જીવન શું છે?

 જી નહીં, અહીં આપણે કોઇ ધાર્મિક, આધ્યાત્મિક કે ફિલોસોફીની વાત નથી કરવી પરંતુ વિજ્ઞાનની વાત કરવી છે. જીવન શું છે? તે ફિલોસોફીકલ રીતે અનેક પ્રકારે સમજાવી શકાય પરંતુ વિજ્ઞાનની દ્રષ્ટિએ તેને કઇરીતે સમજવું? ચાલો જાણીએ......

*************Proton Motive Force**************

કોઇપણ જીવનની મુખ્ય આવશ્યક્તા 'ઉર્જા' હોય છે. ઉર્જા વડે જ સઘળી જૈવિક પ્રક્રિયાઓ સંપન્ન થાય છે. પૃથ્વી ઉપર મૌજૂદ સમસ્ત જીવ ઉર્જા માટે ATP(Adenosine Triphosphate) નામક અણુને ઉત્પન્ન કરે છે. આ અણુને જીવનની ઉર્જા મુદ્રા(નાણું) માની શકો છો. જેવીરીતે તમારી પાસે જેટલી વધુ ચલણી નોટ, તેટલી વધુ ચીજવસ્તુઓને ખરીદી શકો. એજ પ્રમાણે કોષિકા(cell) અધિક થી અધિક ATP અણુ ઉત્પાદિત કરવાની કોશિશ કરે છે. જેથી આપણાં શરીરના સઘળા કાર્યો સુચારુરૂપે ચાલી શકે. તો...આ ATP નું નિર્માણ કઇરીતે થાય છે? ઉત્તર છે.....electricity(વીજળી) વડે.

-

શ્વસનની પ્રક્રિયા દરમિયાન મુક્ત પ્રોટોન કોષિકાઓમાંથી સતત બહારની તરફ ફેંકાતા રહે છે. આ પ્રોટોન કોષિકાના બાહરી પડ અને આંતરિક પડ વચ્ચે જમા થાય છે(જુઓ ઇમેજ). આનાથી શું ફાયદો? પ્રોટોન ધન વીજભાર(પોઝિટિવ ચાર્જ) ધરાવે છે. તેમને બહાર કાઢવાથી કોષિકાનો અંદરનો નેટ ચાર્જ નેગેટિવ થઇ જાય છે. ચાર્જનો આ તફાવત 'ઇલેક્ટ્રો કેમિકલ પોટેન્શિયલ' કહેવાય છે. કલ્પના કરો કે તમે એક બિલ્ડિંગની છત ઉપર એક સફરજનને પકડી રાખ્યું છે. શું સફરજનમાં કોઇ ઉર્જા છે? પ્રથમ નજરે આનો ઉત્તર નહીં પ્રતિત થાય છે. પરંતુ અગર સફરજનને ઉપરથી છોડો તો તે પતન સહિત પોતાની તમામ શક્તિ સાથે ધરતીને અથડાઇને ઉર્જા ઉત્પન્ન કરશે. હકિકતે જમીન(gravitational field) થી દૂર હોવાના કારણે સફરજનમાં 'gravitational potential' રૂપે ઉર્જા કેદ હતી. સફરજનને મુક્ત કરાતા તેની ગુરૂત્વીય ઉર્જા, ગતિજ ઉર્જામાં પરિવર્તિત થઇ ગઇ. આજ પ્રમાણે કોષિકાની અંદર અને બહાર પ્રોટોનની સંખ્યામાં અંતર, એટલેકે ઇલેક્ટ્રી-કેમિકલ પોટેન્શિયલ ઉર્જાનો પ્રચંડ સ્ત્રોત છે. અંદર-બહારની પ્રોટોનની સંખ્યામાં અંતરને કારણે ઉદભવેલ ઇલેક્ટ્રીકલ ચાર્જ, કોષિકાઓના પડ ઉપર એકત્રિત થઇ જાય છે. જેના કારણે આપણી કોષિકાઓ એક બેટરીની જેમ કાર્ય કરે છે.

-

કોષિકાના આંતરિક અને બાહરી પડ મધ્યે મૌજૂદ આ ધન વીજભાર ધરાવતા પ્રોટોન ATP Synthase નામક એક સંરચના થકી પસાર થાય છે. પ્રોટીન વડે બનેલ ATP Synthase એક મોટર સમાન હોય છે(જુઓ નીચેની ઇમેજ). ATP Synthase નું કાર્ય એક ADP અને ફોસ્ફેટના અણુને આપસમાં જોડીને ATP અણુનું નિર્માણ કરવાનું હોય છે. આ પ્રમાણે પ્રોટોનનો આ પ્રવાહ શરીરની સઘળી જૈવિક પ્રક્રિયાઓ માટે ઉર્જા ઉત્પન્ન કરવાની મુખ્ય ચાવી છે. તો આ પ્રોટોનને આપણે ક્યાંથી મેળવીએ છીએ? જવાબ છે....ભોજનમાંથી.

-

શ્વસન દરમિયાન ભોજનમાં મૌજૂદ પદાર્થોના ઇલેક્ટ્રોન્સ કોષિકાની સપાટી પર જ મૌજૂદ કેટલીક સંરચનાઓથી થઇને ઓક્સિજનને મળે છે. કોષિકાની સપાટી પર એક અણુથી બીજા અણુમાં પ્રવાહિત થતાં ઇલેક્ટ્રોનનો આ પ્રવાહ એક ઇલેક્ટ્રિક કરંટનું નિર્માણ કરે છે. જેનો ઉપયોગ ભોજનના અણુઓથી મળેલ પ્રોટોન(H+) ને પડથી બહાર ફેંકવા માટે થાય છે. સ્વાભાવિક છે કે આ પ્રક્રિયા એટલી આસાન નથી. વિષયને વધુ પેચીદો ન બનાવતા(થોડી બાંધછોડ સાથે) સરળ રીતે સમજીએ....આપણાં શરીરની કોષિકાઓમાંથી પ્રતિ સેકન્ડ, બ્રહ્માંડમાં મૌજૂદ કુલ તારાઓથી ઘણાં અધિક, લગભગ દસ અબજ-ખરબ પ્રોટોન નિરંતર પ્રવાહિત થતાં રહે છે. શ્વાસ લેવાનું બંધ કરી દો, પ્રોટોન મોટિવ ફોર્સ ધ્વસ્ત થઇ જશે. આ રીતે પ્રોટોન મોટિવ ફોર્સના પ્રવાહનો અંત એ મૃત્યુની સૌથી સટીક પરિભાષા છે.

-

પૃથ્વી પર મૌજૂદ વિભિન્ન જીવ ભોજનરૂપે અલગ-અલગ પદાર્થો ઉપર નભે છે, તેમજ તેમના દ્વારા ATP અણુ ઉત્પન્ન કરવાની પ્રક્રિયાઓ પણ ભિન્ન હોય છે. પરંતુ મૂળભૂત સ્તરે જીવન એકજ સિદ્ધાંતને અનુસરે છે અને તે છે....ભોજનમાંથી ઇલેક્ટ્રોન અને પ્રોટોનને અલગ કરવું તેમજ પ્રોટોનના પ્રવાહ વડે ઉર્જા ઉત્પન્ન કરવી અને આ કાર્ય સિદ્ધાંત Electro Chemical Gradiant અર્થાત વીજળી આધારિત છે. માટે તમે કહી શકો કે પૃથ્વીના વિભિન્ન જીવ બાહરી દ્રષ્ટિએ ભલે એકબીજાથી ભિન્ન પ્રતિત થતાં હોય, પરંતુ મૂળભૂત સ્તરે પ્રત્યેક જીવન વીજળીથી જ સંચાલિત હોય છે.

-

હવે વાત કરીએ જીવનને લગતા એક ઔર અગત્યના પરીબળ એટલેકે પાણી વિષે.....

***********Miracles of Water**********

-

ઉર્જા બાદ જીવનની સૌથી મુખ્ય આવશ્યક્તા "જળ" છે. મોટેભાગે જળને લોકો શરીરમાં એક સ્થાનથી બીજા સ્થાન સુધી ગતિ કરવા માટેનું માધ્યમ સમજે છે પરંતુ અસલમાં પાણીની ભુમિકા જીવનમાં ક્યાંય વધુ મહત્વપૂર્ણ છે. ચાલો સમજીએ.....

-

આપણને ખબર છે કે બે હાઇડ્રોજન અને એક ઓક્સિજનનો પરમાણુ આપસમાં ઇલેક્ટ્રોનની આપ-લે કરી, રાસાયણિક બંધન વડે જોડાઇને, પાણીનો એક અણુ બનાવે છે. ઓક્સિજનમાં પ્રોટોનની સંખ્યા આઠ તેમજ હાઇડ્રોજનમાં ફક્ત એક પ્રોટોન હોય છે. આપણે જાણીએ છીએ કે પ્રોટોનનો ચાર્જ(વીજભાર) પોઝિટિવ હોય છે માટે અધિક પ્રોટોનવાળા ઓક્સિજનનો કુલ પોઝિટિવ ચાર્જ હાઇડ્રોજનથી વધુ હોય છે. આજ કારણ છે કે નેગેટિવ ચાર્જવાળા ઇલેક્ટ્રોન્સ હાઇડ્રોજનને બદલે અધિક પોઝિટિવ ચાર્જ ધરાવતા ઓક્સિજનના પરમાણુ તરફ વધુ આકર્ષિત થાય છે તેમજ પોતાનો અધિકતર સમય ઓક્સિજનમાં વિચરણ કરી વિતાવે છે. આ રીતે પાણીના અણુનું ધ્રુવીકરણ(Polarisation) થઇ જાય છે. સરળ શબ્દોમા.....જળના અણુનો હાઇડ્રોજનવાળો ભાગ પોઝિટિવ(ધન) અને ઓક્સિજનવાળો ભાગ નેગેટિવ વીજભાર ધરાવતો થઇ જાય છે. ધ્રુવીકરણનો આ ગુણ પાણીના અણુઓને બીજા પ્રવાહી અણુઓ સાથે જોડવા હેતુ મજબૂત રાસાયણિક બંધન રૂપે કાર્ય કરે છે અને પાણીને તેના વિભિન્ન અણુઓને ભિન્ન-ભિન્ન આકારમાં ઢળવાની ક્ષમતા પણ પ્રદાન કરે છે.

-

ઉદાહરણ તરીકે....અગર આપણે શુક્રાણુના આકાર જેવો એક અણુ બનાવીએ, જેનો એક છેડો લાંબી તૈલીય પૂંછ જેવો તેમજ બીજો છેડો ધ્રુવીકૃત(polarized) હો અને આવા અણુને પાણીમાં છોડી દઇએ તો કંઇક અદભૂત થાય છે. આ અણુનો ધ્રુવીકૃત ભાગ પાણી તરફ આકર્ષિત થાય છે જયારે પૂંછ એટલેકે નીચેવાળો ભાગ પાણીથી દૂર ભાગવાની કોશિશ કરે છે. પરિણામે આ અણુના ચારેતરફ એક બંધ પરબિડીયા જેવી સંરચનાનું નિર્માણ થતું જાય છે. એક એવી ખોખલી બંધ સંરચના, જેની ઉપલી સપાટી ધ્રુવીકૃત અણુઓ વડે જ્યારે અંદરની સપાટી તૈલીય અણુઓ વડે બનેલ હોય છે.

-

ઉપરોક્ત વર્ણન વાંચીને કંઇક યાદ આવ્યું?? ન આવ્યું હોય તો યાદ કરાવી દઉં. આજ સંરચના આપણી કોષિકાઓની સુરક્ષા કરવાવાળી કવચરૂપી બાહરી સપાટીની પણ હોય છે. ફેટી એસિડ(fatty acid) વડે બનેલ આપણી કોષિકાઓના બાહરી પડ ઉપરોક્ત વર્ણન કરેલ પ્રક્રિયાને કારણેજ લાખો વર્ષ પૂર્વ સમુદ્રના ભીતર અસ્તિત્વમાં આવ્યાં હતાં. આ પ્રકારે જળ ફક્ત જૈવિક અણુઓના ગતિ કરવાનું માધ્યમ માત્ર નથી. પ્રોટીનને આકાર આપવાથી લઇને, કોષિકાઓના વિભાજન સુધી જળ એક મહત્વપૂર્ણ ભુમિકા નિભાવે છે.

-

પૃથ્વી ઉપર જીવન માટે જળનું પ્રવાહી અવસ્થામાં મૌજૂદ હોવુ બેહદ આવશ્યક છે. તો હવે પ્રશ્ન ઉઠે છે કે બ્રહ્માંડમાં મૌજૂદ તે અબજો ગ્રહોનું શું? જ્યાં બેહદ ઠંડા તાપમાનના કારણે જળ પ્રવાહી અવસ્થામાં મૌજૂદ નથી રહી શકતું. શું જળનો કોઇ વિકલ્પ છે? ઉદાહરણ તરીકે જોઇએ તો....શનિના ચંદ્ર ટાઇટનનું સરેરાશ તાપમાન -179 ડિગ્રી છે, જેના કારણે ત્યાં જળ પ્રવાહી અવસ્થામાં મૌજૂદ નથી રહી શકતું. પરંતુ ત્યાં મૌજૂદ મિથેન અને ઇથેન જેવા વાયુઓ ઓછા તાપમાનને કારણે પ્રવાહી રૂપમાં પરિવર્તિત થઇ જાય છે. આ હાઇડ્રો-કાર્બનથી બનેલ તે જ ગેસો છે, જેને પૃથ્વી ઉપર આપણે ગેસોલિન અને પેટ્રોલિયમ કહીએ છીએ. હાઇડ્રો-કાર્બનથી બનેલ ટાઇટનના સમુદ્ર "Ligeia Mare" માંજ પૃથ્વીથી લગભગ 100 ગણો પેટ્રોલિયમનો ભંડાર મૌજૂદ છે. પ્રકૃતિના ખેલ પણ અજીબ છે, અહીં પૃથ્વી ઉપર પેટ્રોલિયમની તંગી છે જ્યારે ટાઇટન જેવા ખબર નહીં કેટલાંય ગ્રહો છે, જ્યાં આવા અનમોલ પેટ્રોલિયમના સમુદ્રો વહી રહ્યાં છે. ખેર! મૂળ વિષય ઉપર પાછા ફરીએ....

-

તો શું મિથેન, ઇથેન, એમોનિયા અથવા નાઇટ્રોજનને જળનો વિકલ્પ માની શકાય? વેલ, આ શક્યતાને નકારી નથી શકાતી. જીવન નિસંદેહ આ દ્રવ્યોમાં પણ ઉત્પન્ન થઇ શકે છે પરંતુ આ દ્રવ્યો જીવનના વિકાસની ઝડપ ઉપર બ્રેક મારવાનું કાર્ય અવશ્ય કરશે. કઇરીતે? જુઓ...કોઇપણ અણુઓ વચ્ચે થતી રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ તાપમાન ઉપર નિર્ભર કરે છે. Ludwig Boltzmann ના શિષ્ય રહેલા Svante Arrhenius એ સર્વપ્રથમ દર્શાવ્યું કે બે અણુઓ વચ્ચે કોઇપણ રાસાયણિક પ્રક્રિયા થવા માટે એક ન્યૂનતમ તાપમાનની આવશ્યક્તા હોય છે. તાપમાનનો સીધો સબંધ અણુઓની ગતિ સાથે છે. અણુ જેટલી વધુ ઝડપે ગતિ કરે, તેમનું તાપમાન તેટલુંજ વધુ હોય છે. અગર ગતિ પર્યાપ્ત નથી તો બે અણુઓ આપસમાં ટકરાઇને, વગર કોઇ રાસાયણિક સંપર્ક કરી એકબીજાથી દૂર થઇ જાય છે. પરંતુ અગર તાપમાન બેહદ અધિક હો તો અણુઓને બાંધી રાખનારા રાસાયણિક બંધનો તૂટી જાય છે અને અણુ ખુદ મૂળભૂત કણોમાં વિખંડિત થઇ જાય છે. આ પ્રકારે તાપમાનની એક નિશ્ચિત ન્યૂનતમ-અધિકતમ સીમાના દાયરામાંજ ઉપયોગી જૈવિક રાસાયણિક ક્રિયાઓ સંપન્ન થઇ શકે છે.

-

જળ સિવાય અન્ય દ્રવ્યોની ધ્રુવીકરણ ક્ષમતા ખુબજ ઓછી હોય છે. જેના કારણે તે દ્રવ્યો ખુબ ઓછા તાપમાને જ ઉકળવા લાગે છે. ઉદાહરણ તરીકે અગર હવાનું દબાણ શૂન્ય માનીએ તો નાઇટ્રોજન અને મિથેન -200 ડિગ્રી અને એમોનિયા -40 ડિગ્રી ઉપર ઉકળવા માંડે છે. અર્થાત બેહદ શીતળ તાપમાને જ આ વાયુઓ પ્રવાહી અવસ્થામાં મૌજૂદ રહી શકે છે અને ઉપર આપણે જોઇ ગયા કે ઠંડુ તાપમાન અણુઓ વચ્ચે રાસાયણિક પ્રક્રિયા માટે આદર્શ નથી. વાસ્તવમાં લિક્વિડ નાઇટ્રોજનનો ઉપયોગ પૃથ્વી પર વૈજ્ઞાનિકો જૈવિક પ્રક્રિયાને શિથિલ કરવા માટે કરે છે. જેમાં કોષિકાઓને બેહદ ઓછા તાપમાને ફ્રીઝ કરી નાંખવામાં આવે છે. ઓછા તાપમાને જટિલ જૈવિક પ્રક્રિયાઓ સંભવ જ નથી. માટે કહેવું પડે કે લિક્વિડ મિથેન, એમોનિયા અથવા નાઇટ્રોજનમાં સરળ જીવન ઉત્પન્ન તો થઇ શકે છે પરંતુ સરળ જીવનથી જટિલ જીવનની ઉત્પત્તિ માટે આવશ્યક રાસાયણિક ક્રિયાઓ આ દ્રવ્યોમાં સંપન્ન નથી થઇ શકતી. માટે જટિલ જીવનના વિકાસ માટે જળ અનિવાર્ય છે.

-

***************Chirality*****************

અગર પૃથ્વી સિવાય ક્યાંય જીવન છે તો તે જીવન કેવા પ્રકારની બાયોલોજી ઉપર આધારિત હશે? આપણે નથી જાણતા. કેમકે જીવનના એકથી વધુ સ્વરૂપો સંભવ છે. ઉદાહરણ તરીકે પૃથ્વી ઉપર જીવન કાર્બન આધારિત છે, છતાં જીવનના એકથી વધુ સ્વરૂપ સંભવ છે. શર્ત એટલીજ કે Chirality ને આધાર બનાવો. તો આ Chirality શું છે?

-

કિરાલિટી એ સ્થિતિને કહે છે, જ્યારે બે વસ્તુઓ એક જેવી દેખાવા બાવજૂદ અસંમિતિ(asymmetry) પ્રદર્શિત કરતી હોય. ઉદાહરણ તરીકે આપણાં બંન્ને હાથ દેખાવમાં તો એક જેવા છે પરંતુ જો આપણે તેમને એકબીજાની ઉપર રાખીએ તો બંન્ને હાથોના અંગૂઠા બે ભિન્ન દિશાઓ તરફ રહેશે(જુઓ ઇમેજ). બિલકુલ એજ પ્રમાણે પ્રકૃતિમાં એમિનો એસિડ તથા શુગરના બે પ્રકાર હોય છે......લેફ્ટ હેન્ડેડ(ડાબેરી) અને રાઇટ હેન્ડેડ(જમણેરી). આ એક આશ્ચર્યનો વિષય છે કે પૃથ્વી ઉપર જીવન હંમેશા લેફ્ટ હેન્ડેડ એમિનો એસિડ તથા રાઇટ હેન્ડેડ શુગરનો ઉપયોગ કરે છે, જ્યારે અન્ય પ્રકારના એમિનો એસિડ તથા શુગર પણ પ્રકૃતિમાં સમાન રૂપે મળી રહે છે. અહીં રોચક વાત એ છે કે અગર તમે આ ક્રમ બદલી નાંખો, અર્થાત લેફ્ટ હેન્ડેડ એમિનો એસિડને બદલે રાઇટ હેન્ડેડ એમિનો એસિડ લઇએ, અને રાઇટ હેન્ડેડ શુગરની જગ્યાએ લેફ્ટ હેન્ડેડ શુગર લઇએ, તો પણ જીવન ઉપર કોઇ પ્રભાવ નહીં પડે. જીવન વિપરિત કિરાલિટી ઉપર આધારિત અવયવો સાથે પણ તેવા જ મિજાજથી વિકાસ કરતું રહે છે.

-

તો પછી પ્રકૃતિનો એક વિશેષ કિરાલિટી પ્રતિ લગાવનું રહસ્ય શું છે? આપણે નથી જાણતાં....પરંતુ આપણે વિપરિત કિરાલિટી પર આધારિત જીવનને જન્મ આપવાની કોશિશોમાં અવશ્ય પરોવાયેલા છીએ અને જે દિવસે આપણે સફળ થયા, તે દિવસે બ્રહ્માંડનો સૌથી મોટો સવાલનો જવાબ આપમેળે મળી જશે.

-

કોઇપણ સિસ્ટમમાં ફક્ત ત્રણજ પરિસ્થિતિઓ સંભવ છે.....શૂન્ય-એક-અનંત. અર્થાત અગર કોઇ સિસ્ટમમાં કોઇ ઘટના એકથી અધિક વખત થાય, તો તે જ ઘટના વારંવાર પણ થઇ શકે છે. માટે એવું સ્વયંભૂ સિધ્ધ થાય છે કે તે ઘટનાની થવાની શક્યતા અનંત છે. અગર આપણે પ્રયોગશાળાઓમાં જીવનને એકવખત ઉત્પન્ન કરી શક્યાં તો તેનો મતલબ છે બ્રહ્માંડમાં જીવન વારંવાર ઉત્પન્ન થઇ શકે છે.

(મિત્ર વિજય દ્વારા)