जीवभौतिकी

जीवभौतिकी : सजीव सृष्टी व निर्जीव सृष्टी यांची संरचना सारख्याच मूलभूत कणांनी झाली असल्यामुळे त्या कणांचे गुणधर्म व त्यांतून निघणारे मूलभूत सिद्धांत जरी निर्जीव सृष्टीद्वारा उघडकीस आले असले, तरी सजीव सृष्टी त्यांस अपवाद असू शकत नाही, हे  गृहीत धरणारे व त्या दृष्टिकोनातून सजीव सृष्टीत आढळणारे निरनिराळे गुणधर्म, व्यवहार व हालचाली यांची भौतिकीतील तत्त्वे, नियम आणि सिद्धांत ह्यांच्याशी सांगड घालण्याचा सतत प्रयत्न करणाऱ्या शास्त्रास ‘जीवभौतिकी’ हे नाव दिले आहे.

ह्या शास्त्राची प्रगती विशेषेकरून १९४५ सालानंतर झालेली असली, तरी त्याचा उगम एकोणिसाव्या शतकातच झालेला आढळतो. एकोणिसाव्या शतकाच्या मध्याच्या सुमारास वैद्यकीय क्षेत्रातील संशोधकांचा एक गट ऐकणे, पहाणे, रुधिपरिवहन (रक्ताभिसरण), रक्तदाब ह्या व ह्यांसारख्या शरीरक्रिया भौतिकीशी कशा निगडित आहेत, याविषयी विचार करीत होता. ‘स्टेथोस्कोप’ हे हृदय तपासण्याचे यंत्रही याच सुमारास अस्तित्वात आले. अशा शास्त्रज्ञांमध्ये प्रामुख्याने हेर्मान फोन हेल्महोल्ट्स, कार्ल लूटव्हिख व अर्नेस्ट फोन ब्रुक यांची गणना करता येईल आणि त्यांना जीवभौतिकीचे आद्य प्रवर्तक म्हणता येईल. भौतिकीतील तत्त्वांचा उपयोग करून स्वतः बनविलेल्या अत्यंत सूक्ष्मग्राही उपकरणांच्या साहाय्याने सजीव प्राण्यांप्रमाणे वनस्पतींनासुद्धा संवेदना असतात, हे एकोणिसाव्या शतकाच्या उत्तरार्धात प्रभावी रीतीने स्पष्ट करून दाखविणारे भारतीय वैज्ञानिक जगदीशचंद्र बोस यांचीही गणना जीवभौतिकीच्या आद्य प्रवर्तकांमध्ये करणे चुकीचे ठरणार नाही.

इ. स. १९४५ नंतरचा काळ वगळल्यास जीवभौतिकीचे कार्य वैद्यकीय संशोधनाचाच वर निर्देशित केलेल्या प्रश्नावर विचार करणारा एक पोटभाग-‘दैहिक भौतिकी’ म्हणून ओळखले जाणारे-इतक्यापुरतेच मर्यादित होते. आपल्या शरीरातील विद्युत् ऊर्जेचे व्यापक स्वरूप उजेडात आणून ती हृदयविकार, मेंदूचे विकार यांच्या निदानासाठी उपयोगात आणणे, ही या शाखेतील अलीकडची महत्त्वाची कामगिरी होय. शिवाय शरीरातील स्नायूंची कार्यशक्ती, तंत्रिका (मज्जा) तंतूंची कार्यपद्धती, निरनिराळ्या कोशिकांच्या (पेशींच्या) पातळ भित्तींचे गुणधर्म, ग्रंथींचे गुणधर्म इ. प्रश्नांचे भौतिकीच्या तत्त्वांच्या आधारे विश्लेषण करण्याचे प्रयत्न सध्या चालू आहेत.

दुसऱ्या महायुद्धानंतरच्या काळात जीवभौतिकीला सध्याचे व्यापक स्वरूप प्राप्त झाले आणि त्यास ‘दैहिक भौतिकी’ शिवाय खालील विभागांचा समावेश झाला : (१) प्रारण जीवविज्ञान, (२) रेणवीय जीवविज्ञान, (३) सैद्धांतिक जीवभौतिकी आणि (४) उपकरण-योजना जीवभौतिकी.

प्रारण जीवविज्ञान : अणुभंजनातून प्रचंड शक्ती निर्माण होते व या शक्तीचा युद्धास्त्रे व व्यावहारिक गरजा या दोन्हीसाठी उपयोग करता येतो, हे सिद्ध झाल्यावर ठिकठिकाणी ‘अणुभट्ट्या’ उभारल्या जाऊ लागल्या. अशा अणुभट्ट्यांपासून किरणोत्सर्गी समस्थानिक (अणुक्रमांक तोच परंतु अणुभार भिन्न असलेला व कण वा किरण बाहेर टाकणारा त्याच मूलद्रव्याचा प्रकार) मुबलकपणे मिळण्याची प्रथमच सोय झाली. ज्या ठिकाणी हे समस्थानिक असतात त्या ठिकाणाची माहिती किरणोत्सर्गाने मिळू शकते. दुसरी गोष्ट अशी की हे, समस्थानिक वापरून बनविलेल्या संयुगांचे रासायनिक गुणधर्म तेच राहतात. यामुळे जीवनक्रियेतील गुंतागुंतीचे रासायनिक व्यवहार सुदृढ  वा रोगी शरीरात व कोशिकांतून सुद्धा कसे, केव्हा व कोठे घडतात, त्याची अत्यंत उपयुक्त माहिती मिळविण्यास किरणोत्सर्गी समस्थानिकांच्या उपलब्धतेमुळे पुष्कळच वाव मिळाला. तसेच वैद्यकीय क्षेत्रात गलगंडासारख्या रोगाचे निदान करण्यास व कर्करोगासारख्या रोगावर

उपचार म्हणूनसुद्धा ह्या समस्थानिकांचा वापर वाढू लागला व त्यामुळे ‘मार्गण जीवशास्त्र’ आणि ‘अणुवैद्यकी’ ही नवीन क्षेत्रे निर्माण झाली [→ अणुऊर्जेचे शांततामय उपयोग].

दुसरी गोष्ट किरणोत्सर्गी प्रारण (तरंगरूपी ऊर्जा) ज्या वेळी कोशिकांवर टाकले जाते, त्या वेळी त्या प्रारणांमधील ऊर्जा कोशिकेतील अनेक बिंदूंतून पसरते. तसेच ती कोणत्या बिंदूस पोहोचेल व कोणत्या बिंदूस पोहोचणार नाही, हे अचूक सांगता येत नाही. फक्त संभाव्यता सिद्धांताच्या नियमानेच ते ठरविता येते. जर आपण लहान व मोठ्या अनेक लक्ष्यांवर पूर्ण अंधारात गोळ्या झाडल्या, तर गोळी लागलेल्या लक्ष्यांची संख्या त्या लक्ष्यांच्या आकारमानाच्या प्रमाणात असलेली आढळेल. किरणोत्सर्गी प्रारण व कोशिका यांच्या बाबतीतही हीच गोष्ट लागू पडते. प्रारणांचा बंदुकीच्या गोळ्यांप्रमाणे वापर करून सूक्ष्मजीव, कोशिका, कोशिकांवर पोसले जाणारे विषाणू (व्हायरस) व इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकामधूनही न दिसणारे महारेणू अशा जीवशास्त्रातील अनेक महत्त्वाच्या अतिसूक्ष्म लक्ष्यांच्या आकारमानासंबंधी माहिती काढण्याचे कार्यसुद्धा किरणोत्सर्गी द्रव्यांच्या उपलब्धतेमुळे जोराने सुरू झाले.

तिसरी गोष्ट हे प्रारण काळजीपूर्वक वापरल्यास जरी अत्यंत उपयोगी असले, तरी प्राणिमात्रास वा वनस्पतीस त्याचा उपसर्ग पोहोचल्यास ते अपायकारक व प्रसंगी प्राणघातकही ठरते. त्यांचे दुष्परिणाम पुढील पिढ्यांनाही जाचक ठरतात. त्यातही विशेष म्हणजे हे प्रारण डोळ्यांना न दिसणारे आणि गंधहीन असते. त्यामुळे त्याच्यापासून असणाऱ्या धोक्याची पूर्वसूचना देण्यास आपली ज्ञानेंद्रिये मदत करू शकत नाहीत. यास्तव या प्रारणांपासून जीवनावर होणाऱ्या अपायकारक परिणामांची माहिती मिळविणे, ते तसे का घडतात ते समजून घेऊन त्याच्या आधारे प्रारणाच्या दुष्पपरिणामांवर उपाय शोधून काढणे व त्याचा संपर्क कसा टाळता येईल ते पाहणे, हे अत्यंत महत्त्वाचे व निकडीचे कार्य होऊन बसले आहे.

वरील तिन्ही कार्यांत अणुविज्ञान व जीवविज्ञान यांचे सहकार्य होत असल्यामुळे दुसऱ्या महायुद्धानंतरच्या काळात ‘प्रारण जीवविज्ञान’ हा जीवभौतिकीचा एक नवीन विभाग पुढे आला. सध्या या विभागात किरणोत्सर्गी प्रारणाव्यतिरिक्त इतर विद्युत् चुंबकीय प्रारण, उदा., प्रकाश किरण, जंबुपार किरण व अवरक्त किरण (वर्णपटातील जांभळ्या रंगापलीकडील आणि तांबड्या रंगाच्या अलीकडील अदृश्य किरण) वगैरेंचा सुद्धा वरील तऱ्हेने अभ्यास केला जात आहे [→ प्रारण जीवविज्ञान].

रेणवीय जीवविज्ञान : जीवभौतिकीचा हा दुसरा महत्त्वाचा विभाग प्रारण जीवविज्ञानाप्रमाणे अलीकडेच विकसित झाला. जीवविज्ञानातील आजपर्यंतच्या प्रगतीचा हा तिसरा टप्पा मानता येईल. या विज्ञानातील पहिला टप्पा म्हणजे विसाव्या शतकाच्या सुरुवातीपर्यंतचा काळ हा मुख्यत्वेकरून निरीक्षणात्मक व वर्णनात्मक अभ्यास अथवा कार्य करण्यात गेला, यामुळे कुठल्याही लहान किंवा मोठा प्राणी सूक्ष्म कोशिकांचा बनलेला असतो हे कळून आले. या कोशिकांच्या अंतर्भागातील मुख्य घटकांची ओळख होऊन माहिती पण मिळाली. त्यानंतर दुसरा टप्पा म्हणजे चार दशकांचा काळ होय. या काळात जीवरसायनशास्त्राची अतिशय प्रगती झाली. जिवंत प्राणी वा कोशिका यांमध्ये असणाऱ्या निरनिराळ्या घटकांचे रासायनिक स्वरूप ह्याच काळात चांगले समजून आले. जीवनक्रियेत घडणाऱ्या प्रमुख रासायनिक घडामोडींची माहिती पण याच काळात मिळाली यावरून असे कळून आले की, सजीवतेचे मर्म काय व कोठे आहे हे समजण्यास कोशिकेतील घटकांची फक्त रासायनिक पृथक्करण करून मिळणारी माहिती पुरेशी नाही, तर त्यासाठी कोशिकेत वावरणाऱ्या निरनिराळ्या महारेणूंचे अंतरंग, उदा., प्रथिने, ⇨न्यूक्लिइक अम्ले, त्यांची परस्परांवरील क्रिया, प्रतिक्रिया, त्यांच्या अंतर्रचनेतील संयुगांच्या कार्याच्या दृष्टीने महत्त्वाचा भाग वगैरे माहिती मिळविणे अत्यंत जरूरीचे आहे. या परिस्थितीमुळे जीवविज्ञानातील सध्या चालू असलेले तिसरे पर्व म्हणजे रेणवीय जीवविज्ञान सुरू झाले. यात प्राणी आणि कोशिका यांपेक्षाही त्यांतील निरनिराळ्या संयुगांकडे जास्त लक्ष दिले जात आहे. शिवाय वर जिचा निर्देश केला आहे ती माहिती मिळविण्यासाठी भौतिकीतील मूलभूत तत्त्वे, नियम, सिद्धांत व उपकरणे यांची आवश्यकता असल्यामुळे साहजिकच या तिसऱ्या पर्वाने भौतिकीच्या शास्त्रज्ञांना जीवविज्ञानात मोठ्या प्रमाणावर कार्य करण्यास उद्युक्त केले. जीवविज्ञानातील बिकट प्रश्न सोडविण्यास महारेणूंच्या अंतरंगांची माहिती किती अनमोल होऊ शकते त्याचे खालील उदाहरण देता येईल.

जीवविज्ञानातील अजून पुरेसा न समजलेला एक प्रश्न म्हणजे आनुवंशिकतेचा होय. काही गुण माणसात त्याच्या आईवडिलांकडून येतात. ज्यावेळी एका कोशिकेपासून दोन आणि दोनापासून चार याप्रमाणे कोशिकांची अलैंगिक वाढ होते, त्या वेळी त्या कोशिकांचे आनुवंशिक गुण सहसा बदलत नाहीत आणि पिढ्यान्‌पिढ्या तेच राहतात. प्रत्येक कोशिकेत गुणसूत्रनामक जो तंतुसमुच्चय दिसतो, त्यात आनुवंशिकतेचे कार्य केंद्रित असल्याचे शास्त्रज्ञांच्या पूर्वीच लक्षात आले होते. एकाच कोशिकेपासून तयार झालेल्या दोन्ही कोशिकांत हा  तंतुसमुच्चय एकाच छापाचा असतो.

जीवरसायनशास्त्राच्या आधारावर पुढे असे दिसून आले की, गुणसूत्राने रासायनिक घटक प्रथिने व डीऑक्सिरिबोन्यूक्लिइक अम्ल (डीएनए) हे आहेत व यात आनुवंशिकतेच्या दृष्टीने डीएनए हेच

अधिक महत्त्वाचे आहे. एका कोशिकेत तिच्या विभाजनापूर्वी एका गुणसूत्रापासून हुबेहूब तसेच दुसरे गुणसूत्र कसे बनू शकते, हे कोडे आहे. एका मूर्तीपासून तिचा साचा बनविणे किंवा साच्यापासून मूर्ती बनविणे सोपे आहे. परंतु  मूर्तीपासून तशीच मूर्ती वा साच्यापासून तसाच दुसरा साचा बनविणे मात्र कठीण आहे. अलीकडेच जीवभौतिकी क्षेत्रात कार्य करणाऱ्या शास्त्रज्ञांनी हा प्रश्न थोडाफार उलगडून दाखविला आहे. इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकाच्या साहाय्याने असे दिसून आले आहे की, डीएनए हा दोरीसारखा लांबच लांब दिसणारा महारेणू आहे. पुढे वॉटसन व क्रिक या शास्त्रज्ञांच्या जोडीने क्ष-किरण विवर्तन पद्धतीने (अपारदर्शक अडथळ्याच्या कडेवरून किरण त्याच्या छायेत वळणे या गुणधर्माचा उपयोग करणाऱ्या पद्धतीने) असे दाखवून दिले की, डीएनए हा महारेणू आकाराने सरळ तारेसारखा नसून एकमेकांस पीळ पाडून बनविलेल्या दोन दोरांच्या दोरखंडासारखा आहे. तसेच एकमेकांना चिकटलेले हे दोन दोर हुबेहूब एकसारखे नसून त्यांचे परस्परसंबंध मूर्ती व साचा ह्या स्वरूपाचे असतात. त्याचे कारण त्या प्रत्येक दोरीला लागून आतल्या बाजूस ओळीने क्षारक (अम्लाशी विक्रिया झाल्यास लवणे देणारी द्रव्ये, बेस) असतात. अशा क्षारकांत ॲडेनीन, सायटोसीन, ग्वानीन व थायमीन असे चार प्रकार आहेत. यांपैकी एका दोरावर ॲडेनीन असेल, तर पूरक म्हणून समोरच्या दोरावर फक्त थायामीन क्षारक येऊ शकतो. त्याचप्रमाणे सायटोसीन क्षारकासमोर फक्त ग्वानीन क्षारक येऊ शकतो.

अशा प्रकारे दोरीवरील क्षारकांचा क्रम दुसऱ्या दोरीवरील क्षारकांची मांडणी ठरवितो व ही मांडणी वरीलप्रमाणे एकमेकांस पूरक असते. त्यामुळे या दोन दोरांमधील पीळ सुटून ते एकमेकांपासून अलग झाले व त्यांनी आपल्याशी जुळणारे नवीन दोर जुळवून घेतले, तर हुबेहुब मूळच्या दोरखंडासारखे दोरखंड तयार होईल.

डीएनए या महारेणूंविषयी ही माहिती मिळाल्यापासून आनुवंशिकी या विषयाला एक नवीन दृष्टी मिळाली. ‘रेणवीय आनुवंशिकी’ हा रेणवीय जीवभौतिकीचा एक प्रगतिपर विभाग मानण्यात येतो.

एखाद्या महारेणूच्या अंतर्रचनेची संपूर्ण माहिती मिळविणे व कोशिका आपल्या आंतरिक व्यवहारात त्याचा कसा उपयोग करून घेते, हे समजून घेणे सोपे नाही. डीएनएसंबंधी आजवर मिळालेली माहिती सुद्धा बरीच अपुरी आहे. आनुवंशिक गुणांची किल्ली ज्यात दडलेली असल्याचा समज आहे, त्या क्षारकांचा अनुक्रम कसा ओळखावा, हे अजून कोणाला कळलेले नाही. फक्त चारपाच प्रथिने सोडल्यास इतर हजारो संयुगांची अंतर्रचना अजून उपलब्ध नाही. यावरून रेणवीय जीवविज्ञानाची ही प्राथमिक अवस्था होय हे स्पष्ट होईल  [→ रेणवीय जीवविज्ञान आनुवंशिकी न्यूक्लिइक अम्ले].

सैद्धांतिक जीवभौतिकी : सुरूवातीसच म्हटल्याप्रमाणे जीवभौतिकीचे मुख्य ध्येय सजीव सृष्टीतील निरनिराळ्या घडामोडी भौतिकीच्या भाषेत उघड करून दाखविणे हे असल्यामुळे साहजिकच या प्रयत्नांत भौतिकीत रूढ असलेल्या तत्त्वांवर तपासणी, मापणी, मोजणी करणे हा एक भाग व अशी आकडेवजा माहिती भौतिकीय प्रमेये, नियम, समस्या व सिद्धांत यांमध्ये कितपत बसते हे पाहणे हा दुसरा भाग होय. पहिल्या भागाला ‘प्रायोगिक जीवभौतिकी’ आणि दुसऱ्याला ‘सैद्धांतिक व गणितीय जीवभौतिकी’  असे म्हणता येईल.

उदाहरणार्थ पाहिलेल्या, वाचलेल्या व ऐकलेल्या गोष्टींची माहिती त्या त्या इंद्रियांनी तंत्रिकातंतूंच्या जाळ्याकडून मेंदूला पोहोचविणे, मेंदूने ती नोंदणे नंतर तिचे स्मरण करता येणे वगैरेंकरिता ⇨संगणक  शास्त्र व ⇨अवगम सिद्धांत, महारेणूची अंतर्रचना आणि त्यातील अणु व रेणूंचे गुणधर्म समजण्यास  ‘पुंज (क्वाँटम) सिद्धांत’ [→ पुंजयामिकी], अशा महारेणूंची एकमेकांशी व सभोवारच्या परिस्थितीशी होणारी क्रिया व प्रतिक्रिया समजण्यास ⇨ऊष्मागतिकी  आणि सांख्यिकीय यामिकी [→ सांख्यिकीय भौतिकी], रेणवीय आनुवंशिकी क्षेत्रात डीएनएतील क्षारकांच्या अनुक्रमद्वारा साठलेली माहिती मिळविण्यास ‘संकेतनशास्त्र’, अणुकिरणांचा वापर करून लक्ष्यांचा आकार व आकारमान ठरविण्याकरिता ‘लक्ष्यशास्त्र’ वापरण्याचे प्रयत्न सध्या सुरू आहेत. मात्र जीवभौतिकीच्या इतर शाखांच्या मानाने ही शाखा तितकीशी प्रगत झालेली नाही.

उपकरण-योजना जीवभौतिकी : जीवभौतिकीचा अलीकडे झपाट्याने विस्तार होण्याचे कारण ह्या क्षेत्रातील अनेक प्रश्नांची छाननी करण्यास योग्य अशी अनेक उपकरणे शास्त्रज्ञांच्या हाती मिळाली हे होय. आपल्या दृष्टीला प्रकाश तरंगांचा वापर करून दोन अंतरातील एक सहस्त्रांश मिलीलिटर (मायक्रॉन) पेक्षा

लहान फरक दिसू शकत नाही पण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शकाच्या साहाय्याने हीच विभेदनक्षमता मिलीमीटरच्या दशलक्षांशपर्यंत येऊन ठेपली. त्यामुळे सूक्ष्म जीवजंतूंचे अंतरंग जवजवळ हजारपटींनी अधिक स्पष्ट पाहणे शक्य झाले. विषाणूसारखे रोग निर्माण करणारे अतिसूक्ष्म कण व कित्येक महारेणूसुद्धा नजरेच्या टप्प्यात आले.

कलाभेद सूक्ष्मदर्शक व व्यतिकरण सूक्ष्मदर्शक [→ सूक्ष्मदर्शक] हाती आल्यापासून कोशिका जिवंत ठेवून त्यांवर प्रयोग करणे शक्य झाले. क्ष-किरण विवर्तन पद्धतीने कोशिकांतील महत्त्वाच्या महारेणूंची अंतर्रचना समजून घेण्याचे अवघड कार्यही सुरू करता आले. अशा कामात वर्णपट प्रकाशमापन [→ प्रकाशमापन], प्रकाश प्रकीर्णन (विखुरणे), प्रकाशीय अपस्करण (प्रकाशातील वेगवेगळ्या तरंगलांबीचे घटक होणे), एकस्तरी वर्तन, श्यानता (दाटपणा) वगैरेंचा उपयोग करून बनविलेली उपकरणे यांचेही साहाय्य मिळू लागले. अतिकेंद्रोत्सारण (अतिसूक्ष्म कण अलग करण्यासाठी केंद्रापासून दूर ढकलणारी प्रेरणा वापरणारी पद्धती), ⇨विद्युत् संचारण, ⇨वर्णलेखन  इ. पद्धतींनी रासायनिक दृष्ट्या फारसा फरक नसलेले महारेणूही अलग करण्यात यश मिळू लागले.

किरणोत्सर्गी मूलद्रव्यांमुळे किरणस्वयंचित्रण व समस्थानिक गणन शक्य झाले. मार्गण जीवविज्ञानाविषयी पूर्वी सांगितलेच आहे.

यावरून जीवभौतिकीची उपकरणे-योजना ही शाखा जीवभौतिकीच्या प्रगतीस उपयुक्त अशी आहे, असे दिसून येईल.

संदर्भ : 1. Ackerman, E. Biophysical Science, Englewood Cliffs, N.J., 1962.

2. Claus, W. D., Ed. Radiation Biology and Medicine, Reading, Mass., 1958.

3. Epstein, H. T. Elementary Biophysics : Selected topics, Reading, Mass., 1963.

4. Oncley, T. L. and others Eds. Biophysical Science : A Study Programme, New York, 1959.

5. Setlow, R. B. Pollard, E. C. Molecular Biophysics,  Reading, Mass., 1962.

कोरगावकर, का. शा.