Maddenin “garip hali” evrimi açıklayabilir mi?

• Bilim insanları uzun bir süreden beri kendi kendini kopyalama yeteneğine sahip sentetik moleküller üzerinde çalışma yürütüyor. Bu moleküllerin davranışının yaşamın ortaya çıkmasının açıklanmasına ışık tutabileceği düşünülüyor. 

Groningen Üniversitesinde organik kimya alanında çalışan Sijbren Otto, 2010 yılında kendi kendini kopyalayabilen ilk sentetik moleküllerden bazılarına rastladı. Bu keşif hayatın Dünya üzerinde evrimleşmesi konusunda bazı ipuçları sunuyor. 

New Scientist dergisinin bu haftaki sayısında Elise Cutts tarafından yayınlanan makale belirli bazı moleküllerin kendilerini kopyalama özelliklerinin yaşamın başlangıcı konusunu açıklama iddiasını konu alıyor. Makalenin merkezinde Sijbren Otto’nun 2010 yılından bu yana üzerinde çalıştığı deneyler yer alıyor. 

 

Yaşamın ortaya çıkışı konusunda iki farklı görüş

Bir varlığın canlı olup olmadığına yönelik kriterlerden en önemlisi kendi kopyalama yeteneği olarak biliniyor. Genel görüşe göre DNA ve RNA gibi kendini kopyalayabilen moleküllerin oluşması yaşamın ortaya çıkmasındaki belirleyici andır. Kimi bilim insanları ise yaşamın metabolizmayla başladığını savunur. Bu da yaşamın yapıtaşlarını parçalayıp yeniden inşa eden kimyasal reaksiyon ağlarıyla ortaya çıktığını savunur. 

Her iki köken hikâyesi de beraberinde kendi yaşam tanımlarını getiriyor. Bilgi-önce teoriler, yaşamı genetik terimlerle, kendini kopyalayıp evrim geçiren kimyasal sistemler olarak tanımlar. Metabolizma-önce savunucuları ise yaşamı, kimyasal yakıtları yakarak çalışmaya devam eden bir motor gibi görür. 

İsrail’deki Ben Guiron Üniversitesi’nden Addy Pross, evrim teorisindeki “en uygun olanın hayatta kalması” değil “en kararlı olanın hayatta kalması” ilkesi olarak yorumlayarak yeni bir yaklaşım ortaya koydu. 2033’ten beri bu alanda çalışan Pross, bu kararlılığın kimyacılar ve fizikçilerin alışık olduğu kararlılıktan farklı olduğunu belirtiyor. 

Fizik-kimya kuralları ve yaşamın akışı

Örneğin termodinamikte kararlılık, enerjinin belirlediği bir özelliktir; yüksek enerjili haller, düşük enerjililere göre daha az kararlıdır ve cansız dünya tek yönde evrilir: Enerji yamaçlarından aşağı, dengeye doğru. Toplar yokuş aşağı yuvarlanır ve alt noktada bırakıldıklarında orada kalır. 

Ancak gerçek dünyanın enerji manzaraları pürüzsüz olsaydı, her şey dengeye varır ve bir daha da ilginç bir şey olmazdı. Ancak bu konu öyle basit değil: Sistemler, gerçek dengenin üstündeki yerel vadilerde sıkışabilir. Bu olduğunda kimyasal reaksiyonlar inanılmaz derecede yavaşlar. Buna kinetik kararlılık denir ve odun yığınlarının kendiliğinden alev almamasının nedenidir. 

Hayat dinamik bir sistemdir

Fakat yaşam bu iki kararlılık türüne de boyun eğmez. Dağın eteğinde ya da yüksek irtifalı bir çukurda durması fark etmeksizin, yerinde saymak yaşam için ölümdür. Hayat dinamik bir sistemdir. Yani dengede değildir.

Hayatın olağan termodinamik düzene uymayı reddetmesi, fiziksel bilimler için onu uzun süre hazmedilemez kıldı. Pross, kararlılık kavramını durağan hallerden ayırarak biyolojiyi daha “sindirilir” hâle getirdi. Dinamik kinetik kararlılık, tepenin dibinde durmakla değil, tepede kalmak için enerji ve madde tüketmekle ilgilidir. 

Bu tür sistemlerin dengeden uzakta kendini sürdürebileceği fikri tamamen yeni değil. Fizikçi Erwin Schrödinger, 1944 tarihli What is Life? kitabında, yaşamın enerjiyi dağıtarak kendini dengeden uzak tuttuğunu kaydetmişti. 1977’de fiziksel kimyager Ilya Prigogine, kasırgalar gibi karmaşık fiziki sistemlerin kendiliğinden örgütlenmesine izin veren termodinamik çalışmalarıyla Nobel Kimya Ödülü aldı. Pross’un sezgisi, bu dengeden-uzak fikirleri kimyanın diline, özellikle de reaksiyon hızlarını tanımlayan kinetik yasalara dökmek oldu. 

Kinetik yasalar kritik önemde

Pross, kinetik yasaların yaşamın neden sürdüğünü anlamada kritik olduğunu savunuyor. Bir bakıma her şey olasılığa dayanır: Şimdi bir şeyden çok varsa, daha sonra da var olma ihtimali yüksektir. Bakteriler buna iyi örnektir; bireysel olarak öldürmesi kolaydır ama çok sayıda bakteri vardır. Bir tanesi bile sağ kalırsa, sadece 20 kez bölünerek milyonlarca kopya üretebilir; E. coli için bu yaklaşık 6 saat sürer. Bu üstel kaçış, kendini kopyalayabilen moleküllerin “inanılmaz kinetik gücü”dür. 

Dizginsiz bırakıldığında, kendini kopyalayan bir reaksiyon en büyük düşmanıdır: E. coli hücreleri gezegeni hızla ele geçirip tüm besini tüketir ve sonra denge hâlinde ölürlerdi. Ancak doğum hızı ölümle dengelendiğinde, kopyalanan popülasyonlar bir dengede tutularak, yok olmayı engeller. 

Bilim insanlarına göre E. coli örneği, kendini kopyalayan moleküller için de geçerli olmalı. Kimyasal sistemlerde kopyalanma ile yıkım dengesi, dengeye düşmeye direnir.  Ve sistem bu hale geçtiğinde, Pross’un “en kararlının hayatta kalması” ilkesi, bu kararlılığı sürdüren kopyalayıcıları seçmelidir. 

Dinamik kinetik kararlılık, evrimin yaşamı gitgide artan çeşitlilik ve karmaşıklığa doğru itmesini bile açıklayabilir. Termodinamik kararlılığın aksine, dinamik kinetik dengenin artmasının nihai bir varış noktası yoktur. 

Deneylerde yaşam ve ölüm dengesi

Peki bu fikirler test edilebilir mi? İşte burada devreye Otto giriyor. 2010’da proteinlerin nasıl çalıştığını incelerken, kendini kopyalayabilen ilk sentetik moleküllerden bazılarını tesadüfen oluşturdu. Bu moleküller, birbirleriyle reaksiyona girerek halka biçiminde yapılar oluşturuyor; halkalar da tüp gibi üst üste dizilerek, yeni halkaların oluşumunu tetikliyordu. Otto ve ekibinin bu moleküler harikalarla çalışmayı kusursuzlaştırması yıllar aldı, fakat sonunda bunların dünyadaki yaşamın özel biyolojik bileşenlerini aşan ilkeleri araştırmak için mükemmel araçlar olduğunu fark ettiler.

Otto’nun ekibi, kopyalanma ile “ölüm” kinetiklerini dengeleyip kopyalayıcıları dengeden uzak tutmaya çalıştı. Pross, dinamik kinetik denge terimini ortaya attığında, Otto sonunda ne üzerinde çalıştıklarına dair bir ad ve kullanışlı denklemler bulmuş oldu.

Deneylerde hayat karmaşıklığa doğru gitti

2021’de Otto’nun ekibi, Pross’un kilit öngörülerinden birini doğruladı: dinamik kinetik hâlindeki kimyasal sistemler, sadeliğe değil karmaşıklığa doğru evrimleşebilir. Aynı yapıtaşlarından oluşan iki farklı boyutta kopyalayıcıyı —aynı kaynağa rakip iki “tür” gibi— ele aldılar. Küçük kopyalayıcı daha hızlı çoğalıyordu, ama büyük olan kimyasal yıkıma daha dirençliydi. Doğum ve ölüm süreçleri, daha karmaşık olan büyük kopyalayıcıyı kayıran bir denge kurdu; o kararlı bir popülasyon oluştururken küçük kopyalayıcı yok oldu. Yani “en kararlının hayatta kalması”, sistemi dengeden uzaklaştırıp karmaşıklığa yöneltti.

Bu, dinamik kinetik kullanılarak sentetik kopyalayıcıların karmaşıklığa itildiği ilk deneydi; arkası da geldi. 2024’te aynı ekip, benzer sistemlerin, evrimsel teorinin kilit taşlarından niş dışlama ilkesine uyduğunu gösterdi. Bu ilke, iki türün aynı ekolojik nişi paylaşamayacağını söyler. Örneğin, aynı adada aynı besini yiyen iki ispinoz türü birlikte var olamaz; her ikisi de yaşamak istiyorsa farklı beslenme stratejileri geliştirmelidir. Benzer şekilde, Otto’nun kimyasal sistemlerinde genelde birbirini yok eden üçlü kopyalayıcılar, yapıtaşlarına farklı “tercihler” verildiğinde birlikte var olabildi.

Karmaşıklık ve yaşam…

Sonuçlar, cansız kimyanın nasıl biyolojiye dönüştüğüne dair yeni bir yanıt öneriyor. Buna göre “canlı” saymadığımız sistemlerde bile evrim başlayabilir. Böylece Pross’un dediği gibi, yaşam evrimin başlangıcı değil, ürünü olur yani dengeye inmekten kaçınan bir dinamik kinetik dengede kimyasal sistem. Pross burada karmaşıklığa iten kinetiği “itici güç” olarak tanımlıyor.

Her ne kadar Pross, dinamik kinetik dengenin zamanla artan karmaşıklığı yönlendirmesi gerektiğini savunsa da, bu sistemlere karmaşıklık artışını nasıl ölçeceğimizi henüz kimse bulamadı. Karmaşıklığın yaygın kabul gören bir tanımı yok ve sürekli artan karmaşıklığın gerçekten yaşamın alamet-i farikası olup olmadığı da belirsiz

Ancak Otto’nun deneyleri sayesinde, cansız sistemlerin karmaşıklığa evrimleşebileceğini artık kesin olarak biliyoruz. Bu, Pross’un temel öngörülerinden birini doğruladı. Bunun ötesinde, bu fikrin ne kadar etkili olacağı belirsiz. Yaşamın doğasını ortaya koyan yeni bir dil, daha fazla içgörü üretip üretmeyeceği henüz net değil.