yaşam nedir?

yaşamı anlamak için andy pross'un yaşam nedir? adlı kitabından faydalanacağım. bu kitapta pross yaşamı anlamanın önündeki engelleri tartışırken esas sorunun canlı diyebileceğimiz bir mekanizmanın termodinamiğin ikinci kuralıyla -her şey düzensizliğe meyleder- nasıl uyum içinde olabileceğini anlamak olduğunu söyler. zira üzerinde konuştuğu tüm çözüm yolları bu meşhur ikinci kuralla bir şekilde uyumsuzluk içinde görünmektedir. pross, bu kuralın kimya dünyasında karşılığının "kimyasal tepkimelerin görece kararsız materyallerin daha kararlı olanlara dönüşmesi" olduğunu söyleyerek kendi yaşam hipotezinin açımlamaya başlar. (pross, 2016, s. 64) meselenin teknik detaylarını burada vermeye gerek yok, aklımızda tutmamız gereken şey; bir kimyasal tepkimenin, daha yüksek serbest enerjili ve kararsız materyallerin katalizör ve reaktant denen aracılar ile daha düşük serbest enerjili ve kararlı materyallere dönme yönünde bir kurala uygun davrandığından haberdar olmaktır.

ikinci önemli nokta kataliz ve otokataliz arasındaki farktır. aradaki temel fark kataliz sürecinde ürün ile katalizör birbirlerinden farklı maddelerken, otokataliz sürecinde ürün ile katalizör aynıdır. pross herhangi bir otokatalizör örneği bu noktada vermez, onun yerine farkın anlamına odaklanır. kataliz doğrusal ve otokataliz ise üstel artar. daha da basitleştirelim, 100 gr madde üretmek kataliz süreçte milyarlarca yıl alırken, otokataliz sürecinde bir saniyenin altında gerçekleşir. pross "yaşamın temelinin katalitik ve otokatalitik tepkimelerin hızları arasındaki farkta yattığını söylemek istiyorum." diyerek bu sürecin önemine dikkat çeker. (pross, 2016, s. 67) kataliz süreci için su örneği verilebilirken -su çıktılı hidrojen oksijen tepkimesinde ürün su, katalizörse bir metal ya da metalik bir bileşiktir.- otokatalize asetonun bromla tepkimesi örnek verilebilir. bu tepkime sonucu bromoaseton ve hidrojen bromürün ortaya çıkar. çünkü hem tepkime bir asidin varlığıyla katalize edilir, hem de ürünlerden biri (hidrojen bromür) bir asittir.

bu noktada rna hakkında da birkaç şeyi tekrar hatırlamamız gerekiyor. birincisi doğrudan pross'tan gelsin: "rna gibi kendilerini kopyalayabilen moleküller, serbest durumdaki yapıtaşlarının birbirleriyle bağ kurarak orijinal molekülün kopyasını mey dana getirmelerini sağladıkları için kendi kendilerini üretirler." bu işlemi yapabilmelerinin sebebi de rna moleküllünün bir şablon gibi davranabilmesidir(mills vd., 1967). bu süreçte kopyalanan kopyalayanın kendisi olduğu için yukarıda verdiğimiz tanımlara uygun bir şekilde tepkime oto-katalitiktir. ikinci önemli gelişme, moleküllerin daha önce enzimler olmadan kendini kopyalayamayacaklarının varsayılmasıydı. bu varsayım da düzensizliğe meyilli bir evrende düzenin ortaya çıkışının anlaşılmasını zorlaştırıyordu. ta ki 1986'da moleküllerin kendilerini bir enzime ihtiyaç duymadan kopyalayabildikleri ispatlanana kadar.(von kiedrowski, 1986)
rna olsa bile tek bir molekülün ikinci bir enzime gerek kalmadan kendini kopyalayabilmesi yaşamın varlığı için yeterli değildir elbet, ancak tepkimenin hızı ve kendiliğindenliği göz önünde bulundurulduğunda kimya içinde yeni bir dalın ortaya çıkışına sebebiyet verecek kadar ciddiye alınmak zorundalığı doğar, bu yeni dala da biyoloji denir.

buraya kadar olan argümanları kısaca toplayalım ve basitleştirelim:
1- kimyada bazı tepkimeler anormal derecede hızlı gerçekleşir ve aşırı derecede üretim yaparlar bunlara otokatalitik tepkimeler deriz.
2- rna şablon gibi davranır ve başka bir şeye ihtiyaç duymadan kendisini otokatalik şekilde kopyalayabilir.
3- maddeler dünyasında dışarıdan bir itici güç olmadan kendi kendini kopyalayabilen moleküllerin varlığı ispatlanmıştır.

kimyada kararlılık

kimyada kararlılık görece daha basit bir kavram. tek cümleyle kendi halini koruyan şeye kararlı denir. kararlılık statik ve dinamik olarak ikiye ayrılır. statik kararlılıkta şey, tepkimeye girmeyerek kararlılığını korur ve ortaya çıkışından yok oluşuna kadar aynı parçalardan mürekkep kalır. dinamik kararlılık ise bir nehir gibidir, suları sürekli yenilenir ancak genel yapı olarak asla değişmez.

statik kararlılık pross'un "sıradan" kimya dediği alana girerken dinamik kararlılık kendini kopyalayan sistemlerin dünyasına ait bir kavramdır. sürekli kendini kopyalayarak, tıpkı bir nehrin damlalarının sürekli yenilenmesi gibi, kendini yenileyen ve sabit kalışını bu şekilde sağlayan yapılara pross "dinamik kinetik kararlılık (dkk)" diyor. (pross, 2016, s. 76) buradaki kinetik kelimesi ise sürekli üreme/kopyalanma ve bozunma/ölme arasındaki denge olarak düşünmek gerekiyor. örneğin sivrisinekler ve böcekler yüksek bir dinamik kinetik kararlılık gösterirken pandalar düşük dinamik kinetik kararlılık gösterir. yani kısaca ölme/bozunma süreleri kopyalama/üreme hızlarından sineklere nazaran daha düşük.

kararlılığı anladıysak eğer kararlılığın özellikle evrimsel anlamda ne kadar önemli olabileceğine dair bir referans verelim. richard dawkins örneğin herkesçe bilinen en uyumlu olanın hayatta kalması kuralını aslında en kararlı olanın hayatta kalması şeklinde de söyleyebileceğimizi iddia ediyor. (dawkins, 1995) maddenin kararsız durumda kararlı duruma geçmesi yönünde bir meyli olduğunun farkına varılması son derece önemli bir nokta. çünkü yukarıda belirttiğimiz üzere yaşamın ortaya çıkışı teorilerinin önünde duran en büyük engel termodinamiğin ikinci kanunuydu. maddenin kararsızlıktan kararlılığa geçiş meyli bugüne kadar bilim insanlarının en çok zorlandığı sorunu, dağılmaya yazgılı evrenin nasıl birleşen mekanizmalar yarattığını, aşmış gibi görünüyor.

ancak argüman tabii ki de burada bitmiyor. çarpıcı bir diğer nokta yakın zamana kadar sadece canlı olarak bildiğimiz sistemlere ait görünen evrimsel seçilimin moleküler düzeyde de kendini gösteriyor oluşudur. yani kendini kopyalayabilen, canlı değil sadece bir molekül olan rna'nın kendini kopyalarken mutasyona uğrayıp, kendi çevresinde kendinden yavaş kopyalanan diğer rna moleküllerini yok ettiğini de gözlemlemiş durumdayız. (mills vd., 1967) referans verdiğimiz deneyde bir çözelti içinde 4000 nükleotidden oluşan rna ipliği giderek kısalmaya başlamış ve 550 nükleotidden mürekkep bir rna kendini daha hızlı bir şekilde kopyalamayı keşfederek orijinal rna ipliğini yok etmişti! bu deneyde önemli olan şey evrim sürecinin varlığı değil, evrimin tamamen kimyasal bir yapıda olması yani maddeye özgü olmasıdır.

buraya kadar olan argümanları da bir önceki basitleştirilmiş ve özetlenmiş argümanlarla birleştirelim.
4- kendini kopyalayabilen moleküller kararlılık kavramını önemli hale getirirler.
5- kendini kopyalayabilen cansız maddeler, düşük entropi yüksek kararlılığa meyillidirler.
6- kararlılık statik ve dinamik olarak ikiye ayrılır. dinamik kararlılık kendini kopyalayabilen maddeler dünyasına aittir ve bu dünyada evrimin kuralları işlemeye başlar.

yaşamın kökeni

insanın evrende kapladığı yer sadece gözlemlenebilir evrenin yaklaşık 0.0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002358'ine eşittir . canlılık ise 3.4 milyar yıl ile 3.9 milyar yıl arasında tarihleniyor.(mojzsis vd., 1996)(wacey vd., 2011) ilk canlının ortaya çıkışı ile ilgili üzerinde en çok mutabık kalınan görüş ilk canlıların okyanus tabanlarındaki bacaların etrafında ortaya çıktığıdır diyebiliriz.(wächtershäuser, 1992) öte yandan "virüsler canlı mıdır?" tartışması hala "canlı"'yı tam olarak tanımlayamadığımız için çözülemiyor. yanıt, "keyfiyete" bırakılmış durumda.(villarreal, 2004, s. 105)

pross canlılığın cansız rna'dan türediği temel fikrinde ancak hiçbir canlılık emaresi olmayan dünyada canlılığı ortaya çıkaracak ilk rna nasıl ortaya çıktı diye sorulabilir. bu son derece makul soru yaşamın başlangıcı ile ilgili tartışmaları uzun süre tıkamış olmasına rağmen artık aşıldığını söyleyebiliriz. tamamen prebiyotik ortamda rna'nın ortaya çıkabileceği de kanıtlanmış durumda.(powner vd., 2009)

biyoloji kimyadır bölümüyle birlikte ise tartışmanın göbeğine gelmiş bulunuyoruz. pross şöyle söylüyor "biyolojiyle kimyayı ayıran uçurumun üzerine köprü kurulabileceğini, darwinci kuramın maddenin daha genel kimyasal bir kuramına entegre edilebileceğini, biyolojinin kimyadan başka bir şey olmadığını, daha somut olmak gerekirse kimyanın bir alt dalı, kopyalanma kimyası olduğunu göstermeye çalışacağım."(pross, 2016, s. 116)

bu köprüyü de kuracak olan şey sistem kimyasıdır. sistem kimyası basitçe biyolojik olanı oluşturan kimyasal sistemlere odaklanır. temel bir varsayımı alıp onun adım adım nasıl bir can yarattığını inceler. pross bir boeing uçağını anlamak istiyorsanız öncelikle wright kardeşlerin yaptığı ilk uçağın, uçuşla doğrudan ilintili parçalarını inceleyerek başlarsınız diyerek sistem kimyasını nasıl anlamamız gerektiğine dair basit bir örnek veriyor.

o halde bakılması gereken temel nokta kendini kopyalayabilen moleküllerin doğasıdır. bu doğada unutulmaması gereken nokta rna'nın seçilime tabii olduğudur.(voytek & joyce, 2009) ancak buna doğal seçilim demek hatalı olur, buna daha çok hızlı olanın yavaş olanı yok etmesi olarak bakmak gerekir.

evrim şu şekilde anlaşılmalıdır "kopyalanma, mutasyon, karmaşıklaşma, seçilim, evrim. ve bu akış hem kimyasal hem de biyolojik evreler için geçerlidir." (pross, 2016, s. 126) karmaşıklaşma hem biyolojide hem de kimyada temel eğilimdir. burası çok önemli zira bir molekülün karmaşıklaşmasının kural olarak belirlenmesi yaşamın abiyogenesisini çok daha anlaşılır kılmaktadır.

o halde doğal seçilim hızlı olanın yavaş olanı yok ettiğini kinetik seçilime eşittir. aynı sürecin kimyadaki adı kinetik seçilimken biyolojideki ismi doğal seçilimdir. aynı şekilde uyum gücü dinamik kinetik kararlılığa eşittir. yani bir şey kendisi kalmak için ne kadar verimli bir şekilde enerji harcıyorsa en uyumlusu odur.

bir diğer önemli nokta popülasyonlar üzerinden ilerleyen evrim meselesidir. burada çeyrek tür teorisi ve nüfusun heterojenliğinin pozitif etkisini görüyoruz. evrimsel süreçte kişilerin nereye hareketlendiğinden ziyade grupların nereye doğru hareketlendiğine bakmak gerekiyor.(eigen & schuster, 1979)(pross, 2016, s. 134)

kopyalanma son tahlilde bir sayı oyunundan farklı bir şey değildir.(pross, 2016, s. 136)

yaşam süreci için doğrudan alıntı: " süreç kendini kopyalayabilen ama kusurlu biçimde de kopyalanabilecek oligomerik varlığın ortaya çıkmasıyla başlar. bir rna molekülü ya da bir benzeri, süreci başlatabilecek türden bir molekül için örnek gösterilebilir; ama başka olasılıklar da dışlanamaz. her halükârda, sürecin ilkesini araştırırken o molekülün kimliğinin tam olarak belirlenmesi gerekli değildir. molekül ya tek başına ya da çok küçük bir ağın parçası olarak kendini kopyalamaya başladığında, bu varlıkların dünyasında işleyen itici kuvvet -yani daha fazla dkk'ya ulaşma güdüsü- sayesinde kararlılığını (daha önce gördüğümüz gibi dinamik kinetik türden) artırma eğilimine girer.

şimdi de ikinci adım: kopyalanma süreci arada bir mutasyonlarla gerçekleşir ve böylece kendini kopyalayabilen farklı farklı varlıklar ortaya çıkar. ayrıca genetik çeşitliliğe yol açan ek bir mekanizma olarak yatay gen transferi de hesaba katılacak olursa, genetik çeşitliliğin yalnızca kopyalanma adımından kaynaklanmak zorunda olmadığı anlaşılır. gelelim karmaşıklaşma adımına. kendini kopyalayabilen her hangi bir molekül (ya da ağ) bir kez oluştuktan sonra, potansiyel olarak daha karmaşık kopyalayıcıların oluşmasına yol açacak başka materyallerle etkileşme eğiliminde olacaktır. karmaşıklaşma süreci ta en başta, moleküler düzeyde, sistem öteki kararlılık çeşidiyle dkk- yönetildiği sırada devreye girer. elbette karmaşıklaşmanın yalnızca kendini kopyalayabilen moleküller sınıfıyla sınıdandırılması gerekmez. kendilerini kopyalayabilen ve yanı sıra başka kimyasal sınıfların -örneğin kopyalanma tepkimesine kendi katalizörlük becerilerini de katan peptidlerin- oluşumunu katalize etme becerisine sahip olan dizilimler, karmaşıklaşma ve kendini kopyalayabilen daha kararlı sistemlere doğru evrilme sürecine ayrıca katkı yaparlar. dolayısıyla karmaşıklaşma, kendilerini kopyalayamayan moleküllerin de giderek karmaşıklaşan ve kendilerini kopyalayabilen ağların oluşmasına katkı yaptığı bir birlikte evrilme sürecini içerir. böyle bir sistem, bütüncül olarak otokatalitik kaldığı sürece kendini sürdürür. demek ki, giderek daha karmaşık kimyasal ağlar oluşturmak suretiyle, kendilerini kopyalayan moleküllerin dkk'sını artıran ve kendini kopyalayan kararlı sistemler üreten mekanizma karmaşıklaşmanın ta kendisidir. ve nihayet: seçilim. kendini kopyalayabilen çeşitli sistemlerden oluşan bir popülasyon ortaya çıktığında, (kinetik) seçilim devreye girerek popülasyon içinde kendini kopyalayabilen moleküllerden popülasyonun dkk'sına daha çok katkı yapabilecek olanların oranını yükseltir. sürüp giden kopyalanma, mutasyon, karmaşıklaşma ve seçilim döngülerinin sonucu da elbette evrimdir. şimdi evrimi iten güç nedir konusuna geri dönelim. "uyum gücünü maksimuma çıkarma"nın "dkk'yı maksimuma çıkarma"ya tercüme edildiği önceki irdelememiz, biyolojinin son tahlilde ait olduğu fiziksel-kimyasal dünya çerçevesine sağlam biçimde yerleştirilmesine yardımcı oldu. nasıl ki "bilindik" kimyada tüm fiziksel ve kimyasal sistemlerin hareketi en kararlı durum yönündeyse, kendilerini kopyalayabilenler dünyasındaki istikamet de en kararlı durumu hedefler -ama o dünyaya uygulanabilecek bir kararlılıktır bu, yani dinamik kinetik kararlılık. gördüğümüz gibi maddi dünya bir bakıma, "bilindik" kimya dünyası ve kendini kopyalayanlar dünyası olmak üzere iki paralel dünyaya bölünebilir. "bilindik" dünyadaki dönüşümler ikinci yasa, kendini kopyalayanlar dünyasındaki dönüşümler ise ikinci yasa'nın bir benzeri sayılabilecek bir kural tarafından yönetilir. o halde şurası apaçık ortada ki, bizler aynı anda iki farklı kimyasal dünyada -farklı türden kararlılıklarca yönetilen, dolayısıyla da oldukça farklı iki kimyaya işaret eden- iki dünyada yaşıyoruz. gördüğümüz gibi, bu kimyalardan birine -kendini kopyalayanlar dünyasının kimyasına-biyoloji deniyor."(pross, 2016, s. 142)

bir diğer sorudan devam edelim: nasıl olur da kimyasal dönüşümleri yöneten iki yasa olabilir? pross'un yanıtı şu: "hiçbir fiziksel ya da kimyasal sistemin ikinci yasa'nın katı taleplerini yerine getirmeksizin bir değişim geçiremeyeceği doğrudur. aksini iddia etmek topların kendiliklerinden yokuş yukarı yuvarlanabileceklerini söylemekle aynı şeydir ki, toplar bunu yapmazlar. gelgelelim, eğer kendini kopyalayabilen bir sistem enerji toplayıcı bir sistem de edinmişse, işte o zaman doğa istediğini gönlünce yapabilir."

bu açıklamanın ardından pross şu şekilde sorarak devam ediyor: "bu iki kararlılık türünün çoğu kez çelişen talepleri ne karşın, böyle bir sistem daha yüksek dkk yönünde ilerlemeyi ikinci yasa'nın sıkı kurallarıyla rahatça bir arada tutabilir. peki ama bu doğal olarak nasıl gerçekleşmiş olabilir?"

yanıtı ise şu şekilde: "kısa süre önce ben gurion üniversitesi'nin kimya bölümü'nde iki meslektaşım -emmanuel tannenbaum ve nathaniel wagner ile birlikte gerçekleştirdiğimiz kuramsal bir simülasyonda, çevreden enerji sağlamasına -diyelim fotosentezin ilkel bir çeşidiyle ışık enerjisi toplamasına- yarayan rastgele bir mutasyon geçirmiş kop yalanabilen bir molekülün, böyle bir beceriye sahip olmayan bir benzerini rekabette alt ederek soyunu tüketeceğini gösterdik.(wagner vd., 2010)"

kitabın sorusunu kitabın sonunda pross şöyle yanıtlıyor: "yaşam, kopyalanma tepkimesinden kaynaklanan, kendini sürdürebilen, kinetik olarak kararlı dinamik bir tepkime ağıdır. tanımdaki her sözcük tanıma önemli bir unsur katar. "kendini sürdürebilen", sistemin en tepedeki ikinci yasa'nın gereklerini yerine getirebilmek için enerji toplama yeteneğine sahip olması gerektiği anlamına gelir. "kinetik olarak kararlı" ve "dinamik" sözcükleri, öteki kararlılık türünün özelliklerini ifade eder; "ağ" ve "kopyalanma" ise yeterince açıktır. (pross, 2016, s. 150)"

kaynaklar
- dawkins, r. (1995). gen bencildir (a. ü. müftüoğlu, çev.). tübitak.
- eigen, m., & schuster, p. (1979). the hypercycle: a principle of natural self-organization. springer.
- mills, d. r., peterson, r. l., & spiegelman, s. (1967). an extracellular darwinian experiment with a self-duplicating nucleic acid molecule. proceedings of the national academy of sciences, 58(1), 217-224. https://doi.org/10.1073/pnas.58.1.217
- mojzsis, s. j., arrhenius, g., mckeegan, k. d., harrison, t. m., nutman, a. p., & friend, c. r. l. (1996). evidence for life on earth before 3,800 million years ago. nature, 384(6604), 55-59. https://doi.org/10.1038/384055a0
- powner, m. w., gerland, b., & sutherland, j. d. (2009). synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions. nature, 459(7244), 239-242. https://doi.org/10.1038/nature08013
- pross, a. (2016). yaşam nedir? (r. gürdilek, çev.). metis yayınları.
- villarreal, l. p. (2004). are viruses alive? scientific american, 291(6), 100-105. https://doi.org/10.1038/scientificamerican1204-100
- von kiedrowski, g. (1986). a self-replicating hexadeoxynucleotide. angewandte chemie ınternational edition in english, 25(10), 932-935. https://doi.org/10.1002/anie.198609322
- voytek, s. b., & joyce, g. f. (2009). niche partitioning in the coevolution of 2 distinct rna enzymes. proceedings of the national academy of sciences, 106(19), 7780-7785. https://doi.org/10.1073/pnas.0903397106
- wacey, d., kilburn, m. r., saunders, m., cliff, j., & brasier, m. d. (2011). microfossils of sulphur-metabolizing cells in 3.4-billion-year-old rocks of western australia. nature geoscience, 4(10), 698-702. https://doi.org/10.1038/ngeo1238
- wächtershäuser, g. (1992). groundworks for an evolutionary biochemistry: the iron-sulphur world. progress in biophysics and molecular biology, 58(2), 85-201. https://doi.org/10.1016/0079-6107(92)90022-X
- wagner, n., pross, a., & tannenbaum, e. (2010). selection advantage of metabolic over non-metabolic replicators: a kinetic analysis. biosystems, 99(2), 126-129. https://doi.org/10.1016/j.biosystems.2009.10.005