Yaşam, Entropi Değişimlerinin Kaçınılmaz Bir Sonucu Olarak Açıklanabilir mi?

Zamanın sıfır noktasında, Büyük Patlama ("Big Bang") ile başlayan olaylar zinciri ile atom altı parçacıkları bir araya gelip atomları ve molekülleri, atomlar ve moleküller ise bir araya gelerek yıldızları ve galaksileri oluşturmuştur. Evren ve yaşam, bu olaylar zincirinin birer sonucu olarak karşımıza çıkmaktadır.

Kozmologlar için, Büyük Patlama ya da parçacık fiziğinin standart modeli gibi temel konular varken, "yaşam" gibi karmaşık sistemleri incelemenin pek bir anlamı yoktur. Biyologlar içinse yaşam; görkemli evrenimizde olan bitenlerden ayrılmış halde, bir biyosferin içinde gerçekleşen bir olgu olarak görülür. Bu bakış açısı da biyologların; Evren'in geri kalanında neler olup bittiği, Evren'in nasıl çalıştığı gibi konulardan uzak durmalarına neden olur. Peki ya kozmologlar ve biyologlar bakış açılarını değiştirip Evren'i ve yaşamı bir arada ele alsalardı, bu bize ne getirirdi?

John von Neumann, Erwin Schrödinger, Claude Shannon ve Roger Penrose gibi önemli bilim insanları tam da bu soruyu sormuşlar, Evren'in ve yaşamın birlikte ele alınmasının daha iyi bir yaklaşım olabileceğini öne sürmüşlerdir.

Bu bilim insanları arasında fizikçi Erwin Schrödinger'in cüretkar yorumlar ve öngörüler içeren görüşleri özellikle dikkat çekmişti. 1943 yılında Trinity College Dublin'de verdiği bir dizi konferans daha sonraları Yaşam Nedir? adlı küçük ama muazzam bir kitaba dönüşecekti.^[1] Schrödinger, bu kitabında, yaşamın cansız maddelerden nasıl oluşabileceğini açıklamak amacıyla fiziğin, biyoloji ve kimya ile nasıl bir araya gelebileceği üzerine olan fikirlerini paylaşıyordu.

Schrödinger'e göre bir yıldızın karakteristik özelliklerinin tanımlanması için kullanılan fizik yasaları, canlı bir hücrede meydana gelen karmaşık metabolik süreçleri de tanımlayabilmeliydi. Günün fizik bilgisinin, canlı hücreler üzerine dahiyane yöntemlerle yürütülmüş kimi deneysel çalışmalarda elde edilen bulguları açıklamakta yetersiz kaldığının farkındaydı. Yine de fizik yasalarını kullanarak biyolojiyi açıklamaya devam etti.

Bir Fizikçinin Yaklaşımı

Schrödinger'e göre kuantum mekaniği yaşamın var olmasında kritik bir role sahipti. Gerek canlı gerekse cansız maddeleri oluşturan atomların; kimyasal açıdan kararlı ve moleküller halinde birbirlerine bağlanmış olmaları kuantum mekaniği ile açıklanabiliyordu. Kuantum mekaniği metaller gibi cansız maddelerin, nasıl olup da yüksek simetrili kafes yapılarına sahip periyodik kristaller gibi ilginç moleküler yapılara, sahip olabildiklerini açıklayabiliyordu.

Ancak Schrödinger'e göre bu periyodik kristaller, yaşam için oldukça basit yapılardı. Bunun yerine yaşamın periyodik olmayan kristaller ile var olabileceğini düşündü. Bunun yanında, yaşamı mümkün kılabilecek aperiyodik bir moleküler yapının aynı zamanda canlının gelişiminin ve işleyişinin nasıl olacağını belirleyecek olan bir "kod yazısı" da içermesi gerektiğini öne sürerek, DNA'nın erken bir tanımını da yapıyordu.

Schrödinger'in zamanından önce de biyologlar, adına henüz "gen" demedikleri "tanımlanmamış bir kalıtım birimi" olabileceği düşüncesi üzerinde duruyorlardı. Günümüzde DNA adını verdiğimiz bir "kod" sayesinde genlerin; hücrelerin yapılarını, gelişme mekanizmalarını ve yaşamlarının sonuna kadar izleyecekleri süreçleri programladıkları düşüncesi bizim için oldukça tanıdık hale gelmiştir. Ne var ki bütün bunların moleküler düzeyde nasıl olup bittiği biyologların günümüzde hala üzerine çalışmaya devam ettikleri bir konudur.

Burada ilginç olan şey, Schrödinger'in öne sürdüğü bu düşüncelerini kuantum mekaniğinden faydalanarak yaptığı bir akıl yürütme ile oluşturmuş olmasıdır. Kendisinin bir fizikçi olması, doğal olarak konuyu farklı bir bakış açısıyla ele almasını sağlamıştı.

Fiziğin ve biyolojinin Schrödinger'in zamanından günümüze değin epey bir yol kat ettiğini biliyoruz. Tam bu noktada insanın aklına şu soru geliyor: Acaba bugünün fizikçileri yaşam hakkında bize neler söyleyebilirler?

Yaşamın Varlığını Fizik Yasaları ve Entropi ile Açıklamak Mümkün mü?

Brown Üniversitesinden (ABD) teorik fizikçi Stephon Alexander ve Central Florida Üniversitesinden (ABD) moleküler biyolog Salvador Almagro-Moreno isimli araştırmacılar 2014 yılından beri yürüttükleri kimi çalışmalarla ortaya koyduklarını öne sürdükleri ortak bir yaklaşım geliştirdiklerini söylüyorlar. Bu araştırmacılara göre yaşamın niçin var olduğu konusu, kozmoloji ile canlı sistemler arasında kurulabilecek karşılıklı bir ilişki ile açıklanabilir.

Araştırmacılar, kozmoloji ile canlı sistemler arasında kurulabileceğini öne sürdükleri karşılıklı ilişkiyi; Evren'deki düzensizliğin bir ölçüsü olan entropi ve entropinin gerek biyolojik gerekse kozmolojik ölçeklerde gösterdiği değişimlerden yola çıkarak açıklıyorlar.

Evren'in, yıldızların ve gezegenlerin henüz ortaya çıkmadığı, erken dönemlerinde uzaydaki radyasyon ve madde dağılımı hemen hemen her yerde aynıydı. Bu radyasyon ve madde karışımı zamanla ısınıp hareketlendikçe evren daha az düzenli hale geldi ve entropisi arttı. Ne var ki evren genişledikçe, bu karışım yine homojen bir şekilde dağıldı (tekrar düzenli bir hale geldi) ve Evren'in entropisi tekrar düştü.

Termodinamiğin ikinci yasasına göre evrende toplam entropi her zaman yükselme eğilimindedir. Buna rağmen Evren; ısınmaya, genişlemeye ve tekrar soğumaya devam ettikçe galaksiler, yıldızlar ve yaşam gibi evrenin geri kalanından daha düzenli (daha düşük entropiye sahip) birtakım karmaşık kozmik yapılar ortaya çıktı. Bu bakış açısı, termodinamiğin ikinci yasası ile çelişmiyor: Şöyle ki Evren'in düşük entropi bölgeleri; galaksiler, yıldızlar ve yaşam gibi kozmik yapılarda yoğunlaşırken evrendeki toplam entropi artmaya devam edebilir. Bu konu hakkında daha fazla bilgiyi buradaki yazımızdan ve yukarıdaki videomuzdan alabilirsiniz.

Araştırmacılar, buradan yola çıkarak böylesine "entropi düşüren" kozmik yapılardan meydana gelen bir ağın; kimi gezegenlerde biyosferin ve yaşamın oluşmasına neden olabileceğini belirtiyorlar.

Evren, düşük entropili yapılar oluşturarak homojenlikten uzaklaşırken, bu yapıların dışında kalan kısımda entropi artmaya devam etti. Bununla birlikte düşük entropili yapıların da tıpkı Evren'in geri kalanı gibi entropisi artıyordu ama yine de aralarındaki entropi farkı, yıldızlar ve yaşam gibi "düzenli" kozmik yapıların ortaya çıkmasını sağladı.

Örneğin Güneş'in yaydığı enerji (göreli olarak entropisi düşük bir enerji - "yararlı enerji"), bitkilerdeki elektronlar tarafından soğurulur ve bitkiler bu enerjiyi yaşamları için gerekli olan işlevlerinde kullanırlar. Bitkiler bu enerjiyi kullandıktan sonra Evren'e ısı formunda (göreli olarak entropisi daha yüksek bir enerji - "yararsız enerji") geri verirler. Böylece Evren'den aldıkları entropiden daha fazla entropiyi Evren'e geri vermiş olurlar. Bitkiler, (tıpkı Evren'in geri kalanı gibi), sürekli olarak artma eğilimi gösteren entropilerini, Güneş'ten gelen enerjiyi metabolize ederek, tekrar geri düşürebilmeleri sayesinde "düzenliliklerini" (varlıklarını) korurlar.

Sonuç olarak, Evren ile yaşam (hücre, canlı sistemler) arasındaki entropi farklılıkları ve değişimleri, yaşamın varlığını ve devamlılığını mümkün kılan bir olgu olarak karşımıza çıkar. Bu noktada, Evren'in erken dönemlerindeki düşük entropili ve yaşam bulunmayan halinin dünyadaki yaşamın var olabilmesi için bir gereklilik olduğu düşüncesi de anlam kazanmaktadır.

Bütün bunlara karşın Büyük Patlama'nın nasıl olup da bu denli düşük entropili bir Evren doğurduğunu günümüz fizik bilgisi ile açıklayamıyor olmamız, Stephon Alexander ve Salvador Almagro-Moreno'nun iddiaları karşısında büyük bir engel olarak durmaktadır.

Hikayenin Biyoloji Kısmı ve Gaia Hipotezi

Yaşamın kendi kendini uyarlayabilen bir olgu olması, organizmayı, nihai şekli kendisini oluşturan parçalarda bulunmayan, buna karşın ait olduğu bir dizi daha büyük sistemin etkisi altında olan yani "var olması zorunlu" ya da kısaca "zorunlu" bir olgu olarak karşımıza çıkarır. Canlılar birbirleriyle çevre aracılığı ile bir etkileşim ağı oluştururlar. Bir organizma milyonlarca hücresini canlılığını sürdürebilecek şekilde düzenleyebilir. Bunun yanında organizmaların bir araya gelerek oluşturdukları "ekosistem" adını verdiğimiz bir ağ ile de bu organizmalar arasında dinamik bir denge kurulur.

Yaşamın, gerek hücre düzeyinde gerekse hücrelerin oluşturduğu organizmalar düzeyinde kendi kendini düzenleyen (uyarlayan) bir olgu oluşu, yaşam içeren daha büyük ölçekli sistemlerde de gözlemlenebilmektedir. Buradan yola çıkan James Lovelock ve Lynn Margulis tarafından 1970'lerde öne sürülen Gaia Hipotezi ile dünyanın kendi kendini düzenleyen bir ekosistem olduğu ileri sürülmüştür.^[2] Anlaşılacağı gibi Gaia Hipotezi (Schrödinger'in öne sürdüğü) "negatif entropi değişiminin" sadece organizma düzeyinde değil, tüm Dünya ölçeğinde de gerçekleşebileceğini iddia etmektedir.

Gaia Hipotezi'ne göre Güneş'ten Dünya'ya gelen enerji, oldukça karmaşık bir etkileşimler zinciri üzerinden organizmaların etkileşim halinde bulunduğu ağa yani bir bütün olarak dünya ekosistemine dağılır. Bu ağdaki organizmaların her biri Güneş'ten gelen enerji ile -gerek var oldukları düşük entropi bölgesinde gerekse Evren'in geri kalanında- artma eğiliminde olan düzensizliğe (entropiye) karşın düzenliliklerini (canlılıklarını) sürdürebilirler. Böylelikle Gaia Hipotezine göre Dünya, Güneş'ten gelen enerji ile entropisini düşürebilen bir "canlı" varlık olarak karşımıza çıkar.

Araştırmacılardan biri olan moleküler biyolog Salvador Almagro-Moreno, hikayenin biyoloji kısmını da Gaia Hipotezi'ne dayanarak açıkladığını öne sürüyor. Araştırmacı meslektaşlarıyla birlikte yürüttüğü, zararsız bakteri popülasyonlarının evrimleşerek patojen bakteriler olarak ortaya çıkmalarında etkili olan genetik ve ekolojik faktörlerin incelendiği çalışmadan elde ettiği bulgular ile, hikayenin biyoloji tarafını açıkladığını iddia ediyor.^[3]

Salvador Almagro-Moreno'ya göre söz konusu bakterilerin gösterdiği bu değişim, bakterilerin genetik kodlarının yanında yaşamın, çevreden gelen ani veya sürekli baskılara uyum sağlayarak kendi kendini uyarlayabilen, bir olgu olmasından ileri geliyor. Salvador Almagro-Moreno, meslektaşları ile birlikte yürüttüğü söz konusu çalışmadan elde edilen bulguları yorumladığı makalesinde, insanlar açısından patojen olmayan kimi mikroorganizmaların evrim geçirerek insanlarda hastalık yapmasını, insanın doğa üzerindeki baskısına bir tepki olarak, yaşamın (Gaia Hipotezi'ne göre Dünya'nın) varlığını sürdürebilmek amacıyla kendi kendini uyarlamasına bir örnek olarak değerlendiriyor.^[4]

Kozmik Bir Biyosferde mi Yaşıyoruz Yoksa Evren'in Kendisi Kozmik Bir Hücre mi?

Araştırmacılar, yaşamın evrendeki rolünü termodinamik yasaları çerçevesinde bir bağlama oturtabilmek amacıyla hücre gibi "düzen oluşturucu" (entropisini düşürebilen, negatif entropi değişimi yapabilen) yapıları, (tıpkı Schrödinger'in yaptığı gibi) "negatif entropi birimleri" olarak ele alıyorlar. Her ne kadar bu birimler Güneş'ten aldıkları enerjiyi çoğu zaman aldıklarından daha yüksek entropiye sahip bir formda geri veriyorlarsa da, bu enerji sayesinde artan düzensizliğe karşın düzenliliklerini (canlılıklarını, düşük entropili durumlarını) koruyabiliyorlar.

Tıpkı Evren'in artan entropiye karşın genişleyerek düzenliliğini ve devamlılığını koruyabilmesi (entropisini düşürebilmesi) gibi, bir hücre de Güneş'ten gelen enerjiyi kullanarak gerçekleştirdiği yaşamsal işlevleri sayesinde artan entropisini düşürerek düzenliliğini (varlığını) ve devamlılığını koruyor. Araştırmacılara göre bu durum; Evren ile hücre arasında entropik açıdan bir benzerlik olduğu izlenimi veriyor.

Elbette gerek canlı sistemlerin (negatif entropi birimleri: hücre, organizma, Dünya...) gerekse Evren'in, artan entropiye karşın kendi kendilerini uyarlayarak düzenliliklerini koruyabilmelerini, tamamen rastlantısal bir benzerlik olarak görmek de mümkündür. Ne var ki araştırmacılar bu benzerliğin bir rastlantı olmadığını düşünüyorlar. Araştırmacılara göre Evren'in evrimi ile yaşam arasındaki bu benzerlik, bir ilişkiden kaynaklanıyor olabilir: hem evren hem de yaşam için geçerli olan temel bir ilke...

Doğa yasalarının, yaşamın var olabilmesi için gereken şartları, eksiksiz sunuyor olması Evren'in yaşamı var edebileceği yönde bir hassas ayara sahip olabileceğini düşündürüyor. Örneğin atom çekirdeklerini birbirlerine bağlayan nükleer kuvvetin gücündeki çok küçük bir sapma bile yıldızların karbon üretmesine ve karbon temelli bir yaşamın oluşmasına engel olmaya yeterdir. Araştırmacılardan Salvador Almagro-Moreno, buradan yola çıkarak, bahsettiği temel ilkenin antroposentrik ve hatta antropik (güçlü antropik) bir ilke olabileceğini öne sürüyor.

Ne var ki antropik ilkenin işaret ettiği hassas ayarın yaşamın varlığını açıklamak için yeteri kadar güçlü bir argüman olmadığını da biliyoruz. Araştırmacılardan diğeri olan teorik fizikçi Stephon Alexander, meslektaşları ile yürüttüğü bir çalışmada, Evren'deki kütleçekimi ve manyetizma gibi sabitlerin eşzamanlı olarak değişmeleri durumunda bile Evren'in yaşam için uygun koşullar sunabileceğini ortaya koyuyorlar.^[5] Araştırmacılara göre bu durum, antroposentrik görüşü, antropik ilkeye göre daha öne çıkarıyor.

Bütün bunların sonunda araştırmacılar, bizim bildiğimiz yaşamın varlığının, Evren'in düşük entropi bölgeleri oluşturabilmesi (tıpkı yaşam gibi entropisini düşürebilmesi) sayesinde mümkün olabileceği yönünde ortak bir görüş oluşturuyorlar ve şu soruyu soruyorlar: Kozmik bir biyosferde mi yaşıyoruz yoksa Evren'in kendisi kozmik bir hücre mi?