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.