Ana sayfa 124. Sayı Termodinamik bakış açısıyla yaşam kaçınılmaz mı?

Termodinamik bakış açısıyla yaşam kaçınılmaz mı?

224
PAYLAŞ

Çeviren: Dilege Gülmez

Birçok popüler hipotez, yaşamın varlığını öyle ya da böyle sonunda birçok olasılıktan birinin gerçekleşmiş olmasına (yani şansa) bağlıyor. Ancak, teorik bir fizikçinin ortaya attığı yeni fikre göre böyle olmayabilir. Yaşam, doğanın var olan yasaları ile aslında bir kayanın tepeden aşağı yuvarlanması kadar kaçınılmaz olabilir.

Fizik açısından bakıldığında, yaşayan ve cansız karbon atom kümeleri arasındaki çok önemli fark, yaşayan karbon atom kümelerinin enerjiyi yakalama ve yakaladığı enerjiyi ısı olarak yayma kapasitelerinin çok daha yüksek olması. Massachusets Teknoloji Enstitüsü’nden (MIT), 31 yaşındaki Jeremy England bu kapasiteyi açıkladığına inandığı bir matematiksel formül elde etti. Formül, varolan termodinamik yasalarına dayanıyor ve sistem dışarısındaki bir enerji kaynağı (Güneş gibi) ve de ısı rezervuarı (banyosu; okyanus ve atmosfer gibi) etkisindeki bir grup atomun, genellikle eninde sonunda daha çok ısı yayacak şekilde kendini düzenlediğini söylüyor. Buradan yola çıkarak, belirli koşullar altında, maddenin engellenemez şekilde yaşamsal özellikler edindiği söylenebilir. England, “Eğer rasgele dağılımdaki bir atom kümesini alıp üzerine yeterince ışık tutarsanız, sonunda bu atom kümesinin bir bitkiye dönüşmesi şaşırtıcı olmayabilir” diyor.

31 yaşındaki fizikçi Jeremy England, yaşamın kökeninin ve evrimin altında yatan fiziksel itkiyi bulduğunu söylüyor.

Genler ve popülasyon seviyesinde etkili bir yaşam tanımı yapan England’ın teorisi, Darwin’in doğal seçilim yoluyla evrim teorisinin yerine geçmektense, onu destekler nitelikte. England belirtme gereği duyuyor: “Kesinlikle Darwin’in teorisi yanlış demiyorum. Aksine, Darwin’in teorisi fizik açısından daha genel bir olgunun özel bir durumu olabilir diyorum.”

England’ın tezi, meslektaşları tarafından ya devrimsel nitelikte ya da temelleri sağlam olmayan bir fikir olarak değerlendiriliyor. Devrimsel, ama temelleri sağlam değil diyen meslektaşları da var. Çalışmayı başından beri takip eden New York Üniversitesi’nden Alexander Grosberg, England’ın çok cesur ve önemli bir adım attığını söylüyor. England’ın verdiği bir seminerde fikirleri ile karşılaştıktan sonra, kendisi ile tartışan Atilla Szabo (Birleşik Devletler Ulusal Sağlık Enstitüsü, Fizikokimya Laboratuvarı) England’ın rastladığı en parlak genç biliminsanı olduğunu ve fikirlerinin özgünlüğünün kendisini çok etkilediğini belirtmiş. Ama daha temkinli yaklaşanlar da var. Harvard Üniversitesi’nden kimya, biyokimya ve biyofizik profesörü Eugene Shakhnovich, England’ın fikirlerinin ilgi çekici olduğunu ve bir potansiyeli bulunduğunu düşünse de, bu aşamada çok spekülatif ve özellikle yaşamı tanımlamada da şüpheli olduğunu düşünüyor.

Teorinin genel olarak sonuçları geçerli, ancak ispatlanamamış ve şüpheli olan, teorinin formüllerinin yorumlanış şekli. Güzel haber ise, bu yorumları laboratuvarda test edebilmek için şimdiden bazı fikirlerin bulunması; temel yorum doğru ya da yanlış olsa da, test edilmeye değer olduğu düşünülüyor.

Peki bu fikir tam olarak ne? England’ın fikrinin temelinde, entropinin artışı kanunu, yani termodinamiğin ikinci yasası yatıyor. Bu yasa bize, neden sıcak şeylerin soğuduğunu, gazın havada yayıldığını, yumurtanın çatladığını ama asla çatlak yumurtanın çatlak olmayan yumurtaya dönmediğini, yani kısaca, enerjinin zamanla dağılmak veya yayılmak eğiliminde olduğunu söylüyor. Entropi de bu eğilimin ölçüsü. Yani, bir sistemdeki enerjinin parçacıklara nasıl dağılmış olduğunun ve bu parçacıkların sistemde ne kadar yayılmış olduklarının bir ölçüsü. Tam olarak doğru olmasa da, neden olarak basit olasılıksal sebepler gösterilebilir. Enerjinin yayılma olasılığı, belirli bir noktada yoğunlaşmasından çok daha fazladır. Bu durumda, sistemdeki parçacıklar hareket edip etkileştikçe enerjinin daha çok yayılacağı şekilde yapılanırlar. Sonunda sistem, termodinamik denge denilen, sistemin maksimum entropi durumunda olduğu ve enerjinin her yerde eşit olarak dağıldığı bir duruma ulaşır. Bir odaya, sıcak bir fincan çay bıraktığımızda, belirli bir zaman sonunda oda ve çayın eşit sıcaklıkta bir dengeye gelmelerinde olduğu gibi. Fincan ve odaya dışarıdan bir etki, müdahale olmadığı sürece en sonunda bu dengeye gelmesi kaçınılmazdır. Çay asla durduk yere tekrar ısınmaya başlamaz.

Her ne kadar kapalı bir sistemde entropi artsa da, açık bir sistemin entropisi çok düşük bir seviyede durabilir. Ancak bu durumdaki sistem çevresindeki sistemin entropisini artıracaktır. Ünlü fizikçi Erwin Schrödinger, 1944 yılında yazdığı “Yaşam nedir?” incelemesinde, yaşayan nesnelerin yapması gerekenin bu olduğunu söyler. Mesela bir bitki, çok enerjiye sahip güneş ışını emer, bunu şeker yapmak için kullanır ve kızıl ötesi ışık yayar. Kızıl ötesi ışık güneş ışığına göre çok daha az enerjiye sahiptir. Yani, fotosentez sırasında güneş ışığı harcandıkça, bitki kendi varlığını (atomik yapısını) devam ettirse de, evrendeki toplam entropiyi artırmış olur.

Yaşam termodinamiğin ikinci yasasını çiğnemez, ancak, yakın zamana kadar fizikçiler neden yaşamın var olması gerektiğini de açıklayabilmiş değillerdi. Schrödinger zamanında, termodinamik denklemler sadece kapalı ve termodinamiksel dengedeki sistemler için çözülebiliyordu. 1960’ta, Belçikalı fizikçi Ilya Prigogine zayıf enerjiler tarafından etkilenen sistemlerin nasıl davrandıklarını açıkladı ve bu teorisi ile 1977’de Nobel Kimya Ödülü’nü aldı. Ancak, dengeden çok uzakta, kapalı olmayan sistemlerin güçlü enerjilerin etkisi altındaki davranışları tahmin edilemiyordu.

1990’ların sonunda, özellikle, Chris Jarzynski’nin (Maryland Üniversitesi) ve Gavin Crooks’un (Ulusal Berkeley Laboratuvarı) çabaları ile bu durum değişti. Jarzynski ve Crooks, çayın soğuması gibi, termodinamiksel bir süreç sonucu oluşan entropinin basit bir orana bağlı olduğunu gösterdi. Bu oran basitçe: Atomların belirli bir süreçten geçme oranı / Atomların belirli bir sürecin tersinden geçme olasılığı; yani Çayın soğuma olasılığı / Çayın ısınma olasılığı. Bu orana göre, entropi üretimi arttıkça oran da artacak ve sistem geri dönüşü daha da imkânsız hale gelecek bir şekil alacak. Bu basit formül, prensipte dengeden uzak da olsa herhangi bir termodinamiksel olaya uygulanabilir.

Jeremy Egland, Jarzynski ve Croos’un formülünü kullanarak termodinamiğin ikinci yasasını, belirli bir karekteristiğe sahip parçacıklar için genelleştirdi. Bu sistemlerde parçacıklar güçlü bir dış kuvvetin etkisi altındalar (elektromanyetik dalgalar gibi) ve bu parçacıklar ısılarını dışarıdaki ısı rezervuarına istedikleri kadar verebiliyorlar. Bu tarz bir sistem bütün canlıları kapsayacak kadar genel. England, bu tarz sistemlerin zamanla entropi üretimi artırımlarının nasıl evrildiğini saptadı. England’ın tespitine göre, evrimsel sonuçların daha olası olduğu durumların, sistemin dışındaki kaynaklardan daha çok enerji soğurup, daha çok yayanlar olduğu. Yani parçacıklar dış kaynak kuvvetleri ile rezonans içerisinde olduklarında, daha çok enerji yayıyor ya da herhangi bir yön yerine, onları iten kuvvet yönünde ilerliyorlar. England’ın açıklamasına göre, bu da atmosfer ve okyanus gibi ısı rezervuarları tarafından çevrelenmiş bir atom kümesinin zaman içerisinde kendisini çevresindeki mekanik, elektromanyetik ve kimyasal kuvvetlerle rezonans içinde olacak şekilde düzenlemesinin kaçınılmaz olduğunu gösteriyor.

Evrimin en karakteristik özelliklerinden reprodüksiyon (çoğalma) tam da böyle bir mekanizma. England’a göre daha çok enerji yaymanın en iyi yöntemlerinden biri, kendinden birçok başka kopya yapmak. Geçtiğimiz Eylül ayında Journal of Chemical Physics’te yayımladığı makalesinde, England, RNA molekülleri ve bakteri hücrelerinin çoğalması sırasında yayılan minimum teorik enerji miktarını hesapladığını ve bu hesabın gerçek hayattaki miktarla birbirine çok yakın olduğunu ortaya çıkarıyor. Ayrıca, biliminsanlarının DNA tabanlı yaşamın ön şartı olarak kabul ettikleri RNA oluşumunun aslında “ucuz” bir malzeme olduğunu da gösteriyor.

Bu teori ve formüller cansız maddeler için de geçerli tabii ki. England’a göre dış enerji kaynağından etkilenme ve enerji yayma adaptasyonu mekanizması, doğadaki birçok olayı açıklamada kullanılabilir. Gözümüzün önündeki örnekleri, daha önce dikkatli bakmadığımız için fark etmemiş olabiliriz. Zaten biliminsanları cansız sistemlerde de çoğalma eylemi gözlemledi. Örneğin, Philip Marcus’un (Berkeley, Kaliforniya Üniversitesi) yönettiği ve Physical Review Letters’da Ağustos ayında yayımlanan makaleye gore, sıvı türbülansındaki girdaplar çevrelerindeki sıvıdan enerji emerek yeni girdaplar oluşturma eğilimindeler.

Çoğalma dışında, daha karmaşık ve büyük yapılar dış enerjinin etkisiyle daha çok enerji yaymak için oluşmuş olabilir. Mesela bir bitki güneş enerjisini emmekte, belirli bir düzene sahip olmayan karbon atomları kümesinden çok daha başarılı. Bu eğilim, birçok canlı ve cansız sistemin yapılarının özellikleri hakkında bize bilgi sağlayabilir. Kar taneleri, kum tanecikleri ve türbülans girdaplarının hepsinin ortak özellikleri sistem içerisinde, bazı kaybedici kuvvetler (dissipative forces) etkisinde, dikkatten kaçmayacak kadar farklı yapılarda oluşmaları.

England’ın bu iddalı teorisi birçok sınamadan geçecek gibi duruyor. Şu aralar bilgisayar simülasyonları ile teorisini test eden England, bir sonraki basamağı canlılar üzerinden deneysel verilerle test etmek olarak görüyor. Harvard Biyofizik Laboratuvarı’ndan Prentiss, England’ın teorisini farklı mutasyonlara uğramış hücrelerin mutasyon farklılıklarının yaydıkları enerji miktarı ve replikasyon sayıları ile bağlantısını inceleyerek test etmeyi düşünüyor.

England’ın bu iddalı teorisi doğru çıkarsa, neden bazı organizmaların X karakteristiğini gösterip Y’yi göstermediğini, fiziksel koşulların X’in evrilmesinin Y’den daha kolay olmasını sağlamasıyla açıklayabiliriz. Prentiss’in de söylediği gibi England’ın fikri doğru çıksa da çıkmasa da, biliminsanlarının çok özelleşmiş problemleri düşünmeye takılıp kalmalarındansa, olayları bazen daha geniş açıdan ele almalarının daha iyi olacağının anlaşılmasına katkı sağlayabilir.

NOT: Jeremy England’ın makalesine, http://www.englandlab.com/uploads/7/8/0/3/7803054/2013jcpsrep.pdf adresinden ücretsiz olarak ulaşabilirsiniz.

Kaynak: Natalie Wolchover, “A New Physics Theory of Life”, http://www.simonsfoundation.org/quanta/20140122-a-new-physics-theory-of-life/

Kimi açıklamalar için kullanılan kaynaklar:

– http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.111.084501

– http://www.englandlab.com/uploads/7/8/0/3/7803054/2013jcpsrep.pdf