একটি কোষ কি সত্যিই কয়েক ডিগ্রি গরম হতে পারে?

গবেষণাপত্র অনুযায়ী, একটিমাত্র জীবন্ত কোষের ভেতরের তাপমাত্রা মাপা সম্ভব হয়েছে মাত্র প্রায় পনেরো বছর ধরে। আর তা থেকে একটি ধাঁধার জন্ম হয়েছে। ক্রমবর্ধমান সংখ্যক গবেষণা জানাচ্ছে, কোষের ভেতরের তাপমাত্রা তার পরিবেশের চেয়ে প্রায় 1 থেকে 10 কেলভিন বেশি; উদ্ধৃত একটি গবেষণার শিরোনামই “Mitochondria are physiologically maintained at close to 50 °C” (মাইটোকন্ড্রিয়া শারীরবৃত্তীয়ভাবে প্রায় 50 °C-এ বজায় থাকে)। কিন্তু একটি কোষ আসলে কতটা তাপ তৈরি করে এবং সাধারণ তাপ-পরিবহনের ভিত্তিতে করা হিসাব এক ডিগ্রির হাজার ভাগের এক ভাগেরও কম পার্থক্যের পূর্বাভাস দেয়।

জানা পরিমাপ-ত্রুটিগুলো (আর্টিফ্যাক্ট) সহজে ব্যাখ্যা করতে পারে না, কেন ভৌত ও রাসায়নিকভাবে আলাদা কয়েকটি ন্যানো-থার্মোমিটার একই রকম ফল দেয়। আবার ক্ষুদ্র মাপে তাপ-পরিবহনের সূক্ষ্ম সংশোধনগুলোও কয়েক মাত্রার এই ফারাক মেটানোর পক্ষে অনেক ছোট।

উৎস নয়, থার্মোমিটারের দিকে তাকান

ধাঁধাটি সমাধানের বেশিরভাগ চেষ্টা তাপের উৎসের ওপর জোর দেয়: একটি মাইটোকন্ড্রিয়নের আকার, গড়ন, কাঠামো আর সেন্সর থেকে তার দূরত্ব, যার সবই নির্দিষ্ট করা কঠিন। Taras Plakhotnik (কুইন্সল্যান্ড বিশ্ববিদ্যালয়) সমস্যাটি উল্টে দেন।

তাপের একটি আদর্শ বিন্দু-উৎস তত্ত্বগতভাবে অসীম তাপমাত্রায় পৌঁছাবে। কিন্তু কোনো বাস্তব থার্মোমিটার একটি বিন্দু মাপে না: এর একটি সসীম তাপমিতিক আয়তন থাকে, আর এটি যা জানায় তা ওই আয়তনের গড়। তিনি লক্ষ করেন, সেন্সরটি সাধারণত জৈব উৎসের চেয়ে অনেক ভালোভাবে চেনা-জানা।

তাই তিনি প্রশ্ন করেন: জানা মোট পরিমাণ তাপ তৈরি করা একটি অঞ্চলের ভেতরে যেকোনো জায়গায় রাখা নির্দিষ্ট আয়তনের একটি সেন্সর স্থির অবস্থায় সর্বোচ্চ কতটা গরম হতে পারে?

তিন উপাদানের একটি সীমা

কেবল ফুরিয়ের তাপ-পরিবহন সূত্র আর জ্যামিতি ও বিশ্লেষণের দুটি চিরায়ত অসমতা ব্যবহার করে তিনি একটি সর্বোচ্চ-তাপমাত্রা উপপাদ্য নির্ণয় করেন:

⟨T⟩ − T_ref ≤ 9 Q / (2 (36π)^(2/3) κ V^(1/3))

যেখানে Q হলো উৎপন্ন মোট তাপ-ক্ষমতা, κ তাপ-পরিবাহিতার একটি নিম্নসীমা আর V সেন্সরের আয়তন। আর কিছুই এতে ঢোকে না: তাপ কোথা থেকে আসে, কীভাবে ছড়িয়ে থাকে, সেন্সর কত দূরে, কিছুই নয়।

একটি সাধারণ কর্ষিত স্তন্যপায়ী কোষের জন্য গবেষণাপত্রটি ধরে নেয় 50 পিকোওয়াট নিট তাপ-উৎপাদন, প্রতি মিটারে প্রতি কেলভিনে 0.1 ওয়াট পরিবাহিতা, যা কোষের জন্য জানানো মানগুলোর নিচের প্রান্তে, আর 10⁻²² ঘনমিটারের একটি সেন্সর, মোটামুটি 60 ন্যানোমিটার ব্যাসের একটি গোলক। সর্বোচ্চ সম্ভাব্য উষ্ণতা-বৃদ্ধি: প্রায় 2 মিলিকেলভিন।

সীমাটি তীক্ষ্ণ: একটি গোলাকার তাপ-উৎসকে খোলস-আকৃতির সেন্সরে মুড়ে দিলে ঠিক এটিতে পৌঁছানো যায়। সেই সবচেয়ে অনুকূল বিন্যাসেও 1 কেলভিন বৃদ্ধির জন্য অন্তত 25 ন্যানোওয়াট লাগবে, যা কোষের মাপা উৎপাদনের পাঁচশো গুণ। আর তাপ যদি কোষ-আকারের আয়তনে সমানভাবে ছড়িয়ে থাকত, তবে সীমাটি নেমে আসত প্রায় 2 মাইক্রোকেলভিনে।

তাপ-উৎপাদী আর তাপ-শোষী বিক্রিয়াগুলো যদি একে অপরকে কাটাকাটি করে দেয়? ক্যালরিমিতি কেবল নিট উৎপাদন মাপে, অথচ উপপাদ্যটি উৎপন্ন সব তাপ গোনে। তখন কোষ থেকে মাত্র 50 পিকোওয়াট বেরোলে 1 কেলভিনের রিডিংয়ের জন্য অন্তত 25 ন্যানোওয়াট স্থানীয়ভাবে মুক্ত হতে হবে, এবং প্রায় ততটাই একই কোষের অন্য কোথাও শোষিত হতে হবে।

ফলাফলটি সরাসরি ব্যবহৃত সেন্সরগুলোর ক্ষেত্রে খাটে: ন্যানোহীরা, আপকনভার্শন ন্যানোকণা, প্রতিপ্রভ (ফ্লুরোসেন্ট) পলিমার কণা এবং কোর–শেল কোয়ান্টাম ডট।

যে থার্মোমিটার পিছিয়ে পড়ে

উপপাদ্যটি ধরে নেয় যে সেন্সর নিজে অভ্যন্তরীণভাবে সাম্যাবস্থায় আছে। এটি কেন ব্যর্থ হতে পারে তা দেখাতে লেখক দুটি গ্যাস-আধারের অনুকরণ (সিমুলেশন) করেন, একটি গরম ও একটি ঠান্ডা, মাঝে একটি স্থিতিস্থাপক ঝিল্লি। গ্যাস দুটি দ্রুত একটি সাধারণ তাপমাত্রায় পৌঁছায়, অথচ ঝিল্লিটি শিথিল হয় অনেক ধীরে, আর ঝিল্লি যত শক্ত হয়, ফারাক তত বাড়ে। একটি ছোট বস্তু তার চারপাশ থিতু হয়ে যাওয়ার পরও সাম্যাবস্থার বাইরে থাকতে পারে, এবং সাম্য-তাপমাত্রার বিপরীতে করা একটি প্রমিত ক্রমাঙ্কন তা প্রকাশ করবে না।

হারানো পদার্থবিদ্যা কোথায় লুকিয়ে

গবেষণাপত্রটি দাবি করে না যে জানানো উষ্ণ স্থানগুলো পরিমাপ-ত্রুটি। এটি বলে, যদি কেলভিন-মাত্রার কোনো সংকেত সত্যিই তাপীয় হয়, তবে উপপাদ্যের অন্তত একটি অনুমান ব্যর্থ হতেই হবে। এটি যে সম্ভাব্য কারণগুলো তালিকাভুক্ত করে: প্রোব নিজে যে বাড়তি শক্তি ঢোকায়, দীর্ঘস্থায়ী অবস্থায় সাময়িকভাবে জমা শক্তি, এমন একটি সেন্সর যা কখনো পুরোপুরি সাম্যাবস্থায় আসে না, অথবা সেন্সর বা তার চারপাশে কোনো অতাপীয় পরিবর্তন যা তাপমাত্রা-পরিবর্তনের নকল করে। লেখকের উপসংহার, এগুলোকে আলাদা করতে এমন পরীক্ষা লাগবে যা অনুসরণ করবে থার্মোমিটার নিজে কীভাবে শিথিল হয়।