Canlılığın Cansızlıktan Evrimine Fiziksel Temel Keşfedilmiş Olabilir!

Fotoğrafta gördüğünüz Jeremy England. MIT’de 31 yaşında bir fizikçi, kendisi yaşamın kökenini ve evrimini yönlendiren temeldeki fiziği bulduğunu düşünüyor. Kendisinin laboratuvarına buraya tıklayarak ulaşabilirsiniz.

Yaşam neden vardır?

Popüler hipotezler bir ilkin çorbaya, yıldırım düşmelerine ve şaşırtıcı derecede bir şansın varlığına itibar etmektedir. Fakat, eğer yeni ortaya çıkartılan kışkırtıcı bir teori doğruysa, şansın etkisi çok aza iniyor. Öyle ki, düşünceyi sunan fizikçilere göre yaşamın kökeni ve devamındaki evrimi, doğanın temel yasalarını takip ediyor ve bir kayanın tepeden yuvarlanması kadar “az şaşırtıcı” olmalı.

Fiziğin bakış noktasından, yaşayan şeylerle cansız karbon atomları yığınlarının arasında esaslı bir fark bulunmakta: İlki çevresinden enerjiyi yakalamakta ve enerjiyi ısı olarak yaymakta diğerine göre daha başarılı. Massachusetts Teknoloji Enstitüsünde 31 yaşında bir profesör olan Jeremy England, bu kapasiteyi açıkladığını düşündüğü matematiksel bir formül geliştirdi. Fiziksel dayanaklara bağlı olan formül, bir grup atomun bir dış enerji kaynağı ile (güneş ya da kimyasal yakıt gibi) yönlendirildiğinde ve bir ısı banyosu ile çevrelendiğinde (okyanus ya da atmosfer gibi) giderek artan miktarlarda enerji yaymak için kendisini derece derece yapılandırdığını gösteriyor. Bu demektir ki uygun koşullarda madde, yaşamla ilintili olan anahtar fiziksel nitelikleri hiç acımadan elde ediyor.

“Rastgele bir atom yığınını alarak başlarsınız ve üzerlerine yeterince uzun miktarda gün ışığı tuttuğunuzda bir bitki elde etmeniz hiç de şaşırtıcı olmaz.” diyor England.

England’ın teorisi, yaşamın genler ve popülasyonlar düzeyinde çok güçlü bir açıklamasını sunan Darwin’in doğal seçilimle evrim teorisinin yerini almaktan çok, onu vurgulamakta ve zemin sağlamakta. “Ben kesinlikle Darwin’in düşüncelerinin yanlış olduğunu söylemiyorum.” diye açıklıyor. “Aksine, sadece diyorum ki, fiziksel perspektiften, Darwinci evrim görüşünü daha genel bir fenomeninin özel bir noktası olarak görebilirsiniz.”

England’ın düşüncesi, son zamanlardaki bir makalede detaylandırılmış ve dünyanın çeşitli noktalarındaki üniversitelerde vermiş olduğu konuşmalarından birinde daha açıkça anlatılmış olmakla birlikte, bu araştırmanın temellerinin sağlam olmadığını düşünen veya büyük bir buluş olduğunu ya da her ikisi de olduğunu düşünen çalışma arkadaşları arasında da tartışmaları ateşlemiş. 

England’ın “çok cesur ve çok önemli bir adım” attığını söyleyen New York Üniversitesinden fizikçi Alexander Grosberg, çalışmayı başlangıç aşamalarından itibaren takip etmiş. “Büyük umut” olarak England’ın yaşamın kökeni ve evrimini yöneten fiziksel prensibi belirlediğini söylüyor Grosberg.

“Jeremy şu ana kadar rastladığım en parlak genç bilimci.” diyor Attila Szabo, England’la bir konferansta karşılaştıktan sonra teorisine katkıda bulunmuş, kendisi Ulusal Sağlık Enstitüsündeki Kimyasal Fizik Laboratuvarında bir biyofizikçi. “Düşüncelerinin orjinalliği beni etkiledi.” diyor.

Diğerleri, örneğin Eugene Shakhnovich, Harvard Üniversitesinden bir biyofizik, kimyasal biyoloji ve kimya profesörü, ikna olmayanlardan. “Jeremy’nin düşünceleri ilginç ve umut vaad edici, ancak bu noktada çok fazla spekülatif (söylemsel) ve özellikle yaşam fenomenine uyarlandığında durum böyle.” şeklinde konuşuyor Shakhnovich.

England’ın teorik sonuçları genel olarak anlamlı düşünülüyor. Kendi yorumu olan ve formülün doğada yaşamı içine alan fenomenleri kapsadığını öngören yorumu ise kanıtlanmamış kalan kısım. Fakat laboratuarda bu yorumun nasıl sınanacağına dair düşünceler çoktandır mevcut.

“Kökten farklı bir şey deniyor.” diyor Mara Prentiss, England’ın çalışmasını öğrendikten sonra böyle bir deneye kafa yoran Harvard’dan bir fizik profesörü. “Bir lensi organize etmek olarak, sanırım inanılmaz bir fikri var. Doğru ya da yanlış... Araştırmaya gerçekten değer olacak.”

England’ın çalışmasının kalbinde termodinamiğin ikinci yasası yatıyor; yasa ayrıca yükselen entropi veya “zamanın oku” olarak da biliniyor. Sıcak nesneler soğur, gaz hava içinde dağılır, yumurtalar pişer fakat asla kendiliğinden çiğ haline geri dönmez; kısaca, enerji, zaman ilerledikçe yayılır veya genişler. Entropi bu eğilimin bir ölçeğidir, bir sistem içindeki partiküller arasında enerjinin nasıl dağıldığını ve bu partiküllerin uzayda nasıl yayıldığını hesaplar. Basit bir olasılık olarak artan şudur: Enerjinin konsantre olmasındansa, yayılması için daha fazla yol vardır. Bu yüzden, sistemde hareket halinde ve etkileşimde olan partiküller, tam anlamıyla şans yoluyla, enerjinin yayıldığı haliyle şekil almaya meyillidirler. En sonunda, sistem bir maksimum entropi durumuna ulaşır ve adına “termodinamik eşitlik” de denen enerjinin eşit olarak dağılımı gerçekleşir. Bir bardak kahvenin ve içinde bulunduğu odanın sıcaklıkları aynı seviyeye gelir, örneğin. Kahve, odadan çıkarılsa bile bu geri dönüşümsüz bir olaydır. Kahve asla kendiliğinden ısınarak sıcaklığını yükseltmez çünkü üstünlük çok kararlı bir biçimde odanın rastgele bir şekilde atomlarında konsantre olmuş enerjisinden yana geçmiştir. 

Entropi izole ya da “kapalı” bir sistemde zaman içersinde yükselmek zorunda olsa da, “açık” bir sistem kendi entropisini düşük tutabilir, -yani, enerjisini atomları arasında dengesizce bölüştürerek- etrafındakilerin entropisini yüksek ölçüde artırarak. 1944’teki ilham veren tek konulu yazısı (monograf) “Yaşam Nedir?”de seçkin kuantum fizikçisi Erwin Schrödinger bunun canlıların yapması gereken bir şey olduğunu açıklar. Bir bitki, örneğin, aşırı derecede enerjili gün ışığını emer ve bunu şeker yapımı için kullanır; bu arada enerjinin çok daha az konsantre halini barındıran kızılötesi ışınları eler. Evrenin toplam entropisi fotosentez boyunca gün ışığı dağıldıkça yükselir, bu arada bitki, düzenli bir iç yapı oluşturarak kendisini çürümekten korur.

Yaşam termodinamiğin ikinci yasasını ihlâl etmez, ancak son zamanlara kadar, fizikçiler neden entropinin yükselmesi gerektiğini açıklamak için termodinamiği kullanamıyorlardı. Schrödinger’in zamanında, sadece kapalı sistemler için eşitlikleri çözebiliyorlardı. 1960’larda, Belçikalı fizikçi Ilya Prigogine, kimyada 1977 yılında Nobel ödülü almasını sağlayan ve dış enerji kaynakları tarafından zayıf bir şekilde yönetilen açık sistemlerin davranışlarını tahmin etmek konusundaki gelişmeye imza attı. Fakat eşitliğin çok ötesinde bulunan sistemlerin davranışları, dış enerji kaynakları tarafından çok güçlü bir biçimde yönetilen çevreyle bağlantılı oldukları için çözülememekteydi.

Bu durum 1990’ların sonlarında, şu anda Maryland Üniversitesinde olan Chris Jarzynski’nin ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarındaki Gavin Crooks’un ilkin çalışmalarına bağlı olarak değişti. Jarzynski ve Crooks bir bardak kahvenin soğuması gibi, termodinamik bir süreç tarafından üretilen entropiyi basit bir oransal karşılığı bulunacak şekilde gösterdiler: süreci işleten atomların olasılığının sürecin kalanını yürüten atomların varlığına bölünmesi (yani, kendiliğinden kahvenin ısınmasıyla etkileşimli olacak şekilde). Entropi üretimi yükseldikçe, bu oran da yükselmektedir: Bir sistemin davranışı giderek daha fazla “geri dönüşümsüz” hale gelir. Basit fakat gösterişli formül, prensipte her hangi bir termodinamik sürece uyarlanabilir, eşitlikten ne kadar uzakta ya da farklı olduğunun önemi olmadan. “Eşitlikten uzak istatistiksel mekanik anlayışımız müthiş oranda gelişti.” diyor Grosberg. Biyokimya ve fizik alanında eğitim alan England, MIT’de kendi laboratuarını 2 yıl önce oluşturdu ve istatistiksel fiziğe dair yeni bilgileri biyolojiye uygulamaya karar verdi. 

Jarzynski ve Crooks formülasyonunu kullanarak belirli karakteristiklere sahip partikül sistemlerini içine alan termodinamiğin ikinci yasasının genelleştirilmesi sonucuna ulaştı: Sistemler güçlü bir şekilde bir dış enerji kaynağıyla yoğruluru, elektromanyetik dalgalar gibi, ve üzerlerindeki enerjiyi etraflarındaki banyoya aktarabilirler. Bu sınıftaki sistemler bütün yaşamsal formları içerirler. England daha sonra bu sistemlerin zaman içinde geri dönüşümsüzlükleri artarken nasıl evrimleşemeye meyil kazandıklarını belirledi. Bunu şöyle açıklıyor:

Formülden çok basitçe gösterebiliriz ki, daha olası evrimsel sonuçlar, buna ulaşmak için çevredeki dış enerji kaynaklarından daha fazla enerji emmiş ve enerjiyi yaymış olanlar olacaktır. Bulgular bir sezgiye yol açmakta: Bir yönetici güç ile uyarıldıklarında ya da itildikleri yönde hareket eden partiküller daha fazla enerjiyi yaymaya meyilli oluyorlar ve herhangi bir anda o yönde ilerlemeye daha fazla ihtimalleri oluyor. Bu demek oluyor ki, belirli derecede bir banyoyla, örneğin atmosfer veya okyanus ile çevrili atomlar yığını, zaman içinde kendilerini çevrelerindeki mekanik, elektromanyetik veya kimyasal hallere daha iyi refleks vermeye meyilli yapıyorlar.

Kendi kendini replikasyon (ya da biyolojik terimiyle üreme), dünyadaki yaşamın evrimini yönlendiren süreç, işte böyle bir mekanizmadır ve zaman içinde artan miktarlarda enerji yayabilen bir sistem şeklinde işliyor. England’ın ortaya koyduğu üzere, “Daha fazla yaymanın harika bir yolu da kendinizden daha çok kopya yapmanızdır.” England, Kimyasal Fizik Dergisi’nin (Journal of Chemical Physics) Eylül sayısındaki makalesinde, RNA moleküllerinin ve bakteriyel hücrelerin kendi kendilerini çoğaltırken (self replikasyon) teorik olarak yaydıkları minimum yayım enerjisi miktarını tespit etti ve bu miktarın sistemler eşlenirken (replike olurken) yaydıkları enerjinin gerçek miktarına çok yakın bir miktar olduğunu gösterdi. England ayrıca, DNA bazlı yaşamın öncülü olarak hizmet etmiş olduğuna birçok bilim insanınca inanılan RNA’nın, inşa maddesi olarak özellikle çok daha ucuz olduğunu gösterdi. RNA ortaya çıktığında, bunun “Darwinci kontrolü” belki çok da sürpriz olmadı diye fikir öne sürüyor England.

İlkin çorbanın kimyası, rastgele mutasyonlar, coğrafya, felâket getiren olaylar ve daha sayısız etken Dünyanın geniş flora ve faunasının oluşumuna detaylar katmıştır. Fakat England’ın teorisine göre, bütün sürecin altında yatan prensip, maddenin yayılmacılıkla yönlendirilen uyumlanma mekanizması. 

Bu prensip cansız maddeye de uyarlanabilir. “Bu yayılmacılıkla yönlendirilen uyumlanma organizasyonunun büyük çatısı altında, doğadaki hangi fenomeni açıklayabileceğimiz hakkında söylemlerde bulunmak çok heyecanlandırıcı.” diyor England. “Birçok örnek aslında bizim tam da burnumuzun dibinde olabilir fakat onları aramadığımız için fark etmemiş olabiliriz.”

Bilim insanları cansız sistemlerde kendi kendine üremeyi çoktan gözlemlediler. Ağustos’ta Physical Review Letters’da yayınlanan ve Kaliforniya Berkeley Üniversitesinden Philip Marcus tarafından yönetilen yeni bir çalışmaya göre türbülans halindeki akışkanlardaki girdaplar etraflarındaki akışkanda meydana gelen rüzgâr hızı değişimlerinden enerji alarak kendilerini yeniler ve çoğalırlar. Harvard Üniversitesinden uygulamalı matematik ve fizik profesörü Michael Brenner ve çalışma arkadaşları, PNAS’ta bu hafta yayınlanan makalelerinde mikroyapıların kendi kendilerine üremelerine dair simülasyonlar ve teorik modellemeler sundular. Bu özel olarak kaplanmış mikrokürelerden oluşan kümeler yakınlarındaki küreleri yakalayarak ve benzer bir şekle sokarak enerji yayıyorlar. “Bu, Jeremy’nin dediğine çok iyi bağlantılandırılabilecek bir durum.” diyor Brenner.

Kendi kendini üretimden öte, çok daha büyük yapısal organizasyonlar bir başka anlamıyla güçlü bir şekilde yönlendirilen sistemler, enerji yaymak için yeteneklerini artırıyor demektir. Bir bitki, örnek olarak, güneş enerjisini kendi içinden geçerken yakalamakta ve yönlendirmekte, yapılanmamış karbon atomları yığınına göre çok daha başarılıdır. Bu yüzden England maddenin kendi kendini belli koşullar altında organize edeceğini öne sürüyor. Bu eğilim canlıların iç düzenlerinde ve çoğu cansız yapıda da dikkate alınabilir. “Kar taneleri, kum tepeleri ve türbülans halindeki girdaplar, hepsi ortak paydada çok iyi yönlendirilmiş yapılardır ve çok partiküllü sistemlerdeki bazı yayılımcı süreçlerin kontrolünde ortaya çıkarlar.” diye belirtiyor England. Yoğunlaşma , rüzgâr ve viskoz sürüklenme bu özel durumlarla ilgili süreçlerdir.

“Bu çalışma canlı ve cansız maddeler arasındaki ayrımın çok da keskin olmadığını düşünmeye itiyor beni.” diyor bir e-postasında Cornell Üniversitesinden biyolojik fizikçi Carl Franck. “Özellikle bu kavrayışla, birkaç biyomolekülü içeren kimyasal döngüler kadar küçük sistemlerin de düşünülebilmesi beni etkiledi.”

England’ın cesur fikri önümüzdeki yıllarda büyük ihtimalle dikkatli incelemeye tabi tutulacak. Partikül sistemlerinin yapılarına uyumlanarak enerji yaymada daha başarılı olmalarına dayalı teorisini test etmek için kendisi de şu sıralarda bilgisayar simülasyonları oluşturuyor. Bir sonraki adım ise bu deneyleri canlı sistemlerde yürütmek olacak.

Harvard’da deneysel biyofizik laboratuvarını yürüten Prentiss, England’ın teorisinin farklı mutasyonlara sahip hücrelerin yaydıkları enerji miktarıyla replikasyon hızları arasındaki bağlantıyı inceleyerek test edilebileceğini söylüyor. “Çok dikkatli olunmalı çünkü herhangi bir mutasyon çok fazla şey yapabilir.” diyor. “Fakat farklı sistemlerde bu deneylerden çok sayıda yapılabilirse ve eğer [yayılım ve replikasyon başarısı] gerçekten bağlantılıysa, bu durum doğru organizasyonel prensip olduğunu gösterir.” 

Agora Bilim Pazarı

Elektronik Cihazlar ve Devre Teorisi (Boylestad, Nashelsky)

ISBN: 9786054414321
Sayfa Sayısı: 896
Ebatlar: 13.5×20 cm
Basım Yılı: 2015

Devamını Göster

₺890.00

Satın Al Tüm Ürünler

• Dış Sitelerde Paylaş

Brenner ise England’ın teorisini kendi mikroküre yapımı çalışmalarına bağlamayı umuyor ve teorinin, meydana gelebilecek hangi kendi kendini üretim ve kendi kendini oluşturma sürecini doğru bir şekilde tahmin edip edemeyeceğini belirlemek istiyor ve bunun “bilimin temel sorularından bir tanesi” diyor. 

Çok sayıda araştırmacı, yaşamın ve evrimin çok kapsayıcı bir prensibine sahip olmanın, araştırmacılara canlılardaki yapıların ve işlevlerin ortaya çıkışı üzerine daha geniş bir bakış açısı sunabileceğini söylüyor. “Doğal seçilim belli karakteristikleri açıklamaz.” diyor Oxford Üniversitesinden biyofizikçi Ard Louis bir e-postasında. Bu karakteristikler arasında metilasyon olarak adlandırılan aktarılabilir gen ifadesi değişiklikleri, doğal seçilimin yokluğunda karmaşıklıktaki artış ve Louis’in son zamanlarda çalıştığı belli başlı moleküler değişiklikler de var.

Eğer England’ın yaklaşımı tabi tutulduğu testlere karşı ayakta durabilirse, biyologları her uyumlanma süreci için Darwinci açıklama aramaktan daha da kurtaracak ve onlara yayılımla yönlendirilen organizasyonlar bağlamında daha genel bir düşünme alanı sağlayacak. Louis’in dediğine göre biyologlar örneğin; “Bir organizmanın X karakterini göstermeyi Y karakterine tercih etmesi, X’in Y’den daha uyumlu olması yüzünden değil, aksine fiziksel koşulların ve engellerin X’in evrimleşmesini Y’nin evrimleşmesinden daha kolay hale getirmesi yüzündendir.” şeklinde bulgular elde edebilirler.

İnsanlar sık sık özel problemler hakkında düşünmeye takılıp kalmışlardır.” diyor Prentiss. England’ın düşünceleri tam olarak doğru olsun ya da olmasın, “daha geniş düşünmek, bilimsel dönüm noktalarının bulunduğu yerdir.