Beyin Nereden Geldi?
600 milyon yıl önce süngerler hayal edildi.
Evrimsel atalarımızın beyinleri olmadan önce – organları olmadan önce – 18 farklı hücre türü bir araya gelerek süngerleri oluşturdu. Şaşırtıcı bir şekilde, süngerde ne nöron ne de beyin vardı, ancak bu hücrelerden bazıları bir beyin oluşturmak için gereken genlerin çoğuna sahipti.
Santa Barbara’daki Kaliforniya Üniversitesi Sinirbilim Enstitüsü’nde meslektaşlarım ve ortak çalışanlar süngerlerin büyük miktarda beyin geni depoladığını keşfetti. O zamandan beri soruyoruz: Bu eski gözenekli hücre kütlesi, sinir sistemi olmamasına rağmen neden bu kadar çok sinirsel gen içeriyordu? Evrim ne yapmaya çalışıyordu?
Süngerler fosil kayıtlarında ilk olarak yaklaşık 600 milyon yıl önce ortaya çıktı. Süngerler deniz dibine yerleşen pasif besleyicilerdir. Aslında, ilk biyologlar süngerleri bitki olarak düşünmüşlerdir. Genellikle sert bir dış deri ile kaplı hücre sıraları, bir su altı merkezini çevreler. Her hücrede, besin açısından zengin mikro organizmaların yumuşak bir akış içinde dolaşmasını sağlayan küçük kirpikler bulunur.
Görünüşte basit olan bu organizasyon, evrimde önemli bir adımı gizlemektedir. Önceki üç milyar yıl boyunca gezegende tek hücreli organizmalar yaşıyordu. Evrimin en dahiyane eylemlerinden biri, tek tek hücrelerin bir araya gelerek sonunda ayrılmaz çok hücreli organizmalar haline gelen koloniler oluşturmasıydı.
Bu gözenekli hücre kütlesi neden nöral genler içeriyordu? Evrim neyi başarmaya çalışıyordu?
Tek hücreli koloni, bir koloni içindeki tüm hücrelerin aynı olması gerekmediğine dair ilk ipucunu sağlamıştır. İçerideki hücreler, çevrenin kaprislerine maruz kalan çevredeki hücrelerden ince farklılıklar gösterebilir. Koloniler, neredeyse aynı olan hücrelerin birbirleriyle işbirliği yapabilmesi gibi bir avantaja sahipti.
Bir sonraki evrimsel yenilik olan çok hücrelileşme ise kökten farklıydı. Çok hücrelileşme ile hücreler son derece uzmanlaştı ve organizmanın daha büyük yararı için bireysel kimliklerinden ve bağımsızlıklarından vazgeçtiler. Bu yenilik, yaşam tarihindeki en büyük fedakarlık eylemlerinden biriydi.
Bu hücreler artık tek başlarına hayatta kalamaz, ancak organizma farklı hücre türlerinin kolektif işlevinden faydalanır. Organizma uzmanlaşmış hücrelerin sayısını artırdıkça, organ adı verilen entegre modüller yeni işlevler ve kapasiteler kazanmıştır.
Organlar içindeki özelleşmiş hücreler sinir sistemi kadar çeşitli değildir. Hayvan sinir sisteminin evrimi, yaşam krallığının büyük başarısı için çok önemliydi. Ancak bu bir anda gerçekleşmemiştir. Tarih öncesi organizmalar, tek hücreli organizmalardan hayvanlara doğru uzun zamandır kayıp olan sınırları aştıkça, karmaşık sinir sistemleri ortaya çıkmıştır.
Hayvanların erken evrimi gizemle örtülüdür, ancak sinir sisteminin kökeni bu labirentin kalbinde yatmaktadır. Tüm hayvanların ortak atasından (bugün hiçbir iz kalmamıştır), kardeş gruplar olarak bilinen iki soy ortaya çıkmıştır. Yeni kardeşler süngerlerdir. Büyük kardeş ise, boyutları birkaç milimetre ile beş metre arasında değişen, jöle benzeri gövdenin üstünde ve altında boşluklar oluşturan hücre katmanlarına sahip bir tarak jölesidir.
Sinir sistemi, DNA kodunun harfleri olan binlerce nükleotid içeren binlerce gen tarafından kodlanır. Her aşamada canlılığı korurken bu muazzam gen birikimine ulaşmak Herkülvari bir görevdi: küresel iklim değişikliğine üç milyar yıl uyum sağladıktan sonra, tek hücreli organizmalar zar zor algılanabilen okyanus tabanının karanlığında titremeye başladı.
Süngerlerden, biz de dahil olmak üzere tüm hayvanlar alemi evrimleşti. Tarak jölesi bugün hala hayatta, ancak evrimsel bir çıkmaz sokaktı ve yeni türlerin evrimleşmesi için gerekli potansiyelden yoksundu. İlginçtir ki, tarak jölelerinin sinir sistemi vardır, ancak caecilian’ların yoktur.
Bu tarih birçok soruyu gündeme getirmektedir. Caimen jölesi ve tarak jölesinin ortak atası zaten bir sinir sistemine sahip miydi? Yoksa sinir sistemi, bir kez istiridye jölesinde ve bir kez de maymunların evrimsel yavrularında olmak üzere iki kez mi icat edildi?
Sinapslara daha yakından bakmak bazı ipuçlarını ortaya çıkarır. Sinapslar sinir sisteminin en karakteristik özelliklerinden biridir. Bu karmaşık yapı, iki nöron arasında veya bir nöron ile kas gibi başka bir hedef hücre arasında iletişim için kullanılır. Bir sinaps iki bölümden oluşur: biri bir mesaj gönderir ve diğeri onu alır. Biri bir mesaj gönderir ve diğeri onu alır. Alıcı hücreye gönderilen mesajlar, tek bir karar vermek için tasarlanmış karmaşık bir ağa entegre edilir: ateşlemek ya da ateşlememek. Gönderen hücre tarafından salınan kimyasallar alıcı hücre tarafından okunur.
Mühendislik açısından bakıldığında bu tasarımın hiçbir anlamı yoktur. Bir şeyi diğerine bağlamak istiyorsanız, onları doğrudan bağlayabilirsiniz. Orta sinaptik istasyonda, nöron akson boyunca ilerleyen elektrik sinyalini aniden durdurur, sinaps boyunca kimyasallar salan bir sinyale dönüştürür ve sinapsın diğer tarafında elektrik sinyalini başlatır. Sinapslar %100 güvenilir olmadığından, tüm bu süreç yavaşlar ve sinyalin iletiminde bir miktar hata olur. Sinapsları kayda değer kılan şey, deneyimle değişebilme yetenekleridir. Aldıkları girdiye bağlı olarak sinapslar sinyal iletiminin verimliliğini artırabilir veya azaltabilir. Sinapslar, bir domuzun kuyruğundaki küçük düğümler gibi sinir sistemi boyunca uzanan yerleşik mini öğrenme cihazlarıdır.
Bir mesajın etkili bir şekilde iletilebilmesi için sinapsın iki tarafının tam olarak hizalanması gerekir. Bu hassas hizalamaya, her iki tarafı da stabilize eden protein iskeleleri aracılık eder. Sinapsta işlev gören yüzlerce proteinden özellikle iskele proteinleri evrimsel yollarına tek hücreli organizmalardan başlamıştır. İskeleler kendilerine bağlananları stabilize eder. Süngerler sinapsları oluşturmak için eski iskeleleri kullandı, onları yıkadı ve yeni proteinlerle kapladı. Evrim, sinir sistemini inşa etmek için eski genleri bir parça listesi olarak kullandı.
Süngerler, kısmi bir sinir sisteminin tam teşekküllü bir sinir sistemi olma sürecinde neye benzediğini ortaya koymaktadır. Beslenme nedeniyle süngerin sulu iç kısmı flagella ile kaplanmıştır. Kamçılar, yutulan mikroorganizmaların dolaşımına eşgüdümlü bir ritim sağlayan kıl benzeri uzantılardır. Kamçının koordineli atışı, belli belirsiz bir sinir sistemine benzeyen bir şeyi akla getirmektedir.
Antik, mütevazı süngerler gelecekteki organizmaların çeşitliliğini mümkün kılmıştır.
İki yıl önce Heidelberg’deki Avrupa Moleküler Biyoloji Enstitüsü’nde Detlef Arendt’in laboratuvarından dikkat çekici bir dizi deney geldi. Arendt ve meslektaşları, iki farklı hücre türünün bu sindirim odasında temas kurabildiğini ve bu iki hücrenin sinapsın her iki tarafında bulunan belirli proteinleri ifade ettiğini keşfetti. Hücreler arası iletişim üzerine yapılan bu ilk deneyler sinapsta gerçekleştirilmemişti ve teması nöronlarda elektrik sinyallerine çevirecek bir mekanizmadan yoksundu. Bununla birlikte, doğada sinirsel benzeri iletişim arayışı başlamıştı.
Tarih galipler tarafından yazıldığından, evrim teorisi sadece galipler hakkında konuşabilir. Başka bir deyişle, yalnızca tarih öncesi ataların torunları veya bir zamanlar gezegende gelişen organizmaların fosilleri olarak bugüne kadar hayatta kalanlar hakkında konuşur. Bu ilkel başlangıçlardan itibaren sinir sistemi, vücuttaki sinapsların canlı dilinde hayvanlar aleminin galibi olmuştur.
Sinir sistemi evrimleşti ve hayvanlar alemine yayıldı. Çiftleşme, ahtapotların renk değiştirmesi ve kış uykusuna yatması, arıların sallanma dansı yapması ve uyurken rüya görmesi gibi hayatta kalma taktiklerine yol açtı. Beyinler bir mavi balinanın VW motoru kadar büyük ya da bir goblinin saçı kadar küçük olabilir. Sinir sistemi ve sağladığı gelişmiş zindelik, bitki ve hayvan alemlerinin bu kadar farklılaşmasının ve ayrı evrimsel yollar izlemesinin temellerinden biri olabilir. Sinir sistemi hayvanlara hareket etme yeteneği verirken, bitkiler bundan kaçınmıştır. Balıklar yüzer, kuşlar ve yarasalar uçar, böcekler sürünür, yılanlar kanat çırpar, gibonlar kollarını sallar ve yengeçler akıl almaz şekillerde yana doğru hareket eder.
Göçün karmaşıklığını hafife almak kolaydır. Bir hayvan her hareket ettiğinde, etrafındaki engelleri aşmak ve nereye ve hangi hızda gitmesi gerektiğini tahmin etmek zorundadır. Tehlike, açlık, eş arama dürtüsü, huzursuzluk gibi hareket etme nedenlerini hissetmelidir. Yolda bir sincaba yaklaştığınızda, beyninin çalıştığını açıkça görebilirsiniz. Sincap bir an durur, orada ne olduğundan emin değildir ve hedefine doğru mu ilerleyeceğine yoksa evinin tanıdık güvenliğine mi döneceğine karar verir. Hareketlilik seçimlerle birlikte gelir, ancak özgürlük başka bir konudur.
600 milyon yıl önce sünger genlerinin soyut bir alan, soyut bir rüya, bir bilinç yeri kadar zor bir gelecek için bir çerçeve yaratmış olması ne kadar şaşırtıcı.
Bu soyut alan, türler arasında aktarılan, biyolojinin yapısına derinlemesine gömülü olan ve organizmanın çevresine uygunluğunu artıran mutasyonlar üreten ‘evrimleşebilirlik’ özelliğidir. Evrilebilirlik herhangi bir gen kümesinde bulunmaz, ancak genleri çevrelerine bağlayan kolektif bir özelliktir.
Sinir sistemleri bilinmeyen sünger-yazarlar kendilerini bekleyen çağdan habersiz, sessizce geleceklerini tasarlıyorlar. Bu gelecek, nesiller boyunca sadakatle çoğaltılabilen ve biz evrimleştikçe yeniden şekillendirilebilen bir dizi talimat olan genlerdedir. Evrim, bu mütevazı süngere gelecekteki yaşam formlarının çeşitliliğini garanti eden bir genetik program vermiştir. Birlikte varoluş, nesiller boyu süren sabitlik ve evrimsel değişimi birleştiren karmaşık ve güzel bir danstır.
Derleyen: Deniz KAFKAS
Kaynak: Beyin Nereden Geldi?
Tüm Evrimi Açıklayan Kayıp ‘Doğa Kanunları’ Keşfedildi
Beyin Nereden Geldi?