Yaşamın hiç bitmeyen devinimi!

Biyoloji, hayranlık uyandıracak kadar tuhaftır. Bir yandan son derece tanıdık, diğer yandan fizik ve kimyadan çarpıcı biçimde farklıdır. Cansız madde söz konusu olduğunda ise cevabımız nettir. Isaac Newton’dan bu yana, doğayı mekanik bir sistem olarak kavradık; yani amaç gütmeyen bir evrende, doğa yasaları körü körüne işlemektedir. Ancak Immanuel Kant’ın sorduğu gibi: Bir çimen yaprağının Newton’u olabilir mi?

Addy Pross
Çeviren: Okan Nurettin Okur

Biyoloji, hayranlık uyandıracak kadar tuhaftır. Bir yandan son derece tanıdık, diğer yandan fizik ve kimyadan çarpıcı biçimde farklıdır. Cansız madde söz konusu olduğunda ise cevabımız nettir. Isaac Newton’dan bu yana, doğayı mekanik bir sistem olarak kavradık; yani amaç gütmeyen bir evrende, doğa yasaları körü körüne işlemektedir. Ancak Immanuel Kant’ın sorduğu gibi: Bir çimen yaprağının Newton’u olabilir mi? Canlı varlıklar da ”ölü” atomlar ve moleküllerden oluşmuştur, yani maddi dünyanın geri kalanıyla aynı yapı taşlarını paylaşırlar. Yine de aynı biçimde davranmazlar. Aksine, çoğu zaman öyle bir amaçlılık sergilerler ki, bu durum modern bilimin temellerini oluşturan materyalist felsefeye dahi bir meydan okuma gibi görünür.
Charles Darwin’den sonra bile bu ayrımın yarattığı zorlukla yüzleşmeye devam ediyoruz. Her biyoloğun kabul edeceği gibi, işlev ve amaç kavramları yaşam bilimlerinin merkezinde yer almaya devam etmektedir. Peki, bu durumda canlıları mekanistik evren anlayışımızla nasıl bağdaştırabiliriz? Bu, elbette yalnızca kavramsal değil, aynı zamanda tarihsel bir sorudur: Dünya üzerindeki yaşam gerçekte nasıl ortaya çıktı? Hem kuramsal düzeyde hem de Dünya’nın kendine özgü evrimsel tarihinde, canlı ve cansız âlemler arasında belirgin bir uçurum olduğu açıktır.

Artık bu boşluğun doldurulabileceğine inanıyorum. Ancak bunu nasıl gerçekleştirdiğimi açıklamadan önce, modern biyolojinin bu sorunu genel olarak nasıl ele aldığını ortaya koymakta yarar var. Açıkçası, bu mesele genellikle çözümsüz görülmüş ve görmezden gelinmiştir. Bu yaklaşım, biyolojiyi fizik ve kimyadan ayırmak ve ona özgü ayrı bir bilim felsefesi geliştirmek anlamına gelmiştir. 20. yüzyılın önde gelen evrimsel biyologlarından Ernst Mayr da bu çizgiyi açıkça savunarak, biyolojinin özerkliği [autonomy of biology] ilkesini ortaya koymuştur. Mayr’a göre; fizik ve kimya cansız maddelerle ilgilenirken, biyoloji canlı sistemlere odaklanır ve bu ayrım en azından şimdilik kabul edilmelidir.
Ancak bu açıklama yeterli değildir. Doğa tek ve bütünsel bir yapı sergilerken, bilim bu bütünlüğü kavrayabilmek adına genellemelere ve birleştirici yaklaşımlara başvurur. Oysa yaşamın amaçlı ve yönelimli doğası, evrenin salt maddi işleyişine indirgenen anlayışımıza meydan okumadır. Bu çelişkiyi görmezden gelemeyiz. Ne mutlu ki, onu göz ardı etmek zorunda da değiliz.
Sistem kimyası gibi yeni ve heyecan verici bir alana ilgi duyan teorik bir kimyagerim. Bu alan, çoğalan moleküllerle [replicating molecules] ve bunların oluşturduğu reaksiyon ağlarıyla ilgileniyor. Son dönemdeki bazı araştırmalar, biyolojinin mekanik dünya ile nasıl yeniden bağlantı kurabileceğini gözler önüne seriyor. Bu çoğalan moleküller, Mayr’ın klasik disipliner ayrımlarını aşarak, yaşamla cansız madde arasındaki sınırları bulanıklaştırıyor.

Meslektaşlarım, laboratuvarlarında canlı ile cansızın iç içe geçtiği bir ortam oluşturdu. Böylece biyoloji; fizik ve kimya ile kavramsal bir bütünlük içinde birleşmeye başladı. Bu birleşme sürecinde yeni bakış açıları doğdu. Aslında bu yeni görüşlerin ilki, yaşamın Dünya’da nasıl başlamış olabileceği gibi temel bir soruya ışık tutuyor.

Basit yaşam formlarının cansız maddeden ortaya çıkış sürecine abiyogenez adını veriyoruz. Öte yandan evrim, Darwin’in deyimiyle yaşamın en güzel ve sonsuz formlara [endless forms most beautiful] doğru dallanıp budaklandığı biyolojik bir süreçtir. Geleneksel olarak bu iki olgu birbirinden oldukça farklı görülür: Abiyogenez, doğanın en büyük gizemlerinden biri olarak kalırken; evrim, Darwin sayesinde oldukça iyi anlaşılmış bir bilimsel kuramdır. Ancak sistem kimyasının sunduğu bakış açısıyla, bu iki süreç artık birbirinden kopuk değil, tek ve sürekli bir ilerleme süreci olarak değerlendirilmektedir.

Bugün artık biliyoruz ki, Darwinci evrime benzer bir seçilim mekanizması, yaşam öncesi dönemde hatta tekil moleküller düzeyinde bile işlemiş olabilir. Örneğin, bir RNA molekülü popülasyonunu uygun kimyasal yapı taşlarıyla beslediğinizde, belirli koşullar altında bu moleküller kendi kendilerini kopyalamaya başlar. Üstelik zamanla bu popülasyon evrim geçirir: yavaş kopyalayıcılar yerlerini daha hızlı ve verimli olanlara bırakır. RNA, klasik anlamda canlı kabul edilmese de, evrimsel dinamiklere tabidir. Bu da bize canlı ve cansız madde arasındaki ilk işlevsel köprüyü sunar.
İkinci önemli nokta şudur: Evrimin bir yönü, yani bir tür itici gücü vardır. Bu, hem yaşamın kimyasal olarak ortaya çıkışında (abiyogenez) hem de biyolojik evrimde görülür. Yani, yaşamın “amacı varmış gibi” görünmesi aslında sadece canlılara özgü değildir. Bazı cansız sistemlerde bile, kopyalanabilir ve evrimleşebilir olduklarında bu yönlü gelişim görülebilir. Bu itici güç tamamen fiziksel kurallarla açıklanabilir.

Size küçük bir gerçek sunayım: Değişmeyen şeyler değişmez; değişen şeyler ise değişir, ta ki bir gün değişmeyen hâle gelene kadar. Bu ifade mantıksal olarak doğrudur; “bir artı bir eşittir iki” kadar kesin. Tıpkı bu matematiksel gerçeklik gibi, dünyanın işleyişi hakkında da şaşırtıcı derecede güçlü çıkarımlarda bulunur. Eğer değişen her şey eninde sonunda değişmeyen bir hâle gelebiliyorsa, o hâlde tüm değişen şeylerin zamanla durağan bir forma ulaşmasını bekleyebiliriz.
Şeyler, kalıcı formlara yönelir; çünkü istikrar, her şeyin nihai durağıdır. Belki de tüm Evren’in…
Hem bilimsel bağlamda hem de günlük yaşamda istikrardan sıkça söz ederiz. Her iki durumda da bu kavram, benzer şekilde anlaşılır: uzun ömürlü, kalıcı ve zaman içinde değişmeyen. Yukarıdaki mantıksal çıkarımımızla uyumlu olarak, doğada şeylerin zamanla daha istikrarlı hâle geldiğini söyleyen bir fizik yasası da vardır. Bahsettiğim yasa, tüm bilim dünyasının en tanınmış ilkelerinden biri olan Termodinamiğin İkinci Yasası’dır.
İkinci Yasa, değişimin yönünü ve bazı şeylerin zaman içinde neden değişmeden kaldığını açıklar. Bu açıklama enerji düzeyleri açısından yapılabilir: Yüksek enerji, genellikle istikrarsızlıkla ilişkilendirilirken; düşük enerji, kararlılıkla bağlantılıdır. Fiziksel bir sistem en düşük enerji durumuna (denge durumuna) ulaştığında, artık bir değişim gerçekleşmez.
Bu yasa ne kadar yaygındır? Avusturyalı fizikçi Ludwig Boltzmann, 1870’lerde entropi kavramı aracılığıyla bu yasanın matematiksel temelini ortaya koymuştur. O zamandan beri yaygın bir görüşe göre, tüm Evren, ısı ölümü [heat death] olarak adlandırılan, son derece düşük enerjili ve değişimin durduğu kalıcı bir duruma doğru ilerlemektedir.

Ancak, İkinci Yasa’nın öngördüğü bu istikrarın, gerçekliğimizin yalnızca özel bir durumu olduğunu unutmamak gerekir. Bir zamanlar İkinci Yasa, evrenin işleyişine dair kaba bir gerçeklik olarak görülürdü. Enerji belirli şekillerde akar, onu işe dönüştürmeye çalıştığınızda bazı temel sınırlamalarla karşılaşırsınız, hepsi bundan ibaretti. Ta ki Ludwig Boltzmann, entropiyi olasılıkla ilişkilendirerek bu ampirik gözlemlerin aslında derin bir matematiksel zorunluluğun sonucu olduğunu gösterene kadar. Entropi yasaları, olasılık kuramının içinden oldukça doğal bir şekilde doğar.

Peki, entropi nedir? Basitçe ifade etmek gerekirse, fiziksel bir sistemin ne kadar “düzenli” ya da “düzensiz” olduğunun ölçüsüdür. Düşük entropiye sahip durumlar, gündelik anlamda da oldukça düzenlidir. Örneğin, kağıtların düzgünce istiflendiği, kalemlerin kalemlikte durduğu tertipli bir masa düşünün. Bu masa dağıldıkça, yani düzen azaldıkça entropi artar.
Şimdi masanın her olası düzeninin eşit olasılıkla meydana geldiğini varsayalım (örneğin, deprem olsun ve tüm oda sallansın). Bu durumda, dağınık bir düzenin ortaya çıkma ihtimali, düzenli bir düzene göre çok daha yüksektir. Çünkü dağınıklığın yolları, düzenli olasılıklardan sayıca fazladır. Sayılar, dağınıklığın lehinedir. Ayrıca, masada yapılacak rastgele bir değişiklik çoğunlukla onu daha da dağınık hale getirir.
Evrenin doğasında da benzer bir eğilim vardır. Rastgelelikten kaynaklanan küçük değişiklikler sürekli olarak gerçekleşir ve bu değişiklikler genellikle sistemleri daha düzensiz, yani daha yüksek entropili hale getirir. Sonuç olarak, zaman ilerledikçe entropi artar ve her şey daha kararlı ama aynı zamanda daha düzensiz hale gelir.

Ancak yüksek entropi ve düşük enerji, istikrarın yalnızca bir biçimidir. Doğa başka türden istikrarlar da sunar. Enerjik olarak son derece kararsız olan bir yapı, buna rağmen son derece kalıcı olabilir. Nitekim çoğaltıcıların dünyasında tam da bunu görürüz. Canlı organizmalar, düşük entropili ve enerji tüketen sistemlerdir; bu yönüyle termodinamik açıdan kararsızdırlar. Ancak zaman içinde kalıcılık açısından dikkate değer bir istikrar sergileyebilirler. Bazı çoğalan popülasyonlar (örneğin belirli bakteri türleri) milyonlarca, hatta bir milyar yıl boyunca çok az değişim göstererek varlıklarını sürdürebilmişlerdir. Bu tür sistemler, “dinamik kinetik kararlılık” (DKK) adı verilen bir özellik taşır. Tıpkı entropi gibi, DKK de basit fakat güçlü bir matematiksel çerçeveyle açıklanabilir.

Üstelik çevresel koşullar değiştiğinde, bu çoğalma yarışında öne çıkan yapılar da değişebilir.
Aslında bu süreç, üstel büyümenin matematiğine dayanır. Bu, kendini kopyalayan sistemlerde sıkça karşılaşılan bir modeldir ve bu sistemlerin fiziksel olması bile gerekmez. Örneğin, bir dolarla başladığınızı ve her hafta bu miktarı ikiye katladığınızı düşünün. Hiç kimsenin bu sırrı keşfetmediğini varsayarsak, bir yıl dolmadan dünyanın en zengin insanı olabilirsiniz. Bu süreci beş yıl daha sürdürürseniz, elinizde gözlemlenebilir evrendeki atom sayısından bile fazla dolar bulunur.
Kendini kopyalayan moleküler sistemler de uygun koşullar altında benzer şekilde patlayıcı bir büyüme sürecine girebilir. Ancak burada önemli bir fark ortaya çıkar: Bu tür bir çoğalma gerçekleştiğinde, yepyeni bir kimya türü doğar. Sonunda, bu kimyasal yeniliklerin birleşimi, bugün “biyoloji” olarak adlandırdığımız olgulara zemin hazırlar.

Çoğaltıcılar her zaman kendilerinin kusursuz kopyalarını üretmezler; ortaya çıkan varyantlar, kaynaklar için orijinalleriyle rekabet etmek zorundadır. Hem orijinaller hem de “hatalı” kopyalar, kaynaklar tükenmediği sürece durmaksızın çoğalma eğilimindedir. Bu nedenle, daha etkili kopyalanabilen yapılar, daha az etkili olanları zamanla ortadan eleyerek baskın hale gelir. Böylece, daha az kalıcı çoğaltıcılar, zamanla daha kalıcı olanlara evrilme eğilimi gösterir. Nasıl ki “klasik” kimyada tepkimeler daha istikrarlı ürünlere yöneliyorsa, çoğaltıcıların oluşturduğu dünyada da değişim istikrara doğrudur. Yine, her şey sayılarla belirlenir, istatistiksel ağırlık belirleyici rol oynar.
Ancak burada iki önemli fark göze çarpar. Birincisi şudur: Çoğaltıcı dünyasında istikrar, enerji içeriğiyle doğrudan ilişkili olmayabilir. Termodinamik dengeleri sürdürecek bir metabolik enerji kaynağı mevcut olduğu sürece, bu sistemler varlıklarını sürdürebilir. Dolayısıyla burada söz konusu olan, gerçekten farklı bir istikrar biçimidir.

İkinci farkı kavramak biraz daha zordur. Entropide, sayıların ağırlığı her zaman aynı yönde işler; bu da işleri basit tutar: Her şey rastgelelik ve düzensizliğe doğru eğilim gösterir. Oysa DKS’de (Doğal Kopyalanma Sistemleri) istikrar değişkendir. Bazı kopyalayıcılar şaşırtıcı derecede dayanıklı olabilir ancak en önemlisi DKS her zaman konjonktüre bağlıdır. Çevresel koşullar değiştiğinde, çoğaltma yarışının galibi de değişebilir. Aslında, yaşamı bu kadar değişken ve evrimsel süreci büyük ölçüde öngörülemez kılan da budur. Replikasyonun matematiği, paradoksal bir şekilde onu huzursuz bir denge arayışına iter.
Canlılar neden bu kadar karmaşık? İşte bu, şimdi yanıtlayabildiğimiz bir başka kadim bilmece. Birçok sistem kimyacısının hayal kırıklığıyla öğrendiği gibi, en basit moleküler çoğaltıcılar bile son derece hassas olabilir. Bu sistemlerin çoğalmasını sağlamak için gelişmiş laboratuvarlara, özel ekipmanlara ve uzman araştırmacılara ihtiyaç duyulur ve tüm bunlara rağmen süreç genellikle belirsizlik taşır.
Buna karşın biyolojik çoğaltıcılar, yani canlılar olağanüstü derecede dayanıklıdır. En basit yaşam formlarından bazıları olan bakterileri ele alalım. Bu son derece karmaşık varlıklar, Dünya’nın derinliklerinden atmosferin yüksek katmanlarına, kaynar sulardan nükleer reaktörlere kadar birçok ekstrem ortamda, herhangi bir laboratuvar, ekipman veya insan yardımı olmadan hayatta kalabilir ve çoğalabilir.

Peki, bu olağanüstü karmaşıklık nasıl ortaya çıktı? Cevap aslında oldukça basit: her seferinde bir adım. Kaliforniya, La Jolla’daki Scripps Araştırma Enstitüsü’nde kimya profesörü olan Gerald Joyce, yakın zamanda tek bir RNA molekülünün kendi başına çoğalma yetisinin oldukça verimsiz olduğunu gösterdi. Buna karşılık, iki RNA molekülünün birbirinin oluşumunu katalizlediği bir sistem yani bir RNA çoğaltma ağı çok daha etkilidir. Bu durum, bir nesneyi iki parmakla almanın, tek parmakla almaktan daha kolay olmasıyla benzer bir mantığa dayanır. Doğa da bu temel tasarım ilkesinden yararlanmıştır. Yani karmaşıklık ve işlevsellik genellikle birlikte gelişir. Joyce’un RNA deneyi, binlerce millik bir evrimsel yolculuğun ilk adımını temsil eder. Nihai hedef ise son derece etkili ve bir o kadar da karmaşık bir çoğaltıcı olan bakteri hücresidir.

Doğanın iki maddi yönü olan canlı ve cansız formlar, istikrarın iki temel unsuru olarak ortaya çıkmıştır. Boltzmann, bize daha aşina olduğumuz termodinamik yönü göstermiştir. Ancak diğer yönün izleri, İngiliz din adamı Thomas Malthus’a kadar sürülebilir. 1790’larda kıtlık ekonomisi üzerine çalışan Malthus, biyolojik bağlamda üstel büyümenin derin sonuçlarını ilk fark eden kişi olmuştur. Malthus’tan Darwin’e, oradan da Sol Spiegelman, Manfred Eigen, Leslie Orgel, Günter von Kiedrowski gibi sistem kimyasının kurucu isimlerine uzanan bir bilimsel miras söz konusudur.

Elbette, biri olasılıklara ve enerjiye, diğeri ise üstel şekilde kendini kopyalamaya dayanan iki farklı istikrar türünün varlığını kabul ettiğimizde, tüm canlıların teleolojik karakterinin nedeni daha açık hale gelir. Doğanın, mantığın kendisi tarafından dikte edilen en temel dürtüsü, daha büyük bir istikrara ulaşmaktır. Bu dürtü, evrensel olarak geçerli olan İkinci Yasa aracılığıyla termodinamik düzlemde tezahür eder; ancak aynı zamanda kinetik bir tezahürü de vardır: giderek daha kalıcı ve verimli çoğaltıcılara yönelim. Bu bağlamda iki farklı matematiksel yapı ve iki maddi biçim ortaya çıkar. Bu ayrım, canlı ve cansız madde arasındaki sınırı kesin bir şekilde belirlemese de, bu farkı ve yaşamın diğer birçok bilmecesini anlamamıza yardımcı olur.

Kaynak:
https://aeon.co/essays/paradoxes-of-stability-how-life-began-and-why-it-can-t-rest
Son Erişim Tarihi: 29.04.2025