Sekiz ayda karada yürüme becerisi kazanan balık

Ottowa Üniversitesi’nden evrimsel biyolog Emily Standen, çok saçaklı balıklar* üzerinde yürüttüğü deneylerde, evrim mekanizmaları konusunda çok çarpıcı keşiflerde bulundu. “Bu balıkların karada yaşama şanslarının olup olmadığını araştırdım” diye konuşan Standen, “Deneylerde balıkların yaşadığı akvaryumdaki tüm suyu boşatarak susuz ortama ne kadar dayanabileceklerini araştırdım. Bu balık türü havayı içine çeker ve gerektiği zaman kendini karaya atar. Dolayısıyla bunların karada yaşama olasılığı, düşünüldüğünden daha fazladır” diye konuşuyor.

Standen’in bu deneyinin altında yatan mantıksal temel, 2006 yılında keşfedilen Tiktaalik adı verilen fosilin evrim sürecinin eksik halkalarından birini tamamlıyor olmasıydı. Bu 360 milyon yıllık fosil, balık atalarımızın sudan karaya nasıl geçtiğini ve yüzgeçlerin evrilerek nasıl kollara dönüştüğünü gösteren çok değerli bir kanıttı. Standen, fizyolojik olarak kara yaşamına en uygun olduğunu düşündüğü çok saçaklı balıkları, susuz ortamda yaşatarak evrimin bu kritik evresiyle ilgili somut kanıtlar elde etmeyi amaçlıyordu. Ne var ki birçokları için bu deney bir fanteziden öte bir şey değildi ve Standen’in bu deneyin sonucunda elle tutulur bir kanıt bulacağına kesinlikle inanmıyorlardı.

KARADA YAŞAYAN BALIKLAR

Oysa artık biliniyor ki bu deney, evrimin nasıl çalıştığını gösteren çok önemli ipuçları içeriyor. Çok saçaklı balıklar yalnızca hayatta kalmadı; neredeyse “yürüdüler”. Önce yüzgeçlerini vücutlarına daha yakın bir konuma getirdiler; başlarını yerden biraz daha yukarı kaldırdılar. Daha da önemlisi iskeletleri de değişim geçirdi. “Omuz” kemikleri uzadı ve yüzgeç kemikleriyle daha güçlü bir bağ oluşturdu. Böylece balık kendini yerden daha rahat kaldırma olanağına kavuştu.

Kafatasına uzanan kemik bağlantıları da zayıfladığı için kafa daha oynak bir hale geldi. Bu özellikler Tiktaalik benzeri kara canlılarından evrilen dört ayaklı atalarımızın özelliklerini anımsatıyordu. Bu deneyin en şaşırtıcı yanı, bütün bu değişikliklerin balığı nesiller boyu karada besledikten sonra ortaya çıkmamış olması; tam tersi bunların tek bir balığın yaşam süresi içinde oluşmasıydı. Genç balıkları sekiz ay boyunca karada yaşamaya zorlamak, bütün bu dramatik değişikliklerin meydana gelmesine yetmişti.

ÖNCE ADAPTASYON SONRA MUTASYON

Kaslarımızın, tendonlarımızın ve kemiklerimizin yaşam şeklimize ayak uydurmak için adaptasyon geçirdiğini uzun zamandır biliyoruz. Çok sayıda biyolog bu tür bir plastisitenin (şekillendirilebilirlik) evrimde kritik bir rol üstlendiğini biliyor. Bu biyologlar önce mutasyona uğrayıp sonra adaptasyon geçirmek yerine, hayvanların önce adapte olduğunu daha sonra mutasyona uğradığını ileri sürüyor. Standen’in deneylerinde görüldüğü üzere bu süreç, balıkların karaya geçmesi veya maymunların iki ayak üzerinde yürümesi gibi temel evrimsel dönüşümlerde de etkin bir rol oynuyor.

Plastisitenin evrimde önemli bir rol oynadığı fikrinin geçmişi yüzyıla yakın. Bazı erken biyologlar, hayvanın yaşamı süresinde elde ettiği özelliklerin yavrularına da kalıtım yoluyla geçtiğini düşünüyordu. Örneğin zürafaların uzun boyunları ağaç yapraklarını yemek için uzanmaları sonucunda oluşmuştu. Fransız doğa bilimci Jean-Baptiste Lamarck, bu fikrin önde gelen savunucusuydu. Benzer bir fikre inanan Darwin, vücuttaki değişikliklerle ilgili bilginin yumurta ve sperme nasıl ulaştığını açıklamak için daha karmaşık bir mekanizmaya dikkat çekti. Darwin bu şekilde, plastisitenin kalıtsal varyasyonları (çeşitlilik) ürettiğini ve doğal seçilimin bu çeşitlilikler üzerinde çalıştığını savunuyordu.

MODERN GENETİK İLE YOK OLAN KAVRAMLAR

Modern genetiğin ortaya çıkmasıyla birlikte bu kavramlar silindi. Yeni bilim dalı ile birlikte plastisitenin evrimde hiçbir rolünün olmadığı düşünüldü; tüm gözler mutasyonlara çevrildi. 1940’lı yıllardaki standart görüşe göre hayvanlar önce mutasyon geçirir, sonradan uyum sağlar. Örneğin sperm hücrelerindeki bir mutasyon bazı yavruların vücutlarında fiziksel değişiklikler yaratabilir. Eğer bu değişiklik hayvana avantaj sağlıyorsa, mutasyon tür içinde yayılır. Başka bir deyişle rastlantısal genetik mutasyonlar, doğal seçilimin üzerinde çalışacağı çeşitlilikleri yaratır. Bu, bugün evrimle ilgili en yaygın görüştür. Yine de plastisitenin dramatik etkileri tamamen silinmedi. Örneğin 1940’lı yıllarda Hollandalı zoolog Everhard Johannes Slijper, doğduğunda ön ayakları olmayan ve kanguru gibi arka ayakları üzerinde hoplamayı öğrenen bir keçinin öldükten sonra kas ve kemik yapısını inceledi. Ve kas ve kemik yapısının dört ayaklıdan çok, iki ayaklı hayvanlara benzediğini gördü. Bütün bu bulguların evrimsel süreçle ilgili olabileceğini çok az sayıda biyolog düşündü. Bir hayvanın yaşam süresinde oluşan değişikliklerin geçici olması bu olasılığı zayıflatıyordu. Örneğin Standen “yürüyebilen” balığı üretip, yavruları normal bir akvaryum içinde büyütse idi, bunlar normal ve sıradan bir saçaklı balık olarak yaşamlarını sürdürecekti.

EVRİM GEÇİRMEDEN EVRİLMEK

Ancak şekillenmeye yol açan çevresel koşullar, süreklilik kazanırsa ne olacak? Vahşi doğada bu durum iklim değişikliği olarak ortaya çıkabilir. Daha sonra popülasyonun tüm üyeleri aynı özellikleri geliştirir ve nesiller boyu bu devam eder. Bu gibi durumlarda popülasyon değişen çevre koşullarına göre evrim geçiriyormuş gibi görünür; ancak teknik açıdan bu evrim olarak nitelendirilemez, çünkü yavrulara geçen kalıtımsal bir değişiklik söz konusu değildir. Bu durumu sınamanın en tek yolu bireylerin farklı ortamlarda büyümesini sağlamaktır. Bu şekilde en azından plastisite hayvanların evrim geçirmeden evrilmesine izin verir. Bu noktada sorulması gereken en kritik soru, bunun kalıtımsal değişiklikler açısından gerçek evrime yol açıp açmamasıdır. Standen, “Bir noktadan sonra değişikliği yaratan çevresel koşulları ortadan kaldırırsanız dahi değişiklik kalıcı olabilir mi?” diye soruyor. Bu sorunun yanıtı, sürpriz şekilde, evettir.

1950’lerde İngiliz biyolog Conrad Hal Waddington bunun meyve sinekleri üzerinde yapılan bir deney ile mümkün olabileceğini ortaya koydu. Waddington’ın deneyinde, pupaların bir miktar ısıtılması durumunda, dünyaya gelen yavru sineklerin kanatlarında çapraz damarların bulunmadığı görüldü. Daha sonra damarsız sinekler seçilip çiftleştirildi. 14. nesilden sonra, bazılarının pupaları ısıtılmadığı halde kanatlarında çapraz damarların bulunmadığı tespit edildi. Sonuçta çevreye uyum sağlamak amacıyla şekillenebilirlik tepkisi olarak başlayan fiziksel bir özellik, kalıtımsal bir özellik haline gelmişti.

KALITIMSAL ÖZELLİKLERE DÖNÜŞÜM

Plastisite kavramı ile başlayan bir değişiklik kalıtımsal bir özelliğe nasıl dönüşür? Plastik değişikliklerin oluşması için çevrenin, gelişim yolaklarını (pathways) bir şekilde tetiklediği düşünülüyor. Belirli bir hormon ya daha fazla üretilir veya farklı zamanlarda üretilir. Veya normal olarak hareketsiz duran bazı genler aktif hale gelir vb... Burada önemli olan rastlantısal mutasyonların da aynı etkileri gösterebilmesidir. Dolayısıyla plastisitenin yaşamsal önem taşıdığı çevrelerde, yalnızca butepkiyi güçlendiren –en azından engellemeyen- mutasyonlar popülasyonun içinde yayılır. Zaman içinde değişen gelişimsel yolaklar, genetik desteklerle sabitlenir. Öyle ki çevresel tetikleyiciler bulunmasa bile değişiklikler kalıtımsal bir özellik haline gelir. Waddington bu sürece genetik asimilasyon adını veriyor. Lamarkçılık olarak algılanan bu olgu aslında Lamarkçılık değildir. Kazanılmış özellikler, Darwin’in önerdiği gibi genetik değişiklikleri doğrudan şekillendirmezler, yalnızca rastlantısal bir şekilde ortaya çıkan bazı mutasyonların kayrıldığı ortamlarda hayvanların hayatta kalmalarını kolaylaştırırlar.

Waddington’un bulguları, önemli bir öngörü olarak değil, yalnızca bir merak olarak değerlendirildi. Fakat son 10-20 yıldır bu yaklaşımın değiştiği görülüyor. Bunun nedenlerinden biri, genlerin esnekliğinin yavaş yavaş anlaşılmasıdır. Kalıplaşmış bir şekilde önceden programlanmış olduklarını kabullenmek yerine, hayvanların yaşadıkları çevrenin etkisi ile vücutlarının ve davranışlarının değiştiğini artık biliyoruz.

GELİŞİMSEL PLASTİSİTE VE EVRİM

Bu gelişmelerin etkisinde kalan bazı bilim insanları, plastisitenin evrimde temel bir rol oynadığını kabul ediyor. St Andrews Üniversitesi’nden Kevin Laland gibi çok azı, evrimin geleneksel “önce murtasyon, sonra adaptasyon” versiyonunun yeniden gözden geçirilmesi fikrini savunuyor. Fakat biyologların çoğu hala ikna olmuş değil.

Kaldı ki kuşkucular, genetik asimilasyonun evrimin temel ilkelerini ters yüz etmediğini ileri sürüyor. Onlara göre uzun vadede evrim, plastisitenin etkili olup olmadığına bakmaksızın, mutasyonların yayılması ile ilgilidir. Öte yandan plastisitenin savuncularına göre ise, gelinen bu noktada esas önemli olan plastisitenin hangi mutasyonların yayılması gerektiği konusunda belirleyici olmasıdır. “Dolayısıyla plastisiteye hak ettiği önemin verilmesi gerekir” diye konuşan Laland, “Ne yazık ki son yıllarda evrimle ilgili belli başlı ders kitapları plastisite konusundan hiç bahsetmiyor” diyor.

Aslında kuşkucular plastisitenin önemini kabul ediyor ama rolünün göz ardı edilebilecek kadar önemsiz olduğunu ileri sürüyor. Duke Üniversitesi’nden Gregory Wray, “Kimse genetik asimilasyon konusunda kuşkuduymuyor, ancak doğada bunun rolünü destekleyecek çok az sayıda kanıt var” diyor. İşte bu yüzden Standen’in saçaklı balıklar üzerindeki çalışması çok önemli (Nature, vol 513, p 54).

İNSANIN AYAĞA KALKMASI VE PLASTİSİTE

Plastisitenin insan evriminde çok temel bir geçiş sürecinde de etkili olduğu tartışmaya açılacak. Bu önemli süreç, atalarımızın yaklaşık 7 milyon yıl önce dört ayak üzerinde yürümeyi bırakıp iki ayak üzerinde durmayı başarmasıdır. Northeast Ohio Tıp Fakültesi’nden Adam Foster, iki ayak üzerinde yürümeye geçişi fareler üzerinde yürüttüğü bir deney gerçek yaşamda canlandırmak istedi. Bunun için fareleri koşu bandı üzerinde yürüttü. Deneyde bazı fareler, özel donanımlar yardımıyla arka ayakları üzerinde yürümeye zorlanırken, bazılarının da dört ayak üzerinde yürümesine izin verildi. Her bir fareninyürüme bandı üzerinde üç ay boyunca günde birer saat egzersiz yapması sağlandı.

Üç ay sonra Foster hayvanların iskeletlerini inceledi. Sonuçta iyi ayak üzerinde yürütülen farelerin, standart dört ayaklı farelere göre bacaklarının gelişerek daha uzadığı görüldü. Ve uyluk kemiklerinin kalça ile birleşme noktasındaki femoral başları daha büyüktü. Bu iki özellik, hominin atalarımızdaki iki ayak üzerinde yürümeye başlaması süreci ile bağlantılıydı. Foster’in bulguları bu yılın sonunda yayımlanacak.

GENETİK ASİMİLASYONUN “SABİTLENMESİ”

Genetik asimilasyonun, şekillendirme sonucu ortaya çıkan özellikleri “sabitleyip sabitlemediği” sorusu hâlâ tam olarak yanıtlanmış değildir. Bundan 10 yıl önce Kanada’daki Alberta Üniversitesi’nden Richard Palmer, bunun kanıtlarını fosil kayıtlarında aradı. Bunun için de pek çok hayvandaki asimetrik özellikleri inceledi. İnsanlarda bu asimetri kalbin ve diğer organların konumlarında belirgindir. Bu asimetri genlerimizde kayıtlıdır. Fakat başka türlerde asimetri plastiktir. Örneğin, (resimdeki) kemancı yengecinin (uca) sahip olduğu büyük kıskaç koşullara göre sağda da olabilir solda da…

Asimetrinin fosil kayıtlarını 68 bitki ve hayvan türleri üzerinde araştıran Palmer, 28 vakada kalıtsallıkla ilgisi olmayan asimetrilerin kalıtımsal hale geldiğini keşfetti (Science, vol 306, p 828). Palmer bu konuda şöyle konuşuyor: “Genetik asimilasyonun en temiz örneklerinden biri budur. Ve bu tahmin edildiğinden daha yaygındır.”

GELİŞİMSEL PLASTİSİTENİN EVRİMSEL ÖNEMİ

Costa Rica’daki Smithsonian Tropik Araştırma Enstitüsü’nden Mary Jane West-Eberhard, gelişimsel plastisitenin evrimsel önemini kanıtlamanın çok kolay olmadığını söylüyor. West Eberhard, “Doğadaki evrim ve türleşme konularıyla ilgili evrimsel biyoloji, dolaylı kanıtlara dayanır. Başka bir deyişle bir varsayımı destekleyen veya reddeden olgu birikiminden yararlanır” diyor.

Şu anda olgular birikiyor ve varsayımı destekliyormuş gibi görünüyor. Kısa zamanda bu konuda çok sayıda kanıtın ortaya çıkması bekleniyor. Zira Standen’in çalışması kendisiyle aynı görüşü paylaşanları yüreklendirecek kadar başarılı.

Reyhan Oksay

Kaynak: New Scientist, 17 Ocak 2015

http://rspb.royalsocietypublishing.org/content/early/2011/06/07/rspb.2011.0971

http://www.americanscientist.org/bookshelf/pub/putting-genes-in-perspective

*Çok saçaklı balık İng. bichir Saçak yüzgeçliler (Crossopterygii) takımının, çok saçaklıgiller (Polypteridae) familyasından, 8-10 parçadan meydana gelmiş uzun sırt yüzgeci olan, 1 m’den daha uzun, sırtı yeşil, karnı ak, Nil’de yaşayan ve eti yenen bir tür.