Evrende bulunan canlı ya da cansız her varlık atomlardan oluşur. Hücrelerimizin çekirdeğindeki DNA moleküllerini meydana getiren atomlar da, elbette tüm diğer atomlar gibi kuantum fiziği ile çözümlenen özelliklere sahiptir. Yakın zamanda yapılan araştırmalar, fizik laboratuvarlarında gözlemlenen ilginç kuantum olayların, DNA üzerinde de gerçekleşerek, yaşamsal süreçlerde de rol oynayabileceğine işaret ediyor.

Kuantum mekaniğinin biyolojideki rolü aslında ilk olarak Erwin Schrödinger tarafından 1940'larda ortaya atıldı. DNA'nın yapısının keşfinden bile önce Schrödinger, kalıtımın klasik mekanik kurallarıyla yönetilemeyecek denli hatasız olduğunu ve kuantum mekaniğinin bu işte rol oynuyor olması gerektiğini ileri sürmüştü. Öte yandan, kuantum fiziğine özgü garipliklerin, canlı hücrelerin sıcak ve hareketli ortamında gerçekleşebilmesi pek olası gözükmüyordu.

Oda Sıcaklığında Eşdurumluluk Mümkün mü?

Gördüğümüz dünya ile fizikçilerin yüzeyin altında var olduğunu bildiği dünya arasında neden bir sınır vardır? Bu, kuantum ölçüm fenomeniyle ilgili bir meseledir. Bir kuantum sistem, klasik bir ölçüm cihazıyla etkileştiğinde, kuantum garipliğini yitirir ve klasik bir varlık gibi davranmaya başlar. Fakat etrafımızda gördüğümüz dünyanın tezahüründen fizikçilerin yaptığı ölçümler sorumlu olamaz. O halde, fizik laboratuvarının dışında kuantum davranışı yok etme işlevini yerine getiren nedir? Parçacıklar üzerinde "kuantum ölçüm" yapan, dolayısıyla etrafımızdaki dünyanın bize “normal” görünmesine neden olan şey, kuantum bileşenlerin toplu etkisidir.

Kuantum garipliğini gözlemleyebilmek için ya sıradışı yerlere (örneğin Güneş'in içine) gitmeniz, ya mikro-dünyanın derinliklerine (elektron mikroskobu gibi bir cihazla) bakmanız ya da kuantum parçacıkları uygun adım yürüyecekleri şekilde hizaya sokmanız gerekir; manyetik rezonans görüntüleme cihazının içindeyken, vücuduzdaki hidrojen çekirdeklerinin spininde böyle bir etki oluşur. Mıknatıs devredışı kaldıktan sonra çekirdeklerin spin yönelimi yeniden rastlantısal hâle geldiği için kuantum eşdurumluluğu bir kez daha ortadan kalkar.

Kuantum mekaniği olmadan çoğu zaman gayet iyi idare edebilmemiz de yine aynı türde bir moleküler gelişigüzelliğe bağlıdır: Etrafta gördüğümüz cansız varlıkların gelişigüzel yönelimli ve sürekli hareket hâlinde olan moleküler iç ortamı, kuantum garipliğini siler süpürür; çoğu zaman ama her zaman değil.

Canlı hücrelerin büyük bölümünün, bu garip kuantum etkilerini "ölçerek" ânında darmadağın etmesi beklenen, moleküler ajitasyon hâlindeki su ve biyomoleküllerden oluştuğu düşünülüyordu. Burada "ölçüm"den kastedilen, elbette ki su moleküllerinin ya da biyomoleküllerin, bizim bir cismin ağırlığını ya da sıcaklığını ölçüp, kağıt üzerinde, bilgisayar belleğinde veya kendi beynimizde bunun kaydını tutmamıza benzer bir işlem gerçekleştirmesi değil. Bir su molekülü, bir dolaşık parçacık çiftiyle çarpıştığında olanlardan söz ediyoruz: Hareketi parçacığın durumundan etkileneceği için, su molekülünün çarpışmadan sonraki hareketini inceliyorsanız, çarptığı parçacığın bazı özelliklerini de anlayabilirsiniz. Bu açıdan bakıldığında, su molekülü bir "ölçüm" gerçekleştirir, çünkü bundan sonraki hareketi, bunu inceleyecek biri olsun olmasın, dolaşık parçacık çiftinin durumuyla ilgili bir kayıt tutar. Böylesi bir kazara ölçüm etkisi, dolaşıklık durumunu ortadan kaldırmak için genellikle yeterlidir. O nedenle, hassas bir düzenleme gösteren kuantum dolaşıklığın, canlı hücrelerin sıcak, karmaşık iç ortamında varlığını koruyabileceği iddiasının çılgınlık sınırında gezen saçma bir fikir olduğu düşünülüyordu.

Moleküler düzeyde, pek çok önemli biyolojik sürecin gerçekten de çok hızlı gelişebildiğini (saniyenin trilyonda biri mertebesinde) ve kısa atomik mesafelerle sınırlı olabildiğini artık biliyoruz. Bunlar, tam da tünelleme gibi kuantum süreçlerinin etki gösterebileceği türde uzunluk ve zaman ölçekleridir. Öyleyse, eşdurumsuzluk asla bütünüyle engellenemezse de, biyolojik açıdan fayda sağlamaya yetecek kadar uzun süre uzak tutulabilir.

Ortamın Mutasyonlar Üzerindeki Etkisi

1990’ların sonlarında, Surrey Üniversitesi'nden Johnjoe McFadden, DNA mutasyonlarına ilişkin bir bilmeceyle nasıl başa çıkabileceğini fizikçilere danışmaya karar vermişti. M. tuberculosis bakterisinin ölümcül olmayan yakın bir akrabasının genetiğini inceleyen McFadden ve ekibi, özel koşullar altında (oksijenden yoksun ortamda bırakıldığında) bakterilerin iyice zararlı olacak bir şekilde mutasyona uğradıklarını fark etmişti.

Ekibi asıl şaşırtan ise bu mutasyonun, diğer mutasyonlardan daha sık gerçekleşiyor gibi görünmesiydi. McFadden, bütün iyi biyologlar gibi böyle bir fazlalığın olmaması gerektiğini öğrenmişti. Tüm mutasyonlar rastgele olmalıydı. Herhangi bir mutasyon çeşidinin ötekilerden daha sık olması söz konusu olamazdı; ortam ne olursa olsun. Belirli mutasyonlar yararlı olabilirdi ama çevresel koşulların herhangi bir genetik mutasyonun oranı üzerinde rolü olmamalıydı: Evrim kördü. Ama McFadden'ın ekibi, standart evrimsel kurama karşı çıkan bir durum bulmuşa benziyordu. Çünkü deney ortamındaki oksijenin yokluğu, bir mutasyon tipinin diğerlerinden daha fazla olmasını tetikliyor gibiydi.

Aslında böyle tartışmalı bir bulguya daha önce de rastlanmıştı. 1988 senesinde, Harvard Halk Sağlığı Okulu'ndan John Cairns liderliğinde bir ekip, benzer adaptif (uyumlanmış) mutasyonlar (yarar sağladıklarında daha sık gerçekleşen mutasyonlar) gösteren şaşırtıcı sonuçlar yayımlamıştı. Laktoz sindiremeyen bir E. coli suşunu, tek besin kaynağının laktoz olduğu bir agar tabağına yatırdıklarında, bakterilerin şekeri sindirmek için gereken mutasyonu, eğer o mutasyon rastgele olsa alacağı zamandan çok daha çabuk geçirdiklerini görmüşlerdi. Bu adaptasyon bir şekilde ortamdan kaynaklanmışa benziyordu. "Çalışma, Darwinci anlayışa göre kesinlikle sapkınlıktı," diyor McFadden. Yine de deneyler prestijli bilim dergisi Nature'da yayımlanacak kadar saygı görmüştü.

Ortamın bunu nasıl yapabileceğini açıklayabilecek bir mekanizma arayışına giren McFadden'ın aklına, kuantum bilgisayarlar hakkında okudukları geldi. Normal hesaplama yöntemleriyle çok uzun süre alacak bazı problemler, kuantum bilgisayarlarda süperpozisyon sayesinde kısa sürede yapılabiliyordu. Bu belli-belirsiz düşünceyle fizik bölümünün yolunu tutan McFadden, uyumlanmış mutasyonların kuantum süreçlerle açıklanıp açıklanamayacağını fizikçilere sordu. Bu fikir fizikçilerin çoğunun pek hoşuna gitmese de, içlerinden birinin ilgisini çekti: Jim Al-Khalili. McFadden ve Al-Khalili o günden sonra sık sık bir araya gelerek, ortak çalışmalara başladı.

Kuantum Tünelleme ve Süperpozisyon

Atomik ölçekte her parçacık, dalga-parçacık ikiliği olarak bilinen ikili bir yapı sergiler. Dalga-parçacık ikiliği, çok önemli bazı cihazların da esasını oluşturur; elektron mikroskobu bunlardan biridir. Knoll ve Ruska, 1931'de dünyanın ilk elektron mikroskobunu geliştirerek, virüsleri ilk kez görüntülemişlerdir. Dalga-parçacık ikiliği, Young'ın çift yarık deneyi sayesinde ün kazanmıştır.

Ancak bir parçacığın kütlesi ne kadar büyükse, kuantum özelliklerinin gözlemlenmesi o kadar güçleşir. Yani bir topu bir duvara ne kadar hızlı atarsanız atın, duvarın içinden geçmez. Fakat atom-altı ölçekte, parçacıklar dalga-benzeri özelliklere sahip olabilir ve uzayda belli bir konumda bulunmaları gerekmez. Bu da, elektronların bir engeli aşmak için üzerine tırmanarak aşmak yerine, içinden geçip gidebileceği (tünelleyebileceği) anlamına gelir; tıpkı çizgi filmlerde duvarlardan geçen hayaletler gibi.

Güneşin hidrojen gazını yakarak, dünya üzerinde yaşamın devamlılığını sağlayan ısıyı ve ışığı açığa çıkaran bir nükleer (çekirdeksel) füzyon reaktörü olduğunu çoğu insan biliyordur herhalde; bununla birlikte, parçacıkların "duvardan geçmesine" imkân veren çarpıcı kuantum özelliği olmasaydı, güneşin parlamasının mümkün olmayacağını bilenlerin sayısı daha azdır. Güneş ve aslında evrendeki tüm yıldızlar, proton adındaki pozitif yüklü tek bir parçacıktan ibaret olan hidrojen çekirdeklerinin birleşmesi ve bunun sonucunda açığa çıkan, bizim "güneş ışığı" olarak adlandırdığımız elektromanyetik ışınım sayesinde muazzam miktarda enerji yayabilir. İki hidrojen çekirdeğinin birleşebilmesi için birbirine çok yaklaşması gerekir; fakat iki çekirdek yaklaştıkça, aralarındaki itme de artar. İki çekirdeğin kaynaşabilecek kadar yaklaşması için bir tuğla duvarın atom-altı eşdeğerinden, yani görünüşte nüfuz edilemez bir enerji bariyerinden geçmesi gerekir. Böyle engellerden ise kuantum tünelleme sayesinde geçerler.

Bedenimizdeki her hücredeki her bir DNA iplikçiğinde 3 milyar civarında nükleotit bulunur. Nükleotitlerin diziliş sıralaması, yapısal ve işlevsel olarak insan oluşturmak için gereken tüm proteinlerin tarifini içeren bir kod oluşturur. Dört farklı çeşit nükleotitin bu dizilimindeki herhangi bir değişiklik, tarifi değiştirerek mutasyon adı verilen farklılıklara yol açabilir. Mutasyonların doğurabileceği birkaç farklı sonuç vardır; bunları yararlı, zararlı ve etkisiz sonuçlar olarak üçe ayırabiliriz. Bazı mutasyonların sonucunda, organizmaya eski durumundan daha fazla yarar sağlayan bir değişiklik ortaya çıkabilir. Bazen tam tersine, organizma mutasyondan dolayı zarar görebilir. Bazı mutasyonların ise organizmanın yapı ve işlevi üzerinde olumlu ya da olumsuz etkisi görülmez.

Peki mutasyon oluşumu neden gerçekleşir? DNA eşlenmesi sırasında A-T ve G-S çiftleri oluşturulurken bazen hatalar olur. Örneğin A gelmesi gereken yere G gelebilir; buna "nokta mutasyon" adı verilir. Bu nokta mutasyonların bir nedeninin de kuantum tünelleme olabileceği aslında 1963 senesinde öne sürülmüş ama pek üzerinde durulmamıştır. Al-Khalili ile McFadden, bu unutulmuş düşünceyi tekrar ele alarak, süperpozisyon özelliği sayesinde atomun eşzamanlı olarak hem mutant durumda, hem de mutant olmayan durumda bulunabileceğini ileri sürdü. Yani atom aynı anda iki yerde birden olabilirdi; dolayısıyla DNA aynı anda iki farklı genetik koda karşılık gelen durumların süperpozisyonunda bulunabilirdi.

E. coli'nin hızlı uyumlanması vakasında süperpozisyon, bakterinin hem laktoz yiyebilmesini hem de yiyememesini mümkün kılabilen bir DNA'ya karşılık geliyordu. İkili, bakterinin DNA'sındaki tek bir hidrojen atomu ile onu çevreleyen laktoz molekülleri arasındaki etkileşimleri matematiksel olarak analiz etti. Atomu itekleyen şeker moleküllerinin varlığı, atomu "gözlemleme" etkisi yaratıyor ve hidrojeni tek bir durumda bulunmaya zorluyordu. Dahası, hesaplamalarına göre, E. coli'nin laktoz sindirebilmesini sağlayan mutasyon, şekerin yokluğunda daha hızlı gerçekleşmeliydi. O sıralarda mevcut olan biyolojik görüntüleme teknikleri ile ikilinin kuramını doğrudan sınamak olanaksızdı. Bu arada Cairns'in orijinal E. coli çalışması da sıkı bir inceleme altına alınmıştı. Laktoz sindiren mutasyonların artmış oranı bağımsız olarak çok kez elde edildi ama faydasız bazı mutasyonların oranının da arttığına ilişkin işaretler vardı. McFadden ve Al-Khalili o dönemde konuya olan ilgilerinin azaldığını ve günlük işlerine geri döndüklerini anımsıyor.

Genetik Kodun Değişmesi Kaçınılmaz mı?

Uzun zincirli bir molekül olan DNA, daima kararlı değildir. Morötesi (UV) ışınlar ve reaktif oksijen türleri gibi etkenlerin DNA hasarına yol açabildiğini hep duyarız. Ancak böyle dışsal etkenlerin yokluğunda bile, DNA'da yine de nokta mutasyonlar gerçekleşebileceği açıktır.

DNA'nın çift sarmallı yapısı, bazlar arasındaki hidrojen bağları tarafından oluşturulur. Watson & Crick'in DNA modeline göre, bu hidrojen bağlarını oluşturan protonlar kararlı olmalıdır. Ama bazen bu hidrojen iyonlarının (protonların) konumlarında geçiş kaymaları olabilir. Bu olaya totomerizm adı verilir. Ender rastlanan bu totomerik biçimlerde, hidrojen bağını oluşturan proton bir bazdan ötekine kayabilir. Yani sitozinin protonu, kuantum tünelleme yaparak guanine kayabilir veya süperpozisyon sayesinde iki yerde birden bulunabilir. Eğer DNA eşlenmesi anlık totomerik kaymalardan biri sırasında gerçekleşirse, protonlar ve karşılık gelen bazlar yanlış yönelimde olur. Bu değişim, hatalı baz çiftlerine yol açabilir. Yani sitozin, guanin yerine adenin ile çift oluşturabilir. Bu, herhangi bir dışsal etken neden olmadan oraya çıkan bir nokta mutasyon örneğidir.

O halde, mutasyonun kökeninde (biyokimyasal nedenleri bir yana bırakırsak) kuantum fiziğinin yapısının da olduğu söylenebilir. Yani kimyasallar, morötesi ışık, radyoaktiflik ya da kozmik ışınlar gibi çok çeşitli mutasyon nedenlerinin önüne geçilse bile, sırf doğanın kendi özündeki işleyişten dolayı, mutasyonların yine de gerçekleşeceği sonucu çıkarılabilir. Çünkü sonuçta DNA kodunun yapısında, A ile T'yi ve G ile S'yi bağlayan hidrojen bağları, protonlardan oluşuyor. Protonların konum ölçümünü yapan DNA polimeraz enzimi sayesinde, bu kod okunuyor. Fakat sürekli ölçülen bir kuantum parçacığının (yani hidrojen bağını oluşturan protonun) ölçüm sürecinden etkilenmemesi mümkün değil. Ölçüm, ölçülen parçacığın durumunu kaçınılmaz olarak değiştirir.

Öte yandan, kuantum parçacıklar zaten dalga-parçacık ikiliği olarak bilinen ikili bir yapı sergiler; tünelleme ve süperpozisyon gibi davranışlarda bulunabilir. Tüm bu olasılıklardan ötürü her türlü dışsal etken bertaraf edilse bile, eğer parçacığın bulunduğu durum genetik koddaki bir harfe karşılık geliyorsa, genetik kod da aynı kalamayacak demektir. Dolayısıyla bu gerçeğin, hücre içinde çok sayıda spontane mutasyon birikimi sonucu ortaya çıkabilen kanser gelişimi ile ilgisi de olabilir. Üreme hücrelerinde gerçekleşebilecek böyle bir mutasyon ise herhangi bir aile öyküsü yokken görülen genetik bozukluklu fetüs oluşumunu açıklayabilir.