حیاتیاتی طبیعیات دان زندہ بافتوں میں طاقتور ہم آہنگی کا انکشاف | کوانٹا میگزین

لوکا جیومی۔ وہ وقت اب بھی یاد ہے جب، ایک نوجوان گریجویٹ طالب علم کے طور پر، اس نے انک جیٹ پرنٹر سے بوندوں کی دو ویڈیوز دیکھی تھیں۔ ویڈیوز عملی طور پر ایک جیسے تھے - سوائے ایک کے یہ ویڈیو بالکل نہیں تھی۔ یہ ایک نقلی تھا۔

لیڈن یونیورسٹی کے ایک بایو فزیکسٹ جیومی نے کہا، "میں بالکل بے چین تھا۔ "آپ سیاہی کی بوندوں کے بارے میں ہر چیز کی پیش گوئی کر سکتے ہیں۔"

نقلی سیال کی حرکیات کے ریاضیاتی قوانین سے تقویت یافتہ تھی، جو یہ بیان کرتی ہے کہ گیسیں اور مائعات کیسے برتاؤ کرتے ہیں۔ اور اب، انک بوندوں کی تعریف کرنے کے برسوں بعد، Giomi اب بھی حیران ہے کہ وہ ان سسٹمز کے لیے درستگی کی اس سطح کو کیسے حاصل کر سکتا ہے جو سیاہی کی بوندوں سے قدرے پیچیدہ ہیں۔

انہوں نے کہا کہ "میرا خواب واقعی یہ ہے کہ پیشین گوئی کی اتنی طاقت کو بائیو فزکس کی خدمت میں استعمال کیا جائے۔"

Giomi اور اس کے ساتھیوں نے ابھی اس مقصد کی طرف ایک اہم قدم اٹھایا ہے۔ میں پڑھائی میں شائع فطرت طبیعیات، وہ یہ نتیجہ اخذ کرتے ہیں کہ اپکلا ٹشو کی چادریں، جو جلد بناتی ہیں اور اندرونی اعضاء کو شیٹ کرتی ہیں، مائع کرسٹل کی طرح کام کرتی ہیں - وہ مواد جو ٹھوس کی طرح ترتیب دیے جاتے ہیں لیکن مائعات کی طرح بہتے ہیں۔ اس تعلق کو بنانے کے لیے، ٹیم نے یہ ظاہر کیا کہ اپکلا ٹشو میں دو الگ الگ ہم آہنگی موجود ہے۔ یہ مختلف ہم آہنگی، جو اس بات کا تعین کرتی ہے کہ مائع کرسٹل جسمانی قوتوں کے لیے کس طرح ردعمل ظاہر کرتے ہیں، بس مختلف پیمانے پر ظاہر ہوتے ہیں۔

ٹیم کی بصیرت زندہ بافتوں پر سیال متحرک تخروپن کی درستگی کو لاگو کرنا آسان بنا سکتی ہے۔ اگر ایسا ہے تو، Giomi یہ پیشین گوئی کرنے کی امید کرتا ہے کہ کس طرح انسانی ٹشوز زخموں کے بھرنے سے لے کر کینسر کے میٹاسٹیسیس تک کے عمل کے دوران حرکت کرتے اور خراب ہوتے ہیں۔

"یہ ایک بہت اچھا کاغذ ہے،" کہا لنڈا ہرسٹ, یونیورسٹی آف کیلیفورنیا، مرسڈ کے ایک ماہر طبیعیات، جو اس کام میں شامل نہیں تھے۔ "وہ واقعی سیل شیٹس کی ہم آہنگی کو پہلے سے کہیں زیادہ تفصیل سے بیان کر رہے ہیں۔"

بہاؤ اور توازن

مائع کرسٹل سیالوں کی طرح بہتے ہیں، لیکن ان کے پاس ابھی بھی کرسٹل لائن آرڈر کی ایک ڈگری ہے - ایک طرح کی موروثی ہم آہنگی یا سمتیت جو لکڑی کے دانے کی طرح ہے۔ اور جس طرح لکڑی کا تختہ اپنے دانے کے ساتھ سب سے زیادہ مضبوط ہوتا ہے، اسی طرح ایک مائع کرسٹل کا محرکات پر ردعمل اس کی ہم آہنگی اور سمت پر منحصر ہوتا ہے۔ یہ سمتیت، جسے انیسوٹروپی کہا جاتا ہے، جدید مائع کرسٹل ڈسپلے کے پیچھے نظری جادو ہے، جو روشنی کو ان کی واقفیت کے لحاظ سے مختلف طریقے سے ریفریکٹ کرتا ہے۔

اگرچہ ہم ٹی وی اسکرینوں میں مائع کرسٹل سے زیادہ واقف ہو سکتے ہیں، لیکن وہ خلیات کی حیاتیات میں بھی عام ہیں، جو خلیوں کے اندر اور خلیے کی جھلیوں میں پائے جاتے ہیں۔ پچھلے کچھ سالوں میں، محققین نے یہ ظاہر کرنے کی کوشش کی ہے کہ ٹشوز - خلیوں کے منظم گروپ جو ایک ساتھ کام کرتے ہیں - کو بھی مائع کرسٹل سمجھا جا سکتا ہے۔ ہرسٹ نے کہا کہ اگر ٹشو کو مائع کرسٹل کے طور پر درست طریقے سے بیان کیا جا سکتا ہے، تو پھر طبیعیات دان اس بات کا اندازہ لگانے کے لیے استعمال کرتے ہیں کہ کرسٹل قوتوں کو کیسے جواب دیتے ہیں، حیاتیات میں کام کیا جا سکتا ہے۔

تاہم، ان کوششوں نے جیومیٹرک روڈ بلاک کو نشانہ بنایا۔ تجربہ کار اور نظریہ دان بافتوں کی ہم آہنگی پر متفق نہیں ہو سکے - ایک مائع کرسٹل کی سب سے واضح خصوصیت، اور سیال حرکیات کا استعمال کرتے ہوئے اس کے رویے کی پیشن گوئی کرنے کی کلید۔ خلیات کے چھوٹے گروہوں کی نقل میں، تھیوریسٹ ٹشوز کو مائع کرسٹل کے طور پر چھ گنا "ہیکسیٹک" ہم آہنگی کے ساتھ بیان کر سکتے ہیں، تھوڑا سا مسدس کی ٹائلنگ کی طرح۔ لیکن تجربات میں، ٹشوز اس کے بجائے بار کے سائز کے ذرات سے بنے سیالوں کی طرح کام کرتے ہیں جس میں دوگنا "نیمیٹک" ہم آہنگی ہوتی ہے - تھوڑا سا جیسا کہ آپ دیکھیں گے کہ اگر آپ ٹوتھ پک کا ایک بیرل ٹیوب میں ڈالتے ہیں اور انہیں بہتا دیکھتے ہیں۔

"ایک تضاد تھا: تجربہ نیومیٹک کہتا ہے؛ عددی تجربات اور ماڈلز کو عام طور پر hexatic کہتے ہیں۔ لیویو کیرینزا، استنبول کی کوک یونیورسٹی میں ایک کمپیوٹیشنل فزیکسٹ۔ "یہ دونوں چیزیں ایک دوسرے سے کیسے بولتی ہیں؟"

Carenza کی طرف سے ابتدائی نقوش - Giomi کے گروپ میں ایک سابق محقق - نے تجویز کیا کہ اختلاف کو حل کیا جا سکتا ہے اگر دونوں مطابقتیں، چھ گنا اور دو گنا، ٹشوز میں بیک وقت موجود ہوں۔ خیال یہ تھا کہ اگر آپ نیومیٹک ہم آہنگی والے ٹشو پر زوم ان کرتے ہیں، تو آپ کو چھوٹے پیمانے پر ہیکساٹک ہم آہنگی ملے گی۔

"لیکن آپ تھیوری کی تھیوری سے تصدیق نہیں کر سکتے،" جیومی نے کہا۔ "لہذا ہم نے تجربات کیے ہیں۔"

ایسا کرنے کے لیے، Giomi نے بھرتی کیا۔ جولیا ایکرٹ، پھر لیڈن یونیورسٹی میں ڈاکٹریٹ کا طالب علم، زندہ بافتوں کی ثقافتوں سے ڈیٹا اکٹھا کرنے کے لیے۔

"میں نے انہیں خوردبین کی طرف کھینچا اور انہیں حقیقی خلیات دکھائے، نہ صرف وہ خلیات جنہیں وہ ادب میں دیکھ سکتے ہیں،" ایکرٹ نے کہا، جو اب کوئینز لینڈ یونیورسٹی میں بائیو فزیکسٹ ہیں۔ "میں کہتا ہوں، 'کیا آپ نے کبھی خلیات کو دیکھا ہے، آپ جانتے ہیں، حقیقی زندگی میں؟' اور یہ 'نہیں' کی طرح تھا۔ نہیں؟ اوکے چلو!"

ایک نیا سیال آرڈر

ایکرٹ کی شروعات لیب میں اپیتھیلیل ٹشو کی پتلی تہوں کو اگانے سے ہوئی۔ پھر اس نے خوردبین کی تصاویر میں ہر ایک سیل کی حدود کو احتیاط سے نشان زد کیا۔ اب Giomi اور ان کی ٹیم کام پر لگ سکتی ہے۔ وہ یہ دیکھنا چاہتے تھے کہ کیا ٹشو کی ہم آہنگی چھوٹے پیمانے کے درمیان مختلف ہے - جب انہوں نے صرف چند خلیات اور ان کے پڑوسیوں پر غور کیا - اور زوم آؤٹ، بڑے پیمانے پر۔

لیکن ایکرٹ کے خلیات کی چادروں میں گھریلو ہم آہنگی کو ختم کرنے کے لئے، ٹیم کو گندے حیاتیاتی اعداد و شمار میں نیومیٹک اور ہیکسیٹک آرڈرز میں فرق کرنے کے لئے ایک قابل اعتماد طریقہ کی ضرورت تھی۔

لیڈن بائیو فزیکسٹوں نے خلیات کی شکلوں اور سمتوں کے بارے میں معلومات حاصل کرنے کے لیے ایک ریاضیاتی شے وضع کی جسے شکل ٹینسر کہا جاتا ہے۔ اس کا استعمال کرتے ہوئے، Eckert نے مختلف پیمانوں پر بافتوں میں ہم آہنگی کی پیمائش کی، پہلے انفرادی خلیوں کو کرسٹل کی بنیادی اکائیوں کے طور پر سمجھا اور پھر خلیوں کے گروپوں کے لیے بھی ایسا ہی کیا۔

چھوٹے پیمانے پر، انہوں نے پایا کہ ٹشو میں چھ گنا گھومنے والی ہم آہنگی ہے اور یہ تھوڑا سا ہموار مسدس کی ٹائلنگ کی طرح لگتا ہے۔ لیکن جب انہوں نے تقریباً 10 خلیات سے بڑے گروپوں کی جانچ کی تو دوگنا گردشی توازن سامنے آیا۔ تجرباتی نتائج نے کیرینزا کے نقوش سے صاف طور پر اتفاق کیا۔

"یہ بہت حیرت انگیز تھا کہ تجرباتی اعداد و شمار اور عددی نقالی کتنی اچھی طرح سے مماثل ہیں،" ایکرٹ نے کہا۔ درحقیقت، یہ اتنا قریب سے مماثل ہے کہ کیرنزا کا پہلا جواب یہ تھا کہ یہ غلط ہونا چاہیے۔ ٹیم نے مذاق کے طور پر پریشان کیا کہ ایک ہم مرتبہ جائزہ لینے والے کو لگتا ہے کہ اس نے دھوکہ دیا ہے۔ "یہ واقعی بہت خوبصورت تھا،" Carenza نے کہا.

مشاہدات ایک "ٹشوز میں موجود آرڈر کی قسم کے بارے میں دیرینہ سوال" کا جواب دیتے ہیں۔ جوشوا شیوٹز، پرنسٹن یونیورسٹی کے ایک ماہر طبیعیات جنہوں نے کاغذ کا جائزہ لیا (اور یہ نہیں سوچا کہ انہوں نے دھوکہ دیا ہے)۔ انہوں نے کہا، جب ڈیٹا بظاہر متضاد سچائیوں کی طرف اشارہ کرتا ہے تو سائنس اکثر "مبہم ہو جاتی ہے"۔ "پھر کوئی اشارہ کرتا ہے یا دکھاتا ہے کہ، ٹھیک ہے، وہ چیزیں اتنی الگ نہیں ہیں۔ وہ دونوں ٹھیک کہہ رہے ہیں۔‘‘

فارم، فورس اور فنکشن

مائع کرسٹل کی ہم آہنگی کو درست طریقے سے بیان کرنا صرف ایک ریاضیاتی مشق نہیں ہے۔ اس کی ہم آہنگی پر منحصر ہے، کرسٹل کا اسٹریس ٹینسر - ایک میٹرکس جو اس بات کی گرفت کرتا ہے کہ کس طرح کوئی مادّہ تناؤ میں خراب ہوتا ہے - مختلف نظر آتا ہے۔ یہ ٹینسر سیال کی حرکیات کی مساوات کا ریاضیاتی لنک ہے جسے Giomi جسمانی قوتوں اور حیاتیاتی افعال کو جوڑنے کے لیے استعمال کرنا چاہتا تھا۔

ہرسٹ نے کہا کہ مائع کرسٹل کی فزکس کو ٹشوز پر لانا حیاتیات کی گندی، پیچیدہ دنیا کو سمجھنے کا ایک نیا طریقہ ہے۔

ہیکساٹک سے نیومیٹک آرڈر تک ہینڈ آف کے صحیح مضمرات ابھی تک واضح نہیں ہیں، لیکن ٹیم کو شبہ ہے کہ خلیات اس منتقلی پر کچھ حد تک کنٹرول کر سکتے ہیں۔ یہاں تک ہے ثبوت انہوں نے کہا کہ نیومیٹک آرڈر کے ظہور کا سیل آسنجن سے کچھ لینا دینا ہے۔ یہ جاننا کہ ٹشوز ان دو باہم ہم آہنگی کو کیسے اور کیوں ظاہر کرتے ہیں مستقبل کے لیے ایک پروجیکٹ ہے - حالانکہ Giomi پہلے سے ہی یہ سمجھنے کے لیے نتائج کو استعمال کرنے پر کام کر رہا ہے کہ کینسر کے خلیے جب جسم میں میٹاسٹیسائز ہوتے ہیں تو کس طرح سے بہتے ہیں۔ اور شیوٹز نے نوٹ کیا کہ ایک ٹشو کی کثیر پیمانے پر مائع کرسٹل پن کا تعلق ایمبریوجینیسیس سے ہو سکتا ہے - وہ عمل جس کے ذریعے ایمبریو اپنے آپ کو جانداروں میں ڈھالتے ہیں۔

اگر ٹشو بائیو فزکس میں ایک مرکزی خیال ہے تو، جیومی نے کہا، یہ وہ ساخت ہے جو قوتوں کو جنم دیتی ہے، اور قوتیں افعال کو جنم دیتی ہیں۔ دوسرے لفظوں میں، ملٹی اسکیل سمیٹری کو کنٹرول کرنا اس بات کا حصہ ہوسکتا ہے کہ کس طرح ٹشوز اپنے خلیات کے مجموعے سے زیادہ اضافہ کرتے ہیں۔

جیومی نے کہا کہ "شکل، قوت اور فعل کا مثلث ہے۔ "خلیات قوتوں کو منظم کرنے کے لیے اپنی شکل کا استعمال کرتے ہیں، اور یہ بدلے میں مکینیکل فعالیت کے چلانے والے انجن کے طور پر کام کرتے ہیں۔"

Quanta ہمارے سامعین کی بہتر خدمت کے لیے سروے کا ایک سلسلہ کر رہا ہے۔ ہماری لے لو فزکس ریڈر سروے اور آپ کو مفت جیتنے کے لیے داخل کیا جائے گا۔ Quanta پنی