Evrim Ağacı
Reklamı Kapat

Entropi ve Biyoloji: Fiziğin En Temel Yasalarından Birisi, Canlılığı Nasıl Yönlendiriyor?

Entropi ve Biyoloji: Fiziğin En Temel Yasalarından Birisi, Canlılığı Nasıl Yönlendiriyor?
Tavsiye Makale
Reklamı Kapat

Bu yazı, Evrim Ağacı'na ait, özgün bir içeriktir. Konu akışı, anlatım ve detaylar, Evrim Ağacı yazarı/yazarları tarafından hazırlanmış ve/veya derlenmiştir. Bu içerik için kullanılan kaynaklar, yazının sonunda gösterilmiştir. Bu içerik, diğer tüm içeriklerimiz gibi, İçerik Kullanım İzinleri'ne tabidir.

Entropi, bir sistemin düzensizliğinin ve rastgeleliğinin ölçüsü olarak tanımlanabilir. Odanızın dağınık halinin düzensizlik seviyesi, toplu halinden daha fazladır. Bir poşetin içindeki gaz moleküllerini hayal edin. Gaz moleküllerinin hareketini gözlerinizin önüne getirin; moleküller bir köşeye doğru hareket ederse düşük entropi durumu, poşette dağılmış bir şekilde hareket ediyorlarsa da yüksek entropi durumu söz konusu olacaktır.

Peki, Termodinamiğin İkinci Yasası ile ilgili olan bu kavramın, biyolojiyle ilgisi nedir?

Chargaff Kuralları: DNA Simetrisi ve Entropi

DNA’daki nükleotitlerin yapısında Adenin (A), Guanin (G), Sitozin (C) ve Timin (T) adı verilen organik bazlar bulunur. DNA molekülü, 19. yüzyılda keşfedildiğinden beri birçok bilim insanı tarafından incelenmişti. Bu molekül üzerinde çalışmalar yürüten bilim insanlarından biri olan Erwin Chargaff, 1949-1951 yılları arasında yapmış olduğu incelemeler sayesinde Chargaff Kuralları olarak bilinen bir yasalar bütünü tanımlamıştır.

  • Birinci kurala göre, Guanin bazları sayısı, Sitozin bazlarının sayısına ve Timin bazlarının sayısı, Adenin sayısına eşit olmalıdır, yani: A = T ve G = C
  • İkinci kurala göre, pürinlerin (bu durumda Adenin ve Guanin) miktarı, pirimidinlerin (Timin ve Sitozin) miktarına eşit olmalıdır: A + G = T + C
  • Üçüncü kurala göre de, amino gruplu bazların (Adenin ve Sitozin) ve keto gruplu bazların (Guanin ve Timin) toplamı eşit olmalıdır: A + C = T + G

1968 yılında, Erwin Chargaff, çift sarmalDNA molekülünün bir sarmalında Adenin sayısının Timin sayısıyla ve Guanin sayısının Sitozin sayısıyla neredeyse aynı olduğunu keşfetmişti. Böyle bir DNA simetrisinin nedeni yakın zamana kadar açıklanamamıştı. Bazı araştırmacılar, Chargaff’ın ikinci kuralını açıklayabilmek için bir matematiksel model tasarladılar.

Teorik fizikçiler, antropologlar ve biyologlar dahil olmak üzere birçok araştırmacı birlikte çalışarak, DNA’da meydana gelen bu simetrinin aslında çift sarmalların baskısı ve maksimum entropi ilkesinden kaynaklandığını keşfetti. Elde ettikleri sonuçlar, canlı organizmaların evrimi sırasında DNA molekülündeki çift sarmalın entropisini artıran süreçlerin avantajlı olduğunu gösteriyor.

Bilim insanları, entropi üzerinden DNA ile ilgili başka bir çalışma daha yürütmüştü. Topolojik ve genelleştirilmiş topolojik entropiyi kullanarak DNA dizilerinin karmaşıklığını hesapladılar. Ekzonların (DNA’da protein kodlayan bölüm) ve intronların (kodlanmayan DNA bölümü) dijitalleştirilmiş entropi değerlerini karşılaştırarak, birbirlerinden çok farklı olduklarını gördüler.

Entropinin Dokuların Oluşmasındaki Rolü

Dokuları, aynı görevi gören hücre topluluklarının oluşturduğunu biliyoruz. Yakın bir zamana kadar hücrelerin, böyle yapıları sadece hücreler arası doğrudan temasla ve biyokimyasal süreçlerin yardımıyla oluşturdukları düşünülüyordu. Bilim insanlarının sürdürdüğü bir araştırmada bunun aslında öyle olmadığı anlaşıldı.

Amerika’dan, İtalya’dan, İran’dan ve Hollanda’dan araştırmacılar, ‘’temas yönlendirmesi’’ olarak adlandırılan olayın aslında entropiye de bağlı olduğunu keşfetmişlerdi. Temas yönlendirmesi, hücrelerin anizotropik bir ortamda belirli bir yöne doğru hareket etmesi olayıdır. Bu olayın, doku gelişiminde ve homeostazında önemli bir rolü var.

Araştırmada, fibronektinden yapılmış mikropatern kanalları içeren substratlarda insan kas hücreleri, birbirlerine temas etmeyecek şekilde yerleştirilmişti. Hücreler yaklaşık 160 mikron çapındaydı ve 50, 160 ve 390 genişliğinde kanallarda teker teker gözlemlendiler. Gözlemlerinin sonucunda, daha dar kanallarda bulunan hücrelerde ‘’temas yönlendirmesinin’’ gerçekleştiğini fark ettiler; çünkü daha dar ortamlara uyum sağlamak için, hücreler şekil ve enerjilerini değiştirmek durumundalar.

Evrim Ağacı'ndan Mesaj

Ancak daha geniş kanallarda da bu olayın gerçekleşmesinin nedeni, araştırmacılara göre, entropi artışıydı. Şöyle yazıyorlar:

Hizalı bir sistemin maksimum düzensiz olması size mantıksız gelebilir, ama bu durumda, en hizalı sistem, en düzensiz olanıdır.

Bunu bir örnekle açıkladılar: Bir kibrit kutusu düşünün. Kutuyu salladığınızda, kibritler kutunun kenarına dizilecektirler.

Science

En Büyük Biyolojik Gerçek: Entropi, Yaşlanma ve Ölüm

Yaşlanma kaçınılmazdır; çünkü fizik bize hiçbir şeyin sonsuza kadar sürmeyeceğini söyler.

Bu iddia, Termodinamiğin İkinci Yasası ile ilgilidir: Kapalı sistemlerde düzensizlik zamanla sürekli artar. Fakat canlılar kapalı sistem değildirler, enerjiyi dış ortamdan alıp düzensizliği (entropiyi) dış ortama salabilirler. Canlılar gibi açık sistemlerin kendini onarmaması için hiçbir neden yoktur. 19. yüzyılda termodinamik yasaları ileri sürüldüğünden beri, yaşlanma sürecinin fizik aracılığı ile açıklanamayacağı anlaşılmıştır. Yoksa öyle değil mi?

Biyolojik yaşlanma sürecinin temelinde, moleküler yapıların ve dolayısıyla işlevlerin değişimi vardır. Bu değişiklikler, entropik değişimlerin sonucunda gerçekleşir. Termodinamiğin İkinci Yasası’nın yalnızca kapalı sistemler için geçerli olduğu inancını ters çeviren bazı bilim insanları, bunun biyolojik yaşlanmayla ilgisi üzerinde çalışmalar yürütmüştü.

Entropi, aslında sistemin açık veya kapalı olmasına bağlı olmadan, yoğunlaşmış enerjinin dağılması anlamına geliyor. Evrim sürecinde doğal seçilim, enerji durumuna, birçok molekülün "uygunluğunu" olgunlaşma dönemine kadar koruma kabiliyeti vermiştir. Oysa enerji dağılımı, biyolojik olarak arızalı veya inaktif moleküllere yol açabilir.

Yaşlanma süreci, tam da bu nedenle gerçekleşir: Biyomoleküllerin değişen enerji durumları, onları ya arızalı ya da inaktif hale getirir. Bu süreçler, yaşlanma süreci gerçekleşmeden önce de meydana gelir; fakat o zaman, onarım süreçleri moleküllerin işlevini yerine getirmesi adına vücudun dengesini sürdürebilir – öyle olmasaydı, türler yok olurdu.

Üretkenlik veya doğurganlık döneminin ardından canlı organizmalarda mevcut bu denge yavaş yavaş bozulur ve moleküllerin, değişen enerji durumlarından dolayı inaktif hale gelmesi gittikçe daha olası bir hal almaya başlar. Dengenin bozulmasıyla ve moleküler ‘’uygunluk’’ kaybının gittikçe artmasıyla, vücut bağışıklığı gittikçe zayıflamaya başlar.

Enzim Katalizi Hipotezi Neden Hatalıydı?

Entropik etkilerin, uzun zamandır, enzimlerin olağanüstü katalik güçlerine katkıda bulunduğu düşünülüyordu. Enzimlerin, substratın serbest bağlanma enerjisinin bir kısmını, kimyasal dönüşümle ilgili entropi azalışını düşürmek için kullandığı varsayımı, dikkate alınan bir hipotezdi.

Sitidin deaminaz (İng: "Cytidine deaminase") enziminin geçirdiği enzim reaksiyonu buna bir örnek olabilir. Bu reaksiyonda substratların bağlanması, yüksek seviyeli entropi kaybına neden oluyor; öyle ki, hız sınırlayıcı bu katalitik aşamada aktivasyon entropisi sıfıra yaklaşıyor.

Araştırmacılar, sitidin deaminaz reaksiyonunun bilgisayar simülasyonunu oluşturdu. Simülasyon incelemesinin sonuçları, gerçekten de entropinin 0’a yaklaştığını göstermişti.

Ama bu etkinin temelinde yatan neden, katalizsiz reaksiyonla karşılaştırıldığında, reaksiyon mekanizmasının değişmesiydi. Yani bunun entropinin azaltmasını olabildiğince hafifletmek için kullanılan serbest bağlanma enerjisiyle değil de, önceden düzenlenmiş aktif bir noktanın, işlevsel olmayan bir reaksiyon zincirini stabilize etmesiyle ilgili.

Quanta Magazine

Canlı Sistemlerde Entropinin Önemi Hakkında Birkaç Örnek

Entropinin canlı sistemler için neden önemli olduğu üzerinde araştırmalar yapan ve bu konuda bir makale yayınlamış olan araştırmacıların vermiş olduğu örnekler arasında proteinlerin yapısı vardı. Entropi, araştırmalara göre, proteinlerin üç boyutlu şekil almasındaki en büyük etken. Gelişmiş protein yapısında, su molekülleri, hidrofobik (moleküllerin sudan kaçınma durumu) amino asit kalıntılarının yan zincirlerinin çevresinde düzenlenir. Bu, suyun entropisinin azalmasına neden olur. Sudaki entropi azalmasını önlemek için protein molekülleri kendilerini öyle katlarlar ki, entropi azalışından sorumlu olan hidrofobik amino asit kalıntıları yok edilir ve katlanmış protein yapısının iç kısmına yerleşir. Protein molekülü katlandığında kendi entropisini azaltır.

Vücudumuz, düzenli bir açık sistem olarak sayılabilir. ‘’Yaşam’’ ve ‘’ölüm’’ arasındaki çizgiyi belirleyen şey, düzensizlik veya ‘’düzenlilik’’ seviyesi. Yaşam, düzenli moleküllerin birikimi, ölüm ise bu moleküllerin düzensiz hallerinden ibaret. Canlı organizmalar, Termodinamiğin İkinci Yasası’nın uygulamasını düzenli olarak ertelerler. Bu süreç, vücuttaki entropi seviyesini düşürüp çevremizin entropi seviyesini artırarak gerçekleşir. Canlılar, yaşam ortamlarından enerji alırlar, bu enerjiyi vücut fonksiyonlarını gerçekleştirmede kullanır ve ‘’harcanmış’’ entropiyi ortama geri salırlar.

Bu İçerik Size Ne Hissettirdi?
  • Muhteşem! 7
  • Tebrikler! 5
  • Bilim Budur! 5
  • Merak Uyandırıcı! 4
  • Umut Verici! 2
  • İnanılmaz 1
  • Grrr... *@$# 1
  • Mmm... Çok sapyoseksüel! 0
  • Güldürdü 0
  • Üzücü! 0
  • İğrenç! 0
  • Korkutucu! 0
Kaynaklar ve İleri Okuma
  • M. R. Hestericová. (2020). Entropy Plays An Important Role In How Living Cells Form Tissues. Physics World. | Arşiv Bağlantısı
  • C. Taccioli. Dna Sequence Symmetries From Maximum Entropy: The Origin Of The Chargaff's Second Parity Rule. (20 Mayıs 2020). Alındığı Tarih: 20 Mayıs 2020. Alındığı Yer: Phys.org | Arşiv Bağlantısı
  • L. Hayflick. (2020). Entropy Explains Aging, Genetic Determinism Explains Longevity, And Undefined Terminology Explains Misunderstanding Both. NCBI. | Arşiv Bağlantısı
  • Junyi Li, Li Zhang, Huinian Li, Yuan Ping, Qingzhe Xu, Rongjie Wang, Renjie Tan, Zhen Wang, Bo Liu, Yadong Wang, et al. (2020). Integrated Entropy-Based Approach For Analyzing Exons And Introns In Dna Sequences. NCBI. | Arşiv Bağlantısı
  • Masoud Kazemi, Fahmi Himo, Johan Åqvist, et al. (2020). Enzyme Catalysis By Entropy Without Circe Effect. NCBI. | Arşiv Bağlantısı
  • M. Y. Khan. (2020). On The Importance Of Entropy To Living Systems. Wiley Online Library. | Arşiv Bağlantısı
  • J. Mitteldorf. No, The Body Doesn’t Just Wear Out As We Get Older.. (20 Mayıs 2020). Alındığı Tarih: 20 Mayıs 2020. Alındığı Yer: Josh Mitteldorf Science Blog | Arşiv Bağlantısı
  • J. Mitteldorf. (2020). Cracking The Aging Code.

Evrim Ağacı'na her ay sadece 1 kahve ısmarlayarak destek olmak ister misiniz?

Şu iki siteden birini kullanarak şimdi destek olabilirsiniz:

kreosus.com/evrimagaci | patreon.com/evrimagaci

Çıktı Bilgisi: Bu sayfa, Evrim Ağacı yazdırma aracı kullanılarak 28/10/2020 06:03:55 tarihinde oluşturulmuştur. Evrim Ağacı'ndaki içeriklerin tamamı, birden fazla editör tarafından, durmaksızın elden geçirilmekte, güncellenmekte ve geliştirilmektedir. Dolayısıyla bu çıktının alındığı tarihten sonra yapılan güncellemeleri görmek ve bu içeriğin en güncel halini okumak için lütfen şu adrese gidiniz: https://evrimagaci.org/s/8750

İçerik Kullanım İzinleri: Evrim Ağacı'ndaki yazılı içerikler orijinallerine hiçbir şekilde dokunulmadığı müddetçe izin alınmaksızın paylaşılabilir, kopyalanabilir, yapıştırılabilir, çoğaltılabilir, basılabilir, dağıtılabilir, yayılabilir, alıntılanabilir. Ancak bu içeriklerin hiçbiri izin alınmaksızın değiştirilemez ve değiştirilmiş halleri Evrim Ağacı'na aitmiş gibi sunulamaz. Benzer şekilde, içeriklerin hiçbiri, söz konusu içeriğin açıkça belirtilmiş yazarlarından ve Evrim Ağacı'ndan başkasına aitmiş gibi sunulamaz. Bu sayfa izin alınmaksızın düzenlenemez, Evrim Ağacı logosu, yazar/editör bilgileri ve içeriğin diğer kısımları izin alınmaksızın değiştirilemez veya kaldırılamaz.

Reklamı Kapat
Güncel
Karma
Agora
Gıda
Adaptasyon
Güve
Sinir Hücresi
Bağışıklık Sistemi
Evrimsel Süreç
Endokrin Sistemi Hastalıkları
Kalp
Yılan
Göğüs
Sars Mers
Seçilim
Elektron
Dünya Dışı Yaşam
Hareket
Evren
Tarih
Meteor
Farmakoloji
Uterus
Enerji
Yas
Mitler Ve Gerçekler
İlaç
Çocuklar
Daha Fazla İçerik Göster
Daha Fazla İçerik Göster
Reklamı Kapat
Reklamsız Deneyim

Evrim Ağacı'nın çalışmalarına Kreosus, Patreon veya YouTube üzerinden maddi destekte bulunarak hem Türkiye'de bilim anlatıcılığının gelişmesine katkı sağlayabilirsiniz, hem de site ve uygulamamızı reklamsız olarak deneyimleyebilirsiniz. Reklamsız deneyim, Evrim Ağacı'nda çeşitli kısımlarda gösterilen Google reklamlarını ve destek çağrılarını görmediğiniz, daha temiz bir site deneyimi sunmaktadır.

Kreosus

Kreosus'ta her 10₺'lik destek, 1 aylık reklamsız deneyime karşılık geliyor. Bu sayede, tek seferlik destekçilerimiz de, aylık destekçilerimiz de toplam destekleriyle doğru orantılı bir süre boyunca reklamsız deneyim elde edebiliyorlar.

Kreosus destekçilerimizin reklamsız deneyimi, destek olmaya başladıkları anda devreye girmektedir ve ek bir işleme gerek yoktur.

Patreon

Patreon destekçilerimiz, destek miktarından bağımsız olarak, Evrim Ağacı'na destek oldukları süre boyunca reklamsız deneyime erişmeyi sürdürebiliyorlar.

Patreon destekçilerimizin Patreon ile ilişkili e-posta hesapları, Evrim Ağacı'ndaki üyelik e-postaları ile birebir aynı olmalıdır. Patreon destekçilerimizin reklamsız deneyiminin devreye girmesi 24 saat alabilmektedir.

YouTube

YouTube destekçilerimizin hepsi otomatik olarak reklamsız deneyime şimdilik erişemiyorlar ve şu anda, YouTube üzerinden her destek seviyesine reklamsız deneyim ayrıcalığını sunamamaktayız. YouTube Destek Sistemi üzerinde sunulan farklı seviyelerin açıklamalarını okuyarak, hangi ayrıcalıklara erişebileceğinizi öğrenebilirsiniz.

Eğer seçtiğiniz seviye reklamsız deneyim ayrıcalığı sunuyorsa, destek olduktan sonra YouTube tarafından gösterilecek olan bağlantıdaki formu doldurarak reklamsız deneyime erişebilirsiniz. YouTube destekçilerimizin reklamsız deneyiminin devreye girmesi, formu doldurduktan sonra 24-72 saat alabilmektedir.

Diğer Platformlar

Bu 3 platform haricinde destek olan destekçilerimize ne yazık ki reklamsız deneyim ayrıcalığını sunamamaktayız. Destekleriniz sayesinde sistemlerimizi geliştirmeyi sürdürüyoruz ve umuyoruz bu ayrıcalıkları zamanla genişletebileceğiz.

Giriş yapmayı unutmayın!

Reklamsız deneyim için, maddi desteğiniz ile ilişkilendirilmiş olan Evrim Ağacı hesabınıza üye girişi yapmanız gerekmektedir. Giriş yapmadığınız takdirde reklamları görmeye devam edeceksinizdir.

Destek Ol
Türkiye'deki bilimseverlerin buluşma noktasına hoşgeldiniz!

Göster

Şifrenizi mi unuttunuz? Lütfen e-posta adresinizi giriniz. E-posta adresinize şifrenizi sıfırlamak için bir bağlantı gönderilecektir.

Geri dön

Eğer aktivasyon kodunu almadıysanız lütfen e-posta adresinizi giriniz. Üyeliğinizi aktive etmek için e-posta adresinize bir bağlantı gönderilecektir.

Geri dön

Close
“İnsan, doğası gereği politik bir hayvan türüdür.”
Aristoteles
Geri Bildirim Gönder