Martin Hanczyc: Yaşamla yaşam-olmayan arasındaki çizgi

Tarihsel olarak bakildiginda insanlarin canli ve cansiz sistemler hakkinda sahip olduklari fikirler her zaman cok buyuk farkliliklar icermistir. Bu yüzden de bu cok güzel ve karmaşık kristali cansız olarak adlandirirken, bu gorece güzel ve karmaşık olan kediye ise canlı diyoruz. Son yüz elli yıl boyunca bilim canlı ve cansız sistemler arasındaki bu ayrımı bir miktar bulanıklaştırmis olsa da artik bu ikisi arasında bir çeşit sürekli geçiş olabileceğini düşünmekteyiz. Buna bir örnek verelim: Virüs doğal bir sistemdir, doğru mu? Ama çok basittir. Çok sadedir. Canlılığın gereklilikleri yerine getirmez, Canlılık özelliklerinin hiç birine sahip değildir ve aslında, örneğin, çoğalmak ve evrimleşmek için diğer canlı sistemlerin üzerinde parazit olarak bulunur.

Ama bu gece, hakkında konuşacağımız şey yelpazenin canlı-olmayan ucunda yaptığımız deneyler -- yani aslında yeni yapılar oluşturmak amacıyla laboratuvarda kimyasal deneyler yapıyoruz. Cansız malzemeleri karıştırıyor, böylelikle canlıların kimi özelliklerini taşıyan yeni yapılar oluşturuyoruz. Gerçekte burada hakkında konuştuğum şey bir anlamda yapay yaşam yaratma deneyleri...

Peki sözünü ettiğim bu karakteristik özellikler nelerdir? Söyleyelim: İlk olarak, canlının bir bedeni olduğunu düşünürüz. Kendini çevreden ayırmak için gereklidir bu. Canlının bir de metabolizması vardır. Ki bu da canlının çevredeki kaynakları temel yapı elemanlarına dönüştürme işlemidir. Bu sayede varlığını sürdürüp kendini inşa edebilir. Canlı kalıtsal bilgiye de sahiptir. Şimdi bizler, insanlar, bilgilerimizi genomumuzda DNA olarak saklıyor ve bunu yavrularımıza aktarıyoruz. Bunlardan ilk ikisini --beden ve metabolizmayı-- birleştirirsek, belki hareket edip çoğalabilen bir sistem elde edebiliriz. Bunları da kalıtsal bilgiyle birleştirirsek, daha canlı benzeri, hatta evrimleşebilen, bir sistem elde edebiliriz. İşte bunlar laboratuvarda yapmaya çalıştığımız şeyler. Canlılığın bazı karakteristik özelliklerini içeren deneyler yapmaya çalışıyoruz.

Peki bunu nasıl yapıyoruz? Aslında, ön-hücre dediğimiz bir sistemi model olarak kullanıyoruz. Ön-hücreyi bir çeşit ilkel hücre olarak düşünebilirsiniz. Bu, yaşayan bir hücrenin basit bir kimyasal modelidir, ve söz gelimi vücudunuzdaki bir hücre milyonlarca farklı molekülün bir araya gelip karmaşık bir ağ yapısı içinde bir arada oynamasını gerektirir ki bunun sonucunda canlılık dediğimiz durum ortaya çıkar. Laboratuvarda yapmak istediğimiz şey de çoğunlukla aynı, ama bunu onlarca farklı molekül kullanarak yapmaya çalışıyoruz. Karmaşıklığı oldukça azalttığımız halde canlı gibi görünen bir şey üretmeye çalışıyoruz. Böylece yaptığımız şey, basitten başlayıp canlı sistemlere ulaşmak. Şimdi yüz yıl önce Leduc tarafından sentetik biyoloji konusunda söylenen şu söze kulak verelim: "Yaşamın sentezi, tabi eğer gerçekleşebilirse, düşündüğümüz kadar heyecan verici bir keşif olmayacaktır." İlk cümlesi bu. Yani, biz aslında laboratuvarlarda yaşam oluşturursak bunun hayatımıza belki de hiç etkisi olmayacak.

"Evrim teorisini kabul edersek, yaşamın ilk sentezi inorganik ile organik dünya arasında geçiş formlarını içermelidir. Ya da canlı ile cansız dünya arasıdaki... Bu geçiş formları sadece ilkel bazı canlılık özelliklerine sahip olmalıdır." -- yani, biraz önce sözünü ettiğim şeyler -- "Diğer özellikler yavaş bir gelişim seyri içinde çevrenin evrimsel eylemleri sonucunda bu özelliklere eklenebilir." Bu yüzden basitten başlayıp, bazı canlı özelliklerine sahip yapılar oluşturuyor, sonra bunu geliştirerek daha canlı benzeri hale getirmeye uğraşıyoruz. Ön-hücre yapmaya işte böyle başladık. Kendiliğinden-birleşme dediğimiz fikri kullanıyoruz. Bunun anlamı şu: Laboratuvar test tüpünde bazı kimyasalları karıştırıyorum, sonra bu kimyasallar kendiliğinden birleşerek daha büyük yapılar oluşturuyorlar. Yani on binlerce, yüz binlerce molekül daha önce var olmayan bir yapı oluşturmak üzere bir araya geliyorlar. Bu örnekte olduğu gibi. Bazı zar moleküllerini aldım, doğru bir ortamda karıştırdım, bir kaç saniye içinde buradaki karmaşık ve güzel yapılar oluştu. Ayrıca bu zarlar morfolojik ve işlevsel olarak sizin bedeninizdeki zarlara oldukça benziyorlar. Bunları, söz gelişi, ön-hücremizin bedenini oluşturmak için kullanabiliriz.

Aynı şekilde, yağ ve su sistemleriyle de çalışabiliriz. Bildiğiniz gibi yağ ve suyu bir araya koyduğunuzda karışmazlar, ancak kendiliğinden-birleşme yoluyla güzel bir yağ damlacığı oluşturabiliriz, ve biz aslında bunu yapay organizma ya da ön-hücremiz için beden olarak kullanabiliriz, bunu daha sonra göreceğiz. Yani böylece kimi beden yapıları oluşuyor, öyle mi? Bir takım mimariler. Peki canlı sistemlerin diğer özelliklerinden ne haber? Böylece bu ön-hücre modeli ortaya çıktı şu gösterdiğim. Doğal olarak oluşabilen bir kil ile başladık. Bu kilin adı montmorillonit. Bu kil çevreden alınmıştır, doğaldır. Kimyasal olarak aktif bir yüzeyi vardır. Üzerinde bir metabolizmayı çalıştırabilir. Bazı moleküller kille etkileşmekten hoşlanır. Örneğin, burada kırmızıyla gösterilen RNA gibi --DNA'nın bir akrabası-- --bilgi taşıyan bir molekül-- Buraya gelip bu kilin yüzeyiyle etkileşiyor. Daha sonra bu yapı kendi etrafında zardan bir sınır oluşumunu organize ediyor, böylece etrafında sıvı moleküllerden bir beden yapıyor. Bu durum, mikrografta yeşille gösterilmiştir. Yani sadece kendiliğinden-birleşme yoluyla, laboratuvarda bir şeyleri karıştırarak, zardan bir beden yapıyoruz ve bu bedenin iç kısmında metabolik bir yüzey var. Bu yüzeye kalıtsal moleküller tutunuyor, öyle mi?

Yani canlı sistemlere doğru giden yoldayız. Ama bu ön-hücreyi görseniz, onun gerçekten canlı bir şey olduğunu zannetmezdiniz. Oldukça cansız bir şeydir bu. Bir kez oluşunca, hiç bir şey yapmadan durur. Demek ki bir şey eksik. Bir şeyler eksik. Eksik olan şey, mesela, sistemin içinde bir enerji akışı olabilir. Kendini idame ettirmek için ortamdaki enerjiyi toplayan bir ön-hücre isteriz... Tıpkı canlı sistemlerin yaptığı gibi. Bu yüzden farklı bir ön-hücre modeli ortaya çıkardık. Hatta bu bir öncekinden daha basitti. Bu ön-hücre modeli aslında bir yağ damlası, ama içinde kimyasal bir metabolizma var. Bu metabolizma ön-hücrenin bir şeyler yapmak için enerji kullanmasını sağlıyor. Onu dinamik hale getiriyor. Birazdan göreceğiz. Sisteme damlacığı ekliyorsunuz. Bu bir su havuzu. Ön-hücre sistemin içinde gezmeye başlıyor. Yağ damlası kendiliğinden-birleşme yoluyla oluşuyor. İçindeki kimyasal metabolizma sayesinde enerji kullanabiliyor. Bu enerjiyi ortamda hareket etmek için kullanıyor.

Daha önce söylediğimiz gibi, hareket bu türden canlı sistemler için çok önemli. Ortamda dolaşıyor. Çevresini keşfediyor ve gördüğünüz gibi kimyasal dalgalar oluşturarak çevresini yeniden modelliyor. Yani bir anlamda, kendini korumaya çalışan canlı sistemler gibi davranıyor. Burada hareket eden ön-hücreyi aldık başka bir deney ortamına koyduk. Harekete başlıyor. Sonra ortama biraz besin ekliyorum. Mavi renkli olan besini temsil ediyor. Yani sisteme biraz besin kaynağı ekledim. Ön-hücre hareket ediyor. Besinle karşılaşıyor. Kendini yeniden düzenliyor ve bu sayede besin konsantrasyonunun en yüksek olduğu konumu bulup o noktada duruyor. Bu sistemin sadece bir bedeni yok, aynı zamanda metabolizması da var. Enerjiyi kullanabiliyor. Hareket ediyor. Ortamı hissedebiliyor. Çevredeki kaynakları bulabiliyor. Böylece kendini idame ettirebiliyor.

Bunun bir beyni yok. Sinir sistemi yok. Sadece karmaşık ve ilginç canlı benzeri davranışlar gösteren bir kimyasal madde torbası bu. Kaptaki su dahil, sistemdeki kimyasalları sayarsak, bütün bu davranışları gösteren kimyasal maddelerin sayısı sadece beştir. Sonrasında bu ön-hücreleri tek bir deney ortamına koyup birlikte nasıl davranacaklarını görmek istedik. Koşullara bağlı olarak, sol tarafta, etrafta dolaşan ve ortamdaki diğer yapılara dokunmaktan hoşlanan bazı ön-hücreler elde ettik. Öbür tarafta, hareket eden iki ön-hücremiz oldu. Bunlar birbirinin etrafında daire çizmekten hoşlanıyordu. Birlikte bir çeşit dans oluşturdular. Karmaşık bir dans. Ön-hücreler bireysel davranışlar sergilemekle kalmadı. --Yani biz sistemi öyle yorumlamıştık-- Aynı zamanda canlı organizmaları gibi populasyon-düzeyinde davranışlar da sergilediler. Eh, şimdi hepiniz ön-hücre uzmanı oldunuz. Şimdi bu ön-hücrelerle bir oyun oynayacağız. İki farklı tip ön-hücre yapacağız. Ön-hücre A'nın belli bir kimyasal yapısı var. Aktif hale geçtiğinde bu ön-hücre titreşmeye başlıyor. Sadece dans ediyor. Hatırlarsanız, bunlar ilkel nesnelerdi. Dans eden ön-hücleler... Bunları çok ilginç buluyoruz.

İkinci ön-hücrenin farklı bir kimyasal yapısı var ve etkinleştikleri zaman bir araya gelerek kaynaşıyorlar. Tek bir büyük hücre oluşturuyorlar. Bu ikisini bir araya getiriyoruz. Aynı sistemin içinde... Yani populasyon A, ve populasyon B var. Sonra sistemi aktif hale getiriyoruz. Mavi renkli ön-hücre B'ler bir araya gelip kaynaşıyorlar. Tek bir damla oluşturuyorlar. Ötekiler sadece dans ediyorlar. Ta ki ortamdaki bütün enerji tükenene kadar. Ve oyun sona eriyor. Sonra bu deneyi tekrarladım. Bir kaç kere... Bir seferinde çok ilginç bir şey oldu. Bu ön-hücreleri bir araya getirmiştim. sistemdeki ön-hücre A'lar ve B'ler kaynaşıp melez bir ön-hücre AB oluşturdular. Bu daha önce hiç olmamıştı. İşte böyle. Şimdi sistemde ön-hücre AB var. Ön-hücre AB ilkin şöyle bir dans ediyor. Bu arada ön-hücre B birleşme işini yapıyor.

Sonra daha da ilginç bir şey oluyor. Şu iki büyük ön-hücreyi izleyin. Hibrit olanları... Bir araya geliyorlar. Şimdi dans eden bir ön-hücremiz var. Ve bir de kendini-kopyalama olayımız. Sadece kimyasal madde damlaları, hepsi bu. Olup biten şu: Beş kimyasaldan oluşan basit, çok basit bir sisteminiz var. Melezleşiyorlar ve eskisinden farklı, daha karmaşık bir şey oluşuyor. Böylece canlı-benzeri davranış kalıplarından biri daha ortaya çıkıyor: Çoğalma davranışı...

Hoşumuza giden bazı ilginç ön-hücreler yapabiliyoruz yani. İlginç renkleri olan, ilginç davranışlar sergileyen... Ayrıca bunları yapmak da çok kolay. Hem bunlar canlı-benzeri özelliklere sahipler. Belki de bu ön-hücreler bize Dünya'daki yaşamın kökeni hakkında bir şeyler söylüyorlardır. Belki de bunlar yaşamın ilk adımlarından birini temsil ediyorlardır. İlkel Dünya'da yaşamın başlaması yolunda atılan pek çok ilk adımdan birini... Tabi ki ilkel Dünya'da moleküller vardı. Ancak, bunlar size gösterdiğim deneylerde kullanılan bileşikler gibi saf maddeler değillerdi. Gerçekte ilkel Dünya'dakiler her çeşit maddeden oluşan bir tür çorbaydı, çünkü kontrolsüz kimyasal reaksiyonlar sonucu her çeşit organik bileşikten oluşan bir karışımdır. Bunu bir çeşit ilkel şurup olarak düşünün, olur mu? Modern yöntemlerle bile, bu havuzu tam olarak karakterize etmek çok zor. Soldaki ürün kahverengi görünüyor. Katran gibi... Sağ tarafta, karşılaştırmak amacıyla saf bir bileşik gösterilmiştir.

Bu, mutfağınızdaki saf şeker kristallerini bir tavaya koyup enerji verdiğinizde olan şeye benziyor. Isıyı açtığınız zaman şekerdeki kimyasal bağları oluşturur ya da kırarsınız, böylece kahverengi bir karamel meydana gelir. Bu kontrolsüz gidişe izin verirseniz, kimyasal bağlar oluşmaya ve kırılmaya devam eder. Karışımdaki kimyasal çeşitlilik artar, giderek yıkaması çok zor olan siyah katrana dönüşür. İşte hayatın kökeni buna benzer bir şeydir. İlkel Dünya'da var olan bu hurdadan 4,5 milyar yıl önce hayatın çıkması gerekmiştir. Esas zorluk, laboratuvardaki saf kimyasalları bir kenara atıp, buna benzer ilkel bir şuruptan canlı benzeri özelliklere sahip ön-hücreler yapmaya çalışmaktadır.

Artık, daha önce gördüğümüz bu yağ damlası bedenlerin kendiliğinden-birleşme yoluyla oluşmalarını görebiliyoruz. İçlerindeki şu siyah noktalar, sözünü ettiğimiz türden siyah katranı temsil ediyorlar --şu çorba gibi olan, çok karmaşık, organik siyah katran. Ve bunu deney ortamlarından birine koyuyoruz, daha önce yaptığımız gibi, ve ortaya çıkan canlı-benzeri hareketi gözlüyoruz. Gerçekten iyi görünüyorlar. Hareketleri güzel. Birbirlerinin etrafında dönüp birbirlerini kovalamak şeklinde bir davranışları var. Daha önce gördüklerimize benziyor. --Ancak bu sefer ilkel şartlarda çalışıyoruz, saf kimyasallar kullanmıyoruz. Ayrıca bunlar, bu katran-yakıtlı ön-hücreler, ortamdaki kaynakların yerini de belirleyebiliyorlar. Soldan biraz daha kaynak ekliyorum. İşte. Sisteme karışıyor. Görüyorsunuz, çok hoşlarına gitti. Çok enerjik hale geldiler. Ortamdaki kaynakları bulabiliyorlar. Daha önce gördüklerimize benziyor. Yine söylüyorum, bu deneyde ilkel şartlar taklit edildi. Koşullar çok pisti. Steril laboratuvar şartları kullanılmadı. Aslına bakarsanız, bunlar çok pis küçük ön-hücrelerdir. Ama canlı-benzeri özelliklere sahipler, asıl konu bu zaten.

Bu yapay yaşam deneyleri cansız sistemlerden canlı sistemlere doğru olası bir geçiş yolunu tanımlamamızda bize yardımcı olmaktadır. Sadece bu da değil. Bu deneyler yaşamın ne olduğu ve başka yerlerde ne tür bir yaşamın var olabileceği konusunda da yardımcı oluyorlar. Başka yerlerdeki yaşam dünyadakinden çok farklı olabilir. Böylece yeni bir terime varıyorum: "Tuhaf Yaşam." Bu terim Steve Benner'e aittir. Bu terim Amerika'daki Ulusal Araştırma Konseyi'nin bir raporunda 2007'de kullanıldı. Bu rapor, evrende başka yerlerde yaşamı nasıl arayacağımızla ilgiliydi. Dünya'dakinden çok farklı bir yaşamı... Başka bir gezegene gidersek ve orada yaşamın olabileceğini düşünüyorsak bu yaşamı nasıl tanıyacağız?

Sonuç olarak üç çok genel kriter koydular ortaya. Birincisi --burada listesi var. Birincisi, sistemin bir çeşit dengesizlik içinde olmalı. Yani sistem ölü olamaz, demek isteniyor. Temel olarak bunun anlamı, sisteme bir enerji girişi olmalı ve yaşam bunu kendi varlığını sürdürmek için kullanmalı. Bu, Dünya'da Güneş'in parlaması ve fotosentezi mümkün kılarak ekosistemi devam ettirmesi gibi. Güneş olmadan bu gezegende hayat olmazdı büyük ihtimalle. İkinci olarak, hayat sıvı formunda olmalıdır. Bunun anlamı şu. Çok ilginç bir takım yapılar ve moleküller bulsak bile eğer bunlar donmuş ve katı haldeyse orası hayat için iyi bir yer değildir. Üçüncü olarak, kimyasal bağları oluşturup kırabilmeliyiz. Bunun önemi şurda ki hayat, çevresel kaynakları yapı elemanlarına dönüştürerek kendini idame ettirir.

Bugün, size her türden tuhaf ön-hücre hakkında bilgi verdim --kil içerenler, içinde ilkel şurup bulunanlar, içinde su yerine sadece yağ bulunanlar. Bunların çoğunun DNA'sı yoktu ama yine de canlı-benzeri özelliklere sahiptiler. Ama bu ön-hücreler canlı sistemlerin genel şartlarını yerine getiriyorlar. Bu kimyasalları yaparak, yapay yaşam deneyleri sayesinde, sadece bu gezegendeki yaşamın kökenleri ve varlığıyla ilgili temel gerçekler hakkında bir şeyler öğrenmeyi ummakla kalmıyor, ayrıca evrenin başka yerlerindeki yaşam olasılıkları konusunda da bir şeyler öğreniyoruz. Teşekkür ederim. (Alkışlar)