Yeni bir Fiziksel Yaşam Teorisi
MIT’de görev yapmakta olan Jeremy England, yaşamın kökenleri ve evrime ışık tutacak bir fiziksel teori geliştirmiş olduğunu iddia ediyor…
Yaşam neden var?
Popüler hipotezler, ilkel bir çorba, bir yıldırım ve devasa büyüklükte bir şans faktörüne atıfta bulunuyor. Ancak eğer dikkat çeken yeni bir teori doğruysa, şansın bu olayla pek bir ilgisi olmayabilir. Yeni fikri öne süren fizikçiye göre, yaşamın başlangıcı ve takip eden evrim süreci, doğanın temel kanunlarından kaynaklanıyor ve “kayaların yokuş aşağı yuvarlanması kadar doğal görülmeli.”
Fiziğin bakış açısından, canlılar ve cansız karbon atomu yığınları arasında temel bir fark var: Bunlardan ilki çevresinden enerji toplama ve bu enerjiyi ısı olarak çevresine yayma konusunda diğerinden çok daha verimli. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde (MIT) görev yapmakta olan, 31 yaşındaki Doçent Doktor Jeremy England, bu durumu açıkladığını düşündüğü bir matematiksel formül türetti. Yerleşik fizik görüşleri üzerine kurulu bu formül, bir atom grubunun harici bir enerji kaynağına maruz kaldığında (Güneş veya kimyasal yakıt gibi) ve aynı zamanda bir ısı havuzu ile çevrili olduğunda (okyanus veya atmosfer gibi), çoğu zaman kendisini giderek daha fazla ısı yayacak şekilde yavaş yavaş yeniden yapılandıracağını işaret ediyor. Bu, maddenin belirli koşullar altında, kaçınılmaz olarak yaşamla özdeşleştirilen fiziksel özellikleri kazanacağı anlamına geliyor olabilir.
England, “rastgele bir atom yığınıyla başlayıp, bunu yeterince uzun süre boyunca güneş ışığına maruz bırakırsanız, bir süre sonra bir bitki elde etmeniz şaşırtıcı olmamalı,” diyor.
England’ın teorisi, yaşamın genler ve canlı toplulukları seviyesinde son derece güçlü bir tasviri olan Darwin’in doğal seçilimle evrim teorisinin yerine almaktan ziyade, onun altında yatan nedenleri oluşturuyor. England, “Kesinlikle Darvinci fikirlerin yanlış olduğunu söylemiyorum,” diyor, “tam aksine, yalnızca, fizik perspektifinden bakıldığında, Darvinci evrimin, daha genel bir görüngüler grubuna ait özel bir durumu olduğunu söylüyorum.”
Yakın tarihli bir makalesinde ayrıntılarını verdiği ve dünya çapındaki çeşitli üniversitelerde yaptığı konuşmalarda ilerlettiği fikirleri, meslektaşları arasında tartışmalara yol açmış durumda. Fikirleri, temelleri zayıf buluşlar veya potansiyel bir atılım veya belli ölçülerde ikisi birden olarak görülüyor.
New York Üniversitesi’nde, fizik bölümünde görev yapmakta olan ve England’ın çalışmalarını ilk aşamalarından itibaren takip etmiş olan Profesör Alexander Grosberg, England’ın “cesur ve önemli bir adım” atmış olduğunu belirtiyor. Grosberg’e göre “büyük umut”, onun yaşamın başlangıcı ve evrimini ilerleten temel fiziksel ilkeleri tanımlamış olması.
England’ın teorisi ile verdiği bir konferans sırasında tanışan Ulusal Sağlık Enstitüsü [National Institutes of Health], kimyasal fizik laboratuvarında görev yapmakta olan Attila Szabo, “Jeremy karşılaşmış olduğum en zeki genç bilim insanı; fikirlerinin orijinalliği beni etkiledi,” diyor.
Diğerleri ise, örneğin Harvard Üniversitesi’nde kimya, kimyasal biyoloji ve biyofizik konusunda görev yapmakta olan Eugene Shakhnovich ikna olmuş değil. Shakhnovich, “Jeremy’nin fikirleri ilginç ve umut vadediyor, ancak şu aşamada, özellikle yaşam görüngülerine uygulanması konusunda aşırı derecede spekülatif,” diyor.
England’ın teorik sonuçları genel olarak geçerli görülüyor. Ancak yorumu –yani bu formüllerin, yaşamın da içinde bulunduğu doğadaki bir görüngüler sınıfının itici nedenini temsil ediyor olması– henüz kanıtlanmış değil. Fakat daha şimdiden bu yorumun laboratuvarda nasıl test edilebileceğine dair fikirler bulunuyor.
England’ın çalışmalarını öğrendikten sonra bu tür deneylere girişmeyi düşünen Harvard Üniversitesi’nde fizik profesörü olan Mara Prenstiss, “Temelden farklı olan bir şey deniyor. Toparlayıcı bir çerçeve olarak bence harika bir fikri var. Doğru veya yanlış, kesinlikle araştırmaya değer,” diyor.
England’ın fikrinin odağında, aynı zamanda “zaman oku” ve entropinin artışı kanunu olarak da bilinen termodinamiğin ikinci kanunu bulunuyor. Sıcak cisimler soğur, gazlar havaya yayılır, yumurta karışır ancak asla kendiliğinden eski haline dönmez; kısaca, zaman ilerledikçe, enerji yayılma ve dağılma eğilimindedir. Entropi, bu eğilimin bir ölçüsüdür; enerjinin bir sistemdeki parçacıklar arasında ne kadar yayıldığına ve bu parçacıkların uzayda nasıl dağıldığına ait niceliği belirtir. Basit bir olasılık ilkesi şeklinde artar: Enerjinin bir arada konsantre halde bulunmasına nazaran, yayılmış halde bulunacağı daha fazla durum vardır. Bu nedenle, bir sistemde bulunan parçacıklar hareket eder, çevreleriyle etkileşime geçer ve tamamen olasılıksal olarak, enerjinin yayılmış olduğu durumlara geçme eğilimi sergilerler. En nihayetinde, sistem, enerjinin tekdüze olarak dağıldığı, “ısıl denge” adı verilen maksimum Entropi durumuna ulaşır. Örneğin, bir bardak kahve, içinde bulunduğu odayla aynı sıcaklığa ulaşır ve bu süreç tersinmezdir. Başka bir deyişle kahve, enerjinin tekrar kendi atomlarında yoğunlaştığı bir durumun yaşanması aşırı derece düşük bir ihtimal olduğu için asla kendiliğinden tekrar ısınmaz.
Entropinin, izole veya “kapalı bir sistemde” zamanla artması gerekiyor olmasına rağmen, bir “açık sistem”, çevresinin entropisini fazladan artırarak, kendi entropisini düşük tutabilir –yani, enerjisini atomları arasında düzensiz olarak dağıtabilir. Tanınmış kuantum fizikçisi Erwin Schrödinger, 1944 tarihli, “Yaşam nedir?” isimli ünlü monografisinde, yaşayan şeylerin yapıyor olması gereken şeyin, bu olduğunu tartışmıştır. Örneğin bir bitki, aşırı derecede enerjik olan güneş ışığını soğurur, şeker üretmek için kullanır ve çok daha düşük yoğunluktaki bir enerji şekli olan kızılötesi ışık yayar. Bitki kendisini çürümeye karşı koruyup, düzenli iç yapısını sürdürüyor olmasına rağmen, evrenin toplam entropisi, fotosentez sırasında güneş ışığı çevreye dağılırken artar.
Yaşam, termodinamiğin ikini kanununu ihlal etmez, ancak yakın zamana kadar, fizikçiler, yaşamın daha en baştan neden ortaya çıktığını açıklamak için termodinamiği kullanamıyorlardı. Scrödinger’in zamanında, termodinamik denklemleri yalnızca kapalı sistemler için çözülebiliyordu. 1960’larda Belçikalı kimyager ve fizikçi Ilya Prigogine, harici zayıf enerji kaynakları tarafından etkilenen açık sistemlerin davranışları konusunda ilerleme kaydetti (ve bu konudaki çalışmalarıyla 1977 yılında Nobel kimya ödülüne layık görüldü). Ancak denge durumundan uzak, dış çevreye bağlı ve güçlü harici enerji kaynakları tarafından etkilenen sistemlerin davranışları tahmin edilemiyordu.
David Kaplan, Entropinin artışı kanununun, rastgele madde parçacıklarının nasıl kararlı, düzenli yapılara dönüştürebileceğini açıklıyor
Bu durum, 1990’ların sonuna doğru, esas olarak, şu an Maryland Üniversitesi’nde görev yapmakta olan Chris Jarzynski ve şu an Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’nda görev yapmakta olan Gavin Crooks’un çalışmaları ile değişti. Jarzynski ve Crooks, termodinamik bir süreç tarafından üretilen Entropinin, örneğin bir fincan kahvenin soğumasının, basit bir orana tekabül ettiğini gösterdiler: Atomların bu süreci gerçekleştirmelerinin olasılığı bölü, atomların tersi olan süreci gerçekleştirmeleri olasılığı (yani kahvenin kendiliğinden ısınmasına neden olacak etkileşimlerde bulunmaları olasılığı). Entropi üretimi arttıkça, bu oran da artıyor: Sistemin davranışı daha “tersinmez” bir hal alıyor. Bu basit fakat kesin olan formül, prensip olarak dengeye ne kadar hızlı vardığı veya dengeden ne kadar uzak olduğundan bağımsız olarak herhangi bir termodinamik sürece uygulanabilir. Grosberg “Denge durumundan uzak olan istatistiksel mekanik hakkındaki anlayışımız büyük ölçüde ilerledi,” diyor. Hem biyokimya hem de fizik konusunda eğitim görmüş olan ve iki yıl önce MIT’de kendi laboratuvarında çalışmalara başlayan England, istatistiksel fizik alanındaki bu yeni bilgileri biyolojiye uygulamaya karar vermiş.
England, Jarzynski ve Cooks’un formülasyonunu kullanarak termodinamiğin ikinci kanununa ait, belli karakteristikleri olan parçacık sistemleri için geçerli olan bir genelleme türetmiş: Elektromanyetik dalgalar gibi güçlü harici bir enerji kaynağı etkisi altındaki sistemler ve kendilerini çevreleyen havuza ısı aktarabilen sistemler için… Bu sistemler sınıfı, tüm canlıları da içeriyor. England, daha sonra bu tür sistemlerin zaman içerisinde tersinmezliklerini artırırken, ne şekilde evrimleştiklerini belirlemiş. England, “Formülden çok basit bir şekilde gösterebiliriz ki, evrimsel sonuçların ortaya çıkma ihtimali en fazla olanları, çevresindeki harici kaynaklardan en fazla enerji alan ve buraya en fazla enerji yayanlarda,” diyor. Bulguların sezgisel olarak kavranması kolay: Parçacıklar, itici bir güçle etkileşime girdiklerinde daha fazla enerji yayma ve herhangi bir anda, kendilerini ittiği yönde ilerleme eğilimdeler.
England bunu, “atmosfer veya okyanus gibi belirli bir sıcaklıktaki havuz ile çevrili atom yığınları, zaman içerisinde kendilerini çevrelerindeki mekanik, elektromanyetik veya kimyasal kaynaklarla daha fazla etkileşime girecek şekilde yeniden düzenleme eğilimindeler” şeklinde açıklıyor.
Kendini kopyalama (veya biyolojik terimlerle, üreme), Yeryüzündeki yaşamın itici süreci olarak, bir sistemin zaman içerisinde artan bir şekilde enerji yaymasını sağlayan bu tür bir mekanizma. England’ın açıkladığı şekliyle, “daha fazla enerji yaymanın en iyi yolu, kendinizin daha fazla kopyasını çıkarmaktır.” Journal of Chemical Physics dergisinde Eylül ayında çıkan makalesinde, RNA molekülleri ile bakteri hücrelerinin kendilerini çoğaltırken açığa çıkacak teorik minimum yayılmayı hesaplıyor ve bunun bu sistemlerin çoğalırken yaydığı gerçek miktarlara çok yakın olduğunu gösteriyor. Aynı zamanda, birçok bilim insanının DNA-tabanlı yaşamın öncüsü olduğunu düşündüğü nükleik asit RNA’nın, özellikle verimli bir yapı malzemesi olduğunu gösteriyor. “RNA bir defa ortaya çıktığında, Darvinci sürecin devralması” belki de hiç şaşırtıcı olmamalı.
İlkel çorbanın kimyasal özellikleri, rasgele mutasyonlar, coğrafya, doğal felaketler ve sayısız diğer faktör, Yeryüzünün büyük çeşitlilik gösteren bitki örtüsü ve faunasının ince detaylarına katkıda bulunuyor. Ancak, England’ın teorisine göre, tüm bu süreci güden temel prensip, maddenin yayılma-itkili [İng. dissipation-driven] adaptasyonu.
Bu prensip, cansız madde için de geçerli. England, “Şimdi, doğadaki hangi görüngüleri ve yayılma-itkili adaptif organizasyon çatısı altında toplayabileceğimiz hakkında spekülasyon yapmak çok çekici,” diyor. “Birçok örnek hemen yanı başımızda olabilir, ancak henüz aramadığımız için bunların farkında olmayabiliriz.”
Bilim insanları, halihazırda, cansız sistemlerde kendi kendini kopyalamayı gözlemlemiş durumda. Berkeley’deki California Üniversitesi’nde görev yapmakta olan Philip Marcus’un yakın zamanda gerçekleştirdiği ve ağustos ayında Physical Review Letter’da yayımlanan bir çalışmada, türbülanslı akışkanlardaki burgaçların, kendilerini çevreleyen akışkanla olan kayma gerilmelerinden enerji alarak kendiliklerinden çoğaldıkları ifade ediliyor. Ve bu hafta Proceedings of the National Academy of Sciences sitesinde yayımlanan bir makalede, Harvard’da uygulamalı matematik ve fizik profesörü olan Michael Brenner ve ekibi, kendini kopyalayan mikro-yapıların modelleri ve bunlara ait simülasyonları ortaya konuyor. Bu özel olarak kaplanmış mikro-kürelerden oluşan kümeler, yakın küreleri aynı şekildeki kümeleri oluşturacak şekilde yönlendirerek enerjinin yayılmasını sağlıyorlar. Brenner, “bu durum Jeremy’nin iddia ettikleriyle yakından bağlantılı,” diyor.
Kendi kendini kopyalama dışında, daha büyük yapısal organizasyonlar da güçlü etkileşim altındaki sistemlerin enerji yayılım kapasitelerini artırma konusundaki bir diğer araç. Bir bitki, örneğin, yapılandırılmamış bir karbon yığınına nazaran güneş enerjisini yakalama ve yönlendirme konusunda çok daha başarılı. Dolayısı ile England, belirli koşullar altında, maddenin kendiliğinden öz-yapıya ulaşacağını iddia ediyor. Bu eğilim, canlıların iç yapılanmalarını ve birçok cansız yapıyı açıklayabilir. “Kar taneleri, kum tepeleri ve türbülanslı burgaçların ortak yönü, hepsinin bazı yayılım süreçleri tarafından itkilenen, çok parçacıklı sistemlerde ortaya çıkan dikkat çekici birer örüntüye sahip yapılar olmaları,” diyor. Yoğuşma, rüzgâr ve viskoz sürükleme, bu özel durumlarda bulunan ilgili süreçler.
Cornell Üniversitesi’nde biyolojik fizik alanında görev yapmakta olan Carl Frank, “England bana canlı ve cansız maddeler arasındaki farkın çok da keskin olmadığını düşündürüyor,” diyor. “Birkaç biyo-molekülden oluşan kimyasal çevrimlerin sistemler olarak düşünülmesi fikri, beni özellikle etkiledi.”
England’ın cesur fikri, önümüzdeki yıllarda yakın inceleme altında olacak gibi görünüyor. Kendisi şu an parçacık sistemlerinin enerji yayılımını iyileştirmek için yapılarını adapte etmeleriyle ilgili teorisini sınamak için bilgisayar simülasyonları koşturuyor. Bir sonraki adım da, canlı sistemler üzerinde deneyler yapmak olacak.
Harvard’da bir deneysel biyofizik laboratuvarı yöneten Prentiss, England’ın teorisinin farklı mutasyonlar geçiren hücrelerin kıyaslanması ve hücrelerin yaydığı enerji miktarı ile çoğalma oranları arasında bir korelasyon olup olmadığına bakılarak test edilebileceğini söylüyor. “Bir mutasyon bir anda pek çok şeye neden olabileceği için dikkatli olmak gerekiyor,” diyor. “Ancak bu deneylerden çok sayıda gerçekleştirilirse, ve eğer yayılım ile çoğalma gerçekten korelasyon gösteriyorsa, bu durum, bunun doğru organizasyon prensibi olduğunu işaret edecektir.”
Brenner, England’ın teorisini kendi mikro-küre yapımları ile bağlamayı ve teorinin –”bilimsel olarak önemli bir soru olan”– hangi kendi kendini çoğaltma ve hangi kendi kendini birleştirme süreçlerinin gerçekleşeceğini tahmin edip edemeyeceğini belirlemeyi umduğunu ifade ediyor.
Birçok araştırmacı, yaşan ve evrim konusunda bir çatı oluşturan prensiplere sahip olmanın araştırmacılara, canlılardaki yapıların ortaya çıkışı ve işlevleri ile konusunda daha geniş bir perspektif kazandıracağını belirtiyor. Oxford Üniversitesi’nde biyofizikçi olarak görev yapmakta olan Ard Louis, “doğal seçilim belli karakteristikleri açıklamıyor,” diyor. Bu karakteristikler, doğal seçilimin olmadığı durumda, karmaşıklığı artıran, gen ifadesindeki kalıtsal bir değişiklik olan metilasyon ve Louis tarafından yakın zamanda incelenen bazı belli moleküler değişiklikleri içeriyor.
Eğer England’ın yaklaşımı daha fazla miktarda testi geçebilirse, biyologları her adaptasyon için Darvinci bir açıklama bulmaya çalışmak yerine, yayılma-tarafından-itkilenen organizasyon kuralları çerçevesinde düşünmeye sevk edebilir. Louis’e göre, örneğin, “Organizmanın Y karakteristiği yerine X karakteristiğini göstermesinin nedeni, X’in Y’den daha güçlü olması değil, fiziksel sınırlamaların X’e doğru evrimleşmeyi, Y’ye doğru evrimleşmekten daha kolay kılıyor olması,” şeklinde yaklaşımlar olabilir.
Prentiss, “İnsanlar çoğu zaman tekil problemlerin arasında sıkışıyorlar,” diyor. England’ın fikirleri tam olarak doğru veya yanlış çıksa dahi, “bilimsel atılımlar, geniş olarak düşünme sayesinde gerçekleşiyor,” diyor.
Jeremy England’ın MIT’deki sayfasına buradan, yayınlarının listesine de buradan ulaşabilirsiniz.
Bu yazının orijinali Quanta Magazine‘de yayımlanmıştır, orijinal yazıya buradan ulaşabilirsiniz.
