नवीन प्रजाती भौगोलिक भिन्नता असल्यावरच तयार होतात या प्रस्थापित समजाला भेद देणारे निष्कर्ष काढून, अविभागित भूप्रदेशात प्राणी-पक्ष्यांच्या नवीन प्रजाती निर्माण होण्यामागे पर्यावरणातील संसाधने, जनुके आणि जोडीदाराची निवड यांची भूमिका काय असते याचा अभ्यास आयआयटी मुंबईच्या संशोधकांनी केला

डिजिटल पद्धतीने गंध ओळखणे आणि त्याचे संश्लेषण करणे लवकरच शक्य होणार

Read time: 1 min
मुम्बई
24 मे 2022
डिजिटल पद्धतीने गंध ओळखणे आणि त्याचे संश्लेषण करणे लवकरच शक्य होणार

आपण वास कसे ओळखतो? याचे पारंपारिक जीवशास्त्रीय स्पष्टीकरण असे की, वासाचा रेणू नाकाच्या आतल्या पेशींमध्ये असलेल्या त्याच्याशी जुळणाऱ्या आकलकात (रिसेप्टर) अडकतो (कुलूपात किल्ली जावी तसा). या प्रक्रियेमुळे पेशीत काही रेण्वीय घटनांना चालना मिळते आणि त्यामुळे नाकातील चेतापेशी (न्यूरॉन्स) उत्तेजित होतात. अखेर चेतापेशींमधून निघालेले संदेश मेंदूकडे जातात आणि तेथे त्यांचा अर्थ लावला जातो. रेणूंमधले अणू कसे कंप पावतात आणि त्यांचे वस्तुमान कसे पसरले आहे यावरून रेणूंमधून येणारा गंध अवलंबून असतो असा एक अपारंपारिक सिद्धांत आहे.

अंमली पदार्थ किंवा अन्नातील रसायने हुडकून काढण्यासाठी तसेच सुरक्षा आणि संरक्षण क्षेत्रात गंध संवेदकांना खूप मोठी मागणी आहे. मात्र गंध येण्याच्या भौतिकशास्त्रीय प्रक्रियेचे अजून आपल्याला नीटसे आकलन झालेले नाही. सध्या आपण वास ओळखण्यासाठी प्रामुख्याने श्वानांवर अवलंबून असतो. चांगले गंध संवेदक तयार करायचे असतील तर रेणूंमध्ये वासाची निर्मिती होण्यासाठी रेण्वीय पातळीवर कोणत्या भौतिक क्रिया होतात हे माहीत करून घेणे शास्त्रज्ञांना आवश्यक आहे. म्हणून वासाच्या भौतिक क्रियांची समज असणे आणि त्या गणिती रूपात मांडता येणे या क्षेत्रात बरेच संशोधन चालू आहे. त्यातून मिळणारी आणखी एक संधी म्हणजे या क्रिया समजल्या तर, जसे काही विशिष्ट रोगनिवारक गुणधर्म असलेले औषधी रेणू तयार करता येतात, तसेच हव्या त्या वासांचे गुणधर्म असलेले रेणू कृत्रिमरित्या तयार करता येतील.

गंध येण्यामागची भौतिकशास्त्रीय प्रक्रिया समजून घेण्याच्या प्रयत्नांमध्ये इंडियन इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजी मुंबई (आयआयटी बॉम्बे) येथील इलेक्ट्रिकल इंजिनियरिंग विभागातील संशोधकांना प्राध्यापक स्वरूप गांगुली यांच्या नेतृत्वाखाली काही प्रमाणात यश मिळाले आहे. गंधाच्या रेणूंच्या वर्तनाचे ज्ञान मिळवण्यासाठी संशोधकांनी पुंज जीवशास्त्रातील (क्वांटम बायॉलॉजी) तंत्रे वापरली आहेत. पुंज जीवशास्त्र हे उदयाला येणारे एक नवीन क्षेत्र असून त्यामुळे संशोधकांना वासासारख्या जीवशास्त्रीय घटनांमधील अवअणू (सबअटॉमिक) प्रक्रियांचा अभ्यास करता येतो (जसे की, गंधाच्या रेणूतले अणू कसे कंप पावतात हे शोधणे). अशा गोष्टींचे स्पष्टीकरण स्थूल भौतिक सिद्धांतांच्या आधारे देता येत नाही. त्यांच्या प्रयोगांचे निष्कर्ष सायंटिफिक रिपोर्ट्समध्ये प्रकाशित झाले आहेत.  

आकार सिद्धांताला (शेप थिअरी) गंधग्रहणाचा सिद्धांत म्हणून मोठ्या प्रमाणात मान्यता आहे. त्या सिद्धांतानुसार गंधाचे रेणू एखाद्या किल्लीसारखे पेशींमधल्या आकलक रेणूंच्या कुलूपासारख्या रचनेत जाऊन बसतात.

त्यामुळे काही रेण्वीय साखळीला चालना मिळते. “मात्र, सन १९९६ मध्ये टुरिन आणि इतरांनी असा दावा केला की वासाच्या रेणूंमधले अणू कंप कसे पावतात यावर वासाची जाणीव अवलंबून असते. तसेच वासाच्या जाणीवेसाठी कंपन ऊर्जा कारणीभूत असते हे दाखवणारा काही पुरावा प्रयोगांती हाती लागला आहे,” असे प्राध्यापक गांगुली सांगतात. या सिद्धांतानुसार एखाद्या पदार्थाच्या रेणूंमधली कंपन ऊर्जा त्या पदार्थाला वास बहाल करते. सदर संशोधन आकार सिद्धांत आणि कंपन सिद्धांत यांना एकत्र आणून  त्यांच्यातील संबंध शोधण्याचा प्रयत्न करते. 

संशोधकांच्या गटाने सहा वर्गातल्या गंधाच्या रेणूंचा अभ्यास केला - त्यात कस्तुरी, भाजलेली कॉफी, फळांचा वास, लसणाचा वास, सुगंधी मिश्रणांचा वास (बेन्झीन) आणि डांबराच्या गोळ्या यांचा समावेश होता. त्यांनी रेणूंचे दोन प्रकारे वर्गीकरण केले : अ) तज्ञ माणसांनी केलेल्या वासाच्या आकलनाच्या नोंदीवर आधारित (उदा. ‘फळासारखा’ किंवा ‘लसणासारखा’ वास); ब) रेणूंच्या कंपनांवर आधारित. 

संशोधकांपुढे पहिले आव्हान होते ते वासासाठी कारणीभूत ठरणारे सूक्ष्म घटक वेगळे करण्यासाठी रेणूचा आकार गणिती रूपात मांडणे. त्यासाठी त्यांनी रासायनिक आलेख सिद्धांत किंवा केमिकल ग्राफ थिअरी हे तंत्र वापरले. इथे रासायनिक आलेख म्हणजे रेषांनी (या रेषा अणूमधले रासायनिक बंध दाखवतात) जोडले गेलेले बिंदूंचे (हे बिंदू एखाद्या रेणूमधले अणू दाखवतात) जाळे. हेच जाळे मेकॅनिकल दृष्टीने बघायचे झाले तर बॉल आणि स्प्रिंग जाळे म्हणून बघता येईल. रासायनिक बंध प्रत्येक अणूला स्प्रिंगसारख्या बलाने धरून ठेवतात. प्रत्येक स्प्रिंगच्या आंदोलनाची एक कंपन वारंवारिता असते. ही आंदोलने मिळून रेणूची कंपन ऊर्जा तयार होते. हा आलेख वापरुन संशोधकांनी रेणूचा आकार आणि कंपन वारंवारिता यांचा संबंध स्पष्ट केला आणि गंधाचे आकार व कंपन सिद्धांत एकत्र केले.   

“वासाच्या रेणूंचे कंपन गुणधर्म हा एक वर्णपट किंवा स्पेक्ट्रम आहे (कंपनांच्या विविध प्रकारांसाठी असलेली ऊर्जाश्रेणी) एखाद्या रेणूमध्ये किती अणू आहेत आणि शेजारच्या अणूंशी ते कसे जोडले गेले आहेत यावर तो अवलंबून असतो (स्प्रिंगसारख्या बलाची कर्षापकर्षि किंवा पुश-पुल व्यवस्था). द्विमितीय आणि त्रिमितीय साखळ्यांमध्ये जटीलता वाढत जाते.” असे शोधनिबंधाच्या प्रमुख लेखिका निधी पांडे सांगतात. कंपन वर्णपट दाखवण्यासाठी त्यांनी एक नवीन मार्ग शोधला आहे ज्यामध्ये केवळ कंपन ऊर्जाच नव्हे तर मोड प्रकारही विचारात घेतला जातो, असेही त्या सांगतात. मोड म्हणजे एखाद्या रेणूमधल्या आण्विक कंपनांचा गतीशील आकृतीबंध होय. जसे की, रासायनिक बंधाच्या लांबीतला बदल (ताण); बंधांमधल्या कोनातला बदल (वक्रता); अणूंच्या गटामधल्या कोनात झालेला बदल (हेलकावे); आणि अणूंचा एखादा विशिष्ट गट आणि उर्वरित रेणू यांच्यातल्या प्रतलीय कोनातला बदल (जोरजोरात हलणे).

त्यानंतर संशोधकांनी मशीन लर्निंगचे प्रमाणित अल्गोरिदम वापरून एकसारखे कंपन वर्णपट असलेल्या सर्व रेणूंचा एक गट केला आणि त्यासाठी ‘साम्य’ किंवा ‘सिमिलॅरिटी’ हे गणिती माप वापरले. मग त्यांनी या वर्गीकरणाची तुलना वासाच्या आकलनानुसार केलेल्या गटांशी केली.  

“कंपन ऊर्जेच्या साध्या तुलनेपेक्षा ते रेणू कसे कंपन पावत आहेत (कंपन प्रकार) यानुसार तुलना करण्याची आमची इच्छा होती. त्यामुळे मशीन लर्निंगला भौतिकशास्त्राच्या ज्ञानाची अधिक जोड मिळाली असती,” प्राध्यापक गांगुली सांगतात. 

कंपन वर्णपटानुसार वर्गवारी केलेले रेणू आकलनात्मक वासावर आधारित असलेल्या वर्गाशी जुळत आहेत असे संशोधकांच्या लक्षात आले.

अशाप्रकारे हे संशोधन गणिती मार्ग वापरुन वास बरोबर ओळखता येण्याची शक्यता दर्शवते. तसेच आजमितीला जसे ऑडिओ आणि व्हिडिओ सिग्नल ओळखणे, साठवून ठेवणे, पाठवणे आणि त्यांची पुनर्निर्मिती करणे हे सर्रास केले जाते तसेच वासाचे डिजिटायझेशन करण्याचे नवीन मार्ग या संशोधनामुळे खुले झाले आहेत.