క్రయోబయాలజీ
క్రయోబయాలజీ (Cryobiology) అనేది జీవశాస్త్రం (Biology) లో ఒక ముఖ్యమైన భాగం. అతి తక్కువ ఉష్ణోగ్రతలు (Temperatures) జీవుల మీద ఎలాంటి ప్రభావం చూపుతాయనే విషయాన్ని ఈ శాస్త్రం వివరిస్తుంది. ఈ జీవులు భూమి మీద ఉండే అత్యంత శీతల ప్రాంతాలైన క్రయోస్పియర్ (Cryosphere) లో ఉండవచ్చు లేదా ప్రయోగశాలలలో కృత్రిమంగా సృష్టించిన శీతల వాతావరణంలో ఉండవచ్చు. 'క్రయోబయాలజీ' అనే పదం మూడు గ్రీకు పదాల నుండి వచ్చింది: 'క్రయోస్' (kryos) అంటే "చలి" లేదా "మంచు", 'బయోస్' (bios) అంటే "జీవం", 'లోగోస్' (logos) అంటే "అధ్యయనం" లేదా "జ్ఞానం".
సాధారణంగా చెప్పాలంటే, జీవులు ఉండవలసిన సాధారణ ఉష్ణోగ్రత కంటే తక్కువ స్థాయి వద్ద జీవక్రియలు ఎలా జరుగుతాయో క్రయోబయాలజీ పరిశోధిస్తుంది. ఈ రంగంలో పనిచేసే శాస్త్రవేత్తలు ప్రోటీన్లు (Proteins), కణాలు (Cells), కణజాలాలు (Tissues), అవయవాల (Organs) పై చలి ప్రభావాన్ని గమనిస్తారు. వీరు కేవలం చిన్న కణాలనే కాకుండా, మొత్తం మొక్కలను, జంతువులను కూడా అధ్యయనం చేస్తారు. ఈ ఉష్ణోగ్రతలు తక్కువ చలి (Hypothermia) నుండి అత్యంత శీతలమైన స్థాయిల (Cryogenic temperatures) వరకు ఉంటాయి.
ప్రధాన పని విభాగాలు (Main areas of work)[edit | edit source]
క్రయోబయాలజీలో పరిశోధనలు చేసే శాస్త్రవేత్తలు ముఖ్యంగా ఆరు విభాగాలపై దృష్టి పెడతారు. చలి వల్ల జీవనానికి కలిగే ఇబ్బందులను అర్థం చేసుకోవడానికి, ఆ చలిని మానవాళికి ఎలా ఉపయోగించుకోవచ్చో తెలుసుకోవడానికి ఇవి సహాయపడతాయి.
చలికి అలవాటు పడటం (Cold adaptation): సూక్ష్మజీవులు (microorganism), మొక్కలు, జంతువులు మంచు ప్రాంతాలలో ఎలా జీవిస్తాయో ఇందులో చదువుతారు. మొక్కలు చలిని తట్టుకోవడాన్ని 'కోల్డ్ హార్డినెస్' (cold hardiness) అంటారు. జంతువుల విషయానికి వస్తే ఇది 'శీతాకాల నిద్ర' (hibernation) వంటి అంశాలను కలిగి ఉంటుంది.
క్రయోప్రిజర్వేషన్ (Cryopreservation): ఇది కణాలు, కణజాలాలు, పిండాలను (embryo) చాలా కాలం పాటు భద్రపరిచే పద్ధతి. వీటిని నీరు గడ్డకట్టే ఉష్ణోగ్రత కంటే చాలా తక్కువకు తీసుకెళ్తారు. కణాలు దెబ్బతినకుండా ఉండటానికి శాస్త్రవేత్తలు 'క్రయోప్రొటెక్టెంట్స్' (cryoprotectant) అనే ప్రత్యేక రసాయనాలను కలుపుతారు. ఇవి కణాల లోపల మంచు స్పటికాలు ఏర్పడి కణాన్ని నాశనం చేయకుండా కాపాడతాయి.
అవయవాల నిల్వ (Organ storage): వైద్య రంగంలో ఇది చాలా కీలకం. గుండె లేదా కిడ్నీ వంటి అవయవాలను వేరొకరికి అమర్చడానికి (Transplantation) ముందు వాటిని సురక్షితంగా ఉంచడానికి చల్లని వాతావరణం అవసరం.
ఫ్రీజ్-డ్రైయింగ్ (Freeze-drying): దీనిని 'లయోఫిలైజేషన్' అని కూడా పిలుస్తారు. మందులను గడ్డకట్టించి, వాటిలోని నీటిని తొలగించడం ద్వారా అవి ఎక్కువ కాలం పాడవకుండా ఉండేలా చేస్తారు.
క్రయోసర్జరీ (Cryosurgery): ఇది ఒక రకమైన శస్త్రచికిత్స. శరీరంలో ఉన్న క్యాన్సర్ కణాల వంటి హానికరమైన కణజాలాలను నాశనం చేయడానికి డాక్టర్లు అత్యంత చల్లని వాయువులను ఉపయోగిస్తారు.
భౌతికశాస్త్రం మరియు ఇంజనీరింగ్ (Physics and Engineering): మంచు (ice) ఎలా ఏర్పడుతుంది, జీవ వ్యవస్థలలో ఉష్ణము ఎలా ప్రవహిస్తుంది అనే విషయాలను ఇది వివరిస్తుంది. శాస్త్రవేత్తలు కొత్త రకమైన శీతలీకరణ యంత్రాలను తయారు చేయడానికి ఈ జ్ఞానం తోడ్పడుతుంది.
కొంతమంది క్రయోబయాలజీలో క్రయోనిక్స్ (Cryonics) గురించి కూడా మాట్లాడుతుంటారు. చనిపోయిన మనుషులను భవిష్యత్తులో వచ్చే టెక్నాలజీతో మళ్ళీ బతికించవచ్చనే ఆశతో వారి శరీరాలను గడ్డకట్టించడాన్ని క్రయోనిక్స్ అంటారు. అయితే, ప్రస్తుతానికి ఇందుకు కావాల్సిన సాంకేతికత అందుబాటులో లేనందున, చాలామంది శాస్త్రవేత్తలు దీనిని క్రయోబయాలజీలో భాగంగా గుర్తించరు.
ప్రకృతిలో చలి నుండి రక్షణ (Cold preservation in nature)[edit | edit source]
ప్రకృతిలో చాలా జీవులు చలి కాలాన్ని తట్టుకుని జీవించగలవు. అనేక మొక్కలు, జంతువులు తమ శరీరంలోనే సొంతంగా 'క్రయోప్రొటెక్టెంట్స్' రసాయనాలను తయారు చేసుకుంటాయి. వీటిలో ప్రత్యేకమైన ప్రోటీన్లు (Antifreeze protein), చక్కెరలు, గ్లూకోజ్ వంటివి ఉంటాయి. ఇవి శరీరంలో పదునైన మంచు ముక్కలు ఏర్పడకుండా ఆపుతాయి. ఒకవేళ ఇవి లేకపోతే, మంచు కణాలకు రంధ్రాలు చేసి జీవిని చంపేస్తుంది. సాధారణంగా చాలా మొక్కలు −4 °C నుండి −12 °C ఉష్ణోగ్రత వరకు తట్టుకోగలవు.
సూక్ష్మ జీవులు[edit | edit source]
కొన్ని బ్యాక్టీరియాలు (bacteria) చలిలో జీవించడంలో అద్భుతమైన శక్తిని కలిగి ఉంటాయి. శాస్త్రవేత్తలు లోతైన మంచు లోపల వేల సంవత్సరాల పాటు జీవించి ఉన్న మూడు రకాల బ్యాక్టీరియాలను కనుగొన్నారు. అవి: Carnobacterium pleistocenium, Chryseobacterium greenlandensis, మరియు Herminiimonas glaciei.
మరికొన్ని బ్యాక్టీరియాలు తమ ఆహారం కోసం చలిని వాడుకుంటాయి. 'సూడోమోనాస్ సిరింజే' (Pseudomonas syringae) అనే బ్యాక్టీరియా ఒక ప్రత్యేక ప్రోటీన్ ద్వారా మొక్కలపై −2 °C వద్దే మంచు ఏర్పడేలా చేస్తుంది. ఆ మంచు వల్ల మొక్క చర్మం పగిలిపోతుంది, అప్పుడు బ్యాక్టీరియా మొక్క లోపల ఉన్న పోషకాలను తింటుంది.[1][2] అదేవిధంగా, 'లిస్టీరియా' (Listeria) అనే బ్యాక్టీరియా అత్యంత చల్లని ఆహార పదార్థాలలో, అంటే -1.5 °C వద్ద కూడా నెమ్మదిగా పెరుగుతుంది.[3]
మొక్కలు[edit | edit source]
చాలా మొక్కలు శీతాకాలం రాగానే 'హార్డెనింగ్' (hardening) అనే మార్పుకు గురవుతాయి. ఇది అవి చలి నెలలను తట్టుకోవడానికి సహాయపడుతుంది. మొక్కల క్రయోబయాలజీ అనేది మొక్కలు తమ కణాలను చలికి అనుగుణంగా ఎలా మార్చుకుంటాయో అధ్యయనం చేస్తుంది. శాస్త్రవేత్తలు అంతరించిపోతున్న మొక్కల విత్తనాలను, భాగాలను ద్రవ నైట్రోజన్ (Liquid nitrogen) లో భద్రపరుస్తారు. దీనివల్ల ప్రమాదంలో ఉన్న మొక్కలను కాపాడవచ్చు. ఇది రైతులు చల్లని ప్రాంతాలలో మంచి పంటలు పండించడానికి కూడా సహాయపడుతుంది.[4][5]
జంతువులు[edit | edit source]
వెన్నెముక లేని జంతువులు[edit | edit source]
చిన్న జంతువులైన అకశేరుకాలు (invertebrates) చలిని తట్టుకోవడంలో చాలా నేర్పరులు:
పురుగులు: కొన్ని రకాల నెమటోడ్లు (nematodes) 0 °C కంటే తక్కువ వద్ద జీవించగలవు. ఒక రకమైన పురుగు -196 °C వద్ద 44 వారాల పాటు జీవించి ఉండగలదు.
కీటకాలు: రెడ్ ఫ్లాట్ బార్క్ బీటిల్ (Cucujus clavipes) అనే కీటకం -150 °C చలిని కూడా తట్టుకోగలదు.[6]
టార్డిగ్రేడ్స్: ఈ బుజ్జి జీవులు -273 °C వద్ద అంటే విశ్వంలో అత్యంత తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద కూడా కొద్దిసేపు ప్రాణంతో ఉండగలవు.
వెన్నెముక ఉన్న జంతువులు[edit | edit source]
వుడ్ ఫ్రాగ్ (Rana sylvatica) అనే కప్ప చలిని తట్టుకోవడానికి ఒక అద్భుతమైన ఉదాహరణ. శీతాకాలంలో దీని శరీరంలో సగం భాగం మంచు గడ్డలా మారిపోతుంది. దీని గుండె కొట్టుకోవడం ఆగిపోతుంది, ఊపిరి తీసుకోవడం కూడా ఆపేస్తుంది. గ్లూకోజ్, ప్రత్యేక ప్రోటీన్ల సహాయంతో ఇది తన కణాలను కాపాడుకుంటుంది. వాతావరణం మళ్ళీ వేడెక్కినప్పుడు, కప్ప మేల్కొని సాధారణంగా తిరుగుతుంది.[7][8]
చలిని తట్టుకునే ఇతర జంతువులు:
పెయింటెడ్ టర్టిల్స్ (Painted turtle)
గ్రే ట్రీ ఫ్రాగ్స్ (Gray tree frog)
గార్టర్ స్నేక్స్ (Garter snake)
ఆర్కిటిక్ గ్రౌండ్ స్క్విరల్స్ (Arctic ground squirrel): ఈ ఉడుతలు శీతాకాలంలో నిద్రపోతున్నప్పుడు (Hibernation) వాటి శరీర ఉష్ణోగ్రత సున్నా కంటే తక్కువగా (−2.9 °C) ఉంటుంది. తల భాగం కొంచెం వెచ్చగా ఉన్నప్పటికీ, శరీరం వారాల పాటు చాలా చల్లగా ఉంటుంది.[9]
క్రయోబయాలజీ చరిత్ర (History of cryobiology)[edit | edit source]
మనుషులు చలిని చాలా కాలం నుండి వాడుతున్నారు. ప్రాచీన ఈజిప్టులో, క్రీస్తుపూర్వం 2500 సంవత్సరాల క్రితమే ఆరోగ్య సమస్యల కోసం చలిని ఉపయోగించేవారు. గ్రీకు వైద్యుడు హిప్పోక్రేట్స్, శరీరంలో వాపులు, రక్తస్రావం తగ్గించడానికి చలిని వాడమని చెప్పేవారు.
ఆధునిక కాలంలో, వ్యవసాయ రంగానికి క్రయోబయాలజీ ఎంతో మేలు చేసింది. 1949లో శాస్త్రవేత్త క్రిస్టోఫర్ పోల్జ్ మరియు అతని బృందం మొదటిసారిగా ఎద్దు వీర్యాన్ని గడ్డకట్టించారు. దీనివల్ల రైతులు దానిని చాలా కాలం దాచుకుని, ఎప్పుడైనా వాడుకునే అవకాశం కలిగింది. ఇది 'క్రయోప్రిజర్వేషన్' పద్ధతిలో ఒక పెద్ద ముందడుగు.
1984లో, గడ్డకట్టించిన పిండం ద్వారా మొదటి మానవ శిశువు జన్మించింది. ఆమె పేరు జోయి లేలాండ్. అప్పటి నుండి, లక్షలాది మంది పిల్లలు ఇలాంటి పద్ధతుల ద్వారా జన్మించారు. సంతానలేమితో బాధపడే వారికి ఇది ఒక గొప్ప వరంగా మారింది.
శాస్త్రవేత్తలు వస్తువులను ఎలా భద్రపరుస్తారు?[edit | edit source]
జీవులను తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద ఎలా బతికించాలో క్రయోబయాలజీ వివరిస్తుంది. ఇందులో రెండు ప్రధాన మార్గాలు ఉన్నాయి:
హైపోథెర్మిక్ స్టోరేజ్ (Hypothermic storage): వస్తువులను 0 °C కంటే పైన కానీ శరీర సాధారణ ఉష్ణోగ్రత కంటే తక్కువగా ఉంచడం. దీనిని అవయవ మార్పిడి కోసం ఉపయోగిస్తారు.
క్రయోప్రిజర్వేషన్ (Cryopreservation): వస్తువులను −80 °C నుండి −196 °C మధ్య అత్యంత చలిలో ఉంచడం. దీనిని కణాలు లేదా చిన్న కణజాలాల కోసం ఉపయోగిస్తారు.
అవయవాలను చల్లగా ఉంచినప్పుడు, వాటికి ఆక్సిజన్ అవసరం తగ్గుతుంది. ఉష్ణోగ్రత ప్రతి 10 °C తగ్గినప్పుడు, ఆ అవయవానికి కావాల్సిన ఆక్సిజన్ 50% తగ్గుతుంది.[10] అవయవాలను ఒకరి నుండి మరొకరికి తరలించేటప్పుడు 'వయాస్పాన్' (Viaspan) వంటి ప్రత్యేక ద్రవాలను ఉపయోగిస్తారు.[11]
ప్రముఖ శాస్త్రవేత్త పీటర్ మాజూర్ కణాలను గడ్డకట్టించడంపై ఒక నియమాన్ని చెప్పారు. కణాలను చాలా వేగంగా చల్లబరిస్తే, వాటి లోపల మంచు ఏర్పడి చనిపోతాయి. అదే చాలా నెమ్మదిగా చల్లబరిస్తే, రసాయనాల వల్ల లేదా ఒత్తిడి వల్ల దెబ్బతింటాయి. అందుకే ప్రతి రకమైన కణానికి సరైన వేగాన్ని శాస్త్రవేత్తలు కనుగొనాలి.[12] ఉదాహరణకు, రక్త కణాలను వేగంగా చల్లబరచాలి, కానీ 'స్టెమ్ సెల్స్' (stem cell) వంటి వాటిని చాలా నెమ్మదిగా చల్లబరచాలి.
మానవులలో ఉపయోగాలు[edit | edit source]
నేడు క్రయోబయాలజీ చాలా మందికి సహాయపడుతోంది. మానవ అండాలు, శుక్రకణాలు, పిండాలను -196 °C వద్ద 10 ఏళ్లు లేదా అంతకంటే ఎక్కువ కాలం ఆరోగ్యంగా ఉంచవచ్చు.[13]
2004లో తమరా అనే పాప జన్మించింది. ఆమె తల్లి అండాశయ కణజాలాన్ని (Ovarian tissue) గడ్డకట్టించి, తర్వాత తిరిగి శరీరంలో అమర్చడం ద్వారా ఆమె పుట్టింది. క్యాన్సర్ చికిత్స వల్ల పిల్లలను కనే శక్తిని కోల్పోయే ప్రమాదం ఉన్న మహిళలకు ఇది ఒక గొప్ప ఆశగా మారింది.[14]
మరొక ఉపయోగం 'థెరప్యూటిక్ హైపోథెర్మియా' (therapeutic hypothermia). గుండె శస్త్రచికిత్స సమయంలో డాక్టర్లు గుండెను చాలా చల్లబరుస్తారు. దీనివల్ల ఎక్కువ సేపు చికిత్స చేయడానికి వీలవుతుంది, రోగి త్వరగా కోలుకోవడానికి సహాయపడుతుంది.
శాస్త్రీయ సంఘాలు[edit | edit source]
ఈ విషయాలను అధ్యయనం చేసే శాస్త్రవేత్తల బృందాలు ఉన్నాయి. 1964లో ప్రారంభమైన 'సొసైటీ ఫర్ క్రయోబయాలజీ' (Society for Cryobiology) అటువంటిది. వీరు ప్రతి సంవత్సరం సమావేశమై కొత్త పరిశోధనల గురించి మాట్లాడుకుంటారు. ఈ సంఘం కొన్ని కఠినమైన నియమాలను పాటిస్తుంది. కేవలం నిరూపితమైన విజ్ఞాన శాస్త్రం మీద దృష్టి పెట్టడానికి, వీరు క్రయోనిక్స్ పాటించే వారిని సభ్యులుగా చేర్చుకోరు.[15]
మరొకటి 'సొసైటీ ఫర్ లో టెంపరేచర్ బయాలజీ'. ఇది ఎక్కువగా ఐరోపాలో ఉంటుంది. చిన్న కణాల నుండి పెద్ద మొక్కలు, జంతువుల వరకు చలి ప్రభావం ఎలా ఉంటుందో వీరు పరిశీలిస్తారు.
పత్రికలు-పుస్తకాలు[edit | edit source]
శాస్త్రవేత్తలు తమ పరిశోధనలను 'సైంటిఫిక్ జర్నల్స్' (scientific journal) లో రాస్తారు. వీటిలో ముఖ్యమైనది Cryobiology. ఇందులో గడ్డకట్టించడం, శీతాకాల నిద్ర, చలి వల్ల కలిగే వైద్యపరమైన ఉపయోగాలు వంటి ఎన్నో విషయాలు ఉంటాయి. 'క్రయో లెటర్స్' (Cryo Letters) వంటి ఇతర పత్రికలు కూడా శాస్త్రవేత్తల మధ్య సమాచార మార్పిడికి తోడ్పడతాయి.
ఇవి కూడా చూడండి[edit | edit source]
మూలాలు[edit | edit source]
- ↑ Maki LR, Galyan EL, Chang-Chien MM, Caldwell DR (1974). "Ice Nucleation Induced by Pseudomonas syringae". Applied Microbiology. 28 (3): 456–459. doi:10.1128/aem.28.3.456-459.1974. PMC 186742. PMID 4371331.
- ↑ Zachariassen KE, Kristiansen E (2000). "Ice nucleation and antinucleation in nature". Cryobiology. 41 (4): 257–279. Bibcode:2000Cryob..41..257Z. doi:10.1006/cryo.2000.2289. PMID 11222024.
- ↑ "Food Safety Watch". Archived from the original on 29 July 2013. Retrieved 12 September 2013.
- ↑ Kulus, D. Managing plant genetic resources using low and ultra-low temperature storage: a case study of tomato. Biodivers Conserv 28, 1003–1027 (2019). https://doi.org/10.1007/s10531-019-01710-1
- ↑ Kaviani B., Kulus D., 2022. Cryopreservation of endangered ornamental plants and fruit crops from tropical and subtropical regions. Biology 11(6): 847. https://doi.org/10.3390/biology11060847
- ↑ Rozell, Ned (30 May 2009). "Scientist finds fungus gnats survive winter half-frozen". Anchorage Daily News. Archived from the original on 23 September 2009.
- ↑ Kiehl, Katie. "Lithobates sylvaticus (Wood Frog)". Animal Diversity Web.
- ↑ Fahrenthold, David A. (14 December 2004). "Looking to frozen frogs for clues to improve human medicine". The Washington Post via The Seattle Times. Archived from the original on 14 December 2004.
- ↑ Barnes, Brian M. (30 June 1989). "Freeze Avoidance in a Mammal: Body Temperatures Below 0°C in an Arctic Hibernator" (PDF). Science. 244 (4912): 1521–1616. Bibcode:1989Sci...244.1593B. doi:10.1126/science.2740905. PMID 2740905. Archived from the original (PDF) on 16 December 2008. Retrieved 23 November 2008.
- ↑ Raison JK (1973). "The influence of temperature-induced phase changes on the kinetics of respiratory and other membrane-associated enzyme systems". J Bioenerg. 4 (1): 285–309. Bibcode:1973JBB.....4..285R. doi:10.1007/BF01516063. PMID 4577759. S2CID 198194950.
- ↑ Mühlbacher F, Langer F, Mittermayer C (1999). "Preservation solutions for transplantation". Transplant Proc. 31 (5): 2069–70. doi:10.1016/S0041-1345(99)00265-1. PMID 10455972.
- ↑ Mazur P (1977). "The role of intracellular freezing in the death of cells cooled at supraoptimal rates". Cryobiology. 14 (3): 251–72. Bibcode:1977Cryob..14..251M. doi:10.1016/0011-2240(77)90175-4. PMID 330113.
- ↑ "Freezing". Pacific Fertility Center. 2010. Archived from the original on 26 May 2010. Retrieved 28 February 2010.
- ↑ "Livebirth after orthotopic transplantation of cryopreserved ovarian tissue" (PDF). J Donnez, M M Dolmans, D Demylle, P Jadoul, C Pirard, J Squifflet, B Martinez-Madrid, A Van Langendonckt. 2004. Archived from the original (PDF) on 8 August 2016. Retrieved 2 January 2015.
- ↑ Darwin, Mike (1991). "Cold War: The Conflict Between Cryonicists and Cryobiologists". Cryonics. Alcor Life Extension Foundation. Retrieved 24 August 2009.
ఇతర లింకులు[edit | edit source]
క్రయోబయాలజీ వెనుక ఉన్న సైన్స్ గురించి ఒక వివరణ