Hücre 'Kaderi', Hücre Farklılaşması ve Hücrelerdeki Sözde 'Bilinç' Üzerine...

Hücre farklılaşması, Biyoloji'nin Gelişim Biyolojisi ya da Evrim Kuramı'nın bütünleştirici ve güçlü çatısı altında yeni doğan bilim dallarından biri olan (daha doğrusu, Evrim'in diğer alanlarda kullanılmasıyla birlikte ortaya çıkan) Gelişimsel Evrim Biyolojisi (Evolutionary Developmental Biology; kısaltma: Evo-Devo) dalı altında incelenmektedir. Çünkü çiftleşmeden kısa bir süre sonra gelişim dönemi başlar ve zigot, bireyi oluşturacak şekilde kendini geliştirir. Bu gelişimin hiçbir basamağı, elbette ki bir "bilinç" dahilinde değil (doğadaki geri kalan her şeyin de olmadığı gibi), genetik malzemenin kimyasal olarak değerlendirilmesinden ve çevresel etmenler altında gerçekleşir. Buna az sonra geri döneceğiz.

Bir embriyonun (zigottan itibaren) yetişkin olana kadar geçirdiği 4 temel basamak vardır:

1) Karar (Determination): Bu kısımda, embriyonik dönemin en başında, zigottan hemen sonra, hangi hücrenin hangi görevi yapacağı belirlenir. Buna hücrenin kaderi (cell fate) denir (ironik bir şekilde). Bizim bu yazıda açıklayacağımız kısımlardan ilki budur.

2) Farklılaşma (Differentiation): Bu aşamada hücreler farklılaşarak ömür boyu sürdürecekleri görevlerini gerçekleştirecek özellikleri kazanmaya başlarlar.Biz, bu yazıda bu aşamayı da işleyeceğiz.

3) Biçimsel Oluşum (Morfogenez, İng: Morphogenesis): Bu kısımda, farklılaşıp özelleşen hücreler, gerekli "görev yerlerin" giderler ve burada ömür boyu yapacakları görevleri yapmaya başlarlar. Kısaca canlı içi hücresel organizasyon başlar. Bu, bir başka yazımızın konusu olabilecektir.

4) Büyüme (Growth): Bu aşamada, canlının embriyonik dönemden itibaren genel büyüklüğü ve organlarının büyüklüğü artar. Bu, belli bir yaşa kadar sürer ve durur. Bu, bir başka yazımızın konusu olabilecektir.

Devam etmeden, kısa bir örnek verecek olursak: Hayvanlarda, mezoderm isimli orta tabakada bulunan mezenkim hücreleri (mesenchymal cells) denen hücreler bulunur. Bu hücreler, multipotent (çok potansiyelli) yapıdadır; yani farklılaşma geçirmemişlerdir ve pek çok dokuya ve dolayısıyla organa ait hücreye farklılaşabilirler. Bu hücreler, karar (determination) evresinde henüz yapacağı görevi yerine getirmek üzere farklılaşmamıştır; ancak ne görev yapacağı belirlenmiştir (örneğin bağlayıcı dokuya dönüşeceklerdir). Bunun nasıl olduğuna geleceğiz. Farklılaşma evresinde, bu mezenkim hücreleri farklılaşırlar; örneğin tendonları, kasları, vb. doku ve organları oluşturmak üzere değişim geçirirler. Morfogenez evresinde, görev alacakları konuma doğru giderler ve daha sonra, mitoz bölünme yoluyla çoğalarak büyüme evresine girerler. Şimdi, biraz daha ayrıntıya girelim:

Bir hücrenin kaderi nasıl belirlenir? Karar Evresi'nde neler olur?

Hücrelerin ne görev yapacağına karar verilmesi, daha bilimsel ve ironik adıyla hücre kaderi'nin belirlenmesi, Diferansiyel (Ayrımsal) Gen İfadesi (Differential Gene Expression) ve morfogenez sayesinde olur.

Morfogenez'in bu aşamadaki etkisi, daha lise derslerinde okutulan meşhur bir deneyle ispatlanmıştır. Henüz farklılaşmamış; ancak bulundukları lokasyondan dolayı gelecekte hangi yapıyı oluşturacağı bilinen bir zamanda alınan multipotent hücreler, vücudun farklı yerlerine enjekte edildiklerinde, bulundukları lokasyonda oluşacak olan yapıyı veya organı sorunsuz bir şekilde oluşturabilmektedirler. Yani bir hücrenin çalışacağı yer (morfogenezde belirlenecek olan yer), hücrenin ne görev yapacağı üzerinde birebir bir etkiye sahiptir.

Bu deney, daha sonra yapılan bir diğer deneyle desteklenmiştir. Belli bir noktadan sonra (embiryonik süreç içerisinde), hücreler multipotent olma özelliklerini yitirirler. Araştırmacılar, bir amfibinin beyni oluşturmak üzere farklılaşmış bir hücresini, bir başka lokasyona taşıdıklarında, bu hücre burada da beyin üretmek üzere çoğalır. Yani belli bir noktaya kadar hücreler herhangi bir yapıyı oluşturabilmektelerken, belli bir noktadan sonra bu özelliklerini yitirirler ve ne yapmak üzere farklılaştılarsa, o göreve devam ederler. Bu da, ortada bir bilinç olmadığını bize göstermektedir.

Bir diğer hücre tipi ise, totipotent (tam potansiyelli) hücrelerdir. Bu hücreler, vücuttaki her bir hücreyi, dokuyu ve organı üretebilecek özelliktedirler. Örneğin zigot dediğimiz ilkin hücre, totipotent yapıdadır ve her türlü yapıyı oluşturmak üzere farklılaşabilir. Bir diğer örnek, bitkilerin kimi mezenkim hücreleridir. Bu hücreler de, herhangi bir hücreiyi, dokuyu veya organı oluşturacak şekilde farklılaştırılabilirler. Peki, bu farklılaşmanın ne yönde olacağını kim, ne belirler?

Elbette ki, bilimsel olarak incelediğimizde, burada da hiçbir bilinç olmadığını görebiliriz. Bu, daha yukarıda da değindiğimiz gibi morfogenez ile birlikte, diferansiyel gen ifadesi ile olmaktadır. Yani, genomun, bazı biyokimyasal yapılar, kimyasal element ve moleküller ve fiziksel koşullar altında farklı kısımları okunur ve bu sayede hücreler özelleşebilir. Yani genomun hangi kısmının okunacağı da bir dış bilinç tarafından değil; elbette ki doğal süreçler aracılığıyla gerçekleşir.

Bunu en güzel ispatlayan deneylerden bir tanesi, Prof. Frederick Steward'ın Cornell Üniversitesi'nde yaptığı meşhur deneydir. Normalde, havuç bitkisinin kök kısmının kaderi, her daim karanlık toprak altında kalmak, dolayısıyla fotosentez yapamamaktır. Ancak Prof. Steward, embriyonik düzeyde kök hücrelerini ayırmış ve onları bitkinin diğer kısımlarının alacağı kimyasallar içerisinde tutmuştur. Bu hücreler, farklılaşmadan bu ortamda sonsuza kadar saklanabilmektedirler. Daha sonra, uzun incelemeler ardından ortaya çıkardığı ve hangi hücrenin hangi yapıya farklılaşacağını tespit ettiği kimyasalları dilediği gibi ortama katarak, bu hücrelerin istediği doku, organ ve hatta yeni bir bitkiyi elde edebilmiştir. Bu totipotent hücreler de bize göstermektedir ki, hücrenin "bilinci" değil, içinde bulunduğu ortam ve bu ortamdaki kimyasal ve fiziksel özellikler hücrenin kaderini belirlemektedir. Bu da, ancak ve ancak milyonlarca yıl içerisinde, sürekli bitkilerin belirli bir yönde farklılaşması ve bitkinin her bir bölgesinin, bulunduğu ortama uygun adapte olmasından kaynaklanabilir. İşte biz buna, Doğal Seçilim; bu mekanizmanın başka bilimsel gerçeklerle birleşmesi sonucu çıkan kurama Evrim Kuramı diyoruz. Bu totipotent hücreleri kullanılarak, birbirinin klonu olan havuçlar (ve tabii ki diğer her canlıyı) üretilebilir.

Peki, biraz daha derine inecek olursak, bu kimyasallar ne yapıyorlar da genomun farklı kısımlarının okunmasını, dolayısıyla da hücre farklılaşmasını belirleyebiliyorlar?

Bu sorunun cevabı oldukça basittir. Bazı kimyasal veya biyokimyasal tepkimelerin gerçekleşebilmesi için, bazı enzimler gereklidir. Bu enzimler, normal olarak hücre içerisinde bulunur; ancak kimi aktif değildir. İşte bu kimyasallar, bu enzimleri aktive ederek çeşitli biyokimyasal tepkimelerin gerçekleşmesini sağlarlar. Böylece, hiçbir bilince gerek kalmadan, sadece sıradan kimyasallar ve tepkimelerle, bir hücrenin ne olacağı belirlenir. Elbette, genetik materyalde bu bilgilerin bulunmasının da bir dış müdahale ile ilgisi yoktur. Genetik materyaldeki bu bilgiler, çok uzun süren evrim ve eleme süreçleri sonucunda edinilmiştir ve edinilmeye/kaybedilmeye devam edilmektedir. Evrim'in olduğu her yerde, değişim vardır. Ve tam tersi de, elbette geçerlidir.

Bunların yanı sıra, sadece kimyasallar değil, bazı fiziksel etmenler de hücre kaderinin belirlenmesini sağlayabilir. Bunları iki ana başlıkta toplayabiliriz:

1) Sitoplazmik Ayrışma (Cytoplasmic Segregation): Bu bilimsel olayın bir diğer adı, eşit olmayan sitoplazma bölünmesi'dir (unequal cytokinesis). Bu olay, çeşitli dış etkiler dahilinde, yumurtanın veya zigotun içerisindeki kimyasalların eşit olarak dağılmaması sonucu oluşut. Bu, son derece mantıklıdır. En nihayetinde "hücre" dediğimiz yapı, bir zar ile çevrili kimyasallar silsilesidir ve elbette tüm fiziksel yasalara tabidir. Yerçekimi gibi faktörler, kimi ağır molekülleri yere doğru çekebilir. Bu da, hücre içi konsantrasyonu etkileyebilir.

Burada bilinmesi gereken önemli bir konu vücüdumuzda genel bir simetri varken (bunun sebebini ilgili yazımızda açıklamıştık), lokal olarak asimetri bulunmaktadır. Yani kafamız ile parmak uçlarımız, yüzümüz ile sırtımız, birbirinden farklı özelliklere sahiptir. Bu, en başta, embriyonik dönemde meydana gelen eşit olmayan dağılımdan kaynaklanır.

Bu konuyu en güzel ispatlayan deney, 1900'lerin başında Naples Deniz Biyolojisi İstasyonu'nda çalışan Hans Driesch tarafından yapılan muhteşem düşünülmüş deneydir. Deniz kestaneleri hücreleri, embriyonik dönemin başında bölünürler, ancak büyümezler. Bölünen hücreler, sadece görev yerlerine ayrılırlar. Driesch, bu bölünmeyi tam 8-hücreli dönemde incelemeye almıştır. Bu dönem, zigotun oluştuktan sonraki 3. mitotik bölünmenin gerçekleşmesinden hemen sonraki zamandır ve bu zamanda tam olarak 8 multipotent hücre bulunmaktadır. Driesch, bu düzgün dağılmış 8 hücreli iki farklı deniz kestanesi embriyosunu almıştır. İlkini, dikey olarak dikkatlice ikiye bölmüştür ve sonuç olarak sağda 4 hücre, solda 4 hücre kalmasını sağlamıştır. Gelişimlerini gözlemlemiş ve bu sol 4 hücreden de, sağ 4 hücreden de, sağlam ve normal denizkestaneleri elde etmiştir. Diğer 8-hücreli embriyoyu ise yatay olarak dikkatlice ikiye bölmüştür ve sonuç olarak üstte 4 hücre, altta 4 hücre kalmasını sağlamıştır. Bu ikilinin de gelişimini gözlediğinde ise çok ilginç bir sonuçla karşılaşmıştır: alttaki 4 hücreden gayet normal bir denizkestanesi elde etmiştir; ancak üstteki 4 hücreden elde ettiği deniz kestanesi, gelişememiş ve hep embriyonik düzeyde kalmıştır.

Buradan çıkaracağımız sonuç şudur: Demek ki, alt yarıkürede, yani alt taraftaki 4 hücrede, canlının embriyolojik dönemi aşıp yetişkin hale gelebilmesi için gerekli bazı kimyasal faktörler bulunmalıdır. Çünkü alt taraftaki hücrelerden biri ya da ikisi bile bulunsa, canlı gelişebilmekte; ancak hiç alt taraf hücresine sahip olmayan canlılar gelişememektedir. Daha sonradan yapılan araştırmalar, bu kimyasalların neler olduğunu ortaya çıkarmıştır. Bunlara sitoplazmik karar vericiler (cytoplasmic determinants) denmektedir. Burada işin biyokimyasına çok fazla girmeyeceğiz; ancak temel olarak hücre içi iskelet (cytoskeleton) üzerine tutunan moleküllerin, bu iskeletin gelişimi sırasında aldığı yöne doğru dağılmasından ötürü, tamamen kimyasal özelliklerine bağlı olarak hücre içerisinde farklı dağılabilirler. Daha sonra, sitoplazma bölünmesi sırasında bunlar, eşit olmayan bir şekilde, yavru hücrelere geçerler. Bu sebeple bazı hücreler, bazı moleküller açısından zenginken, bazıları diğer moleküller açısından zengin olabilir. Ve bu sebeple de, bazı hücrelerin ortamdan çıkarılması ve o hücrelerde yoğun olarak bulunan kimyasalların ortama eklenmememesi, gelişim sorunlarına ve hücre kaderinin belirlenmesindeki hatalara sebep olabilir.

Kenyon Koleji'nin Biyoloji Bölümü'nün internet sitesinde, sitoplazmik ayrışma aşağıdaki görselle oldukça güzel bir şekilde açıklanmaktadır:

Sitoplazmik Ayrışma: Bazı kimyasallar, yerçekimi ve başka kimyasalların varlığı gibi etmenler sebebiyle, tamamen fizikokimyasal yollarla, eşit olmayan bir biçimde dağılırlar. Hücre bölünmesi sırasında meydana gelen sitoplazma bölünmesinde ise, bu kimyasallar bu sebeple eşit olarak dağılmazlar.

2) Endüksiyon (Induction): Bu olayın diğer adı hücreler-arası iletişim'dir (cell-to-cell communication). Bu konunun net olarak anlaşılabilmesi için, bir diğer çok önemli konu olan sinyal iletimi (signal transduction) konusu bilinmelidir. Burada, konumuzu çok aşacağı için buna girmeyeceğiz ancak unutmayın ki Biyoloji bir bütün olarak bir bilimdir ve yorum yapabilmek için her alanını çok iyi bilmek gerekir. Yine de elimizden geldiğince size bunu da açıklamaya çalışacağız.

Bunun en güzel örneklerinden biri, bundan birkaç önceki yazımızda açıkladığımız Göz'ün Evrimi'ndeki lensin oluşumudur. O yazımıza, şuradan ulaşabilirsiniz:

https://www.facebook.com/note.php?note_id=180480228676727

Lensin oluşması gereken bölgeye komşu olarak bulunan yüzey doku hücreleri, birbirlerinin yüzeylerinde bulunan reseptörlere uygun bazı kimyasallar salgılayarak, optik damarların eğilip bükülmeye başlamasına sebep olurlar ve lensin oluşmasını sağlarlar. Bu sayede, sadece o hücrelere komşu olan hücreler lensi üretebilirler. Yani hücreler, lensi oluşturmaları gerektiğini "bilmezler". Milyonlarca yıllık evrim sonucunda komşu hücrelerden bu kiymasalların salgılandığı hücreler, lense dönüşmek üzere ve bu kimyasalları algılamak üzere özelleşmişlerdir. Zaten bu kimyasalları salgılayan komşu hücreler, gelişim sırasında çıkarılırsa, lensin oluşmadığı deneysel olarak görülmüştür.

Endüksiyona bir diğer güzel örnek, bir yuvarlak solucan (nematod) olan Caenorhabditis elegans üzerinde yapılan deneylerdir. Bu hayvan, 8 saat içerisinde zigottan larva haline, 3.5 gün içerisinde ise larvadan yetişkin hale gelebilmektedir. Bu sayede, bilim insanları kolaylıkla gelişimini izleyebilmektedirler. Burada aşırı biyokimyaya girmek istemiyoruz; ancak temel olarak LIN-3 isimli bir kimyasalın varlığında hermafroditik olan bu türün döllenmesini tetiklenmektedir. C. elegans, vulva denen bir bölgeye yumurtalarını salar. Daha sonra, iskele hücreleri denen bazı hücreler, LIN-3 isimli kimyasalı salgılarlar. Difüzyon ile bu kimyasal hücrelerden hücrelere akmaya başlar. En çok LIN-3 kimyasalını alabilen hücreler ön-işaretleyici (precursor) hücre olurlar; diğerleri deri tabakasını oluşturacak hücrelere dönüşürler. Kısaca bu komşu hücreler olmazsa, gelişim gerçekleşemez. Ve hücreler, ne olacaklarını bildiklerinden değil; ortamdaki kimyasallara uygun olarak farklılaşmaktadırlar.

Endüksiyon: Görselde de görüldüğü gibi, tek bir hücre, farklı kimyasalların ortamda bulunması sonucu, farklı yapıları oluşturmak üzere farklılaşabilir.

Uzun lafın kısası, "bilinç" kelimesi, çok tehlikelidir ve bilimsel olarak yanlıştır. Hiçbir canlının ve canlı parçasının "bilinci" yoktur, insanın bile. En azından sıradan insanların "bilinç" kelimesinden anladığı şekilde. İnsan bile, seçimlerini kendi isteği doğrultusunda değil, vücudunda, özellikle de beyninde gerçekleşen biyokimyasal reaksiyonların sonucunda yapar. Ancak insanı "daha bilinçliymiş gibi" yapan, beynin evrimiyle birlikte bu biyokimyasal reaksiyonlara, çeşitli elektrokimyasal uyarılar sayesinde kısıtlı miktarda yön verilebilmesi, bazı kimyaslların salgı zaman, dönem ve miktarlarını, belirli kısıtlamalar altında kontrol edebilmesidir.

Hücrelere gelince... Onların da, diğer her şey gibi bilinci elbette ki yoktur. Doğadaki "canlılık" dediğimiz unsurun tek özelliği, biyokimyasal reaksiyonlardan ibarettir. Bu reaksiyonlar, ortam koşullarına, kimyasallara ve saydığımız diğer etmenlere göre değişkenlik gösterebilir.

Zaten kök hücrenin mantığı da, tamamen totipotent veya multipotent hücrelerin kullanımına dayanmaktadır. Hiçbir hücrenin bilinci olmadığı gibi, dışarıdan onları kontrol eden hiçbir "güç" de yoktur. Bilim insanları, bu totipotent hücreleri alıp, ortam şartları ile oynayarak istedikleri hücrelere doğru farklılaşmalarını sağlayabilirler. Yani doğada, doğa koşulları çerçevesinde oluşan hücre farklılaşması, laboratuvarda elle kontrol edilebilmektedir. Bu da, hücrelerin herhangi bir bilinci olmadığını bize ispatlar.

Bu hücrelerin evrimine gelince. Milyonlarca yıldır, her hücre bir diğeri ve özellikle de komşularıyla etkileşim halindedir. Ve çok hücreli canlılarda, bu etkileşim hayatidir. En düzgün şekilde "kooperasyon" yapabilen hücreler, en az enerjiyle en çok işi üretebilirler; dolayısıyla geri kalan enerji hayatta kalmaya ve üremeye harcanabilir. Dolayısıyla, "karşılıklı evrim" (coevolution) kavramı dahilinde, komşu hücreleri ve onların salgıladığı kimyasallarla en uygun biçimde iletişim kurabilen hücreler, avantajlı hale geçeceklerdir.

Teşekkür: Berk Çakan