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

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 sarmallı DNA 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.

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.