Hücreler Neden Yuvarlaktır ve Bölünerek Çoğalırlar?

Canlılığın en temel yapıtaşı olan hücrelerin yuvarlak olma davranışını/eğilimini anlamak için, canlılığın kökenlerine inmemiz gerekiyor. Canlılığın başlangıcına... Yani, "cansız" olarak tanımladığımız kavramların, belirli çevre şartları altında kademeli değişerek "canlı" olarak tanımlayacağımız kavramların ortaya çıkışına... Bunu inceleyen teori, Evrim Teorisi değil, Abiyogenez Teorisi'dir.

Abiyogenez Kuramı dahilinde cansız varlıklardan, yaklaşık 500 milyon yıl süren bir deneme-yanılma süreci sonucunda, ilk defa canlı varlıkların kimyasal evrim yoluyla oluştuğunu biliyoruz. Bu sürecin en önemli basamaklarından birisi, belki de canlılık tarihinin en önemli olayı olan "bölünme" ("üreme") olayıdır. Bu ilk bölünme, günümüzde de prokaryotik canlılarda görebildiğimiz "amitoz bölünme" (binary fission) ile olmuştur. Yani hücre, yaklaşık olarak ortadan, mümkün olduğunca eş (ancak içerikler heterojen olarak dağılabilir) bir şekilde ikiye bölünmüştür. İyi ama... Neden? Neden bir varlık "bölünme" ihtiyacı duysun ki? Canlılar, üremeden de evrimleşemezler miydi?

Bunun temeli sebebi, ilkin canlılar ("koaservatlar") ile, bulundukları çevrenin etkileşimidir. Bu etkileşimin en önemli ayaklarından birisi, koaservatların vücudunu oluşturan yağ zırhları (günümüzdeki buna "hücre zarı" diyoruz) aracılığıyla dışarıdan içeriye maddeler girip çıkmaya başlamasıdır. Çünkü canlılığın modern tanımının iki önemli parçasından birisi hücresel organizasyon (vücudu dış dünyadan ayıran bir yapı) ile, bu organizasyon dahilinde sürdürülen kimyasal süreçlerle enerji üretmek ve bunu, entropi artışına karşı koymak için kullanmaktır. Yani canlılığın "canlı" kalabilmesi için vücut içi kimyasal faaliyete, bunun sonucunda üretilen enerjiye, atıkların vücuttan gönderilmesine, vb. hücresel faaliyetlere ihtiyaç vardır. Bu sürecin büyük çoğunluğu, koaservatların yağ (lipit) zırhlarından geçerek olmaktadır.

Vücut içine alınan moleküllerin kullanılması ve biyokimyasal tepkimelerin sürmesi sonucunda artan ürünlerin sonucunda, ilkin canlılığı oluşturan hücreler büyümüş ve gelişmiştir. Bu durum, biyoloji ve kimyanın alanının fiziğe taşmasına neden olmuştur. Çünkü fiziksel büyüme, sadece biyoloji ve kimyanın sorunu değildir. Fiziksel yasalar da doğrudan bu süreci etkilemektedir. Giderek irileşen bir vücut, çok sayıda enerjinin ve kuvvetin birbiriyle etkileşiminin değişmesi demektir. Bunların başında, yüzey enerjisi ve potansiyel enerjinin değişmesi gibi kavramlar gelmektedir.

Hacmin Yüzey Alanına Oranı (HAO)

Fizik yasaları dahilinde, bir cismin potansiyel enerjisinin en düşük olabilmesinin yollarından biri, o hücrenin "Yüzey Alanı / Hacim Oranı" ( (İng: "Surface Area to Volume Ratio", SA:V) kavramının matematiksel değerinin en yüksek olmasıdır (ya da Hacmin Alana Oranı, HAO, en düşük olmasıdır). Eğer en iri astronomik nesnelerden, günlük yaşantımızı oluşturan bir kap su gibi çok basit cisimlere kadar her varlık, potansiyel enerjilerini minimuma getirme eğilimindedirler. Örneğin, gerilen bir yayda potansiyel enerji birikir ve yay bunu boşaltmak ister. Havadaki bir top, sahip olduğu yüksek potansiyel enerjisini azaltmaya çalışır, bu nedenle kütleçekimi etkisiyle yüzeye düşer. Bir kap içindeki suyu dökecek olursanız, su yüzeye olabildiğince yayılarak potansiyel enerjisini minimize etmeye çalışacaktır. Bir insanlar (ve diğer sayısız hayvan), uyku moduna geçerken yatay olarak yatıp, potansiyel enerjimizi en aza indiririz. Tüm bunların en temel nedeni, potansiyel enerjisi düşük maddelerin daha kararlı/dengeli bir yapıda olmasıdır.

Bunun yanı sıra her nesne, belli bir şekle sahiptir veya bir akışkan ise bulunduğu kabın şeklini alır. Ancak canlılığın neredeyse tamamı belli bir şekle sahiptir. Bu şekil, kimi zaman bir küre, küp, dikdörtgen prizma, vb. şekiller olarak modellenebilir (gerçeği %100 yansıtmasa da, yaklaşık bir model oluşturulabilir). Örneğin biz insanlar, kabaca bir dikdörtgen prizma olarak modellenebiliriz. Ancak canlılığı oluşturan hücrelerin neredeyse hepsi (bitki hücreleri gibi istisnalar hariç), bariz bir küre şekline sahiptir. Özellikle de canlılığı ilk oluşturan koaservatların tamamen küresel oldukları düşünmektedir. Dolayısıyla kürelerin irileştikçe potansiyel enerjilerinin nasıl değiştiğini anlamak, bölünmenin ve üremenin arkasında yatan nedeni de ortaya çıkarabilir.

Hücre büyüdükçe, kürenin hacminin büyüme miktarı, yüzey alanının büyüme miktarında çok daha hızlıdır. Çünkü hacim, bir uzunluğun kübü ile büyür (R³). Alan ise aynı uzunluğun karesi ile büyür (R²). Bunu, bir kürenin hacmi ile yüzey alanını veren formülleri inceleyerek de görebilirsiniz.

Dolayısıyla bir hücre büyüdükçe ne olur? Hacim hızla artarken, yüzey alanı aynı hızda büyüyemez. Dolayısıyla hacmin yüzey alanına oranı (HAO) giderek büyür (ya da, Yüzey Alanı Hacim oranı küçülür). Bu, hücrede kararsızlığa sebep olur. Ve hücre, fizik yasaları dahilinde, kendisini küçültmeye meyillenir. Bu, "isteğe bağlı" olan bir şey değildir. Kütleçekimi etkisi altında Dünya'ya doğru çekilmeyi ne kadar istiyorsak, yüksek HAO etkisi altında hücreler de o kadar bölünmeyi ister. Bu bir tercih değildir. Zorunluluktur. İşte bu sebeple, ilk hücreler bölünmeye meyilli hale gelmiştir. Elbette koca bir insan (ya da bitki), durup dururken ikiye bölünemez. Ancak ilkin hücreler, mikroskobik yapıdalardı (tıpkı günümüzdeki hücreler gibi). Biyolojik, esnek yapıları, cansız veya aşırı iri varlıkların aksine, bu bölünmeye izin vermiştir. Bu noktaya az sonra geri döneceğiz ancak yeri gelmişken, hücrelerin neden yuvarlak olduğuna da değinelim:

Hücreler Neden Yuvarlaktır?

Hücrelerin yuvarlak olma sebebi kimyasal ve biyolojik değil; daha ziyade fizikseldir! Yuvarlak (küresel) bir cisme bu şeklini veren, hiçbir kenarı veya köşesi olmamasıdır. Kürelerin yüzeyi sonsuz değilse de, sınırsızdır. Bunun biyolojik etkisi nedir? Kenarı ve köşesi olmayan cisimler üzerinde fiziksel yük daha eşit ve daha dengeli miktarda dağılır. Kenarlar ve köşeler, fiziksel yükün (stresin) biriktiği noktalardır. Aşağıdaki grafikler, bu stresin dağılımını kısmen de olsa göstermektedir:

Mecway

YouTube

İşte küresel olan veya küreye en yakın olan yapılar, fiziksel açıdan en az stresi üzerlerinde barındırırlar (ya da en azından, stresi en dengeli şekilde tüm vücuda dağıtabilirler). Dikkat ederseniz, endüstriyel tasarımlarda da mümkün olduğunca sivri köşelerden kaçınılır. Bu hem sağlık açısından (yani bizler açısından) iyidir, hem de sivri uçlarda daha çok mekanik stres barınacağından, kırılma (İng: "fracture", "failure") daha kolay olabilecektir. Benzer şekilde, doğada da bu yüzden sivri uçlara mümkün olduğunca "izin verilmez". Aşırı özelleşmiş iğneler, dişler, zırhlar gibi sivri uçlar barındıran organlar haricinde canlıların kendi vücutları keskin köşelere ve uzun kenarlara sahip değildir. Birçok canlı daha yuvarlak, daha yumuşak geçişlere sahip olacak biçimde evrimleşmiştir. Bir canlı, bu tip bir yapı geliştirmeye çalışsa bile, daha kolay kırılmalar, kopmalar, yaralanmalar meydana geleceğinden, Doğal Seçilim ile bu varyasyonlar (çeşitlilik) elenecektir.

Ufak ve küresel olmanın bir diğer avantajı da, hem hacmin, hem de yüzey alanının oldukça küçük olmasıdır. Bunun avantajı şudur: Çevre, oldukça faydalı besinlere sahip olsa da, aynı zamanda sayısız tehlikeye de gebedir. Birçok hücre, kendilerini olabildiğince küçük tutarak, yüzey alanlarının çevreyle en az miktarda etkileşmesini sağlamak isterler. Bu etkileşim, madde alışverişi açısından değerlendirilmemelidir. Daha ziyade, çevrede bulunabilecek zararlı maddeler, diğer fiziksel unsurlar, vb. olumsuz faktörlere karşı bir savunma mekanizması olarak görülmelidir.

Elbette, her hücre de dairesel değildir. Özellikle de çok hücreli canlıların vücutlarındaki hücreler, küp, altıgen, vb. birçok şekilde olabilirler. Bunun sebebi, hücre şeklini belirleyen tek fiziksel unsurun stres dağılımı olmamasıdır. Örneğin birçok canlıda hücreleri, en etkili şekilde paketlenip, dar bir alana en az artık bırakacak şekilde sığabilmek için altıgen veya altıgene yakın şekillerdedir (beşgen gibi). Bitki hücreleri, meşhur bir şekilde dikdörtgenimsi bir ovaldir. Ancak bunlarda bile kenarlar oldukça yuvarlanmış haldedir; çünkü hiçbir hücre sivri uçlar üretmek istemez. Hem masraflıdır, hem de tehlikeli...

Hücreler Neden Çoğalıyor?

Hücrelerin yuvarlak olmasının en temel nedenlerinden birisi, biyolojik ve kimyasaldır. Yüzey Alanının Hacme Oranı (SA:V) azaldıkça, canlıların devasa hacimlerini doyurmak için gerekli olan madde alışverişi çevreyle yapılamaz hale gelir. Çünkü hücre içine alınacak olan ve hücreden dışarı atılacak olan bütün maddeler, hücrenin dış zırhı içinden geçmek zorundadır. Bu yüzeyin alanı, SA:V oranı içindeki "yüzey alanı" kısmıdır. Bu kısım, hacme göre daha küçükse (yani SA:V oranı küçüldükçe), hacmin ihtiyacı olan madde miktarı hücreye alınamamaya başlar. Dolayısıyla hücreler bölünerek bu oranı dengelemeye çalışırlar. Daha küçük bir küre, daha iri bir küreye göre daha yüksek SA:V oranına (veya daha düşük bir HAO değerine) sahiptir. 

Bu temel yaklaşım, günümüzdeki bütün canlıların yaptığı en temel davranışlardan birinin kökenine ışık tutmaktadır: Neden cinsel isteğe sahibiz? Neden ürüyoruz? Elbette bunu tek bir açıdan cevaplamak imkansız. Üremenin, cinselliğin, cinsiyetlerin temellerine yönelik sayısız teori geliştirildi. Bunların bazılarına buradaki yazımızda değinmiştik. Ancak burada öğrendiklerimiz de, canlılardaki üreme davranışının kökenine yönelik bazı fikirler edinmemizi sağlamaktadır. 

Çoğalmaya meyilliyiz, çünkü canlılığın başlangıcında ortaya çıkan en temel moleküller olan ve hücrelerin bütün davranışlarını ve özelliklerini bünyelerinde barındıran DNA ve onun atası RNA, çoğalmayı mümkün kılan enzimlere ait bilgileri de bünyesinde barındırmaktadır. Yani hücrelerin en eski zamanlardaki bölünmeye yönelik eğilimleri, onların özelliklerini barındıran DNA-RNA kodlarının da buna göre düzenlenmesiyle sonuçlanmıştır. Bu nedenle, günümüzden 4 milyar yıl kadar önce başlayan en ilkin canlılığın bölünebilme ve çoğalma özelliği, aradan geçen milyarlarca yıl sonunda, o atalardan evrimleşmiş olan bütün torun türlere miras olarak kalmıştır.

Buna bir diğer açıdan bakmak da mümkündür: Eğer ki atalarımızdan herhangi birisi üremeye meyilli olmayan canlılar olsaydı veya ilk canlılardan bize kadar gelecek olan soy hattı bölünme veya diğer yöntemlerle çoğalmayı başaramamış olsalardı (o şekilde evrimleşmiş olsalardı), günümüzdeki canlıların hiçbiri var olamazdı. Bizler de burada olamazdık! Örneğin Plüton gezegeninde "Neden canlılar üreyecek biçimde evrimleşti?" diye soran hiç kimse yok. Çünkü oradaki hiçbir varlık, en azından bildiğimiz kadarıyla, canlılığın temelinde yatan bu özelliklere sahip olacak biçimde evrimleşmedi. İşte bizim atalarımız da bunu başaramamış olsaydı, ne bu soruyu sorabilirdik, ne de bu soruya cevaplar üretebilirdik. Çünkü genetik materyalin aktarımı olmadan, canlılığın ve türün devamlılığı sağlanamaz ve doğa içerisinde, bizim gibi düşünen hayvanlara kadar olan uzun evrimsel zincirlerin en en başındaki küçük bir hücreli ve prokaryotik hücremsi atalarımız, bölünerek ve genetik materyali aktararak varlıklarını sürdürmeyi başarabilecek nitelikteydi ki, bizler var olabildik. Eğer böyle bir canlı var olmasaydı, bu okuduğunuz metin de var olmayacaktı. 

İşin bu kısmı bilimden ziyade felsefe gibi dursa da, özünde çok kritik ve bilimsel bir neden-sonuç ilişkisini barındırmaktadır. Şöyle düşünebilirsiniz: Belki de, günümüzden 4 milyar yıl öncesinde, üremeye meyilli olmayan "canlılar" da, cansız moleküllerden evrimleşmişlerdi. Yani bildiğimiz ve alışageldiğimiz canlılığa gidecek olan soy hattının kuzenleri arasında, yine canlı olan ama bölünme konusunda başarısız olan başka soy hatları da bulunuyordu. Ancak bunların evrimsel yolağı fazla uzağa gidemedi; çünkü bölünemeyen bir yapı, sürerlilik sağlayamazdı. Evet, cansızlar (örneğin bir kaya parçası), belli bir sürerliliğe sahiptir; ancak bu, onu pek de ilgi çekici kılmamaktadır. Günümüzdeki bazı jeolojik oluşumlar yüz milyonlarca yıldır vardır; tıpkı sayısız canlı gibi... Ancak jeolojik oluşumlar, canlılık kadar ilgi çekmez; çünkü canlılığa ait diğer özelliklere sahip değillerdir. Canlılığı büyüleyici kılan, hareketli, aktif, iç dünyalarını dışarı yansıtabilen varlıklar olmalarıdır. Dolayısıyla en erken koaservat atalarımızın kuzenleri arasından üreme becerisine sahip olmayanlar, istedikleri kadar evrimleşebilmiş olsunlar, devamlılıklarını sağlayamadıkları için, soyları tükenmiştir.

Bizler de, karmaşık yapılarımız bir kenara, en nihayetinde bir yığın hücre olduğumuz ve bu hücrelerin kolektif çalışmasının bir ürünü olarak var olduğumuz için, hücrelerimizin atasal durumlarından beri gelegelen "istekleri", daha doğrusu varlıklarını sürdürebilmek adına Doğal Seçilim ile seçilegelen biyokimyasal reaksiyonları, bizim yapımıza da yansımaktadır. İşte bu, bizim cinsel isteğimizin kökeninde yatan nedendir.