Yaşam nasıl başladı

Yaşam nasıl başladı? Moleküller nasıl oluştu? Genlerimiz çevreden nasıl etkilenir? Yaşam nasıl başladı? Moleküller nasıl oluştu? Genlerimiz çevreden nasıl etkilenir? İnsanoğlunun acil çözüm bekleyen sorunlarının temelinde atomlar ve moleküller yatıyor. Birleşmiş Milletler, yaşantımızda bu kadar önemli bir yer tutan kimya bilimini bugünlere taşıyan bilim insanlarını anmak amacıyla 2011 yılını “Uluslararası Kimya Yılı” ilan etti. Bu yıl dünyanın dört bir yanında kimya dalındaki gelişmelerle ilgili etkinlikler düzenlendi. Scientific American dergisi de bu nedenle Ekim 2011 sayısında özünde kimya yatan 10 soruya ilişkin yanıt arayışlarına yer verdi. Kesin çözümü henüz bulunmamış kimya soruları özetle şöyle: Yaşam nasıl başladı? Moleküller nasıl oluştu? Genlerimiz çevreden nasıl etkilenir? Beyin nasıl düşünür ve anılar nasıl oluşur? Şu anda element sayısı kaç? Bilgisayarlar karbondan yapılabilir mi? Güneş enerjisinden daha fazla nasıl yararlanabiliriz? Biyoyakıt üretmenin en iyi yolu nedir? İlaç üretiminde yeni yollar geliştirebilir miyiz? Kendi kimyamızı sürekli olarak kontrol edebilir miyiz? YAŞAM NASIL BAŞLADI? İlk canlının dört milyar yıl önce cansız maddeden nasıl oluştuğu hâlâ gizemini koruyor. Primordial Çorba’nın (İlkel Çorba) görece olarak basit olan molekülleri daha karmaşık bileşimlere nasıl dönüştü? Ve bu bileşimlerin bazıları enerjiyi işlemden geçirip, kendilerini kopyalamayı nasıl başladılar? Moleküler düzeye inecek olursak, bütün bu süreçlerin kimyasal reaksiyonlarla ilgili olduğunu anlayabiliriz. Ve bu da yaşamın nasıl başladığını ancak kimyanın çözebileceğinin somut göstergesidir. Kimyacıların bu soruları akla yatkın, üzeri kapalı senaryolarla geçiştirme şansı artık yok. Zaten bu tür yanıtlara da bilimin karnı artık tok. Bu tür yanıtlardan en yaygın olanı, kil gibi minerallerin katalizör gibi davranarak kendi kendini kopyalayan ilk polimerleri (DNA gibi moleküller veya proteinler daha küçük ünitelerin uzun zincirleridir) oluşturduğu iddiası. Bir diğeri de derin denizlerdeki hidrotermal menfezlerdeki enerjinin tetiklemesiyle kimyasal bileşimlerin oluştuğu görüşüdür. Şimdi bu varsayımlar geçerliliğini yitirdi; artık bunları laboratuvarlarda test etme zamanı geldi. Örneğin bilim insanları bazı basit kimyasalların spontan olarak canlı sistemlerin daha karmaşık yapı taşlarını (DNA ve RNA’nın ana üniteleri olan amino asit ve nükleotidler) oluşturacak tepkimeleri verdiğini söylüyor. 2009 yılında Cambridge’deki Moleküler Biyoloji MRC Laboratuvarı’nda çalışan John Sutherland’ın öncülüğünde bir bilim ekibi, nükleotidlerin ilk çorbanın içinde bulunması muhtemel moleküllerden oluştuğunu deneylerle kanıtladı. Bir diğer bilim ekibi de RNA iplikçiklerinin enzim gibi hareket etme yeteneğine sahip olduğunu ileri sürdü. Bu çalışmalar yardımıyla bilim insanları, cansız maddenin kendi kendini kopyalayan, kendi kendini hayatta tutabilen sistemlere nasıl dönüştüğünü açıklayabilecekler. Bilim insanları artık güneş sistemimizde, dünyadakilerden farklı, fakat yaşamı destekleme olasılığı bulunan ortamlar hakkında daha derin bilgiye sahipler. Örneğin Mars’taki su izleri, Satürn’ün uydusu Titan üzerindeki petro-kimyasal denizler, Jüpiter’in uyduları Europa ve Ganymede’nin buzulları altında var olduğu sanılan soğuk ve tuzlu denizlerin varlığı, dünyadaki yaşamın kökenlerinin daha büyük bir sorunun parçası olduğunu gösteriyor. Belki de yaşamın kökenlerine ilişkin en büyük soru şu olmalı: Yaşam hangi koşullarda ortaya çıkar? Ve yaşamın kimyasal temeli ne kadar değişiklik gösterebilir? Bu konu, son 16 yıldır güneş sistemi dışındaki 500 gezegen ile ilgili araştırmalardan elde edilmiş bulgularla daha da zenginleşmiş bulunuyor. Bu bulgular, kimyacıları yaşamın kimyasına ilişkin hayal güçlerinin sınırlarını biraz daha zorlamaları gerektiğini gösteriyor. Örnek vermek gerekirse NASA uzun süredir sıvı suyun yaşam için ön koşul olduğunu savunuyordu. Oysa şimdi bilim insanları bundan o kadar emin değiller. Sıvı amonyak, sıvı metana benzer yağlı bir sıvı olan formamid veya Jüpiter’deki süperkritik hidrojene ne demeli? Ve yaşam niçin kendini DNA, RNA ve proteinler ile kısıtlamış olsun? Her şeyden önce, bugün geliştirilmiş olan bazı yapay kimyasal sistemler, nükleid aside gerek kalmadan, bileşenleri oluşturan parçalardan bir çeşit kopyalama yapabiliyor. İhtiyacınız olan tek şey, kopyalama sürecinde şablon vazifesi görecek moleküler bir sistemin, önce kopyalama yapıp, daha sonra da kendisini ayırabilmesi. Uygulamalı Moleküler Evrimi Vakfı’ndan Steven Benner, “Yeryüzündeki yaşama baktığımız zaman benzerliklerin (DNA ve protein kullanımı gibi), ortak atayı veya herkesin ortak ihtiyaçlarını yansıtıp yansıtmadığına karar veremiyoruz” diyor. MOLEKÜLLER NASIL OLUŞTU? Moleküler yapılar aslında lise düzeyindeki fen derslerinin konusudur, ancak atomları ve aralarındaki bağlantılarının temsil eden küre ve çubuk görüntüleri artık alışılagelmiş bir kurgudur. Burada sorun, bilim insanlarının moleküllerin neye benzediği konusunda kesin olarak doğrulanmış bir şekil üzerinde görüş birliğine varamamalarıdır. 1920’lerde fizikçi Walter Heitler ve Fritz London o dönemlerde henüz tam olgunlaşmamış olan kuantum kuramının denklemlerine göre kimyasal bir bağı nasıl tanımlayacaklarını gösterdiler. Amerikalı ünlü kimyacı Linus Pauling, farklı atomlar uzayda üst üste bindiği zaman elektron yörüngelerinin bu bağları oluşturduğunu öne sürüyordu. Robert Mulliken ve Friedrich Hund’un ortaya attığı bir diğer kurama göre de bu bağlantılar, atomik yörüngelerin moleküler yörüngelerle kaynaşması sonucu oluşuyordu. Bu durumda kuramsal kimya sanki fiziğin bir kolu haline gelmiş gibiydi. Yaklaşık 100 yıl sonra moleküler-yörünge resmi herkes tarafından bilinir hale geldi. Fakat kimyacılar, bunun hâlâ en iyi yol olup olmadığından emin değiller. Bunun nedeni molekül modellerinin basitleştirilmiş varsayımlar üzerine oturtulmuş olması. Dolayısıyla bunlar yalnızca yaklaşık, kısmi tanımlamalardır. Halihazırdaki modeller çoğunlukla dinamik bir yapıyı, statik bir yapı üzerine oturtma çabalarıdır. Almanya’daki Ruhr Üniversitesi’nden Dominik Marx, bu tanımlamaları “Bazı durumlarda yarar sağlıyor, fakat bazı durumlarda yararsız” olarak değerlendiriyor. Bilgisayar simülasyonları moleküllerin yapılarını ve özelliklerini büyük bir doğruluk payı ile hesaplayabiliyor. Ancak bunun için elektron sayılarının küçük olması gerekiyor. Elektron sayılarının artması durumunda süperbilgisayarların bile gücü yeterli gelmeyebilir. GENLERİMİZ ÇEVREDEN NASIL ETKİLENİR? Artık geçerliliğini yitirmiş, eski bir görüşe göre insanları biçimlendiren tümüyle genleriydi. Şimdi ise genler kadar, hangi genleri kullandığımızın da önemli olduğu anlaşılıyor. Tüm biyolojide olduğu gibi bu konunun temelinde kimya yatıyor. İlk embriyonun hücreleri herhangi bir doku olarak gelişebiliyor. Ancak embriyon büyüdükçe, pluripotent denilen bu kök hücreler farklılaşır ve spesifik bir role soyunur (kan hücresi, kas hücresi veya sinir hücresi gibi). İnsan vücudunun oluşumu, kök hücre kromozomlarının kimyasal olarak değişime uğraması ve buna bağlı olarak bazı genlerin açılıp, bazı genlerin kapanmasına bağlıdır. Bu konudaki en önemli keşiflerden biri, bu değişimin geriye döndürülebilir olması ve vücudun deneyimlerinin etkisi altında kalmasıdır. Başka bir deyişle, bir zamanlar kapalı konumda olan genler yeniden faal hale getirilebilir. Bunun için çevreden gelen belirli kimyasal maddelere maruz kalması yeterlidir. Kimyacılar, gen faaliyetlerini atomik ve moleküler ölçekte değil, mezo-ölçek (mesoscale) denilen ölçekte denetlemeyi daha heyecan verici buluyor. Mezo-ölçek büyük moleküler grupların veya toplulukların birbiriyle etkileşim içinde olmasıdır. Kromozomu oluşturan DNA ve protein karışımının -kromatin- hiyerarşik bir yapısı vardır. Bir genin kromatin içinde nasıl ve nerede konuşlanmış olduğu açık veya kapalı olmasında belirleyicidir. Hücreler kromatin yapısını şekillendiren özel enzimlere sahiptir ve bu enzimler hücre başkalaşımında belirleyici bir rol oynar. Artık kesin olarak biliniyor ki, hücreler genetik kodun dışında, tamamen farklı kimyasal bir dil konuşuyor. Bu dilin adı epigenetik’tir. İngiltere’deki Birmingham Üniversitesi’nden genetikçi Bryan Turner bu konuda şöyle konuşuyor: “İnsanların pek çok hastalığa genetik yatkınlığı vardır. Kanser bunların başında gelir. Ancak hastalığın ortaya çıkıp çıkmaması bu epigenetik yolaklar (pathways) üzerinden hareket eden çevresel faktörlere bağlıdır. ” BEYİN NASIL DÜŞÜNÜR VE ANILAR NASIL OLUŞUR? Beyin kimyasal bir bilgisayardır. Ağı oluşturan nöronlar arasındaki etkileşim moleküller aracılığı ile gerçekleşir. Spesifik olarak bu moleküller, nöronlar arasındaki sinapslardan (nöral hücrenin bir diğerine bağlanmış olduğu temas noktaları) geçen nörotransmiterlerdir. Aklın kimyasının en ilginç yönü anıların oluşmasıdır. Soyut ilkeler ve kavramlar, nöral ağ üzerine kimyasal sinyaller aracılığı ile kazınır. Peki hem kalıcı hem de dinamik bir yapıya sahip olan anıları kimya nasıl yaratır? Ayrıca kimya bu anıların anımsanması, değiştirilmesi veya silinmesi sırasında nasıl bir rol oynar? Bu soruların ancak bir kısmı yanıtlanabiliyor. Daha kompleks bildirim belleği (deklarative memories), belirli nöronlar üzerindeki NMDA reseptörü adı verilen bir proteinin faaliyetine bağlıdır. Bu reseptörün bazı ilaçlarla bloke edilmesi, bildirim belleğindeki bazı bilgilerin anımsanması engellenebilir. NMDA reseptörlerinin biyokimyası son yıllarda kısmen netlik kazandı. Basit ve kompleks öğrenme için uzun vadeli bellek, belirli proteinleri üreten genlerin faaliyete geçmesine bağlıdır. Şimdi bu süreçte prion denilen bir molekül tipinin etkin olduğu biliniyor. Prionların rolü, deli dana hastalığı denilen beyin dejenerasyonunda daha iyi anlaşıldı. Ancak prionların yararlı yönleri olduğu da biliniyor. Bunlar anıların saklanmasında pozitif bir etki yaratıyorlar. Yine de belleğin nasıl çalıştığı konusundaki bilinmeyenler, kimyasal ayrıntıların gün ışığına çıkartılmasıyla netlik kazanacak. Bu konuda elde edilecek bulgular belleği güçlendiren ilaçların üretimine zemin hazırlayacak. ŞU ANDA ELEMENT SAYISI KAÇ? Sınıfları süsleyen periyodik tablolar sürekli olarak yenileniyor, çünkü elementlerin sayısı sürekli artıyor. Atom çekirdeğini parçalamak için parçacık hızlandırıcılardan yararlanan bilim insanları, yeni “süper-ağır” elementler yaratabiliyorlar. Bunların çekirdeğinde, doğada bulunan 92 veya daha fazla elementtekinden daha fazla proton ve nötron bulunuyor. Ancak bu genişlemiş çekirdek kararlı değildir; saniyenin çok küçük bir kısmında radyoaktif olarak bozunurlar. Ancak var olduklarında seaborgium (106.element), hassium (108.element) gibi yeni sentetik elementler de iyi tanımlanmış özelliklere sahip olabiliyorlar. Çekirdeklerin kararlılıklarını, proton ve nötronların spesifik “büyülü sayılarıyla” kazandığı düşünüldüğü için bazı bilim insanları “kararlılık adası” adını verdikleri bir kavramın peşindeler. Bu kavram çerçevesinde, süper ağır elementlerin daha uzun süre hayatta kalacağını tahmin ediyorlar. Ancak bunların boyutlarında herhangi bir sınır olup olmadığı hâlâ tartışma konusu. Görelilik, çekirdeğe 137 protondan fazlasının bağlanmasını engelleyebilir. Son yapılan araştırmalar bu sınıra karşı çıkıyor. Johann Wolfgang Goethe Üniversitesi’nden fizikçi Walter Greiner, “Periyodik sistem 137’de son bulmayacak” diyor. Ancak bunun deneysel olarak kanıtlanması epey zaman alacak gibi görünüyor. BİLGİSAYARLAR KARBONDAN YAPILABİLİR Mİ? Karbon atomlarından oluşan grafen denilen ağdan üretilen bilgisayar çipleri, silikon tabanlı çiplerden çok daha hızlı ve güçlü olma potansiyeli taşıyor. Grafenin keşfi, 2010 Nobel Fizik Ödülü almaya hak kazanan çok önemli bir buluştur. Fakat grafenin başarılı olup olmaması, kimyacıların atomik düzeyde yapı üretme becerilerine bağlıdır. Buckyball denilen karbon atomlarından yapılmış, içi boş, kafes benzeri moleküllerin 1985 yılındaki keşfi, karbon bilgisayar üretiminin başlangıç noktası olarak kabul görüyor. Altı yıl sonra, altı köşeli kümes teli şeklinde tasarlanmış karbon atomundan yapılmış nanotüpler ilk kez piyasaya çıktı. İçleri boş, bu olağanüstü sağlam iletken karbon nanotüplerin çok farklı alanlarda kullanılabileceği öngörüldü. Örneğin karbon kompozitler, minyatür elektronik cihazlar, moleküler kapsüller, su-filtresi membranları gibi... Ne var ki karbon nanotüplerin ticari başarısı tahminlerin altında, çünkü nanotüplerin karmaşık elektronik devrelere bağlanmasındaki sorunlar aşılamadı. Son yıllarda grafit yeniden sahneye çıktı. Bunun nedeni grafen denilen kümes teli benzeri levhalar şeklinde üretilebilmesidir. Bu şekil ultra-minyatürleştirilmiş, ucuz ve sağlam elektronik devrelerde kullanılabilecek. Bilgisayar sanayizi grafeni ince şeritler ve ağlar haline getirebildiği takdirde, silikon tabanlı çiplerden daha verimli çipler üretilebilecek. Böylece atomik ölçekte bir mühendislik ile grafen elektroniğinin kapıları açılacak. GÜNEŞ ENERJİSİNDEN DAHA FAZLA NASIL YARARLANABİLİRİZ? Devasa bir temiz enerji kaynağı olan güneşten şu anda gerektiği gibi yararlanamıyoruz. Bunun en önemli nedeni maliyetinin yüksek oluşu. Silikondan yapılmış konvansiyonel foto voltaik paneller o kadar pahalıya mal oluyor ki, maliyet-yarar hesabında kaybeden hep yarar kısmı oluyor. Arizona Eyalet Üniversitesi’nden Devens Gust’a göre, temel hedef güneş enerjisinden yakıt elde etmek. Bunun da en kolay yolu, suyu hidrojen ve oksijen gazı olarak ikiye ayırabilmektir. Bu yılın başlarında Massachusetts Institute of Technology’den Daniel Nocera ve ekibi silikon tabanlı bir membranın içinde kobalt tabanlı bir fotokatalizör yardımı ile suyu bileşenlerine ayırmayı başardı. Nocera, yaklaşık 3-4 litrelik bir suyun, gelişmekte olan ülkelerde bir evin enerji gereksinimini karşılayacağını belirtiyor. Suyu katalizör yardımı ile hidrojen ve oksijene ayırmak hâlâ çok zor. Şu ana kadar kobalt ve diğer metal tabanlı katalizörler yardımı ile yürütülen bu çabalardan umut verici sonuçlar alındı, ancak kimse şu ana kadar ucuz bir katalizör geliştirmeyi başaramadı. Gust, “Doğadaki fotosentetik katalizörün nasıl çalıştığını bilmiyoruz. Bu katalizör dört manganez atomu ve bir kalsiyum atomuna dayanıyor. Şimdi doğal fotosentezi taklit eden yapay bir fotosentezi gerçekleştirmeye çalışıyoruz” diyor. Ne var ki şimdiye dek doğanın kullandığı organik moleküllerin çok çabuk parçalandığı görüldü. BİYOYAKIT ÜRETMENİN EN İYİ YOLU NEDİR? Yakıt üretmek için güneş ışınlarını yakalamak yerine, bitkilerin güneş enerjisini bizim için depolamasını sağlayıp, sonra da bitkinin malzemesini yakıta dönüştürmek daha akıllıca olmaz mı? Mısırdan elde edilen etanol gibi biyoyakıtlar ve tohumlardan elde edilen biyodizel, halihazırda enerji piyasalarında önemli bir yer tutuyor. Fakat bu yöntemler, yiyecek olarak tüketilen tahılların gıda kıtlığına yol açması tehlikesini de beraberinde getiriyor. Bu, özellikle gelişmekte olan ülkelerde tehlike yaratıyor, çünkü biyoyakıtları yurtdışına ihraç etmek yerine ülke içindeki açları doyurmak daha insani bir yaklaşım olarak kabul görüyor. Sayılara bakınca, sorunun boyutları daha net olarak görülüyor. Şu andaki dünyanın petrol talebini karşılamak için ekilebilir alanlarının pek çoğunun bu işe ayrılması gerekir. Gıdayı yakıta dönüştürmek demek ki iyi bir yaklaşım değil. O zaman çok da yaşamsal olmayan biyo kütlenin daha iyi bir alternatif olduğunu düşünebiliriz. Örneğin ABD, ulaşım için kullandığı yıllık benzin ve dizel tüketiminin üçte birini karşılayabilecek miktarda tarımsal ve orman artıkları üretebiliyor. Ancak bu yaklaşımda da biyo kütlenin yakıta dönüşmesi için lignin ve selülöz gibi sert moleküllerin parçalanması gerekir. Kimyacılar uzun süredir bunun nasıl yapılacağını biliyorlar. Fakat şu anki yöntemler aşırı pahalı, büyük ölçekte uygulanmaya uygun değil ve verimsiz. Lignini parçalamanın bir yolu Illinois Üniversitesi’nden John Hartwig ve Alexey Sergeev tarafından geliştirildi. Bu ikili, nikel tabanlı bir katalizör geliştirdiler. Hartwig bu arada başka bir soruna daha değiniyor. Eğer biyo kütle yakıt üretiminde kullanılacak ise, kimyacıların aromatik bileşimleri de ayrıştırması gerekir. Biyo kütledeki bu tür aromatiklerin tek ve en önemli kaynağı lignindir. Pratik açıdan bir diğer sorun da, çoğunlukla katı haldeki biyo kütlenin boru hatlarından nakli için sıvı yakıta dönüştürülmesi gerekliliği. Sıvılaştırmanın tek bir merkezde, bitkilerin toplanmış olduğu alana yakın bir yerde yapılması gerekir. Katalitik konversiyonun zorluklarından biri de ham maddenin saf olmamasıdır. Hartwig bu konuda şunları söylüyor: “Bütün bunların nasıl halledileceği ile ilgili bir görüş birliği henüz sağlanmış değil. Kimyasal açıdan en doğru katalizörün bulunması en önemli sorun.” İLAÇ ÜRETİMİNDE YENİ YOLLAR GELİŞTİREBİLİR MİYİZ? Pratik açıdan kimyanın özü, ilaç yapımıdır. Bu alanda en önemli zorluk bakteriyel direncin gelişmesine izin vermeyen antibiyotik üretimidir. 1990’lı yıllarda sonsuz sayıdaki molekülleri gelişigüzel bir şekilde bir araya getirerek optimum sonuca ulaşmak olarak tanımlanabilecek kombinatoriel yaklaşım benimseniyordu. Ancak bu yaklaşım kısa süre içinde gözden düştü, çünkü sonuçlardan beklenilen yarar elde edilemedi. Şimdi bu yaklaşım yeniden gündemde. Biyoteknoloji bu bağlamda, yararlı moleküllerin tespitinde çok önemli bir kolaylık sağlıyor. CUMHURİYET BİLİM TEKNİK EKİ