे स्पोरोपोलेनिन का उत्पादन नहीं करना चाहते थे।" ली और वेंग के अनुसार, एंजियोस्पर्म, मोनोकॉट और डाइकोट्स की दो प्रमुख श्रेणियों द्वारा उत्पादित स्पोरोपोलेनिन के बीच महत्वपूर्ण अंतर विकसित हुए प्रतीत होते हैं, जो उनके भ्रूण, वाहिका, तने, जड़ों और फूलों की संरचनाओं में भिन्न होते हैं।
निस्संदेह, भेद पूर्ण नहीं हैं। ली ने कहा, कुछ फूल वाले पौधे पाइन जैसी संरचना के साथ स्पोरोपोलेनिन का उत्पादन करते हैं। "हो सकता है कि यदि हमारे पास 6 मिलियन वर्ष और हों, तो वे अपना कार्य खो सकते हैं," या हो सकता है कि पौधों के कुछ समूहों के लिए उस स्पोरोपोलेनिन संरचना को संरक्षित करने में अन्य पारिस्थितिक जांच और संतुलन काम कर रहे हों।
ली ने कहा, "विकास कोई रेखा नहीं है।" “व्हेल की तरह। एक समय वे ज़मीन पर रहते थे; अब वे समुद्र में रहते हैं।” फिर भी व्हेल में अभी भी कुछ भूमि जानवरों की विशेषताएं हैं। शायद कुछ पुष्प परागकण अपने इतिहास के अप्रचलित निशान बरकरार रखते हैं।
रहस्यमय पॉलिमर
अन्य पादप शोधकर्ता इस बात से सहमत हैं कि स्पोरोपोलेनिन पर ली और वेंग के संरचनात्मक कार्य ने अणु के बारे में हमारे ज्ञान में सुधार किया है। लेकिन उनमें से सभी इस बात से सहमत नहीं हैं कि उनका प्रस्ताव सही है या यह स्पोरोपोलेनिन की संरचना की सदियों पुरानी खोज का निष्कर्ष है।
“यह पहले से कहीं अधिक स्पष्ट था,” उन्होंने कहा झोंग-नान यांग, एक जीवविज्ञानी जो शंघाई नॉर्मल यूनिवर्सिटी में स्पोरोपोलेनिन का अध्ययन करता है। "लेकिन इसे सत्यापित करने की आवश्यकता है।" उन्होंने कहा कि ली और उनके सहयोगियों को अभी भी पाइन स्पोरोपोलेनिन की कुछ विशेषताओं को बनाने के लिए आवश्यक एंजाइमों के लिए जिम्मेदार जीन की पहचान करनी होगी।
A 2020 अध्ययन स्पोरोपोलेनिन की आणविक संरचना को "रहस्यमय और उजागर" करने के उद्देश्य से एक अधिक प्रत्यक्ष चुनौती पेश की गई। कई तरीकों का उपयोग करते हुए और पाइन के बजाय क्लब मॉस से स्पोरोपोलेनिन पर काम करते हुए, मेमोरियल यूनिवर्सिटी में बानौब का समूह एक ऐसी संरचना पर पहुंचा जो ली और वेंग द्वारा प्रस्तावित संरचना से कई महत्वपूर्ण तरीकों से भिन्न थी। सबसे महत्वपूर्ण बात, बानौब ने कहा, "हमने साबित कर दिया है कि स्पोरोपोलेनिन के भीतर कोई सुगंधित यौगिक नहीं हैं।" उनका मानना है कि असमानता को पाइन और क्लब मॉस में स्पोरोपोलेनिन के बीच अंतर से समझाया जा सकता है।
ली ने कहा, "मेरा व्यक्तिगत विचार यह है कि वे सही नहीं हैं, लेकिन जब तक उनकी प्रयोगशाला से कुछ प्रासंगिक परिणाम प्रकाशन के लिए तैयार नहीं हो जाते, तब तक वह आगे कोई टिप्पणी नहीं करना पसंद करते हैं।"
कनाडा के राष्ट्रीय अनुसंधान परिषद के पादप जीवविज्ञानी टीजेन क्विलिचिनी ने टिप्पणी की, "यह अभी भी काफी रहस्यमय बहुलक है।" स्पोरोपोलेनिन का अध्ययन किया, एक ईमेल में. 'कुछ रिपोर्टों के सुझाव के बावजूद।”
कठिन लेकिन फिर भी खाने योग्य?
स्पोरोपोलेनिन की संरचना पर विवादों के बावजूद, वेंग लैब में ली और अन्य लोग एक और विकासवादी प्रश्न पर आगे बढ़ गए हैं: क्या प्रकृति ने यह पता लगा लिया है कि इस लगभग अविनाशी सामग्री को एक साथ कैसे अलग किया जाए?
जब वह अन्य पराग-लेपित इनलेट्स की तलाश में वाल्डेन तालाब के आसपास घूम रहे थे, ली ने स्पोरोपोलेनिन की तुलना लिग्निन से की, जो पौधे का बहुलक है जो लकड़ी और छाल को मजबूत करता है। लगभग 360 मिलियन वर्ष पहले लकड़ी के पौधों के पहली बार विकसित होने के बाद, भूवैज्ञानिक रिकॉर्ड लाखों वर्षों तक परतों में जीवाश्म लिग्निन की प्रचुरता को दर्शाता है। फिर लगभग 300 मिलियन वर्ष पहले अचानक लिग्निन गायब हो जाता है। इसका लुप्त होना उस क्षण को दर्शाता है जब सफेद सड़न नामक कवक ने लिग्निन को क्षीण करने में सक्षम एंजाइम विकसित किए और इसके जीवाश्म बनने से पहले ही इसे खा लिया।
ली ने तर्क दिया कि स्पोरोपोलेनिन में एक कवक या अन्य सूक्ष्म जीव भी होना चाहिए जो इसे तोड़ने में सक्षम हो। अन्यथा हम सामान में डूब जायेंगे। ली की पिछली गणना यह है कि हर साल जंगलों में 100 मिलियन टन स्पोरोपोलेनिन का उत्पादन होता है। इसमें घासों द्वारा उत्पादित स्पोरोपोलेनिन का भी हिसाब नहीं है। यदि इसे कुछ भी नहीं खा रहा है, तो यह सब कहाँ जाता है?
यही कारण है कि, पराग के अपने नवीनतम नमूने के स्रोत के रूप में, ली ने वाल्डेन तालाब में एक दिन बिताने के पक्ष में अमेज़ॅन प्राइम को छोड़ने का विकल्प चुना। उनकी टीम के अवलोकन से पता चलता है कि पेट्री डिश में उगाए गए कुछ सूक्ष्मजीव स्पोरोपोलेनिन और नाइट्रोजन के अलावा कुछ भी नहीं दिए जाने पर भी जीवित रह सकते हैं। वाल्डेन के नमूने, जो स्वाभाविक रूप से झील माइक्रोबियल समुदायों से भरे हुए हैं, ली को यह निर्धारित करने में मदद करनी चाहिए कि क्या जंगली में कवक और अन्य रोगाणुओं की आबादी स्पोरोपोलेनिन के प्रतीत होने वाले अटूट अणुओं में पोषक तत्वों को अनलॉक कर सकती है।
जैसे ही हमने तालाब के किनारे समुद्री शैवाल और ग्रेनोला बार का नाश्ता किया, कवक के दृष्टिकोण से पूरी स्थिति को देखना आसान हो गया। प्रकृति को भोजन बर्बाद करने से नफरत है - यहाँ तक कि चबाने में भी इतना कठिन।
