Biyologlar - Biyolojiye Gerçekçi Yaklaşım

“Hayat Molekülleri”nin Temelleri, Oluşumları ve Koaservatların Gelişimi

---

Hayat Molekülleri, ya da diğer bir ismiyle organik moleküller en azından bizim bildiğimiz ve tanımladığımız anlamıyla canlılığın var olabilmesi ve varlığını sürdürebilmesi için gereken moleküllerdir. Temel olarak nükleotitler, lipitler, proteinler ve karbonhidratlar "hayat molekülleri"dir. Bu moleküllerin hepsinin genel formları üç aşağı beş yukarı benzer olsa da, işlevleri kimyasal ve fiziksel özelliklerinden dolayı birbirlerinden tamamen farklıdır. Ve bu farklı özelliklerin toplamı, bugün bizlerin "canlı" olarak isimlendirdiği varlık formlarını meydana getirir.

Bizi "canlı" kılan moleküllerden hangisinin ilk olarak oluştuğunu kestirmek çok güç. Zira yapılacak tahminler, spekülasyondan öteye gitmeyecektir; bu oluşumlar çoğunlukla rastlantısaldır ve tamamen çevre koşullarına bağlı olarak gerçekleşirler. Bu sebeple, herhangi bir sıra takip etmeden, her birine tek tek değineceğiz.

Şimdi, bu noktada, “canlılık” tanımına yeniden göz atmakta fayda var. Kimyada “organik moleküller”, canlıları cansızlardan ayırmak için kullanılırlar. Canlılarda, inorganik moleküller de elbette bulunmaktadır ancak canlı vücudunun büyük bir kısmı organik moleküllerden oluşmaktadır. Yani organik moleküllerin bulunması, bir varlığın “canlı” olarak adlandırılması için iyi bir sebeptir (ancak çoğu zaman yeterli değildir, yine de iyi bir işarettir). Peki “organik moleküller” hangi atomlardan oluşur? Karbon (C), Hidrojen (H), Oksijen (O), Nitrojen (N), Fosfor (P), vb. Yani bizim bu “hayat molekülleri” dediğimiz proteinleri, lipitleri, karbonhidratları ve nükleik asitleri oluşturan atomlar. Yani canlılık, bundan ibarettir!

Oldukça kesin olan bir gerçek vardır: Evrim hemen hemen her zaman ama her zaman basitten karmaşığa doğru olur. Bunun temel sebebi, Evrim'in yeni bir materyal "yaratmaması"; ortada halihazırda var olan materyali değiştirerek kullanmasıdır. Dünya üzerinde bulunabilecek en basit yapıtaşları, atomaltı parçacıkları göz ardı edecek olursak, atomlardır. Bu atomlar, fizik yasaları etkisi altında, farklı çevresel koşullarda, farklı şekillerde bir araya gelerek atomlardan daha karmaşık olan molekülleri oluştururlar. Daha sonra bu moleküller, yine farklı şekillerde birleşerek, daha büyük ve envai çeşit molekülü oluşturabilirler. Bunlar, çevre şartları altında bir nevi "sınava" tabi tutulur. En uygun yapıda olanlar parçalanmadan kalırlar. Diğerleri ise dengesiz oldukları için, diğer molekül ve atomların etkisiyle, radyasyon-ısı-ışık gibi fiziksel faktörlerden ötürü parçalanırlar ve dağılırlar. İşte bu şekilde, adım adım, sadece atomlardan yola çıkarak 4 milyar yıl içerisinde trilyonlarca hücreyi bir arada bulundurabilen karmaşık yapılara evrim gerçekleşmiştir.

Dolayısıyla bir protein molekülü, yağ molekülü, nükleotit molekülü, vb. oluşmadan önce, bunları oluşturan yapıtaşları oluşmalıdır ki bunlar daha küçük, daha basit yapıda moleküllerdir. Biri daha da derinlere inerek molekülleri oluşturan yapılara bakarsa, atomları görecektir. Daha da derinlerde atomaltı parçacıklar yatar; ancak bu konu bizi şu anda ilgilendirmiyor. Bilmemiz gereken nokta, atomların bir araya gelmesiyle envai çeşit molekülün oluşabildiği ve bu moleküllerden "Hayat Molekülleri" olarak isimlendirilen bir grubun bazı varlık formlarının "canlılık özellikleri" olarak verdiğimiz özelliklere sahip olmalarını sağladıklarıdır.

Gelin şimdi sizlerle bu “hayat moleküllerinin” yapılarına bakalım. Aşağıda, canlılarda en çok kullanılan ikikarbonhidratın (şekerin) kimyasal yapısını görüyoruz:

Glukoz (glucose) ve fruktoz (fructose, meyve şekeri) canlılar için en hayati öneme sahip şekerlerdir. “Monosakkarit”tirler (basit şeker) ve canlıların yapısında bulunabilen pekçok kompleks şeker molekülünün (nişasta, glukojen, kitin, selüloz, vb.) temelini oluştururlar. Canlılar için bu kadar önemli olan bu molekülleri incelediğimizde, pek de sıradışı bir yapı görmüyoruz: 6 adet Karbon atomu (C), 12 adet Hidrojen (H) atomu, 6 adet de Oksijen (O) atomu bir araya gelerek canlıları "canlı" kılan moleküllerden biri olan şekerleri üretebiliyor.

Bu şeker molekülleri, farklı sıra ve biçimlerde bir araya gelerek, daha büyük bileşikleri oluşturabilirler. Örneğin yukarıdaki glukoz ve fruktoz bir araya gelerek, sukroz isimli bir diğer şekeri oluşturabilirler:

İşte bu şeker molekülleri, daha farklı şekillerde birbirlerine bağlanarak, devasa şeker bileşiklerini oluşturabilirler. Örneğin aşağıda sadece glukozların bir araya gelmesinden oluşan bir glukojen bileşiğini görüyorsunuz:

Görselin üst kısmında bağların nasıl kurulduğu gösteriliyor. Alt kısımda ise, daha önceki yazılarımızda da açıkladığımız kapalı bir çizim örneği verilmiş glukojen için.

Bu bileşikler, canlıların yapıtaşı olan hücrelerin pek çok farklı bölgesinde kullanılabilirler. Örneğin enerji üretmek üzere oksijen ile tepkimeye sokulabilirler, bir diğer "hayat molekülü" olan proteinlerle birleşerek hücre zarının yapısına katılabilirler, vs. Örneğin glukoz, hayvanların çoğunun temel enerji kaynağıdır ve hayvanlarda glukoz karaciğerde yukarıda verdiğimiz glukojen şeklinde depolanır. Ancak aynı glukoz, farklı bir bağ yapısı kurarak bitkilerin güçlü hücre duvarını oluşturan selülozu oluşturabilirler. Zaten hücrelere bakacak olursanız, "hayat molekülleri"nin farklı bileşimlerinden başka bir şey olmadıklarını göreceksiniz. Kısaca farklı bağlar, farklı ürünler demektir. Bu kadar farklı olasılığın, farklı şekillerde yapıya katılması ve milyarlarca yıldır süren Evrim etkisiyle günümüzdeki canlılık çeşitliliğine ulaşırız. Koaservatlar da şekerleri benzer bir şekilde kullanmaya başlamışlardır.

Şimdi de canlılar için genellikle “kritik önemdeki molekül” sayılan proteinlere bakalım. Proteinler, aminoasit denen daha ufak moleküllerin uç uca, üst üste, yan yana eklenmesi sonucu oluşan bir atom kompleksidir. Aşağıda günümüze kadar süren evrimsel süreçte oluşmuş 20 temel aminoasidi ve bunların kimyasal yapısını görmektesiniz:

Görülebileceği üzere, bir aminoasidin de yapısında diğer moleküllerden farklı bir özellik yoktur. Tek gördüğümüz, karbonlar, oksijenler, hidrojenler ve azot. Bu arada, orada “R” ile gösterilen yer, değişken bir gruptur. Oraya da değişik atomlar bağlanarak, değişik aminoasitleri oluştururlar. Bu aminoasitler, farklı şekillerde uç uca birleşerek sonsuz sayıda protein oluşturabilirler. Çünkü yukarıdaki 20 aminoasitten 3-4 tanesi bir araya gelerek bir proteini oluşturabilecekleri gibi, aynı 20 aminoasitten yüzlercesi bir araya gelerek dev proteinleri de oluşturabilirler. Bu da sonsuz sayıda kombinasyon demektir.

Örneğin aşağıda bir G-Proteini görüyorsunuz:

Bu protein yapısında yüzlerce aminoasit, farklı sıra ve sayılarda kullanılmaktadır. Bu sıraların ve sayıların değişmesi, farklı özelliklerde proteinlerin üretilmesi, bu da farklı protein moleküllerinin farklı işlevlere sahip olabilmesi demektir.

Nükleotitleri zaten ilk yazımızda açıklamıştık, tekrar etmiyoruz; ancak bir de lipit (yağ) moleküllerinin yapıtaşlarına bakalım. Lipitlerin diğerlerinden farklı olarak iki tip yapıtaşı vardır: gliserol ve yağ asitleri. Gliserolün yapısı aşağıdadır:

Görüldüğü gibi son derece sıradan bir moleküldür. Yağ asitlerinin yapısı da şöyledir:

Bunların ikisinin birleşimi, yağ moleküllerini oluşturmaktadır:

Bu yağ molekülleri de bir önceki yazımızda değindiğimiz gibi su içerisinde küresel bir geometriye bürünerek hücre zarının ilkin yapısını oluşturmaktadır.

Bu yapılar nasıl kendiliğinden oluşmuş olabilir?

Sorunun bilimsel cevabı oldukça basittir: Kimyasal bağlar.

Hepimizin okulda belki de nefret ederek öğrendiğimiz o meşhur bağlar: Kovalent bağlar, iyonik bağlar, hidrojen bağları, Van der Waals kuvvetleri ve daha nicesi… Eğer bu atomlardan yeteri miktarda bir kaba koyarsanız ve yeterince beklerseniz, kimyasal yapılarından dolayı bu atomlar arasında bağlar oluşmaya başlayacaktır. Bu da tamamiyle elektron yapılarından kaynaklanır. Eğer yörüngelerindeki elektron sayısı gereği bunları “paylaşmaya” meyillilerse “kovalent bağlar”; eğer yörüngelerindeki elektronlardan bazıların alıp vermeye meyillilerse “iyonik bağlar” oluşur. Flor (F), Oksijen (O) ve Azot (N) atomları ile Hidrojen (H) atomu arasında ise Hidrojen Bağı denen ve hayatın oluşmasında (daha doğrusu bu moleküllerin işlevsel olabilmelerinde) çok önemli rol oynayan bir bağ vardır. Van der Waals bağları ise daha zayıf bağlardır. Kimi arasındaki bağları koparmak son derece kolayken, kimini koparmak için oldukça fazla enerjiye ihtiyaç duyulur. Kimi birbiriyle çok hızlı ve kolay şekilde bağ kurar, kimi ise ne kadar zorlarsanız zorlayın birbirine bağlanmaz. Bunlar da, tamamen elementlerin kimyasal ve elektronik yapılarından kaynaklanır.

Burada sorun, çoğunlukla büyük moleküllerin oluşabilmesi için gereken tepkimelerin "aktivasyon enerjisi"nin çok yüksek olmasıdır. Yani yapıtaşları bir arada bulunsalar bile, kendiliğinden birbirlerine bağlanabilmeleri olanaksıza yakındır ya da en azından çok düşük bir ihtimaldir. Ancak belli ki canlılığın başlangıcında bu olabilmiştir. Peki nasıl?

Hatırlarsanız canlılığın başladığı dönemlerde, 600 milyon yıllık bir süreçte Dünya'nın atmosferik ve çevresel koşulları bugünkünden oldukça farklıydı. Her şey çok daha kaotikti ve ısı, ışık, radyasyon gibi etmenler bugünkünden çok daha şiddetli ve farklı etkiyordu. Henüz ozon tabakası bile tam olarak oluşmamıştı - ki bir miktar delindiğinde iklimin nasıl değiştiğini görebiliyoruz. İşte bu durum, kimyasal tepkimelerin doğasını da değiştirmekteydi. Bunun gerçekliğini Miller-Urey Deneyi ile gözleyebildik. Normalde yapıtaşları ve gereken atomlar ile moleküller bir arada bulunsa belki de asla oluşmayacak olan aminoasitler, şekerler ve diğer moleküller, ilkin Dünya koşullarının taklit edildiği bir düzenek içerisinde 1 haftadan daha kısa bir sürede oluşabilmiştir.

Günümüzde ise bu tekimeler oldukça kolay bir şekilde gerçekleşmektedir; hem de Dünya koşulları tamamen değişmesine rağmen. Bu nasıl olmaktadır? Günümüzde, çoğunukla protein yapılı olan,enzim isimli kimyasallar bulunmaktadır. Bu kimyasallar da diğer moleküller gibi son derece sıradandırlar. Ancak bir özellikleri, onları değerli kılmaktadır: enzimler, ortamda bulunan ve kendileriyle ve birbirleriyle uygun olan moleküllerin kendi aralarındaki tepkimelerini hızlandırırlar. Kimi enzim bu tepkimeleri 5 kat, 10 kat, milyon kat, milyar kat hızlandırabilmektedir. Dolayısıyla başlangıçta 600 milyon yıllık bir deneme-yanılma ve bekleme süresi sonucunda oluşacak enzimler, bir defa "uzun bekleme" sonucu oluşabildikten sonra, kolaylıkla diğer tepkimeleri hızlandırabileceklerdir ve canlılığın gelişimi eksponansiyel olarak artabilecektir. Ki gördüğümüz durum da budur, buna yine bu yazı dizimiz içerisinde döneceğiz.

Dolayısıyla, bu yazımızı toparlamamız gerekirse, lipit zırh içerisinde atomların ve moleküllerin farklı birleşimleri sonucunda daha farklı, daha çeşitli, daha işlevsel bir çok yeni bileşik oluşabilmektedir ki zaten canlıları "canlı" yapan da bu moleküllerdir.

Bu moleküller, sonraki yazılarımızda inceleyeceğimiz üzere bazı sözde “görevlere” sahiptirler. Aslında, hiçbir molekülün, hiçbir “görevi” yoktur. Onlar, fiziksel yasalar dahilinde hareket ederler, değişirler, gelişirler, vs. Ancak bunu sağlayan bir bilinçleri ya da amaçları yoktur. Yine de bunların "rastlantısal gibi gözüken" bu hareketleri, bizi "canlı" yapar. Doğaya, olaylara ve olgulara bakarız ve bu sırada beynimizdeki moleküller çeşitli tepkimelere girerler ve bunun total sonucuna “düşünme” deriz. Baktığımız sistem, bazı kimyasalların, bazı diğer kimyasallarla parçalanması ile ilgiliyse ona “sindirim” deriz. Bunda görev alan moleküllerden oluşan hücrelere “sindirim hücreleri” deriz. Halbuki onlar “sindirme göreviyle” donanmış askerler değillerdir. Onlar, sadece fiziksel ve kimyasal yasaların gereksinimlerini yerine getiren bilinçsiz atomlar ve atomlardan oluşan moleküllerdir. Ancak bunların bütünü bizi var ettiği için, biz bunları algılarız, algıladığımızı sanarız. Halbuki “algılama” dediğimiz bile sadece kimyasal bir etkileşimdir ve tamamen atomlar ve moleküller aracılığıyla olur. Bunlara daha başka yazılarımızda zaten değineceğiz.

Kısacası, tüm bu olaylara sebep olanlar, canlıları "canlı", cansızları "cansız" kılanlar Fizik ve Kimya yasalarıdır. Bu yasaları da Evren'in var oluş biçimi belirler. Belki başka bir Evren oluşsaydı bu yasalar oluşmayabilirdi. O zaman da "o Evren"in yasaları dahilinde bazı varlıklar gelişecekti veya belki de"o Evrenler"de, bizim kendi Evrenimiz içerisinde kullanabildiğimiz sıfatlarla tanımlayamayacağımız kadar farklı "varlıklar" gelişecekti. Belki "canlı" kavramı "o Evren"de geçerli olmamakla birlikte, belki de hiçbir şey en başından var olamayacaktı. Bu tamamen Evreni başlatan patlama ve bu başlangıçtan doğan parametreler ile ilgilidir.

Umarız faydalı olabilmiştir.

Saygılarımızla.

ÇMB (Evrim Ağacı)

www.evrimagaci.org

---