Olağandışı yaşam

Bir organizma üzerindeki ana fiziksel stres kaynakları sıcaklığın olağandışı hal alması, basınç, kuruma, asitlik veya baziklik, ozmotik ve iyonik stres ve düşük oksijen seviyeleridir. Diğerleri zehirli kimyasallar ve radyasyon olarak sayılabilir. Fiziksel strese ek olarak, organizmalar birçok biyolojik stresle de karşı karşıya kalır. Olağandışı organizmalar, normal olmayan yaşam koşullarında başarılı olabilmek için karşı karşıya kaldıkları streslerden ortaya çıkan sorun ve meydan okumaları çözmek zorundadır. Olağandışı organizmalar bizleri biyolojinin en dış sınırına, bize yaşamın doğası hakkında yeni anlayışlar kazandıran olağandışı biyolojiye götürür.

David A. Warton

Sunuş

Okuyacağınız dosya, David A. Warton’un “Life at the Limits: Organisms in Extreme Environments” (Sınırlardaki Yaşam: Olağandışı Koşullardaki Organizmalar) adlı kitabının (Cambridge University Press, 2002) ilk iki bölümünden derlenmiştir.

Normal ve olağandışı koşulların ne olabileceğine dair hepimizin bir düşüncesi vardır. Güneşli bir havada, elimizde cin tonik çimenlere sırt üstü uzandığımız normal yaşam koşullarımızdan memnun olabiliriz. Bunun tersine, çölün sıcaklığı (cin tonik olmaksızın!) veya Antarktika’nın, Kuzey Kutbu’nun soğuğu ve rüzgârı olağandışı gelebilir. Fakat diğer organizmalar için (hatta diğer insanlar için) buralar evdir.

Olağandışı nedir?

Birçok organizma bize göreceli olarak “normal” gelen çevre koşullarında yaşarken, bazıları da bizim “olağandışı” olarak adlandırdığımız koşullarda hayatını devam ettirmeyi hatta gelişim göstermeyi başarır. Bu yargı sadece kendi çevremiz hakkındaki deneyimimizden ileri gelir. Organizmaların büyük çoğunluğu daimi olarak denizlerde yaşar. Özel bir ekipmanımız yoksa deniz suyunun altında basit bir batmadan daha fazlasını yaşarız, fakat bizim olağandışı olarak gördüğümüz durum deniz canlıları için normaldir. Olağandışı koşulları kendi deneyimimizle tanımlamamızın sorunlu olduğu açıktır. Bir organizma için neyin normal neyin olağandışı olabileceğini açıklarken daha az öznel bir kriter geliştirebilir miyiz?

Çevresel koşullardaki değişimlere karşı organizmaların verdiği tepkilerin ölçülmesi bize ihtiyacımız olan araçları sağlayabilir. Sıcaklığın etkisini bir örnek olarak ele alalım. Organizmaların sıcaklığa tepkisi karmaşıktır. Sıcaklığa verilen en basit tepki, aktivite, büyüme oranı ve metabolizma hızının en yüksek olduğu bir optimum değerin ve bir organizmanın yaşamını devam ettirebileceği bir sıcaklık aralığının varlığıdır (Şekil-1). Sıcaklık, optimum değerinin altına veya üstüne geçtiğinde canlının metabolizması düşer. Sıcaklık olağandışı bir değere ulaştığında ise canlı, hareketlerinin uyumsuzlaştığı ve normal süreçlerinin bozulduğu, sıcak veya soğuk bilinçsizliği gösterebilir. Sıcaklık değerlerinde dayanma sınırına yaklaştıkça canlı sıcak veya soğuk komasına girecek veya aktiviteyi tamamen durduracaktır. Sıcaklık sınırı aşıldığında ise ölecektir. Aktivitede bu tür değişikliklerin gerçekleştiği sıcaklıkların saptanması o canlı için hangi sıcaklığın “normal” hangi sıcaklığın “olağandışı” olduğunu belirlememizi sağlar. Yine de bu geçiş sıcaklıklarının belirlenmesi, hayatta kalabilme sınırlarını geliştirmek için bazı biyolojik tepkileri başlatmak suretiyle -canlı da değişen sıcaklığa tepki vereceği için- o kadar kolay olmayacaktır. Düşük sıcaklıklarda, metabolizmanın durduğu sıcaklık, organizmanın öleceği sıcaklığa denk gelmeyebilir.

Yüksek ve düşük sıcaklıkların ölümcül etkileri arasındaki fark büyüktür. Yüksek sıcaklığın neden olduğu hasar, proteinler denature olduğundan (bozulma) veya başka geri çevrilemez değişimlere neden olduğundan dolayı yıkıcıdır. Düşük sıcaklığın etkisi ise tamamen farklıdır. Sıcaklık düştükçe kimyasal reaksiyonlar için gerekli olan kinetik enerji düşer ve metabolizma yavaşlar (ve yeteri kadar düşükse durur). Bu etki tersinirdir. Fakat zar fonksiyonunda oluşan geri dönülemez değişimlerden dolayı ölüm oluşabilir. Donma, organizma bünyesindeki suyun sıvıdan katıya faz değiştirmesinden kaynaklanır. Bu ani ve şiddetli bir olay olabilir, organizma strese karşı yaşamını idame ettirebilecek mekanizmalara sahip değilse ölüme neden olabilecek başka bazı değişimler başlayabilir. Yüksek sıcaklık durumunda ise vücut suyunun fazındaki bir değişimin ölümcül bir etki yaratması olası değildir; çünkü birçok organizmanın üst ölümcül sıcaklığı suyun kaynadığı sıcaklıktan çok çok daha düşük derecededir.

Yaşam kutusu

Yaşamın ve aktivitenin belirli bir sıcaklık aralığında devam ettirilmesi gibi, aynı şey diğer çevresel değişkenler (tuzluluk, asitlik veya baziklik, oksijen yoğunluğu vb) için de doğrudur. Bir organizmanın içerisinde bulunduğu çevre koşullarını (sıcaklık, pH, tuzluluk vb) ölçebiliriz. Eğer bunu bir canlının ömrü boyunca pek çok kez yaparsak, canlının karşılaştığı koşullar aralığını belirleyebiliriz. Bazı organizmalar yer değiştirir ve bu sayede farklı çevre koşullarıyla karşılaşır, hatta koşullar da zaman içerisinde değişim gösterir. Bu ölçümlerin çok boyutlu uzayda grafik çizgilerine dökülmesi organizmanın karşılaştığı koşullar aralığının bütününü açıklamaya yardımcı olur (canlının “yaşam kutusu”; Şekil-2). Aynı türün bütün organizmaları için aynı ölçümleri yapmış olsaydık, o türe ait yaşam kutusunu ve dolayısıyla türün yaşayabileceği habitat çeşidini belirlemiş olurduk. Eğer bütün türlerin bütün bireyleri için ölçüm yapmış olsaydık, genel olarak bütün canlılık için yaşam kutusunu belirlemiş olurduk. Koşullar, bir organizmanın kendisini türüne ait yaşam kutusunun dışında bulacağı şekilde değişirse, o canlı ölür. Eğer koşullar tüm canlılığın yaşam kutusunun dışına çıkacak şekilde değişirse, canlı diye bir şey kalmaz. Çevre bilimciler bir organizmanın yaşam kutusuna onun “ekolojik niş”i derler. Bu, hem çevrenin fiziksel özellikleri (sıcaklık, pH, su miktarı vb) hem de organizmanın diğer organizmalarla iletişimi (yırtıcılık, rekabet, hastalık, kullandığı besin kaynağı vb) yoluyla belirlenir.

Hangi organizmanın olağandışı olduğuna karar vermek için, yaşam kutusunu organizmaların çoğu veya canlı türlerinin çoğu açısından düşünmek yararlı olacaktır. Bu şekilde, olağandışı bir organizma, çoğu canlının dayanabildiğinin ötesindeki koşullarda yaşamını devam ettirebilen organizma anlamına gelecektir. Bu tür bir organizma için koşullar aralığı organizmaların çoğunluğu için olandan farklı olacaktır ve bu organizma birçok organizmanın teorik uzayından daha farklı alan kaplayan bir yaşam kutusuna sahip olacaktır (Şekil-3). Bu tip organizmalara ekstremofil denir (sıradan veya ortalamadan uzaklaşmış koşulları sevenler). En iyi bilinen örneği, canlıların çoğunun yaşadığı sıcaklıktan çok daha yüksek değerlerin görüldüğü sıcak su kaynakları ve derin deniz hidrotermal yarıklarında yaşamını sürdüren termofilik bakterilerdir. Diğer olağandışı çevre koşullarında koloni oluşturan ekstremofiller de vardır. Örneğin çok tuzlu habitatlar (halofilikler), asidik veya bazik koşullar (asidofilikler, alkalifilikler), düşük sıcaklıklar (sakrofilikler) ve yüksek basınç koşulları (piezofilikler).

Bunların yanında olağandışı olarak değerlendirilebilecek bir organizma grubu daha vardır. Aktivitesini devam ettirebildiği koşullara göre ele alırsak, yaşam kutusu diğer organizmaların çoğunun yaşam kutusuyla aynıdır veya en azından çakışır. Fakat organizmanın yaşamsal aktivitelerini artık koruyamayacağı koşullar oluştuğunda, ölmektense metabolizmasını durdurur ve ametabolik hareketsiz bir hale geçer. Koşullar normale döndüğünde aktiviteye devam eder. Diğer bir deyişle, yaşamı metabolizma üzerinden düşündüğümüzde bu canlılar kendi yaşam kutularının dışına çıkma ve koşullar yeniden uyumlu hale geldiğinde aktif hale geçme yeteneğine sahiptir (Şekil-4). Bu olaya kriptobiyoz (saklı yaşam), anabiyoz (yenilenen yaşam) veya gizli yaşam denir. Gizli yaşam muhtemelen en uygun terimdir; çünkü gizli evrede yaşama yeteneği vardır ama görünür değildir. Buna rağmen kriptobiyoz en çok kullanılan terimdir. Bazı kriptobiyotik canlılar yaşam döngülerinin herhangi bir aşamasında bu evreye girebilir. Diğerlerinin bazı özel hayatta kalma ve yayılma evreleri vardır. Bu evreler canlıyı yeni habitatlara taşıyan filika gibidir veya büyümeleri için uygun olmayan süreler boyunca hayatta kalmalarına yardımcı olur. Bu yetenek, koşulların uyumlu olduğu yer veya zamana ulaşana kadar hayatta kalmalarını sağlar. Bu filikalar sporlar, yumurtalar, kapsüller, tohumlar ve dirençli larva evreleri olabilir.

Kriptobiyotik organizmalar çok çeşitli çevresel strese karşı durabilirler. Bazıları bütün vücut suyunu kaybederek yaşamını devam ettirir. Bu olaya anhidrobiyoz (susuz yaşam) adı verilir. Diğer kriptobiyoz çeşitleri içerisinde kriyobiyoz (olağandışı soğuk), termobiyoz (sıcak), ozmobiyoz (yüksek tuz yoğunlukları gibi ozmotik stres) ve anoksibiyoz (oksijen yokluğu) vardır. Bazı organizmalar, bu tür çevresel streslere karşı aktivite seviyelerini düşürdükleri bir hareketsizlik dönemine girerler. Metabolizma hızının düşürülmesi normal dinlenme halinin yüzde 80’ine kadar varabilir, fakat tipik olarak dinlenme halinin yüzde 5’i ile yüzde 40’ı arasında bir noktaya iner. Kriptobiyoz, dinlenme değerlerinin yüzde 1’den daha azına inmesi veya tamamen durdurmak şeklinde bir metabolik hız gerilimi yaratması açısından hareketsizlikten ayrılır.

Kim sonsuza kadar yaşamak ister?

Organizmalar kriptobiyoz evresinde ne kadar yaşayabilir? Nematodlar (yuvarlak solucanlar) için kayıtlar 39 yılı gösterir. 120 yıllık kurumuş herbaryum örneklerinden Rotifer (diğer bir grup mikroskobik omurgasız hayvan) elde edilmiştir. Bitki tohumları yıllarca hareketsiz kalabilir. Eski İngiliz otları olan muhabbetçiçeği ve sığırkuyruğu VIII. Henry tarafından 1536 ile 1540 yılları arasında manastırların feshedilmesi sırasında kapanan bir Carthusian manastırının toprağında büyümüştür. Ortaçağ’a kadar İngiltere’de görülmemiş bitkilere ait olan bu 400 yıllık tohumlar, içerisinde bulunduğu toprağın arkeolojik kazı sayesinde yüzeye gelmesi ile büyümeye başlamıştır. Filizlenen en yaşlı tohum ise Çin’de 1300 yaşında bir nilüfer tohumudur.

Mikroorganizmalar kayıtlı en uzun ömre sahiptir. Bakteriler 118 yaşında bir et tenekesindeki (Parry’nin Kuzey Kutbu gezisinde tenekelenmiş dana eti, 1820-1830) sporlardan üremiştir. 166 yıldır İngiliz Littlehampton limanı kıyısında duran mavna enkazındaki bir şişe biradan izole edilen maya ile bira üretilmiştir. Daha tartışmalı olan milyon yıllık bakteri raporları vardır. Bakteriler kayalardan, tuz çökeltilerinden ve tiyal tabakasından (kutuplarda sürekli donmuş toprak) izole edilmiştir. Örneklere daha yeni bakterilerin bulaşmadığını kanıtlamak zor olduğundan bazıları bu raporlara karşı çıkmıştır. En inandırıcı iddialar, bulaşmaya karşı doğal yollarla korunan örneklerden ortaya çıkmıştır. Kehribar içerisinde korunmuş ve 20-40 milyon yaşında olduğu tahmin edilen bir arıdan bakteri sporları (Bacillus cinsinden) izole edilmiştir. Madde kirlenmeye karşı kehribar tarafından korunmuştur ve bu kehribarın yüzeyi örnek çıkartılmadan önce dikkatlice sterilize edilmiştir. Tuz kristalleri içerisinde kapalı kalmış sıvı kalıntılardan da bakteri (tekrar bir Bacillus) izole edilmiştir ve 250 milyon yıl yaşında olduğu tahmin edilmektedir. Kehribardan izole edilen diğerleri gibi madde tuz kristalleri sayesinde kirlenmeden korunmuştur ve örnekleme yapılırken bulaşmayı önlemek için büyük dikkat gösterilmiştir. Bu tip iddiaların kanıtları desteklenirse bakteri sporlarının ölümsüz olduğuna inanmamak için bir sebep kalmaz.

Olağandışı dil

Olağandışı çevre koşullarında büyüyen veya yaşamını devam ettiren organizmaları tanımlayan birçok terim kullandık. Daha ileri gitmeden önce bu terimleri biraz daha açıklamak iyi olabilir. Farklı organizmalar ve farklı çevresel stresler üzerinde çalışan bilim insanlarının geliştirmiş olduğu etkileyici bir terminoloji var. Olağandışı koşullarda (kendi optimum büyüme koşulları diğer pek çok organizmanın ortalamasından çok daha yüksek veya düşüktür) en iyi büyüyen organizmalar ekstremofilik olarak adlandırılır. Sondaki “-filik” eki “seven” anlamına gelir (Yunancada “philia”, etkilenme veya yakınlık anlamındadır). Olağandışı koşullarda yaşamını sürdüren ama optimum büyüme koşulları daha normal aralıkta olanlar “toleranslı” olarak ifade edilir. Olağandışı koşullar metabolizmada düşüşe ve canlının yaşamını idame ettirebileceği bir sürelik hareketsizliğe neden olur. Metabolizmanın tamamen durduğu noktada organizmalar kriptobiyotik olarak adlandırılır. Bu “saklı yaşam” anlamına gelir ve Yunanca kelimeler olan saklı (“kryptos”, gizlemek veya saklı tutmak) ve yaşamdan (“biosis”) türemiştir.

Farklı çevresel streslere verilen tepkileri açıklayan terimler belirlenen stresin köküne bu son eklerin eklenmesiyle türetilir. Köklere örnekler şunlardır: termo- (ısı, Yunancada “therme”), kriyo- veya sakro- (soğuk, buz soğuğu için “kryos” ve soğuk veya buz gibi için “psychros”), anhidro- veya sero- (kuruma, susuz için “anhydros” ve kuru için “”xeros”), piezo- veya baro- (basınç, baskı için “piezo” ve ağırlık için “baros”), halo- veya ozmo- (ozmotik stres, tuz için “halos” ve itmek için “osmos”) ve asido- veya alkali- (düşük ve yüksek pH). Oksijen yokluğu anaerobik (havasız) veya anoksik (oksijensiz) olarak ifade edilir. Bu terimler Tablo-1’de özetlenmiştir.

Yaşam kutusunun genişletilmesi

Kriptobiyotikler daha makul koşullar ortaya çıkana kadar yaşamlarını sürdürürken, ekstremofiller olağandışı çevre koşullarında başarılı olurlar. Yine de olağandışı koşullara karşı başka tepkiler de vardır. Organizmalar olağandışı koşullardan daha uygun yerlere göç ederek kaçınabilirler. Kar kazı, Kuzey Kutbu’nun kış soğuğundan güneydeki daha ılımlı koşullara göç ederek sakınır. Çöl böcekleri gün içerisindeki kuruma ve ısıdan kumun içine yuva yaparak kaçınabilir. Bazı organizmalar koşulları daha normal ve daha az olağandışı hale getirmek için kendi dış ve iç çevresini düzenleyebilir. Sıcaklıkla ilgili olarak bu tip tepkiler en çok kuşlar ve memelilerde bulunur.

Çoğu organizma ektotermdir, yani çevresiyle aynı sıcaklıktadır. Bunlara ters olarak kuşlar ve memeliler endotermdir. Kendi ısılarını üretebilir ve kendilerini çevreleyen ortamdan daha yüksek bir sıcaklığı muhafaza edebilirler. Bu öncelikle metabolizma tarafından ısı üretilmesi için yakıtın yakılmasıyla (besin) ve ikinci olarak da çevresine ısı kaybını azaltacak mekanizmalar tarafından sağlanır, yalıtım (post, tüyler ve derinin altındaki yağ) bir örnektir. Bu mekanizmalar kuşlar ve memelilerin bazı çok soğuk bölgelerde yaşamasına olanak sağlamıştır.

İnsanlar olağandışı koşullara en son tepkiyi verir. Bizler koşulları kendi yaşamımızı sürdürebileceğimiz aralığa getirmek için dış ortamımızı düzenleriz. Diğer hayvanlar bunu yuvalar ve sığınaklar inşa ederek sınırlı bir şekilde yapar, fakat kendi çevremizi düzenleme yeteneğimiz insanlığın kolonileşmesini veya en azından Dünya’da neredeyse her yerde yaşamasını olanaklı kılmıştır. Eğer üşürsek daha fazla örtünürüz veya bir ısıtıcıyı açarız. Çöle suyu yanımıza alarak gideriz, suyun az olduğu yerlerde tatlı su elde etmek için tuzlu suyu tuzundan arındırırız. Hiç oksijenin olmadığı bir yerde oksijeni yanımızda götürürüz. Bizim çevremizi düzenleyebilme yeteneğimiz en yüksek dağların tepesinde, denizlerin derinliklerinde, en kurak ve sıcak çöllerde, Antarktika kutup platosunun çorak bölgelerinde ve hatta uzayda yaşamımızı sürdürmemizi sağlamaktadır.

Direnç ve yetenek adaptasyonları

Organizmalar ters koşullara karşı iki çeşit tepki verirler. Direnç adaptasyonları koşullar yeniden uygun hale gelene kadar stresten kaçınma veya ona dayanma yeteneği sağlar; yetenek adaptasyonları ise organizmanın zorlu koşullar altında büyümesi ve üremesini sağlar. Bu terimler ilk defa sıcaklık stresine karşı adaptasyonlar için ortaya atılmış olsa da (1958’de bir Alman fizyolog olan Precht tarafından) oksijen, ozmotik stres ve kuruma gibi diğer streslere de uygulanabilir. Precht yetenek adaptasyonlarının bir organizma tarafından karşılaşılan normal sıcaklık aralığında çalıştığını, direnç adaptasyonlarının ise olağandışı sıcaklıklarda çalıştığını öne sürüyordu. Ben Precht’in verdiği terimleri organizmanın olağandışı ortamlara verdiği tepkilere uygulanır hale getirmek için genişlettim. Olağandışı bir habitata yetenek adaptasyonu gösteren bir organizma için olağandışı koşullar normal koşullar aralığı haline gelir. Enzimler, zarlar ve organizmanın diğer sistemleri olağandışı durumlarda (çok yüksek veya çok düşük sıcaklıklar gibi) çalışmak üzere optimum hale getirilir. Zorlu bir ortamda yaşayan bir organizmanın optimum büyümesi için gerekli koşullar daha bereketli bir ortamda yaşayan organizmalarınkinden farklıysa bu yetenek adaptasyonu için kanıt oluşturur: Antarktika’da yaşayan bir canlının optimum büyüme sıcaklığının daha sıcak bölgelerdeki akrabalarından daha düşük olması durumu buna örnek teşkil eder.

Olağandışı koşullara karşı direnç adaptasyonu gösteren bir organizma için koşullardaki normal aralık diğer çoğu organizma için olanla aynıdır. Olağandışı koşullarla karşı karşıya kaldığında, genellikle çalıştığı aralığın dışında, koşullar yeniden normalleşene kadar yaşamını devam ettirebilir, oysa diğer organizmalar ölecektir. Direnç adaptasyonları kış uykusu gibi veya dinlenme halindeki kapsül, spor veya tohum üretilmesi gibi bir çeşit hareketsizlik içerir. Olağandışı hale gelen koşullar karşısında veya olağandışı koşulların oluşmaya başlayacağına dair belirtilere (kışın başlangıcı gibi) karşı organizma aktif halinden çıkar. Bu, organizmanın metabolizma hızında bir düşüşü, ölçülebilir bir metabolik aktivitenin kalmadığı kriptobiyozdaki son haline ulaşmasını kapsar. Metabolizma hızındaki düşüş tek başına bile olsa, besin rezervlerinin tüketilme hızını düşürerek, ters koşullara karşı bir miktar direnç sağlar. Yine de strese karşı korunma sağlayan bazı daha özel mekanizmalar bulunmalıdır, örneğin düşük sıcaklıklara karşı kriyo-koruyucuların üretilmesi.

Ekstremofiller olağandışı ortamlarda yetenek adaptasyonu sağlar, kriptobiyotikler ise direnç adaptasyonu gösterir. Bu ikisi arasındaki fark Şekil-2 ve 3’te verilmiştir. İki tür adaptasyon birbirini dışlayan olgular değildir ve birçok organizma olağandışı bir durumda hem yetenek hem de direnç adaptasyonu gösterir. Derin denizlerde hidrotermal yarıklarda yaşayan bir olağandışı termofilik bakteri Pyrococcus furiosus 100 °C sıcaklıkta optimum büyüme gösterir ve büyüyebileceği sıcaklık aralığı 70 °C ile 105 °C arasıdır. 70 °C’nin altında hareketsiz hale gelir. Yani bu bakteri yüksek sıcaklıklara yetenek adaptasyonu gösterirken sıcaklıklar kendisine göre çok düştüğünde direnç adaptasyonu göstermeye başlar.

Normal ve olağandışı koşullar

Yaşam için normal ve olağandışı koşullar nedir? Daha önce gördüğümüz gibi, sıcaklığın organizma üzerinde önemli etkileri vardır ve hem yüksek hem de düşük sıcaklıklar olağandışı olarak değerlendirilebilir. Birçok karasal organizma 10 °C’den 48 °C’ye uzanan dar aralıkta (38 °C’lik bir aralık) normal aktivitelerini korur. Dünya üzerindeki en düşük doğal sıcaklık Antarktika Vostok’taki -89.2 °C’dir (mutlak sıfır olarak kabul edilen -273 °C laboratuarda ulaşılmış bir sıcaklıktır). Dünya yüzeyindeki en yüksek doğal sıcaklık ise volkanlardaki sıcaklıktır. Jeotermal aktivite yokluğunda Libya Al’Azízíyah’ta en yüksek gölge sıcaklığı olan 56 °C kaydedilmiştir. Bu bize 147 °C’lik bir kayıtlı sıcaklıklar aralığı verir (jeotermal aktivite haricinde). Bir bölgede kaydedilen en yüksek doğal sıcaklık aralığı 105 °C’dir (Siberya Verkhoyansk’ta). Kısa bir süre içerisinde ortaya çıkarsa yüksek sıcaklıklar (48 °C üzeri), düşük sıcaklıklar (0 °C altı) ve büyük sıcaklık aralıkları olağandışı olarak kabul edilebilir.

Normal sıcaklıklar nedir? Ortalama olarak Dünya soğuk bir yerdir. Dünya yüzeyinin üçte ikisi okyanuslarla çevrilidir ve okyanusun çoğunun sıcaklığı 2 °C’ye yakındır. Okyanus derinliklerini, buz tabakalarını ve karaları da hesaplarsak gezegenimizin beşte dördü sürekli 5 °C’nin altındadır. Normal sıcaklık olarak düşündüğümüz, örneğin 10 °C’den 30 °C’ye kadar diyelim, tam anlamıyla normal değildir, dünyadaki sınırlı sayıdaki bölgelerde gerçekleşir. Yaşam açısından bereketlilik Dünya’nın daha ılık bölgelerindedir (ama çok sıcak değil!).

Yeryüzündeki organizmalar üzerlerine baskı yapan havanın ağırlığını hisseder. Buna o kadar alışmışızdır ki değişene kadar hemen hemen hiç farkına varmayız. Örneğin bir uçakta yükselme veya alçalma halindeyken kulaklarımız patlayabilir, bunun sebebi kulak zarımızın her iki tarafındaki basınç farkıdır. Deniz seviyesinde basınç santimetre kare başına 1 kilogramdır veya 1 atmosferdir. Bu basınçtaki değişimler bir organizmaya stress yaşatır. Çoğu organizma doğal olarak düşük basıncı hissetmez. Hatta yüksek dağlar bile bir organizmayı strese sokacak kadar basınç düşüşü oluşturmaz (ama oksijen eksikliğinden kaynaklanan sorunlar olabilir). Buna rağmen bazı bakteriler düşük basınçlarda hatta vakumla paketlenmiş bir besin artığında olduğu gibi bir vakum ortamında bile mutlu bir şekilde büyüyebilir.

Karasal organizmalar yüksek basıncı da nadiren yaşar. En derin mağara bile basınçta kayda değer bir yükselmeye neden olmaz (1500 metre derinlikte basınç yüzeyde olduğunun sadece altıda biri kadar daha yüksektir). Buna rağmen okyanusta derinliğin oluşturduğu basınç değişimleri önemlidir. Hidrostatik basınç (suyun organizma üzerine yaptığı basınç) her 10 metrelik derinlikte 1 atmosfer artar. Sığ sahil sularının dibinde bile basınç yüzeyde hissedilenin birkaç katıdır. Bazıları 11 kilometreyi bulan okyanusların en derinliklerinde basınç 1100 atmosferdir (yüzeyde hissedilenin 1100 katıdır). Bu, orada yaşayan herhangi bir organizma için oldukça büyük bir strese denk gelir (santimetre başına 1100 kilogramlık basınç – parmağınızın ucunda duran 5 tane fil hayal edin!).

Bazı maddeler suda çözündüğünde su moleküllerinin (H₂O) hidrojen (H⁺) veya hidroksil (OH^–) iyonları ortaya çıkaracak şekilde ayrışmasını sağlar. Yüksek derişimdeki H⁺ iyonları (ve düşük derişimdeki OH^– iyonları) asidik bir çözelti oluşturur, tersine düşük derişimdeki H⁺ iyonları (ve yüksek derişimdeki OH^– iyonları) bazik bir çözelti oluşturur. Asitlik veya bazlık seviyesi çözeltinin pH’ı ile ifade edilir. Bu, çözeltideki H⁺ iyon yoğunluğunun ölçümüdür (logaritmik bir skala ile). Suyun pH’ı nötr (bazik veya asidik olmayan) olarak değerlendirilen 7’dir ve 7’den büyük pH değeri olanlar baziktir.

Normal pH nedir? Genellikle pH 7 normal olarak düşünülür fakat birçok su kaynağının (denizler, göller, nehirler, topraktaki su) pH’ı 5,6 civarındadır yani biraz asidiktir. Bu, atmosferdeki karbondioksitin su içerisinde çözünüp zayıf bir asit (karbonik asit) oluşturmasından kaynaklanır. Az asitli koşullarda yaşıyor olmalarına rağmen birçok hücrenin içerisindeki pH değeri 7,7’dir. Canlı hücreler kendi iç pH’larını bu dengede tutmaya çalışır; çünkü bu değer, enzimlerinin, yani organizmaların kimyasal tepkimelerini kontrol eden ve onların büyümesini, üremesini ve yapılarını korumasını sağlayan biyolojik katalizörlerinin, çalışması için optimum koşulları sağlar. Güçlü asitler (sülfürik asit gibi) ve bazlar (acı soda gibi) sadece enzimlerin verimli çalışmasını engellemez aynı zamanda proteinlere, zarlara ve organizmanın vücudunu oluşturan diğer yapılara zarar da verebilir.

Maddeler suda çözündüğünde pH üzerinde oluşturdukları etki haricinde organizma üzerinde başka stresler de yaratabilirler. Yaygın tuz (sodyum klorid) suya eklendiğinde çözünür; daha fazla eklerseniz artık çözünemeyeceği miktara gelene kadar çözünür ve çözelti doyar. Suya daha fazla tuz eklenirse tuzun çözelti içerisindeki yoğunluğu artar fakat suyun çözelti içerisindeki yoğunluğu azalır (kaptaki su miktarı sabit kalır fakat tuz miktarı artıyordur ve dolayısıyla suyun yoğunluğu azalıyordur). Tuzlu bir suya bir organizma koyulduğunda ortamdaki su yoğunluğu organizmanın içerisindeki yoğunluktan düşük ise, dengenin sağlanması (bu, su ve başka moleküllerin yoğun olduğu yerden daha az yoğun olduğu yere hareket etmesinden oluşan, difüzyon adı verilen bir süreçtir) için organizmanın içerisindeki su dışarıya çıkacaktır (suyun çıkmasını engelleyemediği sürece). Bunun alternatifi tuzun canlının vücuduna girmesidir. Fakat hücrelerin zarları bazı maddelerin geçmesine izin verirken diğerlerinin geçmesine izin vermez (bazılarına karşı geçirgendir bazılarına değildir, bu nedenle yarı-geçirgen olarak ifade edilirler). Hücre zarı suya karşı geçirgendir fakat tuza karşı değildir (ya da en azından suya karşı tuza karşı olduğundan daha fazla geçirgendir). Yarı geçirgen bir zardan suyun difüzyonu ozmos diye adlandırılır ve bu tip bir harekete neden olan dış ortamın durumu ise ozmotik stres olarak adlandırılır.

Hücrenin içinde ve dışındaki tuz ve su yoğunlukları eşittir, herhangi bir ozmotik stres görülmez ve biz bu duruma normal (ya da en azından stressiz) koşul olarak bakarız. Kendi iç sıvıları dış çevrelerindeki deniz suyu ile aynı ozmotik yoğunluğa sahip olan birçok deniz organizması için de bu doğrudur. İç ve dış ortam koşulları aynı olmadığında organizmanın hücreleri ozmotik stres yaşar. Ozmotik stresin iki çeşidi vardır. Hiperozmotik stres hücrenin dışındaki su yoğunluğu içindekinden az olduğunda (daha yüksek tuz yoğunluğundan kaynaklanır) oluşur ve su hücreyi terk eder. Bu durum hücreyi dehidre eder ve büzüşmesine neden olur. Hipoozmotik stres hücre dışındaki su yoğunluğu içeridekinden yüksekse (dışarıda tuz yoğunluğu daha düşükse) gerçekleşir ve hücre içerisine su girer. Hipoozmotik stres sonucu suyun içeri girmesi hücrenin şişmesine neden olur ve eğer hücre, içerisindeki aşırı sudan kurtulamazsa patlama tehlikesiyle karşı karşıya kalır. Çoğu organizma, hücre içindeki tuz yoğunluğunu (veya ozmotik yoğunluğu) dış çevreden az da olsa yüksek olacak şekilde düzenler. Bu, hücre içerisinde pozitif bir basınç oluşturur (hafif şişirilmiş bir balon gibi) ve bu sayede hücre sıkı (şişkin) kalır.

Deniz suyunda (tuz yoğunluğunun yaklaşık yüzde 0,85 sodyum klorid çözeltisi olduğu yerde) yaşayan organizmalar tatlı suya girerse hipoozmotik stres ile karşılaşır ve çoğu ölür. Ozmotik stres tarafından oluşturulan basınç oldukça büyük olabilir. İçindeki ozmotik yoğunluğu deniz suyununkine eşit olan bir hücre için, tatlı suya batırılmasıyla oluşan su girişi 22,4 atmosfer değerinde bir basınç (normal atmosfer basıncının 22,4 katı ve bir dalgıcın yarım kilometre derinlikte hissettiği basıncın aynısı) oluşturur. Öte yandan tatlı su organizmaları da deniz suyuna batırıldıklarında hissettikleri hiperozmotik stresten dolayı ölebilir. Aşırı hiperozmotik stres çevredeki kayalardaki tuzun çözündüğü ve suyun buharlaşmasıyla daha yoğun hale gelen göllerde ve göletlerde oluşur. Ölü Deniz bu tür bir yerdir ve yüzde 28’lik bir tuz yoğunluğu vardır.

Organizmalar, kendi su içeriklerini düzenleyebildikleri gibi, hücre içi sularında çözünen maddeleri de düzenleyebilir. Sodyum klorid suda çözündüğünde bir sodyum iyonu (Na⁺) ve bir de klorid iyonuna (Cl^–) ayrışır. Bunlar potasyum iyonları (K⁺) ile de beraber organizmaların sıvılarında bulunan ana inorganik iyonlardır. Düşük yoğunlukta (Ca²⁺), magnezyum (Mg²⁺), sülfat (SO₄^2-), fosfat (PO₄³⁺) ve bikarbonat (HCO₃^–) iyonları da bulunur. Bu farklı iyonların yüksek ve düşük yoğunluğa gelmesi organizmayı strese sokabilir.

Organizmaların çoğu atmosferdeki oksijeni kullanarak glikoz gibi şekerleri oksitlemek yoluyla bunlardan enerji açığa çıkartır (kimyasal yapısında bulunan enerjiyi açığa çıkarmak için aerobik solunum yoluyla bu maddeleri “yakarlar”). Bu aerobik canlılar için ortamdaki oksijen yoğunluğunun düşük olması stres kaynağıdır. Düşük miktardaki oksijen, biyolojik aktivite yoluyla oksijenin tüketildiği ortamlarda (gübre yığınının ortası veya bir nehir ağzındaki balçıktaki gibi) veya oksijen erişiminin sınırlı olduğu yerlerde (bir ineğin bağırsaklarının ortasındaki gibi) görülür. Yine de bazı organizmalar oksijenin olmadığı veya az yoğunlukta olduğu koşullara, anaerobik solunum yaparak (oksijen yokluğunda) geçici veya kalıcı olarak dayanabilir. Anaerobik solunumdaki çoğu işlem sırasında besin aerobik solunumdakinden daha az verimli kullanılır. Yani anaerobik bir organizma verili bir besin miktarından aerobik olanın edindiğinden daha az enerji elde eder. Bu büyüme ve üreme hızlarını sınırlayabilir.

Sonuç itibariyle bir organizma üzerindeki ana fiziksel stres kaynakları sıcaklığın olağandışı hal alması, basınç, kuruma, asitlik veya baziklik, ozmotik ve iyonik stres ve düşük oksijen seviyeleridir. Diğerleri zehirli kimyasallar ve radyasyon (özellikle ultraviyole radyasyon) olarak sayılabilir.

Yaşamın gereksinimleri

Yaşamı sürdürmek için sadece üç gereklilik vardır – bir enerji kaynağı, su ve organizmanın dayanabileceği koşullar aralığı (örn. organizmanın yaşam kutusu içerisinde yer alan koşullar).

Canlılar büyüme, üreme ve vücut yapılarının ve sağlamlıklarının korunmasını sağlayan metabolizma için yakıt yakmalıdır. Hayvanlar ve bazı mikroplar bu yakıtı diğer organizmaların tüketilmesi ve bozunmasından sağlarlar (bunlar heterotroftur yani “diğerlerinden beslenen”). Bitkiler ve diğer bazı mikroplar inorganik maddeleri (su ve karbondioksit gibi) organik maddeye (canlıların vücudunu meydana getiren maddeler gibi) çevirmek için enerjiyi kullanabilenler yani ototroflardır (“kendi beslenenler”). İki ana enerji kaynağı vardır. Bitkiler ve bitkiye benzeyen mikroplar fotosentez adı verilen bir yolla güneş enerjisini kullanırlar (fototrof, “ışıkla beslenenler”). Fotosentez, atmosferden alınan su ve karbondioksiti bir organik şeker olan glikoza çevirir. Sonra şeker hücrenin metabolizması için bir yakıt olarak çalışır. Bunu en verimli yapmanın yolu şekeri oksijenin varlığında ve katılmasıyla yıkmaktır (şekeri oksitlemek veya yakmak). Bazı mikroplar enerjilerini kimyasalları oksitleyerek elde ederler (kemotroflar, kimyasalla beslenenler). Sülfür bakterisi sülfürü sülfür oksite çevirerek enerjisini sağlar, sonra bu sülfür oksit suda çözünerek sülfüroz asit ve sülfürik aside dönüşür. Diğer bakteriler demir, amonyak veya hidrojenle aynı hileleri yaparlar.

Yaşamın diğer gereksinimi sudur veya en azından periyodik olarak suya erişimdir. Su, canlıyı oluşturan birçok molekülün yapısının bir parçasıdır. Ayrıca canlının kimyasal tepkimelerinin içerisinde gerçekleştiği bir ortam sağlar. Su olmadan metabolizma diye bir şey olmaz ve dolayısıyla yaşam da olmaz. Fakat daha sonra da göreceğimiz gibi kriptobiyotlar tamamen su kaybı durumlarında metabolizmalarını hatta belki yaşamlarını askıya alabiliyor ve sonra devam ettirebiliyorlar. Organizmanın değerlendirebileceği sıvı suyun ve bir enerji kaynağının olduğu yerlerde yaşam da olacaktır.

Yaşam formları

Yaşam formları muazzam çeşitlilik gösterir. Bilim insanları organizmaları benzerlikleri ve farklılıkları üzerinden gruplara ayırmak için muhtelif şemalar tasarlayarak bu çeşitliliği anlamlandırmaya kalkışmışlar. Sınıflandırma olarak bilinen bu işlemin uzun bir tarihi vardır. İsveçli doğa bilimci Linnaeus (1707-1778) canlıları hayvanlar ve bitkilere ayırarak bu tür bir sınıflandırmaya kalkışan ilk kişidir. Fakat Linnaeus sadece çıplak gözüyle görebildiği canlılarla sınırlı kalmıştı. Mikroskobun icadı ve çok çeşitli mikroorganizmaların keşfi her şeyi daha karmaşık hale getirdi. Sonraki şemalar, organizmalar arasındaki evrimsel akrabalıkları açıklamayı amaçlayan sınıflandırmalar ortaya çıkarmak için çok çeşitli kanıtlardan (morfoloji, embriyoloji, jeografik dağılımlar, fizyoloji ve fosil kayıtları gibi) yardım aldı.

Yaşamı bölümlere ayırırken, en önemlisi organizmaların tek hücreden oluşanlar (tek hücreli) ve çok hücreden oluşanlar (çok hücreli) olarak ikiye bölünmesidir. Çoğu organizma tek hücrelidir. Bitkiler, hayvanlar, mantarlar, cıvık mantarlar ve bazı algler çok hücrelidir. Diğer önemli bir bölümleme organizmayı oluşturan hücrelerin çeşidini temel alır. Ökaryotik hücreler kalıtsal materyallerini zar ile çevrelenmiş bir çekirdeğin içerisinde taşırlar. Hücrenin geri kalanı, çok çeşitli tipte ve işlevde zarla çevrili organeller içeren sitoplazmadan oluşur. Prokaryot hücreler çok daha basittir. Bir prokaryot hücrenin kalıtım materyali özel bir bölümde yoğunlaşmıştır, fakat bunu hücrenin geri kalanından ayıran bir zar yoktur, yani çekirdek de yoktur. Ayrıca prokaryot hücrelerde herhangi bir organel de bulunmaz. Tek hücreli protistalar ve mayalar diğer çoğu çok hücreli canlı gibi ökaryottur. Geri kalan tek hücreli canlılar ise prokaryottur.

Çoğunlukla morfoloji ve yaşam tarzı kriterlerine göre yapılan bu sınıflandırma şemaları, yaşamı beş ana gruba veya aleme (Şekil-5) ayıran beş-alem modelinde (1969’da Cornell Üniversitesi’nden Robert Whittaker tarafından önerilmiştir) sonuçlanmıştır. Bu beş alem hayvanlar, bitkiler, mantarlar, protistalar ve bakterilerden oluşmaktadır. Hayvanlar bir organik madde kaynağı olarak diğer organizmalara bağımlı olan (genellikle onları yerler) çok hücreli ökaryotlardır. Yaklaşık 30 kadar hayvan filumu (faklı vücut planlarına denk gelen) vardır ve bunların karmaşıklığı süngerlerden, denizanalarından ve kurtlardan kuşlar, memeliler ve insanlara kadar uzanır. Bitkiler güneş ışığının enerjisini kullanarak fotosentez yoluyla kendi organik maddelerini üreten ve çoğunlukla karada yaşayan çok hücreli ökaryotlardır. En basit bitkilerin (koyunotu, yosunlar veya likenler gibi) kökleri veya iyi gelişmiş damarlı dokuları (su ve besini taşıyan tüpler) yoktur. En basit damarlı bitkiler (eğreltiotu ve kırkkilit otu gibi) tohum üretmezler, sporları aracılığıyla ürerler. Açık tohumlular (kozalaklı ağaçlar ve sago palmiyeleri) bir tohum kılıfı tarafından korunmayan, yani çıplak tohumlar üretir, kapalı tohumlular (çiçekli bitkiler) ise korunan tohumlar üretirler.

Mantarlar fotosentez yapmayan fakat hayvanlar gibi de besini sindirmeyen, vücutlarının dışına enzim salgıladıktan sonra besini emen ökaryotlardır. Çoğunlukla çok hücrelidirler, fakat tek hücreli olan maya da bu gruptadır. Hayvan, bitki veya mantarlara uymayan bazı çok hücreli ökaryotların yanı sıra geri kalan tek hücreli ökaryotlar protistalar olarak adlandırılır. Yani protistalar muhtemelen pek yakın akraba olmayan organizmaların karmaşasıdır (30-40 kadar filum içerir). Protistalar hayvana benzeyen (protozoa), bitkiye benzeyen (alg) ve mantara benzeyen (çok hücreli cıvık mantarlar) organizmaları içerir. Deniz yosunları çok hücreli algdir.

Beş-alem modelinde bütün prokaryotik organizmalar, bakteriler (Monera) olarak hep birlikte gruplanmıştır. Daha yakın yıllardaki çalışmalar prokaryotlardaki çeşitliliğin en az ökaryotlar kadar ve belki de daha fazla olduğunu ve prokaryotlar içerisinde de birçok alemin varlığını bildiriyor. Bakteriler heterotroflar (organik moleküllerden beslenen) ve ototroflar (kendi besini üretenler) dahil çok çeşitli yaşam tarzlarına sahip organizmaları kapsar. Ototroflar fotoototrofları (siyanobakteriler gibi, fotosentez yapanlar) ve kemototrafları (çeşitli inorganik maddeleri oksitlemek yoluyla enerji elde edenler) içerir. Çoğu tek hücrelidir, fakat bazıları koloniler veya kümelenmeler oluşturur, hatta bazıları bir veya iki özelleşmiş hücre çeşidi arasında iş paylaşımı gerçekleştiren ilkel çok hücreli yapılanma (bazı siyanobakteriler) gösterir.

Beş-alem modeli Dünya üzerinde gözlemleyebildiğimiz bütün organizmaları sınıflandırmada sıkıntılı bir modeldi. Bu, ek alemlerin önerilmesine ve bazı organizma gruplarının bir alemden diğerine taşınmasına (bitkilerin yanı sıra bazı çok hücreli alglerin kapsanması gibi) neden oldu. Fakat bazı organizmalar bu şemalarla uyum sağlamıyor. Virüsler protein bir kılıf içerisinde genetik maddelerini (DNA veya RNA) taşırlar ve tam anlamıyla hücre değillerdir. Sadece, bir başka organizmanın hücresini enfekte ederek ve konak hücrenin mekanizmasını virüs kopyaları üretmek için kullanarak üreyebilirler. Belki de konak hücrenin yardımı olmadan üreyemedikleri için virüsler canlı olarak bile sayılmayabilir. Likenler sıklıkla kayaların, duvarların ve mezar taşlarının yüzeyinde gözlemlenir. Ayrı bir organizma çeşidi olmaktan çok, biri mantar diğeri alg veya siyanobakteri olan iki farklı çeşit organizmanın yakın ilişkisinden (simbiyoz) meydana gelirler.

Geleneksel sınıflandırma modelleriyle ilgili ana problem kullanılan kriterlerin en azından bir miktar da olsa öznel olmasıdır. Moleküler biyoloji alanındaki ilerleme sınıflandırmayı daha nesnel kriterlere dayandıran moleküler tekniklerin gelişmesini sağladı. Bu teknikler, sınıflandırılacak organizmanın bütününde bulunan belirli proteinlerin ve nükleik asitlerin yapısındaki alt birimlerin dizilerini karşılaştırır. Mutasyonlar zamanla birikerek bu moleküllerin dizisinde değişimler yaratır. Birbirine benzer diziler içeren iki organizma yakın akraba, farklı diziler içerenler ise uzak akraba olacaktır. Ayrıldıkları evrimsel zaman ne kadar uzaksa farklılık derecesi o kadar yüksektir. Bu teknikler morfolojik ve fizyolojik kriterlere dayanandan çok farklı bir resim ortaya çıkarmıştır (Şekil-6). Prokaryotlar arasındaki çeşitlilik açığa çıkmıştır. Bakterilerin iki sahadan (domain – her biri birkaç alem içerir) oluştuğu gösterilmiştir: gerçek bakteriler ve arkeler. Bunların biri ile diğeri arasındaki fark, zehirli mantar ile bir balina arasındaki farktan daha fazladır. Üçüncü saha olan ökaryotlar bütün ökaryotik organizmaları kapsar. Arkeler özel olarak olağandışı ortamlarda yaşar. Üç ana işlevsel gruptan oluşur: metanojenler (metabolizmalarının son ürünü olarak metan üretirler), olağandışı halofilikler (çok tuzlu koşullarda yaşarlar) ve olağandışı termofilikler (sıcak su kaynakları ve derin deniz yarıkları gibi çok sıcak ortamlarda yaşarlar). Arkeler önceleri bir bakteri türü olarak düşünülmüştü (arke bakteriler) fakat artık farklı bir grup olarak ele alınıyor.

Organizmaları gruplandırmanın bir diğer yolu da yaşam biçimlerine göre ayırmaktır. Birincil üreticiler güneşten aldığı enerji ile (bitkiler, algler, siyanobakteriler ve diğer fotosentez yapan bakteriler) veya çeşitli inorganik maddeleri oksitleyerek (bazı bakteri grupları) şekeri ve diğer organik bileşikleri üretir. Tüketiciler (hayvanlar, mantarlar, bazı bakteriler ve protistalar) organik madde ve enerji ihtiyaçlarını birincil üreticileri (veya diğer tüketicileri) yiyerek sağlarlar. Bazı tüketiciler, kendi besinlerini, dışkı ve yere düşen yapraklar gibi ölü organizmalar veya organik atıklardan elde eden ayrıştırıcılardır (mantarlar, bakteriler, bazı hayvanlar) ve bazıları ise diğer organizmalara (içinde veya üzerinde) bağlı yaşayan parazitlerdir (veya diğer simbiyont çeşitleri).

Boyut meselesi

Bir organizmanın boyutu çevresel bir stresle ne kadar sorunu olduğunu bir dereceye kadar belirler. Akşam yemeğine geç kaldığınızı düşünün. Bu ilk değil, eşiniz size sinirlenmiş ve akşam yemeğinizi fırına geri koymaktansa masanın üzerinde bırakmış. Eğer sadece 10 dakika geciktiyseniz patatesler hâlâ sıcak olabilir, fakat bezelyeler soğumuştur. On dakika daha gecikince artık patatesler de soğumuş olur. Bezelyeler nasıl olur da patateslerden daha çabuk soğur? Yanıt tabi ki boyut meselesindedir. Küçük şeyler ısıyı büyük şeylerden daha çabuk kaybeder (veya kazanır). Çünkü nesneler ısıyı yüzeylerinden kaybeder ve bir nesneden ısının kaybedilme hızını hacmine oranla yüzeyinin kapladığı alan belirler. Bir bezelye, hacmine göre patatesten daha büyük bir yüzey alanına sahiptir, böylece daha çabuk ısı kaybeder. Ayrıca küçük bir nesne büyük bir nesneden daha az ısıya sahiptir. Küçük organizmalar sıcaklıklarını dengelerken büyük organizmalara oranla daha fazla sorun yaşarlar.

Isı için doğru olan durum bir organizmaya yüzeyden giren veya çıkan maddeler için de doğrudur. Oksijenin küçük bir organizmanın yüzeyinden geçme (difüzyon) hızı bu organizmanın ihtiyaç duyduğu oksijeni sağlaması açısından yeterli olabilir. İnsan gibi büyük organizmalar için yüzeyden difüzyon, ihtiyaçları karşılamak için yeterli değildir. Bu sorun insanlarda ve diğer çoğu karasal omurgalıda akciğerlerin gelişmesiyle çözülmüştür. Akciğerler, hava ceplerinde (alveoller) sonlanan hava kanallarının (soluk borusu, bronşlar, bronşioller) dallanma yaptığı ağlardan oluşur. Bu şekilde oksijen alımının gerçekleşeceği geniş bir yüzey alanı sağlanır. İnsan derisinin yüzey alanı 2 metre kare iken akciğerinin toplam yüzey alanı 100 metre karedir. Bu sayede, oksijen alımı için akciğer yoluyla sağlanan mevcut alan, deri üzerinden sağlanan mevcut alandan 50 kat daha büyüktür.

Küçük organizmalar, oksijen alımı konusunda büyük organizmalardan daha az problem yaşamasına rağmen sorun kuruma noktası olunca tersi doğrudur. Kurumayla karşılaşınca yüzeyinden su kaybeden küçük bir organizma, hacmine oranla daha büyük bir yüzey alanına sahip olduğu için büyük bir organizmadan daha hızlı bir şekilde dehidre olacaktır. Yani kuruma durumu, büyük bir organizmadansa küçük bir organizma için daha büyük bir sorundur. Organizma suya karşı tamamen geçirmez hale gelerek kurumayı engelleyemez – eğer organizma suya karşı geçirgen olmazsa nefes de alamayacağı anlamına gelir. Suya geçirgen olmayan ama oksijene geçirgen olan bir biyolojik oluşum yoktur. Eğer geçirgen olmayan bir deri veya üst deri yardımıyla vücuttan su kaybı azaltılırsa, burnumuz, bir böceğin üst derisindeki porlar (hava delikleri) veya bir bitkinin yüzeyi (gözenek) gibi organizmanın nefes almasını sağlayan açıklıklara ihtiyaç duyulur.

Olağandışı biyoloji

Fiziksel strese ek olarak, organizmalar birçok biyolojik stresle de karşı karşıya kalır. Bunlar, diğer organizmalarla rekabet, yırtıcılık, hastalıklar veya parazitler ve besine erişim olabilir. Diğer organizmaların başarılı olamadığı koşullarda yaşamını devam ettirebilen veya gelişen organizmalar avantajlı durumdadır. Diğerlerinin erişemediği habitatları veya besin kaynaklarını değerlendirerek rekabeti bertaraf edebilirler. Bunun yanında, bu olağandışı evlerinde kendilerini etkileyebilecek yırtıcılar, parazitler ve hastalıklar da bulunmayabilir. Olağandışı organizmalar, normal olmayan yaşam koşullarında başarılı olabilmek için karşı karşıya kaldıkları streslerden ortaya çıkan sorun ve meydan okumaları çözmek zorundadır. Olağandışı organizmalar bizleri biyolojinin en dış sınırına, bize yaşamın doğası hakkında yeni anlayışlar kazandıran olağandışı biyolojiye götürür.