2. सजीवांतील जीवनप्रक्रिया भाग-1

सजीव आणि जीवनप्रक्रिया (Living organism and life processes)

मानवी शरीरात अनेक प्रकारच्या संस्था अविरतपणेकार्य करत असतात. पचनसंस्था, श्वसनसंस्था, रक्ताभिसरण संस्था, उत्सर्जन संस्था, नियंत्रण संस्था यासोबतच शरीराचेअंतर्गत तसेच बाह्य अवयव आपलेकार्य स्वतंत्रपणेपरंतु सर्वांच्या समन्वयातून करत असतात. ही सर्वयंत्रणा प्रत्येक सजीवांमध्ये कमी-अधिक प्रमाणात समान पद्धतीनेकार्यरत असते. यासाठी यांना अखंडपणेऊर्जेच्या स्रोताची आवश्यकता असते. कर्बोदके, स्निग्ध पदार्थ आणि प्रथिने हेअन्नपदार्थ या ऊर्जेचेमुख्य स्रोत असून प्रत्येक पेशीमध्ये असलेल्या तंतुकणिकांच्या मदतीने ही ऊर्जा मिळविली जाते. ऊर्जानिर्मितीस फक्त अन्नघटकच लागतात असेनाही तर त्यासाठी ऑक्सिजनची पण आवश्यकता भासते. हेसर्व घटक परिवहन संस्थेद्वारेपेशींपर्यंत पोहोचतात. नियंत्रण संस्थेचेही सर्वप्रक्रियेवर नियंत्रण असतेच. म्हणजेच ऊर्जानिर्मितीसाठी प्रत्येक जीवनप्रक्रिया आपल्या परीने हातभार लावत असते. या सर्वप्रक्रियांच्या कार्यासाठीही ऊर्जेची गरज भासतेच. आपण आणि इतर प्राणी फळेआणि भाजीपाला सेवन करतो. वनस्पती स्वत:चेपोषण स्वत: करतात. यासाठी त्या अन्ननिर्मिती करतात. काही अन्न त्या स्वत: वापरतात तर उर्वरीत अन्न फळे, पाने, खोड ,मूळ यांमध्ये साठवून ठेवतात. या सर्ववनस्पतिजन्य पदार्थांचेआपण सेवन करतो आणि त्यांपासून विविध पोषकद्रव्ये म्हणजेच कर्बोदके, प्रथिने, स्निग्ध पदार्थ, जीवनसत्त्वे, खनिजे मिळवतो. यासाठी आपण कोणतेअन्नपदार्थ खातो?

दूध, फळे, गूळ, साखर, भाजीपाला, गहू, मका, नाचणी, ज्वारी, बाजरी, तांदूळ यांसारखी धान्ये, मध, बटाटे, रताळी, मिठाई, यांमधून आपल्याला कर्बोदके मिळतात. कर्बोदकांमधून आपल्याला 4 Kcal/gm एवढी उर्जा मिळते. ही ऊर्जा नेमकी कशी मिळवली जातेयाचा अभ्यास आपण करूया.

सजीव व ऊर्जानिर्मिती (Living organism and Energy production)

आपण जेअन्नपदार्थ खातो त्यातील प्रामुख्यानेकर्बोदकांचा उपयोग मुख्यत्वे दररोज आवश्यक असणारी ऊर्जा मिळवण्यासाठी केला जातो. ही ऊर्जा ATP च्या स्वरूपात मिळवली जाते. त्यासाठी पेशींमध्ये ग्लुकोज या कर्बोदकाचे टप्प्याटप्प्यानेऑक्सिडीकरण केलेजाते. यालाच ‘पेशीस्तरावरील श्वसन’ म्हणतात. सजीवांमध्ये पेशीस्तरावर होणारे श्वसनदोन प्रकारचेअसते. तेदोन प्रकार म्हणजेऑक्सिश्वसन(ऑक्सिजन भाग घेतो) आणि विनॉक्सीश्वसन(ऑक्सिजन भाग घेत नाही). ऑक्सिश्वसनामध्ये तीन टप्प्यांमध्ये ग्लुकोजचेऑक्सिडीकरण होते.

1. ग्लुकोज-विघटन (Glycolysis)

पेशीद्रव्यात घडणाऱ्या या प्रक्रियेमध्ये ग्लुकोजच्या एका रेणूचेटप्प्याटप्प्याने विघटन होऊन पायरुविक आम्ल, ATP, NADH 2 आणि पाणी यांचेप्रत्येकी दोन दोन रेणूतयार होतात. या प्रक्रियेत तयार झालेल्या पायरुविक आम्लाचेरेणूअसेटील-को-एन्झाईम-A या रेणूंमध्ये रूपांतरित केलेजातात. या प्रक्रियेवेळी कार्बन डायऑक्साइडचेदोन रेणूआणि NADH 2 चेदोन रेणूतयार होतात.

2. ट्रायकार्बोक्झीलीक आम्ल चक्र (Krebs cycle)

अॅसेटील-को-एन्झाईम-A चेरेणूतंतूकणिकेमध्ये जातात. तेथेत्यावर ‘ट्रायकार्बोक्झीलीक आम्ल चक्र’ (क्रेब्‍ज चक्र) ही चक्रीय अभिक्रिया राबवली जाते. या अभिक्रियेद्वारेअॅसेटील-को-एन्झाईम-A च्या रेणूतील अॅसेटीलचे पूर्णपणेऑक्सिडीकरण केलेजातेआणि त्याद्वारेCO 2 , H 2 O, NADH 2 , FADH 2 आणि ATP चेरेणू मिळतात.

3. इलेक्ट्रॉन वहन साखळी अभिक्रिया (ETC Reaction)

इलेक्ट्रॉन वहन साखळी अभिक्रियासुद्धा तंतुकणिकेमध्ये राबवली जाते. वरील सर्व प्रक्रियांच्या वेळी तयार झालेल्या NADH 2 च्या प्रत्येक रेणूपासून तीन आणि FADH 2 च्या प्रत्येक रेणूपासून
दोन ATP चेरेणू मिळतात. या प्रक्रियेमध्ये ATP च्या रेणूंव्यतिरिक्त पाण्याचेही रेणू तयार होतात.

अशा पद्धतीने ऑक्सिश्वसनामध्ये ग्लुकोजचेपूर्ण ऑक्सिडीकरण (विघटन) होते आणि ऊर्जेबरोबरच CO 2 आणि H2O चेरेणू तयार होतात.

ATP : अॅडीनोसीन ट्राय फॉस्फेट हा एक ऊर्जेनेसंपृक्त असा रेणूअसून त्यात फॉस्फेटचेतीन रेणूएकमेकांना ज्या बंधांनी जोडलेलेअसतात त्या बंधांमध्ये ऊर्जा साठवलेली असते. या रेणूंचा पेशींमध्ये आवश्यकतेनुसार साठा करून ठेवलेला असतो. रासायनिकदृष्ट्या ATP हा अॅडीनोसीन रायबोन्युक्लिओसाइडपासून तयार झालेला ट्रायफॉस्फेटचा रेणूअसून यात अॅडेनिन हा नत्रयुक्त रेणू, रायबोझ (C5 H 10 O 5 ) ही पेंटोज शर्करा व तीन फॉस्फेटचे रेणू असतात. ऊर्जेच्या आवश्यकतेनुसार ATP मधील फॉस्फेटच्या रेणूमधील बंध तोडून ऊर्जा मिळवली जाते म्हणून ATP ला ऊर्जेचेचलन (Currency) असेम्हटले जाते.

उपासमार, उपोषण यांसारख्या अपवादात्मक परिस्थितीमध्ये शरीरात जर कर्बोदकांचा साठा कमी असेल तर उर्जा मिळवण्यासाठी शरीरातील स्निग्ध पदार्थ आणि प्रथिनांचा वापर केला जातो. स्निग्ध पदार्थांबाबत त्यांचेरूपांतर मेदाम्लांमध्ये केलेजाते, तर प्रथिनांचेरूपांतर अमिनो आम्लांमध्ये केलेजाते. मेदाम्ले आणि अमिनो आम्ले अॅसेटील-को-एन्झाइम-A मध्ये रूपांतरित केली जातात आणि अॅसेटील-को-एन्झाइम-A च्या रेणूचे‘क्रेब चक्र’ अभिक्रियेद्वारेतंतुकणिकेमध्ये पूर्णतः ऑक्सिडीकरण केलेजाऊन ऊर्जा मिळवली जाते.

विनॉक्सीश्वसन करणाऱ्या सूक्ष्मजीवांची ऊर्जानिर्मिती : काही सजीव ऑक्सिजनच्या सान्निध्यात राहू शकत नाही. उदा. अनेक जीवाणू. अशा सजीवांना ऊर्जामिळवण्यासाठी विनॉक्सीश्वसनाचा अवलंब करावा लागतो.

विनॉक्सीश्वसनाचे ग्लुकोज-विघटन (ग्लायकोलायसीस) आणि किण्वन (फरमेंटेशन) हे दोन टप्पे असतात. यात ग्लुकोजचे अपूर्णविघटन होऊन कमी ऊर्जामिळते.

या प्रक्रियेत ग्लुकोज-विघटनातून तयार झालेले पायरुविक आम्ल काही विकरांच्या मदतीने इतर कार्बनी आम्लांमध्ये किंवा अल्कोहोल (C2 H 5 OH) मध्ये रूपांतरित केले जाते. यालाच किण्वन (Fermentation) म्हणतात.

वा अल्कोहोल (C2 H 5 OH) मध्ये रूपांतरित केले जाते. यालाच किण्वन (Fermentation) म्हणतात. काही उच्चस्तरीय वनस्पती, प्राणी आणि ऑक्सिजनच्या सान्निध्यात राहू शकणारे सूक्ष्मजीवसुद्धा त्यांच्या सभोवती ऑक्सिजन वायूची पातळी कमी झाल्यास ऑक्सिश्वसनाऐवजी विनॉक्सीश्वसनाचा अवलंब करतात.

उदा. बिजांकुरणाच्या वेळी जमीन पाण्याखाली बुडाली असल्यास बीजे विनॉक्सीश्वसन करतात.

तसेच आपण व्यायाम करताना आपल्या मांसपेशी (स्नायू) विनॉक्सीश्वसन करतात. त्यामुळे आपल्या शरीरात कमी ऊर्जा तयार होऊन लॅक्टिक आम्ल साठते आणि आपल्याला थकल्यासारखे वाटते.

विविध अन्नघटकांपासून मिळणारी ऊर्जा (Energy from different food components)

आपण गरजेपेक्षा जास्त खाल्लेे कर्बोदक पदार्थ शरीरात यकृत आणि स्नायूंमध्ये ग्लायकोजेनच्या स्वरूपात साठवले जाते. प्रथिने कशापासून मिळतात? ती कशापासून बनलेली असतात? अमिनो आम्लाचे अनेक रेणू एकमेकांना जोडून तयार झालेल्या महारेणूला ‘प्रथिन’ म्हणतात.

 प्राणिज पदार्थांपासून मिळणाऱ्या प्रथिनांना ‘फर्स्ट क्लास प्रथिने’ म्हणतात. प्रथिनांपासूनसुद्धा प्रती ग्रॅम 4 KCal एवढी ऊर्जामिळते. प्रथिनांचे पचन झाल्यानंतर अमिनो आम्ले तयार होतात. ही अमिनो आम्ले शरीरात शोषली जातात आणि रक्ताद्वारे प्रत्येक अवयव व पेशीपर्यंत पोहोचवली जातात. वेगवेगळे अवयव व पेशी त्या अमिनो आम्लांपासून त्यांना अथवा शरीराला आवश्यक असलेली प्रथिने तयार करतात. त्याची उदाहरणे पुढील आकृतीमध्येदिलेली आहेत.

पेशीविभाजन : एक आवश्यक जीवनप्रक्रिया (Cell division: an essential life process)

पेशीविभाजन हा पेशीच्या आणि सजीवांच्या अनेक गुणधर्मांपैकी एक अतिशय महत्त्वाचा गुणधर्म आहे. या गुणधर्मामुळेच एका सजीवापासून नवीन सजीव निर्माण होऊ शकतो, बहुपेशीय सजीवाच्या शरीराची वाढ होऊ शकते, शरीराची झालेली झीज भरून काढता येऊ शकते.

पेशिविभाजनाचे मुख्यत्वे दोन प्रकार आहेत. सूत्री विभाजन (Mitosis) आणि अर्धगुणसूत्री विभाजन (Meiosis). सूत्रीविभाजन शरीरातील कायिक पेशी आणि मूल पेशीमध्ये घडून येते, तर अर्धगुणसूत्री विभाजन जनन पेशी अवलंबतात. पेशिविभाजनाचा अभ्यास करण्यापूर्वी आपल्याला पेशीची रचना माहीत असणे गरजेचे आहे जी आपण यापूर्वीच अभ्यासली आहे. प्रत्येक केंद्रकी पेशीमध्ये एक केंद्रक असते. त्याव्यतिरीक्त इतर पेशी अंगकेही असतात. या माहितीच्या आधारे आता आपण दोन्ही प्रकारच्या पेशिविभाजनाचा अभ्यास करूया.

कोणत्याही प्रकारच्या पेशिविभाजनापूर्वी पेशी तिच्या केंद्रकामध्ये असलेल्या गुणसूत्रांची संख्या द्विगुणित (दुप्पट) करते. म्हणजेच, जर गुणसूत्रांची संख्या 2n असेल तर ती 4n केली जाते.

अ. पर्वावस्था (Prophase) : प्रकल विभाजनाच्या पूर्वावस्थेमध्ये मूलतः अत्यंत नाजूक धाग्यासारखे असलेल्या प्रत्येक गुणसूत्राचे वलीभवन(Folding / Condensation) होते. त्यामुळेतेआखूड व जाड होऊन त्यांच्या अर्धगुणसूत्र जोडीसहित (Sister chromatids) दृश्य व्हायला सुरुवात होते. तारा केंद्र (centriole) द्विगुणित होतेव प्रत्येक तारा केंद्रपेशीच्या विरुद्ध ध्रुवांना जाते. केंद्राकावरण (nuclear membrane) आणि केंद्रिका (nucleolus)नाहीसेव्हायला सुरुवात होते.

ब. मध्यावस्था (Metaphase) : मध्यावस्थेमध्ये केंद्राकावरण पूर्णपणे नाहीसे होते. सर्वगुणसूत्रांचेघनीकरण पूर्ण होऊन प्रत्येक गुणसूत्र त्याच्या अर्धगुणसूत्र जोडीसहित (Sister chromatids) स्पष्टपणे दिसतात. सर्वगुणसूत्रे पेशीच्या विषुववृत्तीय प्रतलाला (मध्य प्रतलाला) समांतर अवस्थेत संरचित (Arrange) होतात. दोन्ही तारा केंद्र आणि प्रत्येक गुणसूत्राचा गुणसूत्रबिंदू(Centromere) यादरम्यान विशिष्ट अशा लवचीक प्रथिनांचेधागे(Spindle fibres/तुर्कतंतू) तयार होतात.

क. पश्चावस्था (Anaphase) : पश्चावस्थेमध्ये त्या धाग्यांच्या मदतीनेगुणसूत्रबिंदूंचे विभाजन होऊन प्रत्येक गुणसूत्राची अर्धगुणसूत्र जोडी वेगळी होऊन विरुद्ध दिशेला ओढली जाते. वेगळ्या झालेल्या अर्धगुणसूत्रांना जन्यगुणसूत्रे (Daughter chromosomes) म्हणतात. यावेळी ही ओढली जाणारी गुणसूत्रे केळीच्या घडासारखी दिसतात. अशा तऱ्हेनेगुणसूत्रांचेदोन-दोन संच पेशीच्या दोन टोकांना पोहोचवलेजातात.

ड. अंत्यावस्था (Telophase): अंत्यावस्थेमध्ये पेशीच्या दोन्ही टोकांना पोहोचलेली गुणसूत्रे आता उलगडतात (Unfolding/ Decondensation). त्यामुळे ती पुन्हा नाजूक धाग्यासारखी पातळ होऊन दिसेनाशी होतात. दोन्ही टोकांना पोहोचलेल्या गुणसूत्रांच्या संचांभोवती केंद्रकावरण तयार होते. अशा तऱ्हेने आता एका पेशीमध्ये दोन जन्यकेंद्रके (Daughter nuclei) तयार होतात. जन्यकेंद्रकांमध्ये केंद्रिकासुद्धा दिसू लागतात. तुर्कतंतू पूर्णपणे नाहीसे होतात.

अशा तऱ्हेने प्रकालविभाजन (Karyokinesis) पूर्ण होते आणि नंतर परीकलविभाजन (Cytokinesis) सुरू होते. परीकलविभाजनाने पेशीद्रव्याचे विभाजन होऊन दोन नवीन पेशी तयार होतात ज्यांना जन्यपेशी (Daughter cells) म्हणतात. या प्रक्रियेत पेशीच्या विषुववृत्तीय प्रतलाला समांतर एक खाच तयार होऊन ती हळूहळू खोलवर जाते आणि दोन नव्या पेशी तयार होतात. वनस्पती पेशींमध्येमात्र खाच तयार न होता पेशीद्रव्याच्या बरोबर मध्यभागी एक पेशीपटल (Cell plate) तयार होऊन परीकलविभाजन होते.

सूत्री विभाजन शरीराच्या वाढीसाठी आवश्यक आहे. शरीराची झालेली झीज भरून काढण्यासाठी, जखमा बऱ्या करण्यासाठी, सर्व प्रकारच्या रक्तपेशी तयार करण्यासाठी, इत्यादी कारणांसाठी सूत्री विभाजन आवश्यक असते. अर्धसूत्री विभाजन (Meiosis)

अर्धसूत्री विभाजन दोन टप्प्यांमध्ये पूर्ण होते. ते दोन टप्पे म्हणजे अर्धसूत्री विभाजन भाग– I आणि भाग- II. भाग-I मध्ये सजातीय गुणासूत्रांमध्ये जनुकीय विचरण /जनुकीय पुनःसंयोग (Genetic recombination) होते आणि नंतर ती सजातीय गुणसूत्रे (अर्धगुणसूत्र जोडी नव्हे) दोन संचांमध्येविभागली जाऊन दोन एकगुणी पेशी तयार होतात.

अर्धसूत्री विभाजनाचा भाग-II हा सूत्री विभाजनासारखाच असतो. यात भाग-I मध्ये तयार झालेल्या दोन्ही एकगुणी पेशींतील पुन:संयोजित अर्धगुणसूत्र जोड्या वेगळ्या होऊन त्या पेशी विभाजित होतात व त्यांपासून चार एकगुणी पेशी तयार होतात. युग्मक आणि बीजाणूतयार करण्याची प्रक्रिया अर्धसूत्री विभाजनाने होते. यापेशीविभाजनाच्या पद्धतीमध्ये एका द्विगुणित (2n/diploid) पेशीपासून चार एकगुणित (n/haploid) पेशी तयार होतात. या पेशीविभाजनाच्या वेळी समजातीय (homologous) गुणसूत्रांमध्ये पारगती (crossing over) होऊन जनुकांचे पुनःसंयोग (recombination) होते. यामुळेतयार होणाऱ्या चारही जन्यपेशी / नवजात पेशी (daughter cells) जनुकीयदृष्ट्या जनक पेशीपेक्षा (parent cell) आणि एकमेकांपेक्षा वेगवेगळ्या असतात.