पाऊस पडण्यासाठी उपयुक्त सूक्ष्मजीव: जैविक पर्जन्य

डॉ. रोहिणी कुलकर्णी (पांढरे)

पाणी हा जीवनाचा मुलाधार आहे. सजीवांच्या शरीरातील ६० ते ७० टक्के भाग पाण्याने भरलेला आहे. सजीवांना जगण्यासाठी पृथ्वीवरील पाण्याचे जलचक्र अविरत फिरण्याची एक नैसर्गिक व अखंड प्रक्रिया सुरू असते. पृथ्वीच्या उत्पत्ती नंतर येथील वातावरण हे सजीवांना जगण्यायोग्य नव्हते पृथ्वीवर सुश्मजीवांची निर्मिती झाली आणि या सूक्ष्मजीवांच्या क्रिया कलपांद्वारे पृथ्वीवरील जीवन प्रक्रिया अविरत सुरू आहे. सूक्ष्मजीव हे चराचर व्यापुन आहेत आणि ते मृदा, जल आणि वायु चक्रात सहभागी होऊन सजीव सृष्टीचा आधारस्तंभ आहेत. भू-जैव, खनिज रासायनिक चक्रांमध्ये त्यांची महत्त्वपूर्ण भूमिका असून त्यांच्या या सहभागामुळे कार्बन, नत्रवायू, प्राणवायू, पाणी आदि चक्रांमुळेच सजीवांचे आयुष्य सहज शक्य होऊ शकते. या लेखांमध्ये आपण ढगांपासून पाऊस निर्मितीमध्ये असलेला सूक्ष्मजीवांचा सहभाग याबाबत माहि ती करून घेऊया.

---

“जल ही जीवन है”, सजीवांना जगण्यासाठी आवश्यक असलेले पृथ्वीवरील पाणी सतत महासागर वातावरण आणि जमीन यामध्ये फिरण्याची एक नैसर्गिक व अखंड प्रक्रिया सुरू असते ज्यात सूर्याच्या उष्णतेमुळे पाण्याचे बाष्पीभवन होऊन वाफ बनते, त्यापासून ढग तयार होतात आणि जलधारक ढगांमधून पुन्हा पाऊस पडतो म्हणजेच पाणी हे जल, वायू आणि बर्फ या वेगवेगळ्या स्वरूपात सतत फिरत असते या चक्रा ला “जलचक्र” म्हटले जाते. जलचक्रा चे महत्त्वाचे टप्पे बाष्पीकरण (evaporation), संघनन (Condensation) म्हणजेच ही वाफ थंड होऊन ढग बनणे आणि पर्जन्य (precipitation) म्हणजे बर्फ, गारा अथवा पावसाच्या थेंबाद्वारे पाऊस पडणे आणि हे पडलेले पावसाचे पाणी नद्या तलाव समुद्रात जमा होते. पाऊस पडण्यात सूक्ष्मजीवांचा सहभाग असतो ज्याला बायो (bio precipitation) प्रिसिपिटेशन असे म्हणतात.

“येरे येरे पावसा”, या गाण्याप्रमाणे कडक मे महिन्यातील उन्हाच्या काहीली नंतर आपण अतिशय आतुरतेने पावसाची वाट पाहत असतो आणि जेव्हा कालि दासांच्या “आषाढस्य प्रथम दिवसे”, असे वर्णन असलेल्या मेघांची आकाशात गर्दी होऊ लागते आणि पावसाचा थेंब जमिनीवर येतो त्या पहिल्या पावसामुळे तयार होणाऱ्या मृदगंधाचा मनमुराद आस्वाद आपण घेतो ही अतिशय आनंददायी बाब असते आणि अश्या ह्या पावसाने भरलेले ढग तयार होण्यामागे सूक्ष्मजीवांचे मोठे योगदान आहे.

ढगांची निर्मिती आणि सूक्ष्मजीवांचा सहभाग

हवेत तरंगणाऱ्या जलकणांचा किंवा हिमकणांचा समुदाय म्हणजे ढग. ढग तयार होण्यासाठी हवा आद्रतेने संपृप्त असावी लागते. पाऊस पडण्यासाठी तयार झालेले ढग हे अतिशय उंची वरती असतात. आणि तिथे पाण्याचे तापमान शून्य डिग्री सेल्सिअस अथवा त्याच्यापेक्षा बरेच कमी म्हणजे उणे ४० डिग्री सेल्सिअस एवढे असते तरीसुद्धा या तापमानाला शुद्ध पाणी हे द्रव स्वरूपात असते. पावसाची सुरुवात व्हायला या पाण्याचे बर्फाच्या स्फटिकांमध्ये रूपांतर झाल्यास पावसाचे थेंब तयार होतात आणि पावसाला सुरुवात होते पण ही प्रक्रिया सुरू होण्यासाठी बर्फाचे स्फटिक एकमेकांना एकत्र धरून राहण्यासाठी तिथे काहीही आधार नसतो. एखाद्या ढगापासून पाऊस पडण्यासाठी त्याला एखादा छोटाशा सूक्ष्म कणाची आवश्यकता असते त्याला केंद्रक मानून त्याच्याभोवती बर्फाचे स्फटिक तयार होत जातात आणि या स्फटिकांचा मोठा पृष्ठभाग तयार झाल्यावरती ढगांना त्याचे वजन सहन न झाल्याने पाऊस पडण्यास सुरुवात होते.

जमिनीवर असलेले सूक्ष्म तंतू म्हणाजे एरोसोल (सूक्ष्म फवारा) त्यांच्या अतिशय हलक्या वजनाने वाऱ्याच्या झोताने ढगांमध्ये पोचतात आणि  केंद्रकाचे काम करतात आणि त्यामुळे त्यांच्याभोवती बर्फाचे स्फटिक तयार होत जाऊन उणे चार अंश सेल्सियस तापमानापर्यंत सुद्धा पाऊस पडण्यास मदत होते. म्हणजेच पाण्याचे हे अतिशय थंडगार ढग उणे चाळीस अंश सेल्सिअस तापमानापर्यंत सुद्धा पाऊस पाडू शकत नाहीत पण जेव्हा येथे एखादे सूक्ष्मकेंद्र येते तेव्हा उबदार तपमानाला देखील पाऊस कोसळणे शक्य होऊ शकते. वातावरणात बायोएरोसोल्स म्हणजेच सूश्मजीव असतात जे हा पाऊस खेचून आणायचे काम करतात.

काही दशकांपूर्वी झालेल्या वैज्ञानिक संशोधनामध्ये जिवाणू, बुरशी, प्लवके यांचा मेघनिर्मितीवर परिणाम होत असल्याचे लक्षात आले. ढगांमध्ये बर्फाचे स्फटिक अथवा पाण्याचे थेंब तयार होण्यासाठी त्यांना आर्द्रता ग्राही मेघ संक्षेपण केंद्रकांची आवश्यकताअसते. काही प्रकारच्या जिवाणूंमध्ये आईस न्यूक्लिएटिंग प्रोटीन्सचे (iNPros) अस्तित्व शास्त्रज्ञांच्या लक्षात आले होते.

जसे की Pseudomonas syriangae - वनस्पतींच्या पानांमध्ये असलेल्या या जिवाणूमध्ये सदरील प्रथिनाचे अस्तित्व लक्षात आले. ह्या जिवाणूंमध्ये असलेली प्रथिने वातावरण आणि हवेच्या झोताने पाण्याच्या ढगांमध्ये जाऊन उणे दोन अंश सेल्सियस तापमानाला देखील ढगातील पाण्याचे बर्फाच्या स्फटिकात रूपांतर होण्यासाठी केंद्रकाप्रमाणे काम करते हे वैज्ञानिकांच्या लक्षात आले आणि हे संशोधनाचे काम सायन्स ॲडव्हान्सेस मॅक्स प्लांक इन्स्टिट्यूट फॉर पॉलिमर रिसर्च स्टेट युनिव्हर्सिटी आणि व्हर्जिनिया टेक येथे झाले असून विज्ञान विषयक नियतकालिकात प्रसिद्ध झाले.

ही प्रथिने या जिवाणूंच्या पेशीमध्ये असतात आणि त्यामुळे ह्या पूर्ण जिवाणूंचे ढगांमध्ये पोहोचणे आवश्यक असते. सुडोमोनास (Pseudomonas syringae) मधील INP प्रथिनांचा अभ्यास Two dimensional infrared spectroscopy द्वारे केला असता असे लक्षात आले की बर्फ तयार होण्यासाठी आवश्यक असलेले बर्फ तयार करण्यासाठी आवश्यक असलेल्या  InaZ ह्या जनुकामधील (बीटा हेलिकल स्ट्रक्चर) रचना ही त्रिमितीय आकारामध्ये असुन मध्यवर्ती अक्षाभोवती फिरणाऱ्या स्प्रिंग सारखी असते. सदरील प्रथिने ही १२० ते १८० kDa इतक्या वजनाची असतात आणि ते तीन भागांमध्ये असतात. प्रथम मध्यवर्ती भाग हा पुन्हा पुन्हा येणाऱ्या  ४८ पुनरावृत्तीचा असून त्याचे उरलेले दोन भाग १६, १६ लहान तुकड्यांनी बनलेले असते जे पाण्यापासून बर्फ तयार करतात.

श्वित्झी आणि सहकारी यांनी (Schwidetzy et. al, 2023) केलेले संशोधन प्रोसिडिग्सं ऑफ नशॅनल अकॅडमी ऑफ सायन्स मध्ये प्रसिद्ध झाले आहे ज्यात त्यांनी ढगांमध्ये असलेल्या अतिशय थंडगार पाण्यात जेव्हा Fusarium acuminature या बुरशी पासून

मिळवलेली बीजे (spores) आणि पेशीमुक्त प्रथिने केंद्रकाप्रमाणे वापर करण्यात येऊ शकतात हे सिद्ध केले. बुरशीमध्ये ही प्रथिने पेशीमध्ये न राहता पेशीच्या बाहेर स्त्रवली जातात आणि ती आजूबाजूच्या मातीत आणि इतर कणांमध्ये मिसळली जाऊ शकतात, ही पाण्यात सुद्धा विरघळू शकतात, तसेच हे पेशी विराहित असल्याने अतिशय सूक्ष्मकणदेखील वाऱ्याच्या झोताने ढगांपर्यंत पोहोचणे सोपे जाते. अशा प्रकारची प्रथिने तयार करणाऱ्या बुरशींच्या कित्येक प्रजाती बागेत, शेतजमिनीत, जंगलामध्ये, आर्टिक टुंड्रा प्रदेश येथे आढळून आल्या. ह्या बुरशीमधील प्रथिने ५.३ kDn इतकी लहान असून केंद्रक म्हणून ते कार्य करतात आणि त्यांच्याभोवती बर्फाचे स्फटिक तयार व्हायला सुरुवात होते आणि या तयार झालेल्या जटिल रचनेमध्ये जवळपास १०० उपघटक असतात ज्यामुळे एक मोठा पृष्ठभाग तयार होतो आणि त्यायोगे अतिशय थंड (सुपर कूल) ढगातील अतिशय थंडगार पाणी स्फटिक स्वरूपात एकत्र यायला सुरुवात होते. पुढे त्यांच्या असे लक्षात आले की सदर Fusarium बुरशी मधील प्रथिने ही माती, झाडे वातावरण आणि ढगांमधील पाण्याच्या नमुन्यांमध्ये देखील आढळून आली म्हणजेच अशा ढगांच्या निर्मितीसाठी पूर्ण बुरशीची आवश्यकता नसून तिच्याद्वारे स्त्रावलेले प्रथिने पुरेसे आहेत,ज्याद्वारे त्याचा उपयोग पाऊस वाढणाऱ्या ढगांच्या निर्मितीमधील एक यशस्वी प्रारूप (मॉडेल) म्हणून अभ्यासणे शक्य झाले आणि  यालाच Biological ice nucleation model असे संबोधले गेले. पुढील अभ्यासात असे लक्षात आले की ही प्रथिने विविध सामू (pH) अथवा वेगवेगळ्या विपरीत (extreme) तापमानाला सुद्धा कुठलेही नुकसान न होता आहे तसेच राहतात. नुकतेच २०२६ मध्ये  युफेमिओ (Eufemio et. al,) आणि सहकाऱ्यांनी मोटीरलीअसी नामक बुरशीच्या (Motierellaceae) एका कुटुंबामध्ये आईस न्यूक्लिएटिंग प्रथिनांचे अस्तित्व असल्याचे शोधून काढले आहे. पुढे त्यांना असे लक्षात आले की मोर्टीरेला (Mortierella alpina), इंटोमोर्टियेरेला (Entomortierellacea_paravispora) आणि पोडीला (Podila clonocystis) ह्या बुरशीच्या प्रकारांमध्ये जिवाणूंमध्ये आढळून येत असलेले InaZ ह्या प्रकारची ice nucleating प्रथिने आढळून येतात. सदरील प्रथिने बीटा (solenoid) म्हणजेच प्रथिनांचा एक दुय्यम प्रकार असुन त्याचा उपयोग बर्फाचे स्फटिक तयार करणाऱ्या पृष्ठभागांसारखा होतो ज्याद्वारे ढगांमध्ये बर्फाचे स्फटिक तयार होऊन पाऊस पडण्यासाठी चालना मिळते.

InaZ हे जनुक यीस्ट आणि इश्वरेशिया कोली (Escherichia coli) या जिवाणूंमध्ये असतात आणि उत्क्रांती मध्ये त्यांनी बुरशीमध्ये प्रवेश केला असावा असे शास्त्रज्ञांचे मत आहे. सदरील प्रथिनांचे गोठविण्याबाबतचा अभ्यासात (freezing spectra) असे लक्षात येते की उबदार वातावरणात सदरील प्रथिने ही तीन, चार अथवा पाच रेणू एकत्र करून स्फटिकांचे केंद्रक तयार करतात. ही प्रथिने खरेच ढगात, वातावरणात जातात आणि बर्फाचे स्फटिक तयार कसे करता हे पाहण्यासाठी प्रयोगशाळेत अभ्यास करण्यात आला. त्यासाठी मायक्रोफ्लुइडिक (Microfluidic) पृष्ठभागाचा उपयोग केला गेला. ह्या प्रयोगासाठी वेगवेगळ्या ठिकाणांहून अतिशय उंचीवरील हवेतील जैविक सूक्ष्मकणांचे नमुने एकत्र करण्यासाठी एरोसोल सॅम्पलर वापरले गेले (Aerosole sampler) ज्याद्वारे १० मिलिमायक्रॉन पेक्षा कमी आकारमानाचे नमुने घेण्यासाठी polycarbonate असलेले फिल्टर्स (गाळण्या) वापरलले गेले. ते नमुने निरनिराळ्या प्रक्रियांद्वारे शुद्ध करून नंतर त्याला एका विशिष्ट गोठलेल्या तापमानातील पृष्ठभागावर ठेऊन त्यामध्ये पाणी टाकल्यास बर्फाचे कण कसे तयार होतात त्याचा अभ्यास केला गेला.

म्हणजेच पर्जन्याच्या जैविक जलचक्राचा एक महत्त्वाचा भाग सूक्ष्मजीव आहे जे प्लवके, बुरशी जीवाणू या वर्गातील असतात. जिवाणू व बुरशीमधील सदरील प्रथिनांमधील महत्वाचा फरक म्हणजे जिवाणूंमध्ये प्रथिने ही पेशीभित्तिकांमध्ये असून संपूर्ण पेशी ढगांमध्ये जाणे आवश्यक असते तर बुरशीमध्ये सदरील प्रथिने ही शरीराबाहेर स्त्रवल्या गेल्यामुळेती वजनाने अतिशय हलकी असल्याने ही प्रथिने जास्त कार्यक्षम ठरतात कारण त्यांच्या अतिशय कमी वजनामुळे वाऱ्याच्या झोताने ते पर्यावरणात प्रवेश करतात आणि ढगांमध्ये जाऊन उणे पाच डिग्री सेल्सिअस इतक्या उबदार वातावरणात देखील बर्फाचे स्फटिक बनवायला सुरुवात करतात ज्यामुळे ढग जड होऊन त्यामध्ये पाण्याचे थेंब बनून ते जमिनीवर पावसाच्या स्वरूपात कोसळतात. सुडोमोनास मधील प्रथिने ही वनस्पतींच्या पेशींमध्ये जाऊन तेथे बर्फाचे स्फटिक तयार करू शकतात ज्याद्वारे पिकांना ते त्रासदायक ठरू शकते, परंतु बुरशीमधील प्रथिने ही पेशी बाहेर स्त्रवली गेल्यामुळे त्यांचा पिकांना कुठलाही त्रास होत नाही. जमिनीतून ती वातावरणात जातात जास्त पाऊस पडतात त्यामुळे जास्त पिके तयार होतात आणि बुरशी देखील वाढते म्हणजेच ही एक परस्पर पर्यावरण पूरक साखळी आहे.

सदरील अभ्यासांती असे लक्षा त येते की आपण जंगलतोड करून नुसते वृक्ष नष्ट करत नाही तर अशा प्रकारच्या कितीतरी सजीवांच्या परिसंस्था नष्ट करत जात आहोत ज्यामुळे आपल्याला वातावरणात घडत असलेल्या दुष्परिणामांना सामोरे जावे लागते जसे की दुष्काळ, तपमान वाढ आणि या दुष्परिणामांना तोंड देण्यासाठी चीन,अमेरिका, संयुक्त अरब अमिरात या देशांनी रासायनिक स्वरूपात सिल्वर आयोडाइड वापरून कृत्रिम पाऊस पाडण्यावर अवलंबून राहावे लागत आहे पण त्यामुळे वातावरणात सिल्वर आयोडाइड सारखे जड धातूंचे प्रमाण आणि त्याद्वारे होणाऱ्या पुढील दुष्परिणामांना पुन्हा तोंड द्यावे लागत आहेत. या सर्व बाबींचा विचार केल्यास बुरशीजन्य प्रथिने ही नैसर्गिक आणि जैविक विघटन होणारी असून पाऊस पाडण्यासाठी उपयोगी आहेत त्याचबरोबर त्यांचे पिकावर एक मऊ संरक्षक उबदार असे आवरण देखील तयार करून पिकांमधे बर्फाचे स्फटिक तयार होऊ नये आणि भरपूर धान्य मिळावे म्हणून संरक्षण करण्यास पण ते कारणीभूत ठरतात आणि म्हणूनच “सूक्ष्मजीव आम्हा सोयरे” असे म्हटल्यास वावगे ठरणार नाही.

(लेखिका ह्या शासकीय ज्ञान विज्ञान महाविद्यालय छत्रपती संभाजी नगर येथील माजी प्राचार्य आहेत.)