Biyologlar - Biyolojiye Gerçekçi Yaklaşım

Koaservat nedir? İlkin Koaservat Yapıları Nasıl Oluşmuştur? Yağların Canlılık Evrimi'ndeki Önemi...

---

Koaservatlar, "cansız" veya inorganik moleküllerden oluşan, ilk "canlı" (organik moleküllerden oluşan kompleks) özellikli moleküllerdir. Yani Dünya üzerinde var olan, olmuş ve olacak her canlının atası, ilkin hücreler olarak düşünebileceğimiz koaservatlardır. Bunlar, günümüz hücrelerinden çok daha ilkeldirler ve sadece bir zırh ile zırh içerisinde hapsolmuş moleküllerden ibarettirler. Ancak bu zırh belli oranda molekül transferine izin vermektedir; dolayısıyla ilkin bir madde alışverişine de izin vermektedir. Bunlara tekrar döneceğiz.

İlkin koaservatların oluşabilmesi için 600 milyon yıllık bir süreç gerekmiştir. Bu süreç, Dünya'nın oluştuğu 4.5 milyar yıl öncesiyle, ilk canlılığın başladığı 3.9 milyar yıl öncesine kadar sürmüştür. Bu süreçte belki bugünkü canlıların atası olan koaservatlar haricinde pek çok canlılığa temel olma potansiyeli olan yapı gelişti; ancak bunların hemen hemen hepsi varlıklarını koruyamadılar ve yok oldular. Ancak bu sayısız denemeden bir grubu, bizim bugün "koaservat" dediklerimiz, yapılarını koruyabilecekleri kadar güçlü ve çevrelerine uygun durumdaydılar. İşte bunlar, Darwin'in deyimiyle "basit bir başlangıçtan, envai çeşitte canlılığa" doğru evrimleşecek ilk basamaktılar.

Koaservatların, yani "ilkin hücrelerin" nasıl oluştuğunu anlayabilmek için günümüzde her bir canlıda mutlaka bulunan "hücre"lerin olmazsa olmaz özelliği olan “hücre zarından” bahsetmemiz gerekir. Çünkü bir "hücre", tanımı gereği bulunduğu ortamdan izole olan; ancak onunla alışveriş halinde bulunabilen, canlılık yapı birimidir. Yani izolasyon, burada anahtar kelimedir. Bu izolasyonu anlayabilmek için de “yağ moleküllerini” incelememiz gerekir:

Yağlar (lipitler) canlılık için son derece önemli moleküllerdir. Isı sığalarının (bir cismin sıcaklığını 1 santigrat derece arttırmak için gereken ısı enerjisi miktarına denir) diğer moleküllere göre oldukça yüksek olması, yumuşak/darbe emici olmaları, enerji için kullanılabilmeleri, organları korumaları gibi özellikleri haricinde; moleküler anlamda çok önemli bi kimyasal yapıya sahiptirler: Yağ molekülleri, atomlarının diziliminden ötürü (ki aslında bu atomlar “yağ” molekülünü oluşturmak için bu şekilde dizilmezler; tıpkı "canlılık" tanmında olduğu gibi, bu atomları gören ve inceleyen insan türü doğadaki bu kimyasal yapıya “yağ molekülü” demiştir) “amfifilik” yapıdadır. Bu ne demektir? Teknik olarak “amfifilik kimyasallar”, kimyasal bileşimi dahilinde hem hidrofobik, hem de hidrofilik yapıda moleküllere sahip olan kimyasallardır.

Peki bu iki yeni terim nedir? “Hidrofobik”, bir molekülün fiziksel ve kimyasal yapısından ötürü, sudan “nefret etmesi” demektir. Daha gerçekçi bir anlamıyla, H2O molekülleriyle arasındaki elektriksel etkileşim sonucu (elektron dizilimlerinden ötürü), su ve hidrofobik maddelerin birbirini fiziksel olarak "itmesi"dir. “Hidrofilik” moleküller ise, kimyasal yapılarından ve molekülün içerisindeki atomların elektron diziliminden ötürü, H2O molekülü ile etkileştiklerinde, suyu kendisine çeken, "su seven" maddelerdir. İşte amfifilik bileşikler, uzun yapıda kimyasallardır ve bunların bir ucunda "hidrofobik", bir ucunda ise "hidrofilik" moleküller yer alır. Gelin bunu bir görselle, daha net olarak anlayalım. Bir yağ molekülüne bakalım:

Bu gördüğünüz bir lipit molekülüdür. Burada her ne kadar bu şekilde, “basit” halde çizilmiş olsa da, bir önceki yazımızda da değindiğimiz gibi orjinali aslında aşağıdaki gibi bir atomlar karmaşasıdır:

Gördüğünüz gibi yağ dediğimiz yapı uç uca eklenmiş Karbon (C), Hidrojen (H), Oksijen (O) ve Nitrojen (N) atomlarından başka bir şey değildir. Ancak bu molekülün, hayatımızda olmazsa olmaz bir yeri vardır, birkaç önemli özelliğine yukarıda değinmiştik. Peki, yukarıda anlattığımız “amfifilik özellik”, ne işe yarar? Nasıl olur da bu özellik, lipitlere yani yağlara cansızlıktan canlılığın evrimi konusunda kelimenin tam anlamıyla “hayati” bir özellik katar?

Bu sorunun cevabını, evinizde, lipit moleküllerini suyun içine atıp su içerisindeki oluşumları incelediğinizde kendi kendinize dahi verebilirsiniz. Bu “amfifilik yapı”, yağların “iki katmanlı” (bilayer) bir yapı oluşturmalarını sağlarlar. Bu, lipidleri önemli kılan ilk özelliktir. Bir diğer büyük önemleri ise, bu oluşturdukları ikili yapının, fiziksel olarak tüm varlıkların potansiyel enerjilerini minimuma indirme eğilimleri sebebiyle, küresel bir halde oluşmasıdır. İlk olarak bu iki tabakalı (bilayer) yapıyı bir görelim:

Burada gördüğünüz yapı, sadece lipitlerden oluşmaktadır, yani yukarıda verdiğimiz yağ moleküllerinden. Burada maviler yağ moleküllerini, etrafta çizilmeyen ancak sizin arka planda hayal edebileceğiniz bütün kısımlar ise su moleküllerini, su ortamını temsil etmektedir. Kısaca görselde gördüğünüz lipit molekülleri ağı, suyun içerisinde bulunmaktadır. Göreceğiniz üzere sudan korkan ve uzak duran (hidrofobik) kısmı, su ile mümkün olduğunca temas etmeyecek şekilde, her zaman iç yüzeylere bakacak şekilde dururlar. Öte yandan suyu seven, yaklaşmak isteyen (hidrofilik) kısmı ise, suya mümkün olduğunca yakın olacak şekilde, her zaman dış yüzeylerde bulunurlar. İşte bu şekilde yağ molekülleri, bu şekilde yan yana dizilirler. Bu yapı, bir “iç kısım” ve bir “dış kısım” oluşturacak şekilde, “çift/iki katmanlı” yapıyı oluşturur.

Eğer su içerisine attığınız yağ moleküllerini bir süre daha izlerseniz, göreceğiniz yapı şuna benzeyecektir:

Bu önemli özellik daha önce de belirttiğimiz gibi tamamen moleküler düzeydeki fizik ile alakalıdır. Yukarıda verdiğimiz yapının küresel hale gelmesi de tamamen Evren'i kontrol eden fizik yasaları ile ilgilidir. Bir cisim, her zaman potansiyel enerjisini en aza düşürmeye çalışır; bu canlı-cansız tüm varlıklar için geçerlidir. Bu yüzden mümkün olduğunca yatay bir pozisyonda uyuruz. Bu yüzden, yerden yüksekte duran cisimler kütleçekim etkisiye yüzeye doğru çekilir ve potansiyel enerjilerini azaltırlar. İşte yine benzer şekilde, bu yüzden üzerinde belirli bir potansiyel taşıyan cisimler mümkünse kıvrılarak küre ya da küreye en yakın geometrik şekle gelirler. Bunun sebebi, potansiyel enerjinin en az küresel geometri üzerinde birikmesidir. İşte aynı sebeple bir yüzey üzerindeki su damlacıkları küresel bir şekil alırlar. Ancak onların küreselliklerini yüzey gerilimi gibi ikincil kuvvetler bozmaktadır. Yağ molekülleri, bir "yüzey"de değil, doğrudan suyun "içerisinde" oldukları için bu kuvvetlerden etkilenmezler.

Peki bu özelliğin biyolojik anlamı nedir? Cevap oldukça basittir: Bir “zırh” olması.

Koaservat denen ilk hücrelerin (hatta "hücremsiler"in atalarının) ilk olarak evrimleştikleri ortam, kaos halindeki okyanuslar ve bu okyanusların tabanında bulunan, göreceli olarak yüksek sıcaklığa sahip olan volkan bacaları ve etrafıdır. Dünya’nın oluşumundan sonra, milyonlarca yıl boyunca radyasyon, kaos, ısı, ışık, vb. etmenler had safhadadır ve adeta "Dünya'yı dövmektedirler". Bu sebeple, eğer “canlılık” oluşacaksa, bir şekilde “korunması” gerekmektedir. Bu korumanın ilk aşaması, okyanus ile sağlanmıştır. Canlılığın okyanus tabanlarında başlaması çok mantıklıdır, zira okyanus, atmosferin tehlikeli pek çok faktörünü devre dışı bırakmaktadır. Ancak bu da yeterli değildir; çünkü kaotik okyanus ortamında moleküllerin bir düzen içerisinde kalmaları gerekir. Daha doğrusu, eğer ki canlılığa sebep olacak dengeli yapılar oluşacaksa, her zaman bir zırh ile dış ortamdan kendilerini izole edebilen yapılar diğerlerine göre avantajlı olacaktır. Göreceğiniz gibi bir doğa yasası olan Evrim, bizim "cansız" olarak isimlendirdiğimiz moleküler düzeyden başlamaktadır (moleküler evrim) ve Darwin'in deyimiyle "basit bir başlangıçtan, sonsuz bir çeşitliliğe" doğru değişimi sağlamaktadır.

Canlılığın Evrimi'ne dönecek olursak, işte bu izole edici koruma görevi, çift tabakalı (bilayer) yağ yapısına ve onun aldığı küresel şekle düşmektedir.

Görsellerden görebileceğiniz ve evinizde de deneyebileceğiniz gibi bu moleküller oluşurken, içlerinde bir boşluk bırakırlar. Ayrıca oluşum sırasında, fiziksel etkileşimler veya rastlantılar sonucu etraftaki diğer atom ve molekülleri, bu boşluk içerisine hapsederler. Bu boşlukta da, elbette ki dış sıvı (bizim durumumuzda okyanus suyu) bir miktar da olsa bulunmaktadır ancak artık bu su belirli bir hacme hapsedildiğinden ve kaotik dış ortamdan arındırıldığından, bu sıvı artık kürenin “kendine ait sıvısı” olarak kabul edilebilir.

İşte bu hapsolan bölgedeki atomlar ve moleküller, artık kaotik okyanus ortamı yerine, çok daha güvenli ve sakin bir ortam olan lipit küreciğinin içerisinde tepkimeye girmektedirler. Sınırlı bir alanda tepkimeye girebilecek moleküllerin birbirlerini bulma şansları milyonlarca kat artmaktadır; bu da tepkimelerin hızlarını arttırmaktadır. Bu küreler içerisinde yeni moleküller oluşmakta (atomların ve diğer moleküllerin kimyasal tepkimeleri sonucu) ve bu moleküller, belirli fiziksel ve kimyasal yapılarından dolayı, belirli sonuçlar doğurmaktadırlar. Bu sonuçlar, bizim bugün dönüp incelediğimizde "moleküllerin görevi" olarak düşündüğümüz sonuçlardır. Örneğin "solunum" dediğimiz olay sırasında Oksijen molekülleri şekerler ile tepkimeye girdikleri için biz Oksijen'in "görevinin" bu olduğunu düşünürüz. Halbuki Oksijen'in herhangi bir "görevi" yoktur. Oksijen, kimyasal yapısından dolayı gerekli şartlar sağlandığı müddetçe belli başlı moleküller ile tepkimeye girmek zorundadır. Bu, Fizik ve Kimya yasaları ile dikte edilir. Yani canlılığın evriminde bazı moleküller yağ molekülleri içerisine hapsedilmiş ve fiziksel/kimyasal özelliklerinden ötürü belli başlı tepkimeleri sürdürmüşlerdir. Zaten günümüzde, canlılık birimi olan hücrelerin içerisinde olan da bu tepkimelerden farklı bir şey değildir. Tek fark, milyarlarca yıldır süren seçilim sonucunda günümüz hücrelerinde çok daha karmaşık tepkimelerin gerçekleşebiliyor olmasıdır. Ancak başlangıçta, sadece çok basit tepkimeler, bu yağ zırhları içerisinde gerçekleşmekteydi.

Aşağıda, laboratuvar ortamında üretilen koaservatların yapısını mikroskop altında görmekteyiz:

Burada gördüğümüz, lipit küresi (mikroskopta 3 boyutlu cisimler, 2 boyutlu gözükür, bu sebeple "çember" gibi gözükmektedir) içerisinde birikmiş moleküller ve atomlardır. Günümüzdeki hücrelere ne kadar da benziyorlar, değil mi? Şimdi bir de modern (günümüzde var olan) bir hayvan hücresine bakalım:

Farklı ölçeklerde çekilmiş bu iki mikroskobik fotoğraf, evrimin çok güzel bir örneğidir aslında. Gördüğünüz gibi üstteki basit yapıdaki koaservat, kendisinden yaklaşık 2 milyar yıl sonra gelen, günümüzdeki modern hayvanlarda -ve tabii ki dolayısıyla bizde de- bulunan hücrelerin temellerini atmıştır (bilgi: bizler de dahil olmak üzere Hayvanlar Alemi'nde bulunan tüm ökaryotik hücrelerin atası, Dünya’nın oluşumundan 2.6, koaservatların oluşumundan 2 milyar yıl sonra evrimleşmiştir). Hala günümüzdeki hücrelerde, yukarıdaki koaservatların yapısını görmekteyiz.

Günümüzde Miller-Urey Deneyi (ve sonrasında yapılan 460'ın üzerinde tekrar deneyi) sayesinde biliyoruz ki, cansızlık denen varlık formundan, canlılık denen varlık formuna geçmek için tek gereken, doğru şartlarda pek çok deneme-yanılma ve uzun bir zamandır. Bu doğru şartlar da, fiziksel ve kimyasal yapılar tarafından, doğa koşulları ile sağlanır. Bunların günümüzde deneylerle gözlenmesi sonucu, artık biliyoruz ki, Abiyogenez Kuramı, bilimsel gerçekleri ortaya koymaktadır. Bahsettiğimiz Miller-Urey Deneyi (ve sonrasındaki tüm deneyler) sonucu, ilkin Dünya şartlarındaki oranlarda koyulan karbon, hidrojen, azot, vb. moleküllerden, Dünya’nın ilk şartlarındaki gibi şimşekler, radyasyon, vb. (ki ısı reaksiyonları hızlandırır) ortamda bugün “canlı” olarak nitelendirdiğimiz varlıkların yapısındaki moleküller evrimleşebilmektedir. Bunlara daha sonraki yazılarımızda tekrar geleceğiz.

Buraya kadar okyanus tabanlarında hücrelerin atası olacak koaservatların nasıl "basit bir başlangıçtan" yola çıktığını net bir şekilde ortaya koyduk. Bundan sonraki yazılarımızda, bu lipit tabakası içerisinde ne gibi bir gelişim olduğunu ve bu gelişim sonucunda günümüzdeki hücrelerin nasıl evrimleştiğini adım adım takip edeceğiz.

Umarız faydalı olabilmiştir.

Saygılarımızla.

ÇMB (Evrim Ağacı)

www.evrimagaci.org

---