સમસ્થિતતા (homeostastis)

સમસ્થિતતા (homeostastis) : જૈવિક તંત્રનું બાહ્ય કે આંતરિક પર્યાવરણીય ફેરફારો સામે અવરોધ કરી સંતુલન-અવસ્થામાં રહેવાનું વલણ. સજીવના આંતરિક પર્યાવરણની ગતિશીલ અચળતાની જાળવણી કે સ્થાયી સ્થિતિને સમસ્થિતતા કહે છે. સમસ્થિતતા સજીવનો મૂળભૂત ગુણધર્મ છે. ઑક્સિજન, કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ, ક્ષારો અને હાઇડ્રોજન-આયનોની સાંદ્રતા; તાપમાનમાં ફેરફારો અને પ્રકાશની ગુણવત્તા અને તીવ્રતામાં ફેરફારો જેવા બાહ્ય પર્યાવરણમાં થતા ફેરફારો સજીવોને સીધી અસર કરે છે. રક્ષણાત્મક આવરણો (દા.ત., ત્વચા), પડોશી કોષોની સમીપતા (proximity) અને કોષદ્રવ(sap.)-સ્વરૂપે રહેલા અંત:પર્યાવરણના વિકાસ દ્વારા, શરીરનાં પ્રવાહી કે રુધિર દ્વારા (જેમાં પર્યાવરણની અચળતા નોંધપાત્ર રીતે જળવાયેલી હોય છે.) બહુકોષીય સજીવોના કોષો બાહ્ય પર્યાવરણથી વિવિધ માત્રાએ રક્ષાયેલા હોય છે. ઉષ્ણ રુધિરવાળાં પ્રાણીઓમાં કોષોના અંત:પર્યાવરણનું નિયંત્રણ ચરમ સીમાએ પહોંચેલું હોય છે. આ પ્રાણીઓમાં ઉપર્યુક્ત પરિબળોનું અત્યંત સાંકડી માત્રાએ નિયમન થતું હોય છે.

ઘણા સજીવો એવી નિયામકી ક્રિયાવિધિઓ ધરાવે છે, જે તેમના આંતરિક કાર્યોનું સંકલન કરે છે; જેમ કે, કોષમાં પોષક તત્ત્વોનો પુરવઠો, શરીરમાં વિવિધ પદાર્થોનું વહન, અન્ય સજીવો તેમની આસપાસના પર્યાવરણનાં તાપમાન, લવણતા અને અન્ય ભૌતિક પરિબળો સ્વીકારી પર્યાવરણ સાથે અનુકૂલન સાધે છે. બહુકોષીય સજીવોના કોષો તેમની ફરતે આવેલા બાહ્યકોષીય પ્રવાહીનું નિયમન કરવાની ક્ષમતા ધરાવે છે. કોષો તેમના નિકટતમ રહેલા પર્યાવરણમાં વૃદ્ધિકારકો અને અંત:સ્રાવો જેવા સંકેતોનો પ્રત્યુત્તર દર્શાવે છે, અને તેમ કરીને તેઓ સમગ્ર શરીરના નિયમનમાં ભાગ લે છે.

સમસ્થિતતાની જાળવણીમાં જનીનો, ઉત્સેચકો, અંત:સ્રાવો, ખનીજ-આયનો, વિટામિનો અને પોષકતત્ત્વો તેમજ ઑક્સિજનનું પ્રમાણ અગત્યનો ભાગ ભજવે છે. પર્યાવરણમાં થતા અનિચ્છનીય ફેરફારો, ઑક્સિજન અને કાર્બન ડાયૉક્સાઇડના પ્રમાણમાં થતી વધઘટ, ખોરાકની અછત, પાણીની અછત અને તાપમાનમાં થતા ફેરફારો જેવાં કેટલાંક બાહ્ય પરિબળોને કારણે સજીવની સમસ્થિતતા જોખમાય છે. સજીવમાં સંચિત ઉત્સર્ગદ્રવ્યોનું પ્રમાણ, ઉંમર અને રોગગ્રસ્ત સ્થિતિ જેવાં આંતરિક પરિબળો પણ સમસ્થિતતા પર અસર કરે છે. સમસ્થિતતા સજીવના સારા સ્વાસ્થ્યની નિશાની છે.

ભારે ધાતુ-તાણ (heavy metal stress) અને સમસ્થિતતા : તાંબું, જસત, કોબાલ્ટ, નિકલ જેવી ભારે ધાતુઓ વનસ્પતિઓનાં જીવનચક્રો પૂર્ણ કરવા માટે અત્યંત અલ્પ પ્રમાણમાં આવશ્યક સૂક્ષ્મપોષકો (micronutrients) છે; પરંતુ જ્યારે મૃદામાં તેમનું પ્રમાણ વધે ત્યારે તેઓ અતિશય વિષાળુ સાબિત થઈ શકે છે. છેલ્લાં 100 વર્ષમાં અમર્યાદિત ખનન, યંત્ર-ઉત્પાદન અને મ્યુનિસિપલ કચરાના નિકાલને કારણે જીવાવરણ(biosphere)માં ભારે તત્ત્વો પુષ્કળ પ્રમાણમાં ઉમેરાઈ રહ્યાં છે. આવી ધાતુઓ દીર્ઘકાળ સુધી મૂળસ્થિતિમાં રહી કૃષિ અને માનવસ્વાસ્થ્ય માટે ભય પેદા કરી રહી છે. ખાસ કરીને મર્ક્યુરી (પારો), સીસું, કૅડમિયમ, સિલ્વર અને ક્રોમિયમ અત્યંત વિષાળુ બિનપોષક ધાતુઓ છે. પર્યાવરણમાં પ્રતિવર્ષ ભારે તત્ત્વોની ઉમેરાતી વિષાળુતા બધા કાર્બનિક અને વિકિરણ કચરાની સંયુક્ત વિષાળુતા કરતાં વધારે હોય છે.

આ સંદર્ભમાં વનસ્પતિ-દેહધર્મ-વિજ્ઞાનીઓએ ભારે ધાતુ-સમસ્થિતતા (heavy metal homeostasis) અને વનસ્પતિઓમાં વિષાળુતા વિશે સમજવા પ્રયાસો આદર્યા છે. આ સંશોધનોનું મુખ્ય ધ્યેય ભારે ધાતુ-સહિષ્ણુ (heavy metal-tolerant) જાતિઓનો વિકાસ કરવાનું છે, જે ધાતુ-પ્રદૂષિત (metal-polluted) મૃદામાં ઊગી શકે અને જે મૃદામાંથી ધાતુઓનું ખનન કરી શકે, જેથી મૃદાનો કૃષિ માટે પુનરુદ્ધાર થઈ શકે. આ પદ્ધતિને વનસ્પતિ-પ્રત્યુપચાર (phytoremediation) કહે છે.

ભારે ધાતુઓની વિષાળુતા તેઓની પેશીઓને ઑક્સિડેટિવ નુકસાન પહોંચાડવાની ક્ષમતાને આભારી છે. આ નુકસાનમાં લિપિડ પૅરૉક્સિડેશન, DNAનું નુકસાન અને પ્રોટીનના સલ્ફાહાઇડ્રલ સમૂહોનું ઑક્સિડેશન છે. ભારે ધાતુઓની અતિવિષાળુતા છતાં પ્રાકૃતિક પસંદગી દ્વારા ધાતુ-સભર મૃદા માટે અનુકૂળ થવાની ક્ષમતા વનસ્પતિઓમાં હોય છે. ધાતુ-અનુકૂલિત (metal-adapted) જાતિઓનો નિકલ, ક્રોમિયમ, મૅંગેનીઝ, મૅગ્નેશિયમ અને કોબાલ્ટસભર સર્પિલ (serpentine) મૃદામાં; યુરેનિયમસભર મૃદામાં અને જસત અને કેડમિયમસભર કૅલેમાઇન (calamine) મૃદામાં અને ક્રોમિયમ તથા કોબાલ્ટસભર મૃદામાં અભ્યાસ થયો છે. ધાતુ-સહિષ્ણુ વનસ્પતિઓ તેમની રસધાનીઓમાં ધાતુઓનો ઊંચી સાંદ્રતાએ સંચય કરે છે. તેમને અતિસંચાયકો (hyper accumulators) કહે છે.

સર્પિલ મૃદા નિવાસી Thlaspi goesingense 9.5 મિગ્રા./ગ્રા. અથવા શુષ્ક વજનના 1 % જેટલું નિકલ સંગ્રહી શકે છે. Sebertia accuminata (ન્યૂ કૅલેડોનિયાની વૃક્ષ-જાતિ) તેના શુષ્ક વજનના 20 % જેટલા નિકલનો સંચય કરે છે. અતિસંચાયકોનો તેમની વનસ્પતિ-પ્રત્યુપચાર માટે રહેલી ક્ષમતા બાબતે સંશોધનો થઈ રહ્યાં છે.

ભારે ધાતુઓના આયનોની વિષાળુતા વનસ્પતિકોષ બે રીતે દૂર કરે છે : (1) કાર્બનિક સંયોજન સાથે આ આયનો સંકુલ રચે છે અને (2) રસધાનીમાં તેની ફરતે કક્ષ રચે છે. સાઇટ્રેટ અને મેલેટ અનુક્રમે કૅડમિયમ અને જસત સાથે સંકુલ રચે છે. ઍમિનોઍસિડ પણ ધાતુઓના આયનો સાથે સંકુલ રચી શકે છે. Alyssam lesbiacum નિકલ-અતિસંચાયક વનસ્પતિ છે, જેમાં નિકલ હિસ્ટિડિન સાથે સંકુલ રચે છે. નિકલના અતિસંચયન (hyper accumulation) માટે હિસ્ટિડિન-સંશ્લેષણ મહત્ત્વની ક્રિયાવિધિ છે.

ફાઇટોકિલેટિનો ધાતુ સાથે બંધન પામતી પૉલિપૅપ્ટાઇડનો સમૂહ છે. તેમનું સામાન્ય સૂત્ર [Glu(CYS)]n  Gry છે, જ્યાં n 2થી 11ની સંખ્યા છે. તેમનું સંશ્લેષણ ગ્લુટાથિયોન નામની ટ્રાઇપૅપ્ટાઇડમાંથી થાય છે. વનસ્પતિઓમાં ફાઇટોકિલેટિન સિન્થેઝ નામનો ઉત્સેચક બંધારણીય રીતે અભિવ્યક્ત થાય છે અને ધાતુઓના આયનો દ્વારા અત્યંત સક્રિય બને છે. ભારે ધાતુઓની વધુ પડતી સાંદ્રતાએ વનસ્પતિઓ ફાઇટોકિલેટિનનો રસધાનીમાં સંચય કરે છે. તેઓ ધાત્વીય તાણનાં દર્શક (indicator) ગણાય છે. Mg-ATPની કાર્યશક્તિની મદદથી કાર્બનિક-દ્રાવ્યવાહકો (organic solute transporters) દ્વારા ફાઇટોકિલેટિન ધાતુ સંકુલોનું રસધાની તરફ વહન થાય છે. આ વાહકો ગ્લુટાથિયોન સાથે યુગ્મિત દ્રાવ્ય પદાર્થો ઍન્થોસાયનિન અને અપતૃણનાશકોને પણ પારખે છે અને તેમનું વહન કરે છે.

વનસ્પતિઓમાં મેટલોથિયૉનેઇનનું સંકેતન કરતા જનીનો હોય છે. આ મેટલોથિયૉનેઇન ધાતુ સાથે બંધન પામતું નાનું પ્રોટીન છે અને પ્રાણીઓમાં પહેલાં ઓળખાયું છે. Arabidopsisમાં MT1, MT2 અને MT3 નામનાં મેટલોથિયૉનેઇનનાં ત્રણ જનીનો ઓળખાયાં છે. MT2 જનીન બીજાંકુરમાં તાંબાની સહિષ્ણુતા સાથે સંકળાયેલું છે. આમ, મેટલોથિયોનેઇન ધાતુઓને કારણે થતા ઑક્સિડેટિવ નુકસાન સામે રક્ષણ આપતાં હોવાનું મનાય છે; છતાં ધાતુસહિષ્ણુતામાં તેમનો ચોક્કસ ફાળો અને સમસ્થિતતા વિશે જાણવાનું બાકી રહે છે.

નિવસનતંત્ર અને સમસ્થિતતા : સજીવો અને તેમની વસ્તીઓની જેમ નિવસનતંત્ર (ecosystem) સ્વ-જાળવણી (self-maintenance) અને સ્વ-નિયમન(self-regulation)ની ક્ષમતા ધરાવે છે. આમ, નિયંત્રણ-વિજ્ઞાન(cybernetics)ની પરિસ્થિતિ-વિજ્ઞાનમાં મહત્ત્વની ભૂમિકા છે; કારણ કે મનુષ્ય નૈસર્ગિક નિયંત્રણોના વિધ્વંસનું વલણ ધરાવે છે અથવા તે નૈસર્ગિક ક્રિયાવિધિઓ માટે અવેજીમાં કૃત્રિમ ક્રિયાવિધિઓ દાખલ કરવા પ્રયત્ન કરે છે.

નિયંત્રણ-વિજ્ઞાનના અત્યંત પ્રાથમિક સિદ્ધાંતોનું મૉડેલ આકૃતિ (અ)માં રજૂ કરવામાં આવ્યું છે. કોઈ પણ સૌથી સાદી નિયંત્રણ-પ્રણાલી બે કાળી પેટીઓ (કાળી પેટી એવો એકમ છે, જેના કાર્યનું આંતરિક દ્રવ્યનું નિર્ધારણ કર્યા સિવાય મૂલ્યાંકન થઈ શકે.) અને એક નિયંત્રિત પરિમાણ (controlled quantity) ધરાવે છે, જે બહિર્વેશ (output) અને નિવેશ (input) પરિપથો અથવા સંકેતો દ્વારા આંતરસંબંધિત હોય છે. ઘરગથ્થુ ઉષ્મા-નિયંત્રણ-પ્રણાલીમાં ઉષ્માસ્થાયી (thermostat) સંવેદક (sensor) કે ત્રુટિશોધક (error detector) છે; ભઠ્ઠીપ્રભાવક (effector) છે અને ઓરડાનું તાપમાન નિયંત્રિત પરિમાણ છે. નિયંત્રણનો આધાર પુનર્ભરણ (feed back) પર રહેલો છે. જો આ પુનર્ભરણ-નિવેશ ધનાત્મક હોય તો પરિમાણમાં વૃદ્ધિ થાય છે. ધનાત્મક પુનર્ભરણ સજીવોની વૃદ્ધિ અને વિકાસ માટે આવશ્યક ગણાય છે. જોકે નિયંત્રણ સિદ્ધ કરવા માટે; દા.ત., વસ્તીની અનિયંત્રિત વૃદ્ધિ અટકાવવા ઋણાત્મક પુનર્ભરણ હોવું આવશ્યક છે. યાંત્રિક પુનર્ભરણની ક્રિયાવિધિઓને સર્વો યાંત્રિકવિધિ (servo mechanisms) કહે છે. જીવવિજ્ઞાનીઓ જીવંત પ્રણાલી માટેની પુનર્ભરણની ક્રિયાવિધિને સમસ્થૈતિક ક્રિયાવિધિ (homeostatic mechanisms) કહે છે. ધનાત્મક અને ઋણાત્મક પુનર્ભરણની આંતરક્રિયા અને સમસ્થૈતિક નિયંત્રણની માત્રાઓ આકૃતિ (આ)માં દર્શાવવામાં આવી છે. અમર્યાદિત પુનર્ભરણ મૃત્યુ તરફ દોરી જાય છે.

સજીવમાં કક્ષાઓની કે સોપાનોની એક શ્રેણીબદ્ધ પ્રક્રિયાને લીધે સમસ્થૈતિક ફલક (homeostatic plateau) તૈયાર થાય છે. તણાવ વધતાં પ્રણાલી નિયંત્રિત હોવા છતાં પહેલાંની કક્ષા પ્રાપ્ત ન પણ કરી શકે. મનુષ્યના ‘ઔદ્યોગિક જ્વાલામુખી’ દ્વારા વાતાવરણમાં CO₂ ઉમેરાઈ રહ્યો છે, જે દરિયાઈ કાર્બોનેટ-પ્રણાલી દ્વારા પૂરતો શોષાતો નથી; તેથી તેનો નિવેશ થોડોક ઊંચો છે. આ કિસ્સામાં નાનકડા ફેરફારની પણ પ્રણાલી પર દૂરગામી અસરો હોઈ શકે. ખરેખર તો સારું સમસ્થૈતિક નિયંત્રણ ઉત્ક્રાંતીય સમાયોજન(evolutionary adjustment)ના નિશ્ચિત સમયગાળા બાદ પ્રાપ્ત થાય છે. નવાં નિવસનતંત્રો (કૃષિના નવા પ્રકાર તરીકે) અથવા નવાં પોષિતા-પરોપજીવી સંકુલો વધારે પ્રમાણમાં ફેરફાર પામવાનું વલણ અને પરિપક્વ નિવસનતંત્રની તુલનામાં બહારની ખલેલોનો અવરોધ કરવાની ઓછી ક્ષમતા ધરાવે છે, કારણ કે પરિપક્વ નિવસનતંત્રમાં આવેલા ઘટકો પારસ્પરિક સમાયોજન કરવાની તક ધરાવે છે.

મનુષ્યની ઘણી મોટા પાયા પરની પ્રવૃત્તિઓ જેવી કે, ઔદ્યોગિક, કૃષિવિદ્યાકીય, પરિવહન વગેરે સ્થાયી નિવસનતંત્રના જૈવિક અને અજૈવિક ઘટકોના કુદરતી સંતુલનમાં ફેરફારો કરે છે. આ પ્રવૃત્તિઓ જલભૂરાસાયણિક ચક્રો(hydro geochemical cycles)ને પ્રવેગિત કરે છે. નિવેશ-બહિર્વેશના સંતુલનને ખલેલ પહોંચાડે છે; હાઇડ્રોકાર્બન, ધાતુઓ, વાયુઓ જેવા વિષાળુ પદાર્થોનું એકત્રીકરણ કરે છે; કેટલાક આવશ્યક પદાર્થોનું અતિશય ઉત્પાદન કરે છે અથવા તેમાં ખૂબ ઘટાડો કરે છે અને સુપોષણ(eutrophication)ની ઘટના થાય છે. આ બધાંને કારણે નિવસનતંત્રનું સરલીકરણ (simplification) થાય છે; જેથી આહારજાળો ટૂંકી બને છે; જૈવ વિવિધતાઓ(biodiversities)માં ઘટાડો થાય છે. પ્રાકૃતિક પસંદગી અને કાર્બનિક ઉત્ક્રાંતિનાં બળો પ્રતિક્રિયા (counteraction) દર્શાવે છે.

નિવસનતંત્રની સમસ્થિતતા અને સ્થિરીકરણ(stabilization)માં ભાગ ભજવતાં નૉય-મેઈરે દર્શાવેલાં લક્ષણો આ પ્રમાણે છે : (1) આત્યંતિક અને કઠોર પરિસ્થિતિ માટેની સહિષ્ણુતા, (2) અનુકૂળ વૃદ્ધિ-પરિસ્થિતિઓ પાછી ફરતાં ઝડપી પુન:પ્રાપ્તિ(recovery)ની ક્ષમતા, (3) ખોરાક માટે ઉપયોગક્ષમતાવાળો અને તકસભર નિવાસ, (4) પ્રાણીઓનું ચલવાસી (nomadic) સ્થાનાંતર. નિવસનતંત્રના અસ્થિરીકરણ(destabilization)માં ભાગ ભજવતાં પરિબળો આ પ્રમાણે છે : (1) આરક્ષિત(reserve)ને થતા નુકસાન માટેની સંવેદનશીલતા, (2) પશ્ચગામી (logging) ઘટકો માટેની સંવેદનશીલતા, (3) ઘનતા, જૈવભાર અને ઉત્પાદકતામાં ઘટાડો અને (4) ભૂક્ષરણ માટેની સંવેદનશીલતા.

જૈમિન વિ. જોશી

બળદેવભાઈ પટેલ