Başlangıç » Nedir » Termodinamik ve Hayat: Neden ve Nasıl?

Termodinamik ve Hayat: Neden ve Nasıl?

Posted by: Ne Nedir 12 Temmuz 2010 1 Yorum

Termodinamik ve Hayat: Neden ve Nasıl? Termodinamik

Termodinamik, iki cisim temasa getirildiğinde, ısının sıcak olandan soğuk olana doğru aktığını söylüyor. Bu sayededir ki, üşüdüğümüz zaman ya­nan bir sobaya sarılıp ısınabiliyor ve yanan bir ocağın üzerine koyduğumuz yiyeceklerimizi her sefe­rinde pişirebiliyoruz.

Termodinamiğin ikinci yasası, dolaylı olarak; enerjinin ve maddenin evrende homojen olarak da­ğılma eğiliminde olduğunu söylüyor. Örneğin bir kibriti yaktığımızda, başlangıçta ucunda derli top­lu ve düzenli olan enerji, bir süre sonra tüm salo­na yayılarak darmadağınık bir hale geliyor. Mad­de de öyle; dumanı oluşturan moleküller, başlan­gıçta kibritin ucunda derli toplu ve düzenli iken, bir süre sonra salonun her tarafına, hemen hemen homojen bir şekilde dağılmış oluyor. Bu dağılma süreci, moleküllerin birbirleriyle çarpışmaları so­nucu, birbirlerine enerji aktarmaları veya yer de­ğiştirmeleri sonucu, yani “difüzyon” sayesinde ger­çekleşiyor. Bu türden olaylara 'tersinmez' olaylar deniyor. Çünkü olayın tersinin kendiliğinden yer aldığı, ör­neğin salona dağılmış olan enerji veya maddenin derlenip toparlanarak tekrar kibritin ucunda birik­tiği hiç görülemiyor. Bu ihtimal gerçekleşseydi eğer, böyle bir olayın 'tersinir' olduğu söylenirdi; çünkü tersi, yani bir önceki olay kendiliğinden yer alabilirdi.

Difüzyon türü tersinmez olaylar sonuç olarak, atom veya moleküllerin çarpışma süreçlerine bağlıdırlar. Bu çarpışmalar fiziksel açıdan tersine de yer alabilecek olduklarından, fizik yasaları tersinmez olayları yasaklamaz; sadece kendiliklerinden gerçekleşme olasılıklarının çok çok düşük olduğu­nu söyler. Örneğin, mutfak tezgahından yuvarla­nıp yere düşerek paramparça olan bir yumurtanın, kendiliğinden toparlanıp tezgahın üzerine sıçraya­rak tekrar eski haline gelmesi; fizik yasaları açısın­dan mümkün, fakat ihtimali çok düşük bir olaydır: yaklaşık 10-1000…

Tersinmez olaylar; kendiliklerinden gerçekleş­memekle beraber, gerekli miktarda enerjinin uy­gun bir şekilde harcanması halinde mümkün olabi­lecek olan olaylardır. Yani, salonun her tarafına dağılmış olan duman moleküllerini, 'cımbız'la te­ker teker toplayıp tekrar, yanmış kibritin ucunda biriktirmek mümkündür.

Düzensizliğin ölçüsüne entropi deniyor ve ikin­ci yasa; evrende veya yalıtılmış bir alt uzayında yer alan tersinmez olaylar için, entropinin azalmama, yani artma veya en azından yerinde sayma eğiliminde olduğu anlamına geliyor. Halbuki hayat, ev­rende, en azından mevcut düzenini sürdüren, hat­ta gelişme sürecinde düzen inşa eden bölgeler oluşturuyor ve bu haliyle, termodinamiğin ikinci yasasının işaret ettiği yönün tersine kürek çeken bir kayıkçıya benziyor. Hem de, organizmayı oluş­turan sistem içerisinde; ısı ve nöral sinyal iletimi gibi, difüzyona dayalı olup da entropi arttıran sü­reçlerin yoğun varlığına rağmen…

Canlı organizmalar bunu, dışarıdan enerji ala­rak başarıyor. Dolayısıyla hayat, yalıtılmış sistem­lerde mümkün olamıyor. Enerji ihtiyacını fotosen­tez yoluyla güneş ışınlarından sağlayan bitkiler için; büyüme döneminde zorunlu bir madde girişi, ergenlik döneminde de en azından, çözücü olarak su ihtiyacının giderilmesi gerekiyor. Hayvanlarda ise enerjinin kendisi bile zaten, örneğin karbonhidratlar gibi madde formunda alınıyor. Dolayısıyla canlı bir organizmanın; hem madde, hem de ener­ji alışverişini mümkün kılacak şekilde 'açık bir sis­tem' olması gerekiyor.

Organizmada düzen inşası veya entropinin azaltılması için, enerji tek başına yeterli olamıyor. Tıpkı nasıl ki bir bina inşa etmek için, boş arsaya yığılmış olan inşaat malzemelerinin üzerine, fitili ateşlenmiş bir dinamit lokumu fırlatmak yeterli ol­muyor ve enerjinin inşaat amacına yönelik olarak kullanılabilmesi için ekipmana, 'kuplaj araçları'na ihtiyaç duyuluyor ise; canlı organizmanın da, dışarıdan aldığı enerjiyi, özgün amaçlarına yönelik ola­rak kullanabilmesini sağlayacak bir 'enerji kuplaj aracı'na veya 'motor'a ihtiyacı bulunuyor.

Canlı sistemlerde; DNA, RNA ve karmaşık bir enzimler ağı 'kuplaj araçları' olarak çalışıyor. Can­lı organizma bu araçlar sayesinde, düzenini inşa edip, bakım ve onarımını yapabiliyor. Bu araçlar bir kez ortaya çıkmışken, bu işler mümkün ve nispeten kolay: Fakat, amino asit zincirlerinden olu­şan bu 'motor' nereden geliyor? Biyoloji öncesi atmosfer koşullarında amino asitlerin sentezi, enerji açığa çıkaran 'egzotermik' reaksiyonlar oluşturmaları itibariyle, Miller ve ben­zeri deneylerle de kanıtlandığı üzere, termodina­mik denge koşulları altında gerçekleşebiliyor. Do­layısıyla, 'prebiyotik' dönemde yeryüzünü kapla­yan okyanusların yüzeylerinin, amino asitlerle do­lu bir çorbaya benzediği düşünülüyor. Fakat bu çorba içinde amino asit zincirlerinin oluşumu, enerji gerektiren 'endotermik' reaksiyonlar olma­ları nedeniyle, 'yokuş yukarı' bir iş gibi görünüyor. Bilinen 170 kadar, doğada ise 21 çeşit amino asit bulunuyor ve her biri, birbirlerinin ayna simet­riği olan L- ve D-aktif çiftler halinde geliyor. Bili­nen yaşam türleri bu doğal amino asitlerden sade­ce 20'sinin, yalnızca L-aktif formlarını kullanıyor. Gerçi simetrik grup elemanları, karşılıklı bağ kura­mıyor ve sadece kendi içlerinde zincirler oluştura­biliyorlar. Fakat canlı organizmalarda sadece L- aktiflerin görülmesi, yaşamın aynı ve tek bir mole­külden kaynaklandığına işaret ediyor.

'Prebiyotik' çorbadan, örneğin 100 amino asitlik 'işe yarar' bir 'polipeptid zinciri'nin oluşması için; çorbadaki amino asitlerden L-aktif olan 100 tanesinin ayıklanarak, bir zincir halinde birleştiril­mesi, hem de amino asitlerin bu zincir üzerinde, öz­gün bir şifreyi kodlayabilecek bir şekilde dizilmesi gerekiyor. Bu esnada kimyasal entalpi işi yapılma­sı gerektiği gibi, termal ve konfigürasyon entropilerin azalması gerekiyor. Bu üç 'iş bileşeni'nin her birine karşı gelen Gibbs enerjisi terimlerinin pozitif olması, böyle bir molekülün; termodinamik denge koşulları altında bulunan, birer molarlık bir amino asitler çözeltisindeki konsantrasyonunu, 10-117gi­bi çok düşük düzeylerde veriyor.

Dolayısıyla hayata vücut veren ilk moleküllerin kökenlerini, galiba denge koşulları altında değil de; doğrusal olmayan denge dışı termodinamik sü­reçler içerisinde aramak gerekiyor. Çünkü haya­tın çok daha yüksek olasılıklarla ve kolay kök salabilmesi, bunun için de 'prebiyotik' başlangıç ko­şullarında, enerji akışını yeni bilgi oluşturacak şe­kilde yönlendirebilen bazı kuplaj mekanizmalarının var olmuş olması gerekiyor. Halbuki denge koşul­ları altındaki 'tesadüf modelleri', bu 'gizli' kuplaj mekanizmalarına imkan tanımıyor. Ve sonuç ola­rak E. Coli gibi 'basit' bir bakterinin, denge koşul­ları altındaki tesadüfler sonucu ortaya çıkmış ol­ması ihtimalinin 10-1000civarında olduğu tahmin ediliyor: Tıpkı yere düşüp paramparça olmuş bir yumurtanın, kendiliğinden derlenip toparlanarak masanın üzerine sıçraması gibi…

Kaynak: Prof. Dr. Vural Altın (Boğaziçi Üniversitesi, Nükleer Müh. Bölümü), Termodinamik ve Hayat: Neden ve Nasıl?, Bilim ve Teknik, Mayıs 2003. 



2010-07-12
  1. Teşekkürler. Tam da aradığım bilgi buydu.

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir