जैविक चमत्कार - Wood Frog
(nps.gov)- Wood Frog अलास्का और उत्तरी कनाडा के जंगलों की कठोर सर्दियां शरीर के जमे हुए अवस्था में बिताता है, और वसंत आते ही फिर से चलना-फिरना शुरू कर देता है
- जहां अन्य उत्तरी मेंढक पानी के भीतर अपना शरीर-तापमान जमाव-बिंदु से ऊपर बनाए रखते हैं, वहीं Wood Frog जंगल की जमीन पर गिरी पत्तियों की परत में छिपकर शून्य से नीचे की हवा के संपर्क में रहता है
- सर्दी शुरू होते ही अंगों के आसपास और त्वचा व मांसपेशियों के बीच बर्फ बनने लगती है, लेकिन लिवर द्वारा बनाई गई बड़ी मात्रा में ग्लूकोज कोशिकाओं के अंदर जमाव और निर्जलीकरण को रोकता है
- शीतनिद्रा के दौरान मांसपेशियों की हरकत, दिल की धड़कन और सांस लेना सब रुक जाता है; वसंत में शरीर अंदर से पिघलता है और दिल, दिमाग, फिर पैरों के क्रम में कामकाज वापस आता है
- हाई ब्लड शुगर सहनशीलता, जमना-पिघलना, और रक्त-संचार रुकने के बाद रिकवरी की क्षमता डायबिटीज, प्रत्यारोपण योग्य अंगों के संरक्षण, और हार्ट अटैक व स्ट्रोक उपचार पर शोध से जुड़ सकती है
आर्कटिक सर्कल की सर्दियों के अनुरूप शीतनिद्रा रणनीति
- Wood Frog की सबसे हैरान करने वाली खासियत उस गर्मी में नहीं दिखती जब वह टैडपोल से मेंढक बनता है, बल्कि सर्दियों की शीतनिद्रा में सामने आती है
- अलास्का और उत्तरी कनाडा के जंगलों में तापमान में बेहद चरम बदलाव होते हैं
- गर्मियों में दिन 24 घंटे तक चलता है और तापमान 90°F के आसपास तक पहुंच सकता है
- सर्दियों में -50°F असामान्य नहीं है
- Brooks Range के दक्षिण में Prospect Creek में अलास्का का न्यूनतम तापमान -80°F दर्ज किया गया था
- मेंढक शीत-रक्तीय जीव होते हैं, इसलिए उनका शरीर-तापमान आसपास की हवा के लगभग बराबर हो जाता है
- Wood Frog एक छोटा उभयचर है जिसे ऐसी लंबी उप-आर्कटिक सर्दियां झेलनी पड़ती हैं
पानी के बजाय जंगल की जमीन चुनने वाला मेंढक
- अधिकांश उत्तरी मेंढक तालाबों, झीलों और नदियों के गहरे पानी में शीतनिद्रा लेते हैं
- वे ठंडे और लगभग निष्क्रिय हो जाते हैं, लेकिन उनका शरीर-तापमान जमाव-बिंदु से नीचे नहीं जाता
- Wood Frog जंगल की जमीन पर गिरी पत्तियों और ह्यूमस में खुद को दबाकर सर्दी बिताता है
- पत्तियां, ह्यूमस और बर्फ कुछ हद तक इन्सुलेशन देते हैं, लेकिन पानी के भीतर शीतनिद्रा की तरह शून्य से नीचे के तापमान से पूरी तरह सुरक्षा नहीं देते
- इसी रणनीति के कारण Wood Frog सर्दियों में जमे हुए अवस्था में भी जीवित रहता है
जल्दी पिघलने वाली जमीन से मिलने वाला प्रजनन अवसर
- जमीन की बर्फ और मिट्टी, बर्फ से ढकी झीलों की तुलना में जल्दी पिघलती और गर्म होती हैं, इसलिए Wood Frog वसंत में बहुत जल्दी सक्रिय हो सकता है
- जल्दी जागे Wood Frog छोटे तालाबों या बर्फ पिघलने से बने पानी के गड्ढों में भी मिलन कर अंडे देते हैं, जो गर्मियों के मध्य से पहले सूख सकते हैं
- पानी के भीतर शीतनिद्रा लेने वाले मेंढकों की सक्रियता देर से शुरू होती है, इसलिए उनका प्रजनन भी देर से होता है
- देर से प्रजनन करने वाले मेंढकों को ऐसे स्थायी पानी की जरूरत होती है जो सूखे नहीं
आम जानवरों के लिए बर्फ घातक क्यों होती है
- अधिकांश जानवरों को जीवित रहने के लिए शरीर के ऊतक जमने वाली परिस्थितियों से बचना पड़ता है
- शरीर के अंदर बर्फ के क्रिस्टल बनने पर कई तरह की क्षति होती है
- बर्फ के क्रिस्टल रक्त-वाहिनियों को छेद सकते हैं
- खून जम जाए तो अंगों तक ऑक्सीजन और पोषक तत्व नहीं पहुंच पाते, जिससे गंभीर मेटाबॉलिक नुकसान होता है
- बर्फ कोशिकाओं से पानी खींच लेती है, निर्जलीकरण करती है, कोशिका के अंदरूनी ढांचे को बिगाड़ती है, और कोशिका-दीवार को नष्ट करती है
- ऐसी क्षति व्यापक और घातक आंतरिक नुकसान में बदल जाती है
बाहर जमने देना, अंदर कोशिकाओं को बचाना
- Wood Frog हर साल अधिकतम 8 महीने तक शरीर के पूरी तरह जमे हुए अवस्था को सहन कर सकता है
- सर्दी शुरू होते ही बर्फ तेजी से उदर-गुहा को भर देती है और अंदरूनी अंगों को घेर लेती है
- त्वचा और मांसपेशियों के बीच भी बर्फ के क्रिस्टल बनते हैं, और आंखों का लेंस जमने से आंखें सफेद हो जाती हैं
- उसी समय लिवर बड़ी मात्रा में ग्लूकोज बनाकर शरीर की हर कोशिका तक भेजता है
- चिपचिपा शर्करा-घोल कोशिकाओं को जमने से रोकता है
- यह कोशिका के अंदर पानी के अणुओं से जुड़कर निर्जलीकरण कम करता है
- Wood Frog का शरीर कोशिकाओं और अंगों के बाहर बर्फ बनने देता है, लेकिन कोशिकाओं के अंदर जमाव को रोकता है, जिससे घातक क्षति से बचाव होता है
रुका हुआ शरीर फिर किस क्रम में जागता है
- शीतनिद्रा में पड़े Wood Frog में मांसपेशियों की कोई हरकत नहीं होती, दिल नहीं धड़कता, और वह सांस भी नहीं लेता
- पूरी सर्दी वह मेंढक के आकार के ठंडे, सख्त बर्फ के टुकड़े जैसा दिखता है, लेकिन असल में रुकी हुई अवस्था में जीवित होता है
- वसंत आते ही Wood Frog शरीर के अंदर से बाहर की ओर पिघलता है
- सबसे पहले दिल धड़कना शुरू करता है
- फिर दिमाग सक्रिय होता है
- अंत में पैर चलने लगते हैं
- उत्तर की पूरी सर्दी जमे और निष्क्रिय रहे दिल को फिर से धड़कना क्या शुरू कराता है, यह अभी तक ज्ञात नहीं है
- पूरी तरह पिघल चुका Wood Frog जंगल से गुजरकर प्रजनन के तालाब या उपयुक्त पानी की तलाश में निकलता है
- लगभग सभी अन्य जानवरों के लिए घातक स्थितियों में भी Wood Frog बिना नुकसान के जीवित रहता है
मानव चिकित्सा शोध से जुड़ने की संभावना
- Wood Frog के रक्त में मौजूद ग्लूकोज चरम आर्कटिक सर्दियों के तापमान में ऊतक-क्षति रोकने वाला प्रमुख तत्व है
- यह ग्लूकोज वही पदार्थ है जो मनुष्यों सहित सभी कशेरुकियों के ब्लड शुगर में होता है
- शीतनिद्रा में पड़ा Wood Frog सामान्य से 100 गुना अधिक ब्लड शुगर भी सहन कर सकता है
- मानव डायबिटीज मरीज सामान्य से 2~10 गुना अधिक ब्लड शुगर पर भी नुकसान झेल सकते हैं
- Wood Frog इसे कैसे सहन करता है, यह समझने से डायबिटीज मरीजों में हाई ब्लड शुगर मैनेजमेंट में मदद मिल सकती है
- Wood Frog की फ्रीज-रेजिस्टेंस क्षमता का उपयोग प्रत्यारोपण के लिए मानव अंगों को बिना नुकसान जमाने और पिघलाने के तरीके खोजने में हो सकता है
- दाता से अंग निकालने के बाद प्राप्तकर्ता में प्रत्यारोपण तक उपलब्ध समय बढ़ाया जा सकता है
- इससे अधिक प्रत्यारोपण संभव हो सकते हैं
- रक्त-संचार रोककर कई महीनों बाद फिर शुरू करने पर भी रक्त-थक्कों या अन्य नुकसान से बचने का सिद्धांत भी शोध का विषय है
- इस मेकैनिज्म को समझना उन लोगों के इलाज में मूल्यवान हो सकता है जिनका रक्त-प्रवाह हार्ट अटैक या स्ट्रोक के कारण अस्थायी रूप से रुक गया हो
1 टिप्पणियां
Hacker News की टिप्पणियाँ
कड़ाके की सर्दियों में जानवर कैसे टिके रहते हैं, इस पर Bernd Heinrich की Winter World एक अच्छी किताब है
Bernd बहुत दिलचस्प जीवविज्ञानी हैं और विषय में गहराई तक जाते हैं। किताब में जब वे बताते हैं कि गिलहरी सर्दी कैसे बिताती है, तो वे first principles तक जाते हैं—शरीर की सतह का क्षेत्रफल, शरीर का तापमान बनाए रखना, बाहरी तापमान -40˚C, प्रति घंटे जरूरी ऊष्मा, एक pine nut की कैलोरी—इस तरह गणना आगे बढ़ाते हैं
यहाँ तक कि वे एक मरी हुई गिलहरी के मुँह में pine nuts डालकर देखते हैं कि अधिकतम कितने आ सकते हैं और 17 का मान पाते हैं; फिर उसी आधार पर गणना जारी रखते हैं, इसलिए यह काफी रोचक है
गिलहरियाँ खाना मुँह में स्टोर नहीं करतीं, बल्कि भंडार में रखती हैं; वे जागती हैं, भंडार तक जाती हैं, खाती हैं और फिर सो जाती हैं। वे -40°C में बाहर जाकर नए pine nuts इकट्ठा भी नहीं करतीं, और सर्दियों में पेड़ों पर pine nuts वैसे भी ज्यादा नहीं बचे होते
शायद उस गणना का मुद्दा यह दिखाना रहा हो कि ऐसी strategy अच्छी नहीं है, लेकिन ऊपर की गणना में फर और सोने की जगह का insulation भी शामिल नहीं है
“अब तक कोई नहीं जानता कि पूरे उत्तरी शीतकाल में जमी हुई और निष्क्रिय रही wood frog का दिल आखिर किस वजह से फिर धड़कना शुरू करता है” — यह हिस्सा इस कहानी का सबसे आकर्षक पहलू है
मेंढक पूरी तरह जमा हुआ होता है, और हमारी जानकारी के अनुसार न heartbeat होती है न brain activity। लेकिन पिघलने पर कुछ चीज फिर से काम शुरू कर देती है
वह mechanism कैसा दिखता होगा, इसकी कल्पना करना मुश्किल है। क्या brain का कोई छोटा सा क्षेत्र है जो ट्रैक करता है कि वह जमा हुआ था, या body cavity के भीतर से कोई chemical signal निकलता है—यह जानने की जिज्ञासा होती है
इंसानों और कई जानवरों में heartbeat को नियंत्रित करने वाली संरचना heart के अंदर मौजूद sinoatrial node होती है। sinoatrial node की हर cell अपने आप rhythmic electrical signal बना सकती है
wood frog में इन cells में से कोई एक पिघलते ही rhythmic pulses बनाना शुरू कर देती होगी, और heart को ठीक से धड़कने के लिए बाकी sinoatrial node cells के साथ synchronize होना पड़ता होगा। शायद हर cell हर cycle में अपने पड़ोसी cells के average phase की ओर थोड़ा-थोड़ा adjust करते हुए consensus तक पहुँचती हो
या फिर heart और muscles की elasticity की वजह से हो
हाँ, अगर मेंढक में heart brain पर निर्भर करता हो तो बात अलग है
शायद पिघलने का क्रम limbs से उल्टा चलता हो, और बाकी circulatory system पिघलने के बाद heart सबसे आखिर में पिघलता हो। इस स्थिति में heart का केंद्र में होना जैविक रूप से फायदेमंद रहा होगा
wood frog केवल 3–5 साल जीता है, इसलिए वह ऐसे freezing/thawing cycle अधिक से अधिक करीब 5 बार ही झेलता होगा। सोचता हूँ कि क्या छोटी उम्र की वजह से वह इन cycles के दौरान जमा होने वाले cellular damage को कुछ हद तक सह पाता है
mammals की तुलना में उसके neurons भी लगभग 10,000 गुना कम होते हैं
भले ही ऐसी biochemistry लागू की जा सके, अधिक विकसित जीव ऐसे cycles कितनी बार सह पाएँगे? जटिल जीवों ने limbs regenerate करने जैसी recovery क्षमता का कुछ हिस्सा जैसे त्याग दिया हो। amphibians वैसे भी regeneration में खास तौर पर अच्छे होते हैं
https://shakerlakes.org/frozen-frogs/
अब इनके brain के बारे में हर तरह की जिज्ञासा हो रही है। क्या ये memories बना सकते हैं, और क्या freezing/thawing cycle के बाद भी वे memories बची रहती हैं
जब यह जमा होता है तो प्रभावी रूप से मृत अवस्था में होता है, और मान लेना पड़ता है कि brain activity भी नहीं होती। तो पिघलने पर यह जैसे जीवन में restore हो जाता है। सोचता हूँ कि क्या दूसरे जानवर भी ऐसा अनुभव करते हैं
जमी हुई संरचना कितने समय तक “ज़िंदा बची” रह सकती है, यह जानने की उत्सुकता है। पता नहीं ऐसे मेंढक को जमा कर सदियों बाद पिघलाना अच्छा विचार होगा या नहीं। जैसे कोई उभयचर टाइम ट्रैवलर
नए अध्ययन [2] में वे 7 महीने तक जीवित रहे और survival rate 100% था
इसलिए और शोध की ज़रूरत लगती है
[1] https://journals.biologists.com/jeb/article/216/18/3461/1160...
[2] https://journals.biologists.com/jeb/article/217/12/2193/1211...
विकासवादी दृष्टि से उभयचर स्तनधारियों की तुलना में कुछ हद तक सरल होते हैं, कई स्तनधारियों से छोटे होते हैं और बहुत लंबे समय तक नहीं जीते, इसलिए मुझे लगता है कि इसका कुछ हिस्सा बस उन “चीज़ों के न होने” की वजह से हो सकता है
तापमान बहुत कम होने से advanced glycation end products की समस्या भी शायद इतनी बड़ी नहीं होगी। बर्फ में जीवित रहने की एक और रणनीति antifreeze proteins हैं। फ़र के पेड़ और कई आर्कटिक मछलियों में ऐसे proteins होते हैं: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6691018/
फिर भी, thawing चरण में membrane potential कैसे बना रहता है या फिर से बनता है, यह अब भी समझ नहीं आता। कोई संदर्भ सामग्री है?
यह अभी स्थापित या पूरी तरह समझा हुआ नहीं है, लेकिन research का promising area लगता है
भले ही ion channels के आसपास के बहुत छोटे क्षेत्र तरल बने रहें और कोशिका व ion concentration दोनों को equilibrium में ला दें, extracellular fluid के पिघलने पर मूल concentration लगभग बहाल हो जाना चाहिए
जलीय कछुओं की brumation की एक अलग रणनीति होती है। वे हवा से सांस लेते हैं, लेकिन महीनों तक बर्फ के नीचे फंसे रह सकते हैं, इसलिए वे metabolism कम करते हैं और rectal tissue के जरिए पानी से थोड़ा oxygen लेने की adaptation तथा glucose और calcium से जुड़ी chemical गतिविधियों का इस्तेमाल करते हैं
https://www.pbs.org/newshour/science/the-secret-to-turtle-hi...
https://wildlifeinwinter.com/painted-turtle
मेरे घर में एक कछुआ है जो हमेशा गर्म पानी में रहता है, लेकिन शायद आसमान दिखता है इसलिए हर साल इसी समय के आसपास वह खुद brumation करने का फैसला कर लेता है और पानी के अंदर छिपने की जगह में कई दिन या हफ्तों तक झपकी लेने लगता है
https://en.wiktionary.org/wiki/brumation
क्रिया शायद brumate होनी चाहिए। लेकिन hibernation से मिलाने की इच्छा काफ़ी मजबूत लगती है, और ऐसा कई शब्दों के साथ होता है। या फिर rumination का असर रहा होगा?
बहुत होशियार तो नहीं है, लेकिन मेहनती है
जो लोग सोचते हैं कि freezing एक विकल्प हो सकती है, उनके लिए बात सिर्फ़ ice crystals से बचने की नहीं है
इंसानों में medical hypothermia में शरीर का तापमान बस कुछ डिग्री ही घटाया जाता है, फिर भी सीमा ठंडे हाल में बिताए समय की नहीं, बल्कि normal body temperature को बहुत जल्दी वापस लाने की होती है
mitochondria कम oxygen की स्थिति में बहुत सारे reactive oxygen species बनाते हैं, और oxygen को तेज़ी से वापस लाने पर ऐसी chemical damage होती है जो असल में मौत का कारण बनती है। इसलिए normal temperature पर कई घंटों में वापस लाया जाता है। supercooling से बिगड़ने वाला metabolic cycle शायद सिर्फ़ यही नहीं होगा
इस लेख में मेंढक की तस्वीरें नहीं हैं। पिघले हुए मेंढक और जमे हुए मेंढक की तस्वीरें यहां देखी जा सकती हैं: https://shakerlakes.org/frozen-frogs/
Wiki में लिखा है कि glucose के अलावा urea भी बनता है, और दोनों cryoprotectant की तरह काम करते हैं
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Wood_frog
इसे hibernation कहना भी मुश्किल है। पूरी तरह जम जाने के कुछ दूसरे सहायक फायदे भी हैं, जैसे कई infectious microorganisms की गतिविधि धीमी करना या उन्हें मार देना। कुछ हद तक lifespan extension effect भी हो सकता है
behavioral adaptation की भी खास ज़रूरत नहीं पड़ती। मेंढक को ठंड लगती है तो वह पत्तों के नीचे घुस जाता है, पूरी तरह जम जाता है, और 8 महीने बाद पिघलकर भूखा और प्रजनन की तीव्र इच्छा से भरा हुआ जागता है। बुरा नहीं है
मेंढक के शरीर में मौजूद cryoprotectant फर्क नहीं करेगा, इसलिए बाहरी bacteria को भी मेंढक की कोशिकाओं जितनी ही सुरक्षा मिलेगी
मेरे लिए यह काफी counterintuitive नतीजा होगा