एक बड़े, मोटे ऊतकों वाले कृत्रिम जीव में कुशल गैस विनिमय सुनिश्चित करने के लिए, वैज्ञानिक को किस प्रणाली को ला

Question

एक बड़े, मोटे ऊतकों वाले कृत्रिम जीव में कुशल गैस विनिमय सुनिश्चित करने के लिए, वैज्ञानिक को किस प्रणाली को लागू करना चाहिए?

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The correct answer is B: श्वसन वर्णक (respiratory pigments) के साथ एक जटिल परिसंचरण प्रणाली. मोटे ऊतकों वाले बड़े जीवों में, गैसों के आंतरिक कोशिकाओं तक प्रभावी ढंग से पहुँचने के लिए प्रसार की दूरी बहुत अधिक हो जाती है, जिससे सीधा प्रसार अपर्याप्त हो जाता है। श्वसन वर्णकों जैसे हीमोग्लोबिन के साथ जुड़ी एक परिसंचरण प्रणाली ऑक्सीजन के तीव्र परिवहन और बढ़ी हुई घुलनशीलता को सुगम बनाती है, यह सुनिश्चित करते हुए कि सभी कोशिकाओं को पर्याप्त गैस विनिमय प्राप्त हो।

Step-by-Step Solution & Concepts:
मोटे ऊतकों वाले बड़े जीवों में, गैसों के आंतरिक कोशिकाओं तक प्रभावी ढंग से पहुँचने के लिए प्रसार की दूरी बहुत अधिक हो जाती है, जिससे सीधा प्रसार अपर्याप्त हो जाता है। श्वसन वर्णकों जैसे हीमोग्लोबिन के साथ जुड़ी एक परिसंचरण प्रणाली ऑक्सीजन के तीव्र परिवहन और बढ़ी हुई घुलनशीलता को सुगम बनाती है, यह सुनिश्चित करते हुए कि सभी कोशिकाओं को पर्याप्त गैस विनिमय प्राप्त हो।

Working Principle: यह सिद्धांत फिक के प्रसार के नियम (Fick's Law of Diffusion) पर आधारित है, जो बताता है कि प्रसार की दर झिल्ली की मोटाई के व्युत्क्रमानुपाती होती है ($rate \propto \frac{1}{thickness}$)। श्वसन वर्णक सरल भौतिक विघटन की तुलना में रक्त की ऑक्सीजन-वहन क्षमता को कई गुना बढ़ा देते हैं, जिससे ऑक्सीजन को 'पैक' करके गैस विनिमय सतह से दूर गहरे ऊतकों तक पहुँचाया जा सकता है।

Key Formulas: $J = -D \frac{dc}{dx}$ — फिक का प्रसार का प्रथम नियम जो सांद्रता प्रवणता ($dc/dx$) के माध्यम से फ्लक्स ($J$) का वर्णन करता है; $Hb + 4O_2 \rightleftharpoons Hb(O_2)_4$ — हीमोग्लोबिन के साथ ऑक्सीजन का प्रतिवर्ती बंधन

Key Points: प्रसार केवल $1$ मिमी से कम की दूरी पर ही कुशल होता है।; श्वसन वर्णक जलीय प्लाज्मा में ऑक्सीजन की कम घुलनशीलता को दूर करते हैं।; मोटे ऊतकों को निष्क्रिय प्रसार की सीमाओं को दरकिनार करने के लिए बल्क ट्रांसपोर्ट सिस्टम (परिसंचरण प्रणाली) की आवश्यकता होती है।

Advantages: उच्च चयापचय दरों (metabolic rates) के लिए कुशल समर्थन; बड़े शरीर के आकार और जटिल ऊतक संगठन की अनुमति देता है; निरंतर आंतरिक वातावरण होमोस्टैसिस (homeostasis) बनाए रखता है

Disadvantages: हृदय को पंप करने के लिए उच्च ऊर्जा निवेश की आवश्यकता; सिस्टम-व्यापी विफलताओं के प्रति संवेदनशील

Applications: मानव परिसंचरण प्रणाली; उन्नत सिंथेटिक बायो-इंजीनियरिंग डिज़ाइन

Additional Info: पानी में ऑक्सीजन का प्रसार हवा की तुलना में लगभग $10,000$ गुना धीमा है।. विकल्प A अप्रभावी है क्योंकि जैसे-जैसे जीव बड़ा होता है, सतह-क्षेत्र-से-आयतन का अनुपात कम हो जाता है।. विकल्प C सतह क्षेत्र प्रदान करता है लेकिन अणुओं को मोटे ठोस ऊतकों में गहराई तक पहुँचाने में विफल रहता है।. विकल्प D (श्वास नली प्रणाली) नलिकाओं के माध्यम से वायु प्रवाह की निष्क्रिय प्रकृति के कारण छोटे कीड़ों तक सीमित है।

Answer: B सही है — श्वसन वर्णकों के साथ एक जटिल परिसंचरण प्रणाली मोटे ऊतकों वाले जीवों में धीमी निष्क्रिय प्रसार की भौतिक सीमाओं को दूर करती है।

Exam Tip: हमेशा याद रखें कि जैविक प्रणालियों को भौतिक बाधाओं का सामना करना पड़ता है; छोटे जीव भौतिकी (प्रसार) का उपयोग करते हैं जबकि बड़े जीवों को इंजीनियरिंग (बल्क प्रवाह/परिसंचरण प्रणाली) का उपयोग करना चाहिए।

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Option A: त्वचा के माध्यम से सीधा प्रसार (Direct diffusion)

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Option C: बाहरी झिल्ली के पृष्ठीय क्षेत्रफल (surface area) में वृद्धि

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Option D: केवल श्वास नली (tracheal tubes) की एक प्रणाली

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