Yaşam nedir ve belki daha da önemlisi, neden var? Ahlaki veya teolojik bir soru değil benimkisi; milyonlarca yıl önce, dünyada hiçbir yaşam varlık göstermezken, nasıl oldu da ilk canlılar ortaya çıktı? İşte, çıktılar bir şekilde! Ama nasıl? Fiziksel teorilerle bunu anlayabilir miyiz, yoksa sadece deneye mi başvurmalıyız? Bütün bu soruların henüz kesin bir cevabı yok, ama son birkaç yıl içerisinde yapılan atılımlarla, ciddi fikirlerimiz oluşmaya başladı.
Podcast: Play in new window | Download
Subscribe: RSS
Yeryüzünde canlılığın ortaya çıkışı ile ilgili pek çok teori ve varsayım mevcut. Bunlar arasında en kabul göreni, ki deneysel olarak en azından çalışırlığı gösterilmiş olanı “ilkel çorba modeli”[1]. Ta lisedeki derslerden de hatırlayabileceğiniz gibi, bu teori atmosferdeki karbondioksit ve azot gazları ile okyanuslardaki suların (aynı zamanda su buharının) belli sıcaklıklarda ve belli çevresel etkenlerin varlığı altında, mesela güneşten gelen morötesi ışınlar sayesinde zaman içerisinde organik molekülleri üretmek üzere bir araya geleceği üzerine kurulu. Kısaca hatırlayalım; ilkel atmosferde yoğun olarak karbondioksit, metan ve azot gazları mevcuttu. Aynı zamanda yeryüzünde de sıvı halde su vardı. Ortam şimdikine göre daha sıcaktı ve çok şiddetli yıldırımların oluştuğu, şimşeklerin çaktığı hareketli bir hava durumu vardı. Eğer aynı ortamı bir deney düzeneğinde tekrarlarsanız, ortamdaki gazların su ile tepkimeye girerek öncül amino asitleri ve diğer temel organik bileşikleri oluşturduklarını görürsünüz. Elbette, bu tepkimeler için gereken enerji de ortam sıcaklığı ve yıldırımlar ile sağlanıyor. Ortaya çıkan öncül bileşikler zaman içerisinde bir araya gelerek daha karmaşık yapıları üretiyor. Alexander Oparin ile John Haldene’in geliştirdiği Harold Urey ve Stanley Miller [2] tarafından da doğruluğu test edilen bu model, ilkel yaşamın ne şekilde ortaya çıkmış olabileceğine ışık tutuyor.
Karmaşık organik bileşiklerin varlığı illa ki canlı hayatı göstermiyor. Oluşan bu bileşikler pekala hiçbir canlılık aktivitesi göstermeden de varlıklarına devam edebilir. Yani, doğum, kendi ihtiyacı olan molekülleri üretme, çoğalma ve ölüm. O halde, bunları bir araya getirip canlılığı ortaya çıkaran güç nedir? Aklınızdan geçen her neyse, bunun cevabı termodinamik ve enerji-entropi ilişkisinde gizli.
Hemen kısaca termodinamik ile enerji ve entropiden bu yazı ile ilgili olduğu kadar bahsedelim. Termodinamik, anlam olarak ısı hareketi demektir ve temelde enerjinin, yani iş yapabilme yetisinin nasıl diğer enerji formlarına, özellikle de işe ve ısıya dönüştüğünü inceleyen oldukça kadim bir bilim dalıdır. Entropi ise, termodinamiğin en önemli değişkenlerinden birisi olup sistemdeki düzensizliği ifade etmede kullanılır. Bir sistem ne kadar düzensizse, yani ne kadar çok farklı durumda bulunabiliyorsa, entropisi de o kadar yüksektir. Termodinamiğin dört yasasından bir tanesi enerjinin yoktan var edilip vardan da yok edilemeyeceğini söyler; kısacası enerji kapalı bir sistemde sabittir (eğer evrenimizin dışında bir şey yoksa, evrenin de toplam enerjisi sabittir). İkinci yasa ise, ki aslında bize zamanın akış yönünü verir, kapalı bir sistemdeki entropinin azalmayacağını söyler; ne yaparsanız yapın toplam entropiyi düşüremezsiniz. Yine eğer evrenimiz dışında herhangi bir şey yoksa, evrenin entropisi, yani düzensizliği, sürekli artmak zorundadır. Eğer entropiniz daha fazla artmıyorsa, denge durumu dediğimiz duruma gelmişsiniz demektir, yani artık fiziksel olarak daha başka bir değişim gözlemleyemeyeceksiniz. Canlılar içinse bu, ölüm demek. Entropi ya sabit kalacağı ya da sürekli artacağı için, entropinin artışını izleyerek zamanın hangi yönde aktığına karar verebilirsiniz; eğer odanın için sıktığınız parfüm şişesine geri dönüp orada yoğunlaşmaya başlıyorsa, filmi tersten izliyorsunuz demektir çünkü entropisi daha yüksek olan odaya dağılmış parfüm düzensizliği çok daha az olan şişenin içine geri dönüyor.
Bu noktada, aklımıza gelmesi mümkün ve evrim karşıtı yaradılışçıların pek severek cevaplayamayacağımızı düşündüğü soruya gelelim; hayatın varlığı termodinamiğin ikici yasasına karşı mıdır? Hani düzensizlik sürekli artıyordu? Eğer düzensizlik ha bire artıyorsa, nasıl oluyor da ilkel çorbanın içinden ağzı burnu kulağı olan biz gelişmiş canlılar çıkabiliyoruz? Sonuçta, kendimin bir çorbadan daha düzenli olduğunu rahatlıkla iddia edebilirim.
Oldukça basit ama anlaşılabilir bir yanlış anlaşılmadan çıkan bu sorunun cevabı basitçe “hayır”. Yaşam, termodinamiğin ikinci kanunuyla çelişmez, diğer hiçbir kanunuyla çelişmediği gibi. Entropinin artışı bir yasadır, ama sistemdeki toplam entropiyi düşündüğümüz zaman ortaya çıkar. Yani, siz sistemin toplam düzensizliğini arttırmak kaydıyla istediğiniz bir yerdeki entropiyi düşürebilirsiniz. Misal, suyun donması sonucunda oluşan buzun entropisi de sıvı suya göre daha düşüktür, ama donarken ortaya çıkan ısı, su artı buz artı ortamın toplam entropisini arttırmıştır. Bu şekilde, canlılık da pekala mümkündür.
Yine de, bu soru bizi önemli bir noktaya getiriyor. Her canlı, hayatta kalabilmek için entropi yani düzensizlik üretmek zorundadır. İçinde bulunduğu dünyanın düzensizliğini arttırmak pahasına kendisini bir arada tutabilir. Bu yüzden, her canlıda arayacağımız en temel fiziksel özelliklerden birisi, düzensizlik üretimidir. Şöyle anlamaya çalışalım; bitkiler güneş ışığı altında fotosentez ile karbondioksit ve su kullanarak besin üretirler. Yani, birden fazla karbondioksit ve su molekülünü birleştirip şeker yaparlar. Haliyle, şekerin düzensizliği beş-altı karbondioksit ve su molekülünden oluşan sistemin düzensizliğinden daha azdır. Ancak, hem bu şeker üretimi sırasında ortaya çıkan ısı, hem de süreç içerisinde ortama verilen düşük dalga boylarındaki ışık, bitkinin içinde bulunduğu ortamdaki düzensizliği net olarak arttırır. Kısacası, bitkimiz hayatta kalmak için fotosentez yapmak ve kendi düzensizliğini azaltmak zorunda; ama doğaya karşı gelemeyeceği için de dünyanın düzensizliğini arttırmak durumunda. Dengeye ulaşmamış her sistemin yapmak zorunda olduğu bu duruma kısaca entropi üretimi diyoruz.
İşin içerisine entropi üretimini de katınca, ilkel çorba modelimiz de biraz ilkel kalıyor. Her ne kadar ilk organik moleküllerin üretimini açıklayabilse de, buradan canlılığa giden yol biraz karanlık. Bu yolu bir şekilde aydınlatmamız lazım. Bunun içinse, 2013 yılında yayımlanan bir çalışma umut vadediyor [3].
Canlılığı fiziksel olarak belli bir denklem kümesine indirgemek, yani canlılarda görülen olayları basit fiziksel yasalar ile açıklamak, gözüktüğünden çok daha zor. Bilimin son yüz elli yıl içerisinde gerçekleştirdiği en büyük atılımlardan bir tanesi, pratik olarak sonsuz sayıda parçacığı içeren büyük sistemlerin davranışını istatistiksel olarak anlamlandırmaktır. İstatistiksel fizik olarak bilinen bu dal, ki termodinamik de kendisinin bir alt dalıdır, içinde neredeyse sayamayacağımız kadar çok parçacığın olduğu ve her parçacığın da belli bir kurala/fiziksel yasaya göre hareket ettiği sistemlerin ne gibi özellikler göstereceğini inceler. Örneğin, bir oda dolusu gaz düşünün. İçinde üç aşağı beş yukarı 10^26 tane parçacık vardır; yüz trilyon kere trilyon. Her gaz parçacığı da birbirinin içinden geçmemek kaydıyla rastgele hareket eder. Ama gene de biz istatistiksel fizik kullanarak gazın basıncını hesaplayabiliyoruz, düzensizliğinin yani entropisinin ne olduğunu söyleyebiliyoruz; eğer gaz kimyasal bir tepkimeye girerse hangi molekülden ne kadar elde edeceğinizi de söylüyoruz. Bütün bunları büyük bir rahatlık ve kesinlikle söyleyebiliyoruz; çünkü odanın içerisindeki gaz örneğindeki gibi pek çok sistem artık denge durumuna gelmiştir, yani fiziksel özellikleri zaman içerisinde değişmez, entropisi de sabittir. Biz de, dengeyi çok iyi biliyoruz. Bilmediğimiz, daha doğrusu tamamen aydınlatamadığımız şey, denge dışı sistemlerin, yani fiziksel özellikleri zaman içerisinde değişen, entropi üreten sistemlerin ne şekilde işlediği. Gene odadaki gaz örneğimize dönersek, şimdi camdan içeri birisinin hortumla rastgele gaz pompaladığını ve tavandaki pervaneyi çalıştırdığını düşünün. İşte, biraz önceki o kendine güvenen beni kaybedersiniz.
Neden denge dışı sistemlere geldik? Cevap basit; canlı olmak denge dışı olmak demektir. Popüler siyasi tabirle, canlılığın fıtratında denge dışı olmak ve haliyle de sürekli entropi üretmek vardır (gerçekten). O zaman, denge dışı bir sistem olarak canlılığın nasıl ortaya çıktığını açıklayacak fiziksel bir kurama ihtiyacımız var.
2013 yılında yayınlanan bir çalışmaya göre, bu kuramı bulmuş olabiliriz. Bu çalışmada gösteriliyor ki, eğer siz bir grup atomu alıp, aynen hem ilkel dünyada hem de şimdi olduğu gibi bir enerji kaynağına bağlarsanız, bu atomlar zaman içerisinde pekala bir araya gelip entropi üreten atom kümeleri meydana getirebilir. Oldukça önemli bir gelişme bu; çünkü bu sayede belki de ilkel çorbadaki amino asitlerin vs. nasıl olup da canlılık gösteren varlıklara dönüştüklerini anlayabiliriz. Çalışmanın yazarı MIT’den fizik profesörü Jeremy England’ın sözüyle “Bir grup atomu bir araya getirip güneş altında yeterli süre bekletirseniz, bir bitki elde etmeniz hiç de şaşırtıcı olmayacaktır.”[4]
Biraz daha anlamaya çalışalım. Yeni kuramımız bize bir grup atomun belli şartlar altında bir araya gelerek entropi üreten kümeler yaratacağını söylüyor. Peki neden? Hatırlayalım, entropi sistemdeki düzensizliğin, yani sistemin ne kadar farklı olası hali olduğunu gösteren fiziksel büyüklüğümüzdü ve sürekli ama sürekli artmak istiyordu. Eğer atom çorbasının içinde rastgele hareket eden parçacıklar beraber daha çok entropi üretebilecekleri bir yapıya dönüşüyorlarsa, neden bu yapı kalıcı olmasın? Doğanın istediği oluyor; siz daha fazla düzensizlik üretiyorsunuz, ama bunu yapabilmek için de bir grup atomun yoldaşlığına ihtiyacınız var. Şartlar uygunsa ve bekleyecek zamanınız varsa, ki doğa milyonlarca yıldır bekliyor, o zaman entropi üreten ufak yapıların oluşmasında şaşılacak bir şey, ilahi bir dokunuş yok. İlkel çorba teorisi sadece organik bileşiklerin nasıl oluştuğunu açıklarken, bu kuram o bileşiklerden hayatın nasıl oluşmuş olabileceğini temel fizik yasalarını kullanarak gösteriyor.
Devam edelim, canlı olmak demek sadece entropi üretmek demek değildir; aynı zamanda çoğalmak zorundasınız. Doğada varolmak istiyorsanız, üremek zorundasınız. Üremek ise, en azından bu ilkel çorbada ve bir grup atomla illa üreme organları ile olmak zorunda değil. Eğer ortamda bir araya gelebilecek atomlar varsa, bunlar birden fazla küçük küme oluşturabilir. Gene geçtiğimiz sene yayınlanan bir çalışmaya göre [5], araştırmacılar belli özelliklere sahip atomların sıvı bir ortam içerisinde kümelenerek düzenli ve kararlı yapılar oluşturduklarını gösterdiler. Kısacası, sadece canlılar değil, canlı olmayan sistemlerde de bu tür kümelenmeleri ve entropi üretimini görebiliriz.
Hal böyle olunca, aslında doğal olarak belli ortamlarda atomların bir araya gelerek düzenli kümeler oluşturduklarını ve bu kümelerin de sürekli olarak entropi üreterek dengeye ulaşmaya çalışan sistem içinde varlıklarını sürdürdüklerini görüyoruz. Dahası, bu sistemler birden fazla olabiliyorlar, sanki üremiş gibi etrafa yayılabiliyorlar. Elimizde bunların gerçekleşmesini açıklayan, denge dışı sistemlerin hareketi üzerine kurulu iyi bir fiziksel kuram da var. Peki, geriye ne kaldı?
Bu noktada belki biraz spekülatif olacak ama, evrim teorisini nereye yerleştirebiliriz? Yeni kuramlarımız ve deneylerimiz evrim ile çelişiyor mu? Açıkçası, şu an için hiçbir çelişki yok. Atom kümelerinin çalışmada gösterilen özelliklerinden bir tanesi de, entropi üretiminin küme boyutu ve kümenin dış etkenlere karşı direnci arttıkça artıyor olması. Bu yüzden, daha fazla entropi üretmek istiyorsak, boyutumuzu da belli bir seviyenin üstüne çıkarmamız gerekiyor. Dahası, bu yapıların oluşmak için dışarıdan bir enerji kaynağına ihtiyaç duyduklarından bahsetmiştim. Dolayısıyla, bu enerji kaynaklarını daha iyi kullanabilen, bu kaynakların özelliklerine uyacak şekilde oluşmuş yapıların diğerlerine göre daha şanslı olacaklarını kestirmek güç değil. Eğer temel görüş güçlünün hayatta kalmasıysa, entropi üreten atom kümelerinde de hem dış enerji kaynakları, hem de ortamda bulunan atomları/molekülleri yapılarına katmak için bir “savaş” görmemiz olası. Sonuç olarak, ortama en iyi uyum sağlayan kümeler büyümeye ve kendilerine benzer yapıların oluşmasına ön ayak olmaya devam edecek, diğerleri ise ya sistem içerisinde çok küçük roller üstlenebilecek ya da zaman sürecinde sistem içerisindeki enerji ve parçacık dalgalanmalarına yenik düşüp küme yapılarını kaybedecektir. Bu şartlar altında, evrim teorisi hem kurama çok güzel uyuyor, hem de sadece canlıları ilgilendiren bir teori olarak, daha genel bu kuramın doğal bir sonucu olarak ortaya çıkıyor.
İşin henüz çok başındayız, ancak bu yeni kuramı ve getirdiklerini doğrulamak veya yanlışlamak için pek çok deneyin mümkün olduğunu ve bunların da hali hazırda yürütülmekte olduğunu söyleyebilirim. Her ne kadar hala yanlışlanma ihtimali olsa da, bu yeni kuramın bilim dünyasında yeni ufuklar açacağı ve çok daha iyi gelişmeleri beraberinde getireceği aşikar.
Kaynaklar:
1-http://en.wikipedia.org/wiki/Primordial_soup
2-http://en.wikipedia.org/wiki/Miller%E2%80%93Urey_experiment
3-England, Jeremy L. “Statistical physics of self-replication.” The Journal of chemical physics 139.12 (2013): 121923.
4- A New Physics Theory of Life, Quanta Magazine. https://www.quantamagazine.org/20140122-a-new-physics-theory-of-life/
5- Zeravcic, Zorana, and Michael P. Brenner. “Self-replicating colloidal clusters.” Proceedings of the National Academy of Sciences 111.5 (2014): 1748-1753.
Yorum Ekle