YAŞAM NEDİR?

İnsanın doğayı ve evreni anlama serüveninde, canlılık olgusu hiç şüphesiz en çok üzerinde durulan gizemlerden birisidir. Nasıl oluyor da evren canlılar ve cansızlar diye kabaca iki gruba ayrılabiliyor ve bu iki grubu birbirinden tam olarak ne ayırıyor? Canlılık olgusunu nasıl anlayabiliriz ve bu mekanizma ne şekilde işliyor? Canlılık nasıl ortaya çıktı ve nasıl bu kadar farklılaşabildi? Bunlar ve benzeri soruların üzerinde insanlık binlerce yıldır düşünüyor ve cevapların peşinden koşuyor. Net bir cevaba, en azından bilimsel bağlamda, varabildik mi diye sorarsanız, cevabım kısa ama umutlu bir şekilde “hayır” olacaktır; çeşitliliğin mekanizmasından neredeyse eminiz, halbuki canlılığın ortaya çıkışı henüz netlik kazanmadı. Cevabım “henüz hayır” olduğu için, gerçeğe ulaşmamızda bize yol gösterebilecek çok değerli eserlerden birisi olan, Nobel Ödüllü fizikçi Erwin Schrödinger’in 1944 yılında basılan kitabı “Yaşam Nedir”[1]i incelemek ve sizlerle paylaşmak istedim.

19. yüzyıl ile bilim dünyasında yer etmeye başlayan termodinamik ilkeleri, ve daha sonrasında gelişen istatistiksel fizik ve kuantum mekaniği, Newton zamanından kalma düşünce şeklimizde çığır açmıştır; 20. yüzyılın hemen başlarına denk gelen bu gelişim sürecinin canlılığa uygulanması ve canlılık kavramı üzerine yeni fikirlerin ortaya atılması, kendisini Schrödinger’in bu kitabında oldukça sade ve açık bir şekilde göstermektedir. Yazının henüz çok başlarında dikkatinizi çekmek istediğim nokta, insanlık olarak tarihimizdeki bilgisel anlamda büyük ilerlemelerin ardından, elde ettiğimiz bu yeni bilgileri bir şekilde canlılığa uyarlamakta gecikmiyor oluşumuzdur. Bir örnek; ilkçağ Yunan felsefesinde Empedokles ile başlayıp daha sonrasında Aristo’nun katkılarıyla gelişen beş element teorisi, insanın yapısını oluşturduğu düşünülen dört temel sıvı kuramının gelişmesine yol açmış ve tıp biliminin kurucusu olarak anılan Hipokrat tarafından da ateşli bir şekilde savunulmuştur[2]. Zamanı ileriye sardığımız zaman, 16 ve 17. yüzyıllarda başlayan ve Galile ile Newton’un çalışmalarıyla gelişen mekanik bilimi, Descartes’ın öncülüğünü yaptığı analitik düşünme ve varlık felsefesi ile birleşerek bütün canlıların birer makina olduğu ve onların bütün davranışlarının aslında klasik mekanik ile açıklanabileceği fikrini ortaya çıkarmıştır. Benzer şekilde, Benzeri örnekleri çoğaltmak mümkün; ancak kendimi doğru şekilde ifade edebildiğimi düşünüyorum. Hal böyle olunca, modern fiziğin, yani kuantum ve istatistiksel mekaniğin yaşam üzerine uygulamalarından bahseden kitaba giriş yapabiliriz.

Erwin Schrödinger’e dair

Schrödinger denince genel olarak aklımıza ilk başta ünlü ‘Schrödinger’in kedisi’ gelir. Kendisiyle ilgili çok detaylı bir biyografik bilgi vermek niyetinde değilim; kuantum mekaniğinin en temel denklemlerinden birisi olan ‘Schrödinger dalga denklemi’ni bulmuş olmasını ve bundan dolayı atomik fiziğin kurucusu olarak anılmasını, öte yandan Doğu felsefelerine merak duymasını ve tam da bu sebepten dolayı hayata ve hayatın temellerine büyük ilgiyle yaklaşmasını kısaca eklesem bu yazı için yeter. Daha detaylı ve çok daha güzel hazırlanmış bilgiler için Açık Bilim’den Kerem Kaynar’ın makalesine[3] başvurabilirsiniz.

1887 yılında Avusturya’da doğan Erwin Schrödinger, oldukça çalkantılı ve hareketli geçen bir akademik hayatın ardından, aradığı huzuru İrlanda’nın başkenti Dublin’de bulur. İrlanda Başbakanı’nın 1939 yılında yaptığı teklifi değerlendiren Schrödinger, Trinity College Dublin’e bağlı İleri Araştırmalar Enstitüsü’nün kuruluşuna yardımda bulunmak için İrlanda’ya gider. 1943 yılında halka açık olarak vereceği “Yaşam Nedir?” başlıklı dersi elimizdeki kitabın çıkış noktası olur. “Akıl ve Madde” ile bazı otobiyografik kesitlerin de eklenmesi ile birlikte, 1944 yılında Cambridge Üniversitesi Yayınları tarafından okuyucuyla buluşturuluyor.

Hayata ‘klasik’ yaklaşmayın

Schrödinger, kitaba fizik yasalarının istatistiksel yapısından bahsederek, bunun aksine klasik bir yaklaşım içerisinde hayata baktığımız zaman ne sorunlarla karşılaşabileceğimizi anlatıyor. Gözümüzle gördüğümüz, günlük hayatımızın içinde olan her şey sayılamayacak kadar çok sayıda parçacık içeriyor. Parçacıklar birbirlerinden bağımsız hareket ediyor olsalar bile, bu düzensiz hareketler düzenli sonuçlar doğurabiliyor: Odanın bir ucunda sıkılan kokunun, kokuyu ve havayı oluşturan parçacıklar rastgele hareket ediyor olmasına karşın, kısa sürede bütün odaya yayılması ve bizim de bu yayılmayı (yani difüzyonu) fiziksel yasalar ile tarif edebiliyor olmamız, yasaların istatistiksel yapısını anlatmak için kullanabileceğimiz bir örnek. Biraz daha basit bir örneği ele alalım ve gene ideal gazları inceleyelim. Gaz parçacıkları, birbirlerinden bağımsız ve rastgele şekilde hareket etmektedir. İçlerinde bulundukları kabın duvarlarına sürekli çarpmaları bizim “basınç” olarak adlandırdığımız etkinin temelidir. Her an, birbirinden farklı sayılarda duvarla çarpışma gerçekleşir, bir an hiç gerçekleşmeyedebilir. Buna rağmen, yani sabit bir çarpışma sayısı olmamasına karşın, biz gazların basıncını oldukça net bir şekilde gazın sıcaklığına ve hacmine bağlayıp “ideal gaz denklemi”ni yaratabiliyor. Elbette, parçacık sayısı azaldıkça, bu istatistiksel yapıdan sapmalar ve beklenmedik sonuçlar doğabiliyor; nasıl ki on kere tamamen gelişigüzel atılan bozuk paranın sekiz kere tura gelmesi atış sayımızın düşük olmasına bağlanabiliyor, az sayıda parçacığın da hareketinde bildiğimiz fiziksel yasaların ihlallerini görmemiz mümkün olabiliyor. Halbuki, hayat, oldukça düzenli ve neredeyse kesin bir şekilde devam ediyor; bir anda hücre sayımız iki katına çıkmıyor, kollarımız vücudumuzdan ayrılmıyor, saç rengimiz sarıdan siyaha gidip gelmiyor. Schrödinger’in vardığı nokta, klasik bir bakış açısıyla yaşama yaklaştığımız zaman, fizik yasalarının istatistiksel yapısı bizim için her zaman büyük bir engel olacağı ve çözülmesi zor sorunlar ortaya çıkaracağıdır. Farklı yaklaşımlar denemeli ve hayatın gizemini, mekanizmasını daha farklı şekillerde aramalıyız. Bu farklı yaklaşımlardan bir tanesi de, Schrödinger’in ortaya attığı “negentropy”, yani negatif entropi kavramı. Evreni oluşturan bütün sistemlerin düzensizliği (entropisi) zamanla artmaktadır; ancak canlının birarada kalabilmesi ve kendi düzenli yapısını devam ettirebilmesi için bu eğilime karşı durması ve bir şekilde dışardan “entropi tüketmesi” lazımdır, tıpkı açlıktan ölmemek için yemek yememiz gibi.

Kalıtım ve genetiğin yasaları, istatistiksel fizik ile başlayan kitabın geri kalanı için ana tartışma konusunu oluşturuyor. Dinleyicilerinin bu konudaki bilgi eksiğini gidermek için, uzun bir “kalıtıma giriş” dersi verildikten sonra, konu kalıtımsal mekanizmanın düzenliliği ve kesinliği üzerine yoğunlaşıyor. Nasıl oluyor da, binler mertebesindeki parçacıktan oluşan kalıtsal malzeme, ki bin aslında insan vücudunu oluşturan atomların ve moleküllerin sayınının yanında oldukça düşük bir sayıdır, yüz binlerce yıl boyunca bozulmadan veya çok ufak değişikliklerle aktarılan pek çok özelliğin devamını sağlıyor? Eğer istatistiksel olarak bakarsak, bu düzeni sağlayabilecek tek şeyin, binlerce atomun biraraya gelerek oluşturacağı bir molekül olacağı ve bu molekülün çok büyük ihtimalle birbirini tekrar etmeyen birimlerden oluşacağının vurgusunu yapıyor Schrödinger; çünkü atomları birbirine bağlayan kuvvetler olmadıkça kalıtsal yapının düzenliliği ve kararlılığı asla sağlanamayacaktır. Schrödinger’in kendi fikrine göre bu bir protein molekülü olacaktır. Schrödinger bu kitabı yazdığı zaman kalıtsal özelliklerin proteinler aracılığıyla aktarıldığı düşünülüyordu ve DNA’nın bu konudaki önemi henüz keşfedilmemişti. Her ne kadar yıllar Schrödinger’i proteinler konusunda haksız çıkarsa da, DNA’nın yapısını oluşturan dört temel bazın ve onların birbirlerini tekrar etmeyecek şekilde dizilmesinin aslında Schrödinger’in öne sürdüğü bu fikirden pek de farklı olmadığı oldukça açıktır.

Mutasyonlar, Schrödinger’in özel olarak ilgilendiği ve kuantum mekaniksel olarak açıklamasını yaptığı bir başka olgu. Biz de mutasyonlar ile ilgili kısa bir özet geçelim. Mutasyonlar, yani değişinimler, kalıtsal yapımızı oluşturan DNA molekülü üzerinde meydana gelen değişikliklerdir ve canlılar dünyasındaki çeşitliliğin de ana kaynağıdır. Mutasyon denilince genelde akla kötü ve ölümcül değişiklikler gelir. Ne var ki, mutasyonlar canlıda yarattıkları değişiklikler ile o canlının hayatta kalma şansını ve doğaya uyumunu da arttırabilir. Schrödinger’in sorduğu soru şudur; değişinimlerin kaynağı nedir ve kalıtsal malzememiz eğer bir molekül ise, bu molekülde ne gibi değişiklikler meydana geliyor? X-ışınlarının mutasyon sıklığını ve hızını arttırdığının altını çizerek Schrödinger mutasyonların kaynağının kalıtsal malzemenin izomerleşmesi, yani yapıyı oluşturan parçacıklar hiç değişmeden sadece bu parçacıkların birbirlerine olan bağlanış sırasının değişmesi olduğunu iddia ediyor. İzomerleşmenin olabilmesi için belli bir enerjinin moleküle verilmesi gerekmektedir; bu enerji doğal olarak çevreden karşılanabileceği gibi, X-ışınları gibi yüksek enerjide ışınım ile de yapay olarak moleküle aktarılabilmektedir. İşte bu enerjinin gerekliliği ve bir molekülde atomları bir arada tutan kuvvetlerin çok güçlü olması, mutasyonların az sayıdaki parçacığın sebep olacağı istatistiksel dalgalanmalardan bağışık ve genelde de tekil görülen olgular olmasına sebep oluyor. Bu tıpkı, elli yüzünden sadece bir tanesi kırmızıya boyanmış beyaz bir zarın atıldığı zaman çok nadir olarak kırmızı yüzünü göstermesine benzer. Her ne kadar Schrödinger X-ışınlarının yarattığı etkiyi doğru tahmin etmiş olsa da, şu anki bilgimiz mutasyonun, yani DNA üzerindeki baz diziliminin değişiminini, Schrödinger’in öngördüğünden daha karmaşık mekanizmalar tarafından kontrol edildiği yönünde. Gene de, DNA’nın yapısı çözülmeden önce ortaya atılan bu fikrin, çok ufak değişikliklerle ne kadar doğru ve anlaşılır bir resim çizdiği bence gerçekten takdire şayandır.

Peki, hayat fizik yasaları ile açıklanabilir mi?

Yaşamın temellerini temel fizik kanunları ile açıklamaya dair Schrödinger’in öne sürdüğü fikir, fizik yasalarının hayatı anlamlandırmada yetersiz kalacağıdır; çünkü hayat fizikçilerin uğraştığı bütün sistemlerden çok daha karmaşık bir yapıdır ve basit sistemleri inceleyerek ortaya çıkmış olan yasaların eldeki halleriyle canlılar dünyasında uygulanabilmesini beklemek de yanlış olacaktır. Hayatın temelindeki bütün yapıtaşlarının her birinin fiziğin temel yasalarına uyacağı aşikardır; sonuçta bir protein molekülündeki azot atomu ile havadaki azot molekülünün yapısındaki azot atomları aynıdır, ancak bütün bu temel yapıların biraraya gelerek oluşturduğu karmaşık sistemin içerisinde bizim bildiğimiz fizik yasalarının ötesinde yeni düzenler ve eğilimler keşfetmemiz de olasıdır. Şu anda doğayı anlamlandırmamızda en temel yardımcımız olan istatistiksel ve kuantum mekaniklerinin temellerinden sarsacak yeni mekanizmalar keşfetmeyi beklemiyoruz. Bu tıpkı, bütün ömrü boyunca buhar makinesiyle uğraşmış birisine elektrikli motoru takdim etmeniz gibidir; her ikisinde de kullanılan malzemedeki atomlar birbirlerinin aynısıdır fakat buhar makinesinde gözlemlediğiniz her şeyi elektrikli motorda gözlemleyemeyecek ve hatta daha önce hiç karşılaşmadığınız mekanizmalar farkedeceksinizdir. Bütün bu benzetmeleri ve örnekleri kullanarak, Schrödinger hayatın “düzenden düzen oluşturma” mekanizması ile ilerlediğini, oysa ki fizikçilerin genelde “düzensizlikten düzen oluşturma”ya daha alışkın olduğunu söylüyor ve bakış açımız ile araştırmalarımızı ilk mekanizmaya odaklamamız gerektiğini salık veriyor. Son cümlede, aslında bütün kitap çok net bir şekilde özetleniyor; “…..(yaşamı oluşturan) her dişli,…… Tanrı’nın kuantum mekaniğinin yolunda ortaya çıkmıştır”.

Kitabın ilk basım tarihinden beri geçen yaklaşık yetmiş yılda kuantum mekaniğinin hayata uygulanması konusunda ne gibi gelişmeler yaşadık? Giderek artan sayılarda teorik fizikçi araştırmalarını biyoloji bilimine doğru kaydırdı, pek çok farklı grup arasında ortak çalışmalar yürütülmeye başlandı. En ilgi çekici ve popüler araştırma konularından bir tanesi fotosentez oldu. Bitkiler üzerlerine düşen güneş ışığını nasıl kullanıyorlar ve belki daha önemlisi, bitkilerdeki bu yeteneği inceleyerek daha verimli güneş pilleri yapabilir miyiz? DNA sarmallarını birbirine bağlayan hidrojen bağları, kuantum tünelleme ile mutasyonlara ne ölçüde yol açıyor? Kuantum bağlaşıklık, yani bir sistemi oluşturan bütün parçacıkların birbirleriyle anında iletişim kurabilmesi, biyolojik olarak ne derece önemli? Proteinler, düz birer amino asit zincirinden katlanıp nasıl eşsiz üç boyutlu yapılarını alıyor? Benzeri sorular, kuantum mekaniğinin yardımıyla birlikte çözülmeye çalışılan sorulardan sadece birkaçı. Kim bilir, belki kuantum mekaniğini daha iyi anladıkça ve yaşam üzerine yeni teknikler geliştirdikçe, Schrödinger’in tartıştığı konuların gerçekliği ve uzak görüşlülüğü daha iyi ortaya çıkacaktır.

Kaynakça

1-Schrödinger, Erwin. “What is Life?”, Cambridge Üniversitesi Yayınları, Cambridge. 1944.

2-http://en.wikipedia.org/wiki/Classical_element

3-http://www.acikbilim.com/2012/10/dosyalar/bir-ihtimal-daha-var-kedicik.html