Hayat Neden Var? >> Yeni hayat teorisi evrimin termodinamik kökenlerini açıklıyor

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşamHayat neden var, cansızdan canlı nasıl çıkar? MIT fizikçisi Jeremy England, termodinamik ve zamanın okundan esinlenerek Evren’de hayatın şans işi olmadığını gösteren yeni bir teori geliştirdi. Bu yazıda evrimin termodinamik kökenlerini anlattım.

Dünya’da hayatın nasıl ortaya çıktığını açıklamaya yönelik birçok bilimsel varsayım var. İçlerinden en popüler olan teori ise gezegenimizde 4 milyar yıl önce var olan çamurlu sığ göletlerini, yıldırımları ve şans eseri ortaya çıkan organik kimyasalları yaşamın kaynağı olarak işaret ediyor.

Buna, göre ileride ortaya çıkacak hayatın temeli olan organik moleküller sığ sular ve göletlerde çoğaldı ve yıldırımların sağladığı elektrik enerjisiyle şans eseri birleşerek canlıların yapıtaşlarını meydana getirdi.

 

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

 

Evrim var, ama şans eseri olmayabilir

Ancak, kışkırtıcı yeni bir teoriye göre hayatın ortaya çıkmasının şansla bir ilgisi yok. Evren’de hayatın kaçınılmaz olarak ortaya çıktığı teorisini geliştiren fizikçi Jeremy England, evrim sürecinin termodinamiğin ikinci yasasının en doğal sonucu olduğunu düşünüyor.

MIT’de araştırmalarını sürdüren 31 yaşındaki genç fizikçinin geliştirdiği teorinin en ilginç yanı Evren’de sadece evrimin değil, hayatın ortaya çıkmasının da zorunlu olduğunu göstermesi.

Sonuç olarak evrim teorisi hayatın dünyada nasıl oluştuğunu açıklamıyor. Yalnızca hayat ortaya çıktıktan sonra farklı canlı türlerinin nasıl belirdiği ve nasıl değişiklik geçirdiğine açıklık getiriyor. England’ın teorisi ise buna ek olarak Evren’de hayatın nasıl oluştuğunu ilk kez fizik yasalarını kullanarak açıklıyor.

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Popüler teoriye göre Dünya’da hayat 4 milyar yıl önce sığ denizler ve göletlerdeki organik kimyasal çorbadan ortaya çıktı. Bugünkü kaplıcalar ve volkanik göletlere benzeyen ortamlarda.

 

Canlı ve cansız arasındaki fark nedir?

Fiziksel açıdan bakıldığında, canlı insan kasıyla bir avuç cansız karbon atomu arasındaki tek farkın enerjiyi verimli kullanmak olduğu görülüyor:

Kaslar çevreden enerji çekmekte ve enerjinin işe dönüştüremediği kısmını atık ısı olarak uzaya vermekte karbon atomlarından çok daha etkili. Jeremy England da geliştirdiği denklemi hayatın yüksek randımanlı bir makine olarak tanımlanabileceği varsayımı ile formüle etti.

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Haytın yapıtaşları olan organik molekülleri Dünya’ya göktaşları getirmiş olabilir. Asteroit dünyaya çarparsa adı göktaşı oluyor.

 

Canlılar termodinamik makine

Kanıtlanmış fizik kurallarına dayanan yeni formül, güneş ışığı ile akaryakıt gibi dış enerji kaynaklarından beslenen ve deniz veya atmosfer gibi bir ısı banyosu tarafından kuşatılan atom gruplarının, enerji fazlasını atık ısı olarak uzaya geri vermeye çalışacağından yola çıkıyor.

Atomlar termodinamik süreçlerle kendini yeniden yapılandırarak organize oluyor ve bu da maddenin belirli şartlar altında canlıları cansızlardan ayıran fiziksel özellikler kazanmasını sağlıyor. “İşe bir öbek atomla başlıyorsunuz ve bunların üzerine yeterince bir süre ışık tuttuğunuzda bitkilere dönüşüyorlar ki bu gayet normal” diyor England.

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Panspermi teorisine göre hayat uzaydan Dünya’ya gelmiş olabilir. Tabii sperm halinde değil. Yine de hayatın Güneş Sistemi’nde Dünya’dan önce Mars’ta ortaya çıkmış olması mümkün. En azından Dünya’ya ulaşmış hayatın.

 

Evrime termodinamik açıklama

England’ın teorisi Darwin’in doğal ayıklanma kavramı ile evrim teorisinin yerine geçmiyor, ama evrimin Evren’de neden ortaya çıktığına açıklama getiriyor. England, genlerin ve canlıların evrim sürecinin artık tek bir denklemle tanımlanabileceğini söylüyor: “Darwin’in fikirlerinin yanlış olduğunu söylemiyorum. Tersine, fizik perspektifinden bakarsak Darwinci evrimin daha genel bir fenomenin özel vakası olduğunu söyleyebiliriz.”

“Kendi Kendini Kopyalamanın İstatistiksel Fiziği” başlıklı makalesini 2013’te yayınlayan1 England’ın çalışmalarını başından beri takip eden New York Üniversitesi fizik profesörü Alexander Grosberg, “Bu çok cesurca ve önemli bir adım” diyor. “Hayatın hem kökenini hem de nasıl evrim geçirdiğini açıklayan temel fizik prensibini ortaya koyduğunu düşünüyoruz.”

ABD Ulusal Sağlık Enstitüleri Kimyasal Fizik Laboratuarı’ndan biyofizikçi Alexander Grosberg da heyecanını gizleyemiyor: “Jeremy şimdiye kadar karşılaştığım en parlak fizikçi. Ne kadar orijinal fikirli olduğuna şaştım kaldım.”

Öte yandan Harvard Üniversitesi kimya, kimyasal biyoloji ve biyofizik profesörü Eugene Shakhnovich ikna olmuş değil: “Jeremy’nin ilginç ve gelecek vaat eden fikirleri var ama bunlar fazlasıyla spekülasyona dayalı fikirler. Söz konusu varsayımı hayatın ortaya çıkmasına uygularken dikkatle test etmek gerekiyor.”

İlgili yazı: Dünya’da hayatın kökeni Mars mı?

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Evrim ve jeolojik devirler.

 

Matematiksel açıdan doğru

Bilim çevreleri England’ın sonuçlarının teorik olarak geçerli olduğunu kabul ediyor. Ancak termodinamik yasalarının hayatı kaçınılmaz hale getirdiği yorumu henüz kanıtlanmış değil. Buna karşın, bilim insanları England’ın varsayımını laboratuarda test etmek için şimdiden yeni fikirler geliştirmeye başladı.

Jeremy England ve meslektaşlarının geliştirdiği bilgisayar simülasyonu, ağdalı sıvıyla dolu bir kabın içinde bulunan türkuaz parçacıklardan oluşan bir sistemi inceledi ve bu sistemin salınım yapan bir kuvvetin etkisinde olduğunu gösterdi. Kaptaki parçacıkların hareketi yukarıdan aşağıya doğru izlendiğinde, bu kuvvetin parçacıkları birbirine bağladığı ve farklı yapılar oluşturmasını sağladığı görülüyor.

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Evren örneğin uzaylıların yarattığı bir akıllı tasarım ürünü olsun olmasın, ısının hareket bilimi olan termodinamik evrimin kökeni olabilir. Evrim termodinamiğin doğal bir sonucu olabilir.

 

Hayatın termodinamiği

England’ın varsayımı artan entropi ilkesi ve zamanın oku olarak da adlandırılan termodinamiğin ikinci yasasına dayanıyor. Yasaya göre sıcak cisimler soğuyor, gazlar havaya yayılıyor, yumurtalar çırpılıyor; ancak bu olayların hiçbiri kendiliğinden ve kalıcı olarak tersine dönmüyor.

Örneğin yere düşüp kırılan bir yumurta birleşip eski halini almıyor. Kısacası Evren’deki enerji zamanla çevreye yayılarak dağılıyor ve etkisini yitiriyor.

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Bir daha demlediğiniz çaya asla aynı gözle bakmayacaksınız.

 

Hayat istatistiksel bir zorunluluk

Entropi bu eğilimin, yani enerjinin bir sistemdeki parçacıkların arasında nasıl dağıldığı ve bu parçacıkların uzaya nasıl yayıldığının ölçüsü olarak ortaya çıkıyor. İstatistik yasaları uyarınca entropi sürekli artıyor. Bunun sebebi de istatistiksel olarak enerjinin uzaya dağılmasının pek çok yolu olması. Ancak uzayda toplanma seçenekleri dağılma seçeneklerine göre çok daha sınırlı.

Öyle ki zamanla tüm sistemler termodinamik denge olarak adlandırılan maksimum entropiye erişiyor ve bu durumda enerji uzayın her noktasına eşit dağılmış oluyor. Örneğin odada bekleyen kupadaki kahve soğuyarak oda sıcaklığına eşitleniyor.

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Evrim teorisinde iki seçilim var: Doğal ayıklanma ve sosyal ayıklanma. Resimdeki kültürel taraflılık sosyal seçilime iyi bir örnek.

Hayat önce uzayda mı oluştu?

Aslında kimse müdahale etmediği sürece kahvenin kendiliğinden ısınması veya odadan daha fazla soğuması imkansız. Ancak, bu noktada dikkat edilmesi gereken bir nokta var: Termodinamik yasaları görelilik teorisindeki ışık hızı sınırı gibi kesin fiziksel limitler getirmiyor.

Dolayısıyla bunların istatistiksel yasalar olduğunu anlamak önem taşıyor. Kahvenin kendi kendine ısınmasını önleyen bir yasak da bulunmuyor. Sadece bu o kadar düşük bir olasılık ki gerçekleşmesi için 100 trilyon yıldan uzun bir süre beklemek gerekiyor.

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Kadının gerçek hayattaki “evrimi”. Modern toplumlarda.

 

Kapalı ve açık sistemler

Entropi kapalı sistemlerde sürekli artıyor ama açık sistemlerde entropiyi azaltmanın yolları bulunuyor. Örneğin klimalı oturma odası kapalı bir sistem değil. Odanın pencereleri sokağa veya bahçeye açılıyor. En azından klimanın havalandırma borusu dışarıdan hava çekiyor ve dışarıya hava veriyor.

Odadaki sıcak ve rutubetli havayı dışarı atarken, dışarıdan çekerek soğuttuğu havayı içeri üflüyor. Bunun karşılığında oda sıcaklığı düşüyor ve odanın entropisi azalıyor fakat dışarısı ısınıyor, küresel ısınma hızlanıyor ve Dünya gezegeninin genelinde entropi artıyor.

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Bizimkiler. Nereden geldik ve nereye gidiyoruz?

 

Hayatın entropisi

Bütün espri Evren’in kapalı bir sistem olmasına dayanıyor. Çünkü fizik yasalarının gözlemlenebilir Evren’in her yerinde aynı kalmasının tek yolu Evren’in kapalı bir sistem olması. Evren açık bir sistem olsaydı uzaya dışarıdan enerji dolabilir ve/veya uzayın enerjisi dışarı boşalabilirdi. Bu da evrensel sabitlerin ve dolayısıyla fizik yasalarının değişmesi anlamına gelirdi (Dünya’nın kütlesi ve yerçekimi rastgele azalabilirdi).

Elbette Evren’in kapalı olmasının nedeni yaklaşık 93 milyar ışık yılı çapındaki gözlemlenebilir uzayın dev duvarlarla kuşatılmış olması değil. Yalnızca gözlemlenebilir evrenin dışındaki galaksiler Dünya’dan ışıktan hızlı olarak uzaklaşıyor.

Bu nedenle gözlemlenebilir evrenin dışındaki galaksilerin Dünya ile iletişim ve etkileşime geçmesi mümkün olmuyor. Evren’de hiçbir şey ışıktan hızlı gidemeyeceği için bu basit gerçek Evren’in dışındaki şeylerin Evren’in içindeki gökcisimlerini etkilemesini önlüyor. Böylece Evren kapalı bir termodinamik sistem oluşturuyor.

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

500 milyon yıldan daha önce denizde yaşayan ilk hayvanlardan biri. Bugünkü mercan resiflerini oluşturan mercanlar da muhtemelen Dünya’nın ilk hayvanları.

 

Entropi sürekli artıyor

Evren’in kapalı bir sistem olması nedeniyle zaman sürekli ileri doğru akıyor, insanlar yaşlanıyor ve yere düşüp kırılan bardaklar asla kendi kendine birleşmiyor. Entropi artar ve enerji uzaya gittikçe seyrek bir şekilde dağılırken her şey eskiyerek yıpranıyor.

Bu olgu bilim insanlarını öyle derinden etkiledi ki fizikçi Erwin Schrödinger, bilim tarihine yön veren 1944 tarihli “Hayat Nedir?” başlıklı monografında canlıların işi yaşamaktır ve yaşamak da budur dedi.

Örneğin bir bitki büyük miktarda enerji taşıyan güneş ışığını emerek (soğurarak) bünyesindeki molekülleri şekere dönüştürüyor ve dönüştüremediği kısmını da kızılötesi ışık olarak (atık ısı) atmosfere geri gönderiyordu. Kızılötesi ışık bitkinin kullanamayacağı kadar düşük enerjiliydi.

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

İlksel okyanus. Yüz milyonlarca yıl önce.

 

Entropi artarsa hayat ortaya çıkar

Sonuç olarak fotosentez sırasında güneş ışığının enerjisi dağılıyor ve Evren’in entropisi artırıyor. Ancak enerjiyi kullanan bitki entropiyi yerel olarak azaltmış oluyor ve bu sayede içyapısının düzenliliğini artırarak çürümeyi önlüyor. Görüldüğü gibi hayat termodinamiğin ikinci yasasını ihlal etmiyor.

Bununla birlikte, fizikçiler hayatın Evren’de nasıl ortaya çıktığını yakın zamana kadar açıklayamadılar. Schrödinger zamanında yapabildikleri tek şey dengedeki kapalı sistemlerde (maksimum entropi, yani maksimum düzen veya düzensizlik) termodinamik denklemlerini çözmekti.

Ancak, 1960’larda Belçikalı fizikçi Ilya Prigogine bir adım ileri gitti ve zayıf dış enerji kaynaklarıyla çalıştırılan açık sistemlerin davranışlarını kısmen öngörmeyi başararak 1977’de Nobel Ödülü kazandı.

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Buz kristali: Termodinamiğe göre ortamdan enerji çekerek (bir nevi beslenerek) kendi kendine organize olan ve çoğalan her şey canlıdır. Buz kristalleri bile. Nitekim bu tanıma göre insan hücresi ile buz kristali arasında ne fark var?

 

Zaman oku ve hayat

Buna karşın, denge halinden çok uzak olan ve dış dünyadan güçlü enerji akımları çekerek çalışan canlı türleri gibi açık sistemlerin davranışlarını öngörmek mümkün değildi.

Bu durum 1990’larda öncelikle Chris Jarzynski (şimdi Maryland Üniversitesi) ve Gavin Crooks’un (şimdi Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuarı) çalışmalarıyla değişti. İki fizikçi, soğuyan bir kahve kupası gibi sistemlerdeki entropinin basit bir orana göre arttığını gösterdiler:

Kahvedeki atomların soğuma olasılığının ısınma olasılığına bölümü ile elde edilen oran, aslında kahvenin hiçbir dış etken yokken kendi kendine ısınma ihtimaline karşılık geliyordu.

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Kuantum fiziğinin temeli olan Heisenberg’in belirsizlik ilkesi ve gazlar kinetiğinde atom hareketlerini istatistiksel olarak açıklayan termodinamik, uzay boşluğundaki atomların kendiliğinden bir araya gelerek hayatın temeli olan organik molekülleri oluşturmasını sağlamış olabilir. Resimde atomların kendi kendine birleşerek moleküller oluşturması görülüyor.

 

Hareketli bir evrende yaşıyoruz

Kısacası kahve soğuyup entropi arttıkça kahvenin kendiliğinden ısınma olasılığı da azalıyor ve sistemin geri çevrilmesi zorlaşıyordu. İşte bu nedenle soğuk kahveyi ısıtmak henüz tam soğumamış olan kahveyi ısıtmaktan daha zordu ve daha fazla enerji gerektiriyordu.

Bu basit ve sağlam formül prensipte ne kadar dengesiz olursa olsun tüm termodinamik süreçlere uygulanabilirdi. Grosberg, termodinamikle ilgili olarak son yıllarda kaydettikleri gelişmeleri şöyle açıklıyor:

“İstatistikler olarak dengeden uzak mekanik sistemler hakkındaki bilgimiz büyük ölçüde arttı.” Hem biyokimya hem de fizik mezunu olan England, iki yıl önce MIT bünyesinde açtığı laboratuarda istatistiksel fiziği biyolojiye uygulayarak hayatı bu mantıkla ve termodinamik yasalarıyla tanımlamaya karar verdi.

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Biyosfer, yani yaşam küre. Dünya’da hayata sahip çıkmamız lazım. Peki Evren’in simülasyon olduğunu söylemek, Tanrı yerine uzaylı yaratıcıları koyduğumuz için (evrimin geçerli olduğu bir evren simülasyonunda akıllı tasarım evrime karşı olmasa bile) en azından yaratılışın akıllı tasarım ürünü olduğunu söylemek anlamına gelmiyor mu? Bunu kabul etmek yaratılışın keyfi olduğunu ve bilimin Evren’in nasıl oluştuğunu asla bilemeyeceğimizi söylemek anlamına geliyor. Çünkü yaratıcı tanrı uzaylıların aklından geçenleri asla bilemeyiz. Bu da bilimsel düşünce isteğini azaltarak geri kafalılığı körükleyebilir. Öte yandan Evren gerçekten simülasyon ise bilim her şeyi bilemez demektir. Bu da bazı insanlar için bilimin Evren’deki önemini, özellikle de temsil ettiği özgür düşüncenin önemini azaltabilir. Doğruyu bulmak bile sıkıntılı bir durum.

 

Akıllı tasarıma gerek yok

Oxford Üniversitesi’nden transhümanist filozof Nick Bostrom’la Popular Science Türkiye için yaptığım ve blogda yayınladığım söyleşide; Bostrom Evren’in bir simülasyon, yani akıllı tasarım ürünü olabileecğini söylemiş; ancak bunun evrimsel bir simülasyon olabileceğini belirtmişti.

England da “Evren’de hayatın ortaya çıkması için istatistik yasaları yeterlidir” derken bu varsayımı güçlendiriyor. Aynı zamanda akıllı tasarım olasılığını Evren’in yaratılışına (yaratıldı ise) öteleyerek hayatın oluşumunu dış güçlere gerek duymadan açıklayabiliyor. Bunu tam olarak nasıl yaptığına gelince:

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Oşford Üniversitesi’nden filozof Nick Bostrom’a göre termodinamiğin temeli olan istatistik yasalarına göre Evren’in uzaylılar tarafından yaratılmış bir simülasyon olma ihtimali çok yüksek.

 

Evren evrim içeren bir simülasyon mu?

Jarzynski ve Crooks’un formüllerini kullanan England, termodinamiğin ikinci yasasının belirli özelliklere sahip parçacık sistemleri için geçerli olan bir genellemesini türetti.

Bu sistemler elektromanyetik dalga gibi güçlü dış enerji kaynakları ile çalışıyor ve kendilerini kuşatan ısı banyosuna büyük miktarda atık ısı boşaltıyordu (klima, baca gazı, egzoz, terleyen insan vb.). Canlılar, hatta makineler ve bilgisayarlar bu sistemlere dahildi.

England zamanla geri çevrilmesi zorlaşan sistemlerin aradan geçen saniyeler, dakikalar ve yıllarda nasıl davrandığını hesapladı: “Bu formüle bakarak evrimsel sonuçlar içinde gerçekleşme ihtimali en yüksek olan sonuçların hangileri olduğunu çok basit bir şekilde gösterebiliyoruz.”

“Bunlar ortamdaki dış kaynaklardan daha fazla enerji emerek dağıtan sistemler. Bu noktada hayatın termodinamik tanımı da ortaya çıkmış oluyor. Çünkü çevreden daha fazla enerji çekerek enerjiyi daha verimli kullanan, ama bunun bedeli olarak daha fazla atık ısı üreten sistemlere canlı organizmalar diyoruz.”

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Bitkiler fotosentez ile güneş ışığını ısı ve kimyasal enerjiye dönüştüren termodinamik makinelerdir. Plagiomnium affine küfündeki hücrelerde görülen kloroplast organelleri güneş ışığını yakalayarak fotosentez yapıyor.

 

Kendini kopyalamak rastlantı değil

Evrim teorisyenleri bugüne kadar hayatı istatistiksel bir rastlantı veya kaza olarak açıklamaya çalıştı ama England öyle olmadığını düşünüyor: “Bu durum okyanus veya atmosfer gibi ısı banyosuyla kuşatılmış olan atom öbeklerinin zamanla kendilerini ortamdaki mekanik, elektromanyetik ve kimyasal kaynaklarla daha iyi çalışacak şekilde organize etmelerinden ibarettir. Hayat böyle ortaya çıkıyor ve evrim geçiriyor.”

Yaşamın evrimine yön veren kendini kopyalama eğilimi veya biyolojik adıyla üreme süreçleri zaman içinde gittikçe daha fazla enerji dağıtan sistemler olarak tanımlanıyor. England’ın dediği gibi: “Enerjiyi dağıtmanın en iyi yolu kendinizi kopyalamaktır.” Mitoz bölünmeden eşeyli üremeyle çocuk doğurmaya kadar bütün kopyalama süreçleri bu şekilde işliyor.

England makalesinde RNA moleküllerinin kendini kopyalaması ile bakterilerin bölünerek çoğalması sırasında uzaya yayılan minimum enerji miktarını teorik olarak hesapladı ve bunu gerçek hayattan alınan deneysel verilerle karşılaştırdı.

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Sartre’a göre hayatın tek anlamı insanlar tarafından anlamlandırılabilir olması. Peki neden hayatı anlamlandıran insanları doğuran bir Evren var? Bu bir rastlantı ise neden rastlantı? Tutarlı ateistler ve agnostikler bile ontolojik (varlıksal) ilk neden sorusundan kaçınamazlar. Ancak bu sorunun cevabını verme olasılığımız çok düşük. En azından şimdilik. Fizik ve kozmoloji henüz kanıtlanmamış olsa bile teorik olarak içinde yaşadığımız Evren’in nasıl rastlantıyla oluştuğunu açıklayabiliyor. Öte yandan neden rastlantıyla oluştuğunun cevabı yok. Zaten neden sorusu fizik değil, metafizik konusu. Bunu kavramak metafiziğin (Aristoteles’in dediği gibi) fiziğin altında yatan temel olma bağlamında boş inanç, hurafe olmadığını göstermek açısından da çok önemli. Tabii bir de psikolojik metafizik var. Kırmızı rengi neden sevdiğinizin bilimsel açıklaması ile kırmızıyı sevmenin size özel farkındalığının tadına varmak gibi.

 

Evrim termodinamiğin doğal sonucu

Sonuç tam bir başarıydı ve teori gerçek canlılara yakın değerler öngörüyordu. England aynı zamanda bilim insanlarının DNA tabanlı hayatın öncüsü olduğunu düşündüğü nükleik asit RNA’nın da düşük enerji ile son derece ucuza üretilen bir malzeme olduğunu gösterdi.

England ve meslektaşları, RNA ortaya çıktıktan sonra Darwinci evrimin devreye girmesini ve bu sayede hayatın ortaya çıkmasını son derece normal bir süreç olarak görüyor.

İlgili yazı: Evrende Hayat 9,7 Milyar Yıl Önce mi Ortaya Çıktı? >> Hayat Dünya’dan önce uzayda vardı

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Hayat 4,6 milyar yıllık dünya gezegeninin ilk 1 milyar yılında defalarca ortaya çıkmış olabilir; ama göktaşı çarpışmaları hayatı her defasında yok etti. Ne zamanki asteroit çarpışmaları azaldı Dünya’da bugünkü tüm canlıların atası olan hayat ortaya çıktı (en az 3,6 milyar yıl önce).

 

Hayatı doğuran kimyasal çorba

4 milyar yıl önce hayatı doğuran “ilkin çorbanın” kimyasal bileşimi, ilkel hücrelerin geçirdiği rastgele mutasyonlar (kısa sürede gerçekleşen genetik değişiklikler), coğrafi koşullar, büyük afetler ve diğer sayısız faktör Dünya’nın kendine özgü bitki örtüsü ile hayvan topluluklarına şekil verdi.

Ancak, England bütün bu süreci maddenin enerji dağılımına bağlı olarak topaklanmasına ve kendini kopyalayan yapılar halinde organize olmasına bağlıyor.

England’a göre bu ilke cansız madde için de geçerli: “Doğadaki hangi olayların çevreye enerji dağılımıyla uyum sağlama eğilimi gösteren organizasyonlar sınıfına girdiğini düşünmek çok ilgi çekici bir konu. Bunun birçok örneği burnumuzun dibinde olabilir, ama özellikle aramadığımız için bunları gözden kaçırmış olabiliriz.”

Bilim insanları ıslak kilin toprakta yayılması gibi kendini koplayan cansız sistemlerde de canlılıkla ilişkilendirilebilecek organizasyon eğilimleri olduğunu düşünüyor. Örneğin California Üniversitesi, Berkeley’den Philip Marcus geçen yıl Ağustos ayında verdiği demeçte, çalkantılı sıvılardaki girdapların da bu sınıfa girdiğini söyledi ve girdapların çevrelerini saran sıvının kesme geriliminden enerji çekerek kendini aniden kopyalayabildiğini belirtti.

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Doğayla uyumlu bir hayat mümkün mü?

 

Her şeyden önce kil mi vardı?

Doğada hayatın cansız kimyasal maddelerden ortaya çıktığını söyleyen abiyogenez varsayımını hatırlatan bu tespit her ne kadar kesin bir kanıt oluşturmasa da 1985 yılında Alexander Graham Cairns-Smith tarafından geliştirilen kil varsayımını dolaylı yoldan destekliyor.

Bu çerçevede son olarak Washington Üniversitesi’nden Bart Kahr, montmorillonit olarak adlandırılan bir kil türünün DNA ve RNA gibi kendini kopyalama özelliğine sahip olduğunu ve canlı olarak kabul edilebileceğini ileri sürdü.

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

3 milyar 600 milyon yıl önce bir gün bu gölette…

 

Hayatın kökenine dair radikal görüş

Harvard Üniversitesi’nden uygulamalı matematik ve fizik profesörü Michael Brenner da 2014 yılında Ulusal Bilimler Akademisi genel kurul toplantısında paylaştığı makalesinde, kendini koplayayan cansız mikro yapıların nasıl çalıştığını gösteren bilgisayar simülasyonlarını tanıttı. Bu simülasyonlar deney kaplarındaki sıvılarla karıştırılan parçacıkları modelliyordu:

Özel bir tabakayla kaplı mikroskobik küreciklerden oluşan madde öbekleri diğer küreciklerle birleşerek enerji dağıtıyor ve böylece kendine benzer yeni öbekler oluşturuyor. Brenner’in dediği gibi, “Bu da Jeremy’nin fikirleriyle büyük ölçüde uyuşuyor.”

Sonuçta Jeremy England’ın teorisi, felsefeyle dinleri ezelden beri meşgul eden ve çoğu zaman kafa karıştıran “Cansızdan canlı nasıl çıkar?” sorusuna bilimsel bir açıklama getiriyor.

İlglii yazı: Dünya’da hayat sıfırdan başlasa insanlar tekrar ortaya çıkabilir miydi?

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Jeotermal kaynaklı sıcak gazların karıştığı zehirli sular atalarımız olan ilk bakteriler için cenneti. O yıllarda Dünya’da oksijen yoktu. Oksijen bu bakterilerin zehirli gazları solurken atık olarak havaya verdiği bir gazdı. Karbondioksitin insanlar için öldürücü olması gibi oksijen de ilk bakterileri öldürüyordu. Bu nedenle Dünya atmosferine oksijen verdikleri soyları tükenme noktasına geldi. Milyarlarca yıl önce büyük ölçüde öldüler.

 

Canlı cansız arasındaki çizgi bulanıklaşıyor

Doğada büyük yapısal organizasyonların enerji dağıtmasının başka yolları da bulunuyor ve bunlar çevreye kendini kopyalama işleminden daha fazla enerji dağıtarak bazı canlı türlerini daha karmaşık organizmalar geliştirmeye itiyor.

Her ne kadar evrim her zaman için basitten karmaşığa doğru yol almasa da England’ın termodinamik modeli, hayatın genel olarak gittikçe daha karmaşık yaşam formları üreteceğini söylüyor. Örneğin karbon atomu yığınlarıyla karşılaştırıldığında, fotosentez yapan bitkiler güneş enerjisini çok daha verimli bir şekilde yakalayarak kullanıyor.

Jeremy England bunu baz alarak maddenin belirli koşullar altında kendini aniden organize ederek canlılık geliştireceğini söylüyor.

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Meteor yağmuru durunca hayat başladı.

 

Kelebek etkisi

Bu trend hem canlıların iç düzeni hem de birçok cansız yapı için geçerli olabilir: “Kar taneleri, kumullar, çalkantılı girdaplar hep belirgin desenleri olan ve sürekli olarak tekrarlanan yapılar üretiyor. Bunlar da enerji dağılımıyla hareket eden çok sayıda parçacık barındıran sistemlerde ortaya çıkıyor.”

Otobüs camında rutubetin su damlacıkları halinde yoğuşması, rüzgarlar, fırtınalar, türbülans, akıntılar ve aerodinamik sürtünme bu tür örnekler arasında yer alıyor.

İlgili yazı: İngilizler Artık İki Anneden Doğacak

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

 

Termodinamik canlılar

Cornell Üniversitesi’nden biyolojik fizikçi Carl Franck, England’ın termodinamik canlılar teorisinin en ilginç sonucunu şöyle açıklıyor: “Canlı madde ile cansız madde arasında net bir ayrım olmadığını düşünmemi sağladı. Sadece birkaç biyo-molekülden oluşan kimyasal devreler gibi küçük sistemleri düşündüğümüzde çok ilginç bir fikir bu.”

Bu noktada boş durmayan England, parçacık sistemlerinin enerjiyi daha iyi dağıtarak yapısal değişikliğe gittiğini ve böylece çevreye uyum sağlayarak evrim geçirdiğini söyleyen yeni teoriyi sınamak üzere çeşitli bilgisayar simülasyonları yapıyor. Ardından canlı sistemler üzerinde deney yapmaya başlayacak.

İlgili yazı: DNA Yeniden Yazılıyor >> İnsan DNA’sına Yeni Harfler Ekleniyor, Sentetik İnsan Geliyor

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Suyu ve belki de hayatın temeli olan organik molekülleri getirdiler, ama aynı zamanda Dünya’daki mevcut hayatı yok ettiler.

 

Nasıl test ediliyor?

Harvard bünyesindeki laboratuarında deneysel biyofizik araştırmaları yürüten fizik profesörü Mara Prentiss, England’ın teorisinin farklı mutasyonlar geçiren hücreleri karşılaştırarak test edilebileceğini düşüyor:

“Örneğin, hücrelerin dağıttığı enerji miktarı ile hücrelerin çoğalma oranları arasındaki bağıntıyı inceleyebiliriz. Elbette mutasyonlar çok farklı sonuçlara yol açabildiği için dikkatli olmamız gerekiyor, ama farklı sistemlerde çok sayıda deney yaparak enerji dağılımı ve kopyalama başarısının birbiriyle bağıntılı olduğu gösterilebiliriz. Bu sonuç organizmaların neden evrim geçirdiğini açıklayarak England’ın haklı olduğu ihtimalini güçlendirir.”

Michael Brenner da England’ın teorisini kendi mikro küre testlerine bağlamak istiyor. “Amacım, yeni teorinin bir sistemde gerçekleşen kendini kopyalama ve birleştirme süreçlerini doğru olarak tahmin edip edemediğini görmek. Bilimin en temel sorusu bu.”

İlgili yazı: Ölümsüzlük Arayışı >> Google’a göre insanlar 500 yıl yaşayabilir

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Karalarda ilk canlılar.

 

Evrimin çözemediklerini çözmek

Yaşam ile evrim hakkında kapsamlı bir teori geliştirmek araştırmacıların canlı yapıların nasıl ortaya çıktığı ve çalıştığı hakkındaki perspektifini genişletecek. Oxford Üniversitesi’nden Ard Louis, “Nitekim doğal seçilim bazı özellikleri açıklamıyor” diyor.

Bu özellikler arasında metilasyon adı verilen gen ifadesinde gerçekleşen ve kalıtsal olarak aktarılabilen değişiklikler, doğal seçilimin yokluğunda bile karmaşıklığın arttığı durumlar ve Louis’in incelediği bazı moleküler değişiklikler yer alıyor.

England’ın varsayımı kanıtlanırsa biyologlar canlıların çevreye uyum sağladığı bütün durumlara Darwinci bir açıklama getirmekten kurtulacaklar. Aynı zamanda organizmaların temelde enerji ve entropi dağılımına göre değişiklik geçirdiğinden yola çıkarak hayata daha geniş açıdan bakacaklar.

Hayat-evrim-evrimin-termodinamik-yaşam

Merhaba dünya. 🙂

 

Neden çevreye en uygun olan hayatta kalır?

Louis’in belirttiği gibi, “Böylelikle bir organizmanın Y yerine X özelliklerine sahip olmasını mutlaka X’in çevreye Y’den daha uygun olmasıyla açıklamamız gerekmeyecek ve Y yerine X’in evrim geçirmesini fiziksel etkileşimlerle de açıklayabileceğiz.”

Oysa Mara Prentiss için bu aynı zamanda bilimsel düşünme disiplinin gelişmesi açısından da önem taşıyor: “İnsanlar genellikle tek tek sorulara takılıp kalıyor. Oysa asıl bilimsel gelişmeler konuya daha geniş açıyla baktığımız zaman ortaya çıkıyor.” Bu bağlamda Jeremy England’ın teorisi, Nick Bostrom’un Evren’in simülasyon olabileceği varsayımına da ilginç bir yaklaşım getiriyor.

Dijital filozoflara göre, akıllı tasarım ürünü olarak simülasyonu yapılan bir evrende, akıllı tasarım yerine rastlantısal değişikliklere dayanan evrim sürecinin nasıl oluştuğunun cevabı belki de hayatın kökeninin termodinamik açıklamasında yatıyor. Aslında fizikçilerin henüz kanıtlanamayacağı için soğuk baktığı evren simülasyondur varsayımı yanlış olsa bile, termodinamik yasalarının hayatın nasıl ortaya çıktığını evrimsel olarak açıklayabileceği görülüyor.

1Statistical physics of self-replication — Jeremy L. England, J. Chem. Phys. 139, 121923 (2013), dx.doi.org/10.1063/1.4818538

One Comment

Add a Comment

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir


*