Yaşam Bilimi Biyoloji: Canlıların Ortak Özellikleri

Biyoloji nedir, neleri inceler?

Biyoloji sözcüğü Yunanca "bios" (yaşam) ve "logos" (bilgi, bilim) sözcüklerinden gelir: yaşam bilimi. Biyoloji canlıların yapısını, nasıl çalıştığını, nasıl çoğaldığını, kalıtsal özelliklerini nasıl aktardığını, birbirleriyle ve çevreleriyle nasıl ilişki kurduğunu inceler. İncelediği ölçek çok geniştir: bir proteinin hücre içindeki görevi de, bir ormandaki kurt ve geyik sayılarının yıllar içindeki değişimi de biyolojinin konusudur.

Bu genişlik nedeniyle biyoloji birçok alt dala ayrılır. Aşağıdaki tablo en sık karşılaşacağın alt dalları gösteriyor.

Biyolojideki bilgi tıp, eczacılık, tarım, hayvancılık, gıda ve çevre koruma gibi alanlarda doğrudan kullanılır. Aşıların ve antibiyotiklerin geliştirilmesi, kuraklığa dayanıklı tarım bitkilerinin seçilmesi, insülinin bakterilere ürettirilmesi, nesli tehlikedeki türlerin korunması bu bilginin uygulamalarıdır.

Bilimsel yöntem: gözlemden sonuca

Bilim insanları doğadaki olayları açıklamak için belirli bir düşünme ve sınama yolu izler. Buna bilimsel yöntem denir. Basamakları bir örnekle izleyelim.

Bir öğrenci, pencere kenarındaki fesleğenlerin odanın iç köşesindekilerden daha gür olduğunu fark ediyor. Bu bir gözlemdir: duyu organlarıyla ya da ölçüm araçlarıyla bilgi toplamak. Gözlem nitel (yaprak rengi, koku) ya da nicel (yaprak sayısı, kütle, sıcaklık gibi sayıyla ifade edilen) olabilir. Gözlem ile yorum karıştırılmamalıdır: "Bitkinin yaprakları sarıdır" gözlemdir; "Bitki susuz kalmış" ise gözleme dayanan bir çıkarımdır ve yanlış olabilir.

Gözlemden bir problem doğar ve soru biçiminde yazılır: "Işık miktarı fesleğenin büyümesini etkiler mi?" Ardından probleme geçici bir cevap önerilir: "Daha fazla ışık alan fesleğenlerin kuru kütlesi daha fazla artar." Bu bir hipotezdir. İyi bir hipotez test edilebilir olmalıdır; yani onu yanlışlayabilecek bir deney ya da gözlem tasarlanabilmelidir. "Fesleğen güzel kokulu olduğu için insanlar onu sever" ya da "Bitkileri görünmeyen bir güç büyütür" gibi ifadeler deneyle sınanamaz, bu yüzden bilimsel hipotez değildir.

Hipotezden bir tahmin çıkarılır, çoğu kez "eğer ... ise ... olur" kalıbıyla: "Eğer aynı fesleğen fideleri dört hafta boyunca farklı ışık şiddetlerinde yetiştirilirse en çok ışık alanların kuru kütlesi en fazla artar." Tahmin, deneyde neyin ölçüleceğini açıkça gösterir. Sonra deney yapılır, sonuçlar veri olarak kaydedilir ve düzenlenir (tablo, grafik). Veriler tahminle uyuşuyorsa hipotez desteklenir; uyuşmuyorsa hipotez reddedilir ya da düzeltilir ve yeni bir hipotez kurulup yeniden test edilir.

Desteklenen bir hipotez bile "kesin olarak kanıtlanmış" sayılmaz. Tek bir deney, hipotezi yalnızca o koşullarda destekler. Bu yüzden deneyler tekrarlanır, her grupta yeterli sayıda birey kullanılır ve sonuçlar başka araştırmacılarla paylaşılır. Bilimsel yöntem katı ve tek yönlü bir sıra değildir: yeni bir gözlem araştırmacıyı başa döndürebilir, beklenmedik bir veri yepyeni bir problem doğurabilir.

Kontrollü deney ve değişkenler

Bir etkenin sonuca etkisini anlamanın en güvenilir yolu kontrollü deneydir. Kontrollü deneyde araştırmacının bilerek değiştirdiği etkene bağımsız değişken, bu değişikliğe bağlı olarak ölçülen sonuca bağımlı değişken denir. Sonucu etkileyebilecek diğer bütün etkenler bütün düzeneklerde aynı tutulur; bunlara kontrol değişkenleri (sabit tutulan değişkenler) denir.

Fesleğen deneyinde bağımsız değişken ışık şiddetidir. Bağımlı değişken kuru kütle artışıdır. Bitki türü, fidelerin yaşı, toprak miktarı ve türü, verilen su, sıcaklık, saksı büyüklüğü ve deneyin süresi kontrol değişkenleridir. Bu etkenlerden biri de düzenekler arasında farklı olsaydı, sonuçtaki farkın ışıktan mı yoksa o etkenden mi kaynaklandığı bilinemezdi.

Bir deneyde deney grubu, bağımsız değişkenin uygulandığı ya da değiştirildiği gruptur. Kontrol grubu ise bağımsız değişkenin uygulanmadığı, normal koşullarda tutulan, karşılaştırma için kurulan gruptur. Yeni bir gübrenin etkisi araştırılıyorsa gübre verilen saksılar deney grubu, gübre verilmeyen ama başka her bakımdan aynı koşullarda tutulan saksılar kontrol grubudur. Kontrol grubu olmadan, deney grubundaki büyümenin gübreden mi yoksa zaten o mevsimde beklenen büyümeden mi kaynaklandığı anlaşılamaz.

Tarihten bilinen bir örnek, İtalyan hekim Francesco Redi'nin 17. yüzyılda yaptığı deneydir. O dönemde çürüyen etten kurtçukların kendiliğinden oluştuğuna inanılıyordu. Redi et parçalarını bazı kavanozlarda ağzı açık, bazılarında ağzı ince bir tülle örtülü olarak bekletti. Kurtçuklar yalnızca sineklerin konabildiği açık kavanozlardaki ette ortaya çıktı; tülle örtülü kavanozlarda sinekler yumurtalarını tülün üstüne bıraktı. Burada bağımsız değişken sineklerin ete ulaşıp ulaşamaması, bağımlı değişken ette kurtçuk görülüp görülmemesidir. Hava her iki grupta da kavanoza girebildiği için "havasızlık" açıklaması da dışarıda kalmıştır.

Hipotez, teori ve kanun

Bilimsel bilgi farklı türlerde olabilir. Hipotez, belirli bir probleme önerilen, test edilmeyi bekleyen geçici açıklamadır. Teori (kuram), çok sayıda gözlem ve deneyle desteklenmiş, birçok olayı birlikte açıklayan geniş kapsamlı bir açıklamadır. Hücre teorisi buna örnektir: bütün canlılar bir ya da daha çok hücreden oluşur; hücre canlının yapısal ve işlevsel en küçük birimidir; her hücre önceden var olan bir hücreden oluşur. Bu teori, 19. yüzyılda Schleiden, Schwann ve Virchow'un çalışmalarıyla şekillenmiş ve o günden bu yana sayısız gözlemle desteklenmiştir.

Kanun (yasa) ise doğadaki bir düzenliliği, bir olayın nasıl gerçekleştiğini tanımlayan ifadedir ve çoğu kez matematiksel bir ilişkiyle yazılır. Teori olayın neden öyle olduğunu açıklamaya çalışır. Bu ikisi farklı türde bilgilerdir: bir teori ne kadar çok kanıtla desteklenirse desteklensin kanuna dönüşmez, bir kanun da teoriden "daha üst" bir aşama değildir.

Bilimsel bilginin önemli bir özelliği değişebilir olmasıdır. Yeni teknikler ve yeni kanıtlar ortaya çıktıkça teoriler ve kanunlar da düzeltilebilir, genişletilebilir ya da terk edilebilir. Mikroskobun gelişmesi hücrenin keşfini, elektron mikroskobunun gelişmesi ise hücre içindeki yapıların ayrıntılı görülmesini sağlamıştır. Bilimin bu açıklığı bir zayıflık değil, onu güvenilir kılan şeydir.

Hücresel yapı ve organizasyon

Bir varlığın canlı sayılması için tek bir özellik yetmez; canlılar bir dizi özelliği birlikte taşır. Bunların ilki hücresel yapıdır: bütün canlılar hücrelerden oluşur. Bakteri ve maya gibi tek hücreli canlılarda tek bir hücre bütün yaşamsal işleri yapar. Çok hücreli canlılarda ise hücreler görev paylaşımı yapar.

Bütün canlıların hücrelerinde hücre zarı, sitoplazma, ribozom ve kalıtım materyali olarak DNA bulunur. Bakteriler gibi prokaryot hücrelerde DNA'yı çevreleyen bir çekirdek zarı ve zarlı organeller yoktur; ama ribozom vardır. Maya, bitki ve hayvan hücreleri gibi ökaryot hücrelerde çekirdek zarıyla çevrili bir çekirdek ve zarlı organeller bulunur. Burada bir istisnayı bilmek gerekir: memelilerin olgun alyuvarları gelişimleri sırasında çekirdeklerini ve organellerini kaybeder. Bu hücrelerin hücre zarı vardır ama çekirdekleri ve ribozomları yoktur. Yani "çekirdeksiz hücre" görünce hemen "bakteri" demek doğru olmaz.

Çok hücreli canlılarda yapılar basitten karmaşığa doğru bir organizasyon gösterir: benzer yapı ve görevdeki hücreler dokuyu, farklı dokular bir araya gelerek belirli bir işi yapan organı, birlikte çalışan organlar sistemi, sistemler de organizmayı oluşturur. Kalp kası hücreleri kalp kası dokusunu, kalp kası dokusu ile bağ, epitel ve sinir dokuları kalbi, kalp ve damarlar dolaşım sistemini oluşturur. Tek hücreli bir canlıda hücre düzeyi ile organizma düzeyi aynıdır. Organizmanın ötesinde de düzeyler vardır: aynı türden bireyler popülasyonu, bir alandaki popülasyonlar komüniteyi, komünite cansız çevresiyle birlikte ekosistemi oluşturur.

Beslenme, solunum ve enerji

Bütün canlılar yaşamak için enerjiye ve yapı maddesine ihtiyaç duyar; bunları beslenme ile karşılar. Kendi besinini inorganik maddelerden üretebilen canlılara ototrof denir. Bitkiler, algler ve siyanobakteriler ışık enerjisini kullanarak fotosentez yapar. Bazı bakteriler ise ışık yerine bazı inorganik maddelerin tepkimelerinden elde ettikleri kimyasal enerjiyle besin üretir; buna kemosentez denir. Besinini dışarıdan hazır alan canlılara heterotrof denir: hayvanlar, mantarlar (ekmek mayası ve şapkalı mantar dahil) ve bakterilerin çoğu heterotroftur. Öglena gibi bazı tek hücreliler ışıkta fotosentez yapar, ışık yokken hazır besin alır.

Besinlerdeki enerji doğrudan kullanılamaz; önce hücresel solunum ile yıkılır ve enerjinin bir kısmı ATP (adenozin trifosfat) molekülüne aktarılır. Hücresel solunum oksijenli solunum, oksijensiz solunum ya da fermantasyon biçiminde olabilir. Örneğin ekmek mayası hem oksijenli solunum hem fermantasyon yapabilir; oksijensiz ortamda şekeri etil alkol ve karbondioksite çevirerek fermantasyon yapar. Hamurun kabarması bu karbondioksit sayesindedir. Fotosentez yapan canlılar da solunum yapar: bir bitki fotosentezi yalnızca ışıkta yapar, solunumu ise gece gündüz sürdürür.

ATP bütün canlılarda ortak enerji molekülüdür. Kas kasılması, maddelerin sentezi, bazı maddelerin hücre zarından taşınması gibi enerji isteyen işler ATP'nin ADP ve fosfata dönüşmesiyle açığa çıkan enerjiyle yapılır. Her hücre kendi ATP'sini üretir; ATP enerji kaynağı olarak hücreden hücreye taşınmaz ve uzun süre depolanmaz, sürekli üretilip harcanır.

Metabolizma: yapım ve yıkım

Hücrede gerçekleşen bütün kimyasal tepkimelerin toplamına metabolizma denir. Metabolizma iki yönlüdür. Küçük moleküllerden büyük moleküllerin yapıldığı tepkimelere anabolizma (yapım) denir: glikozdan glikojen ya da nişasta yapımı, amino asitlerden protein sentezi, fotosentezde glikoz üretimi anabolik olaylardır ve enerji gerektirir. Büyük moleküllerin küçük moleküllere yıkıldığı tepkimelere katabolizma (yıkım) denir: hücresel solunum, sindirimde nişastanın glikoza ya da proteinin amino asitlere ayrılması katabolik olaylardır.

Katabolizma ile enerji ilişkisi sık sorulur. Hücresel solunum katabolik bir olaydır ve ATP üretir. Sindirim de katabolik bir olaydır (büyük molekül su ile parçalanır, buna hidroliz denir) ama sindirimde ATP üretilmez; açığa çıkan az miktardaki enerji ısı olarak kaybolur. Bu nedenle "her katabolik olayda ATP üretilir" ifadesi yanlıştır.

Anabolizma ile katabolizmanın hızları canlının durumuna göre değişir. Büyüme döneminde anabolizma katabolizmadan hızlıdır; canlı yeni hücre ve doku yapar, kütlesi artar. Yetişkinlikte iki yön yaklaşık dengededir. Uzun süreli açlık, ağır hastalık ve yaşlılıkta katabolizma ağır basar ve vücut kendi depo maddelerini, sonra yapı maddelerini kullanmaya başlar.

Boşaltım, uyarılara tepki ve hareket

Metabolizma sırasında karbondioksit, fazla su ve tuzlar ile protein yıkımından kaynaklanan azotlu atıklar (amonyak, üre, ürik asit) oluşur. Bu metabolik atıkların vücuttan uzaklaştırılmasına boşaltım denir. İnsanda böbrekler idrar oluşturarak, akciğerler karbondioksit ve su buharı vererek boşaltıma katılır. Tek hücreliler atıklarını hücre zarından difüzyonla atar; tatlı suda yaşayan bazı tek hücrelilerde kontraktil koful hücreye giren fazla suyu dışarı pompalar. Bitkiler gaz hâlindeki atıkları stomalardan verir, bazı atıkları kofullarında biriktirir ve yaprak dökümüyle uzaklaştırır.

Burada önemli bir ayrım vardır: dışkılama boşaltım değildir. Dışkıdaki sindirilmemiş besin artıkları hücrelere hiç girmemiş, metabolizmada oluşmamıştır; sindirim kanalından geçip atılır.

Bütün canlılar iç ve dış ortamdaki değişikliklere, yani uyarılara tepki verir. Sıcak bir yüzeye değen el hemen geri çekilir; pencere önündeki fide ışığa doğru yönelir; küstümotu dokunulunca yapraklarını kapatır; bazı bakteriler besin maddesine doğru, zararlı bir kimyasaldan uzağa hareket eder.

Hareket de canlılığın bir belirtisidir, ama dikkatli düşünmek gerekir. Hayvanların çoğu ve kamçılı ya da silli birçok tek hücreli yer değiştirir. Bitkiler ise kökleriyle toprağa bağlıdır ve yer değiştirmez; buna karşın yönelme, yaprakların açılıp kapanması gibi hareketler gösterir ve hücrelerinin içinde sitoplazma sürekli hareket eder. Bu nedenle yer değiştirme hareketi bütün canlılar için ortak bir özellik değildir.

Büyüme, gelişme ve üreme

Büyüme, canlının kütlesinin ve hacminin kalıcı olarak artmasıdır ve anabolizmanın katabolizmadan hızlı olmasıyla mümkündür. Tek hücreli canlılarda büyüme hücre hacminin, yani sitoplazma miktarının artmasıdır. Çok hücreli canlılarda büyüme hem hücre sayısının (bölünmeyle) hem de hücre hacminin artmasıyla olur. Bitkiler büyümeyi sağlayan bölünür dokuları (meristem) sayesinde yaşamları boyunca büyüyebilir.

Gelişme, hücrelerin farklılaşarak belirli yapı ve görevler kazanması, canlının ergin yapıya ulaşmasıdır. Tohumdan fidenin, döllenmiş yumurtadan bebeğin, iribaştan kurbağanın oluşması gelişmedir. Büyüme bir artışı, gelişme bir değişimi anlatır; ikisi çoğunlukla birlikte yürür.

Üreme, canlının kendine benzer yeni bireyler oluşturmasıdır. Tek bir atanın yeterli olduğu, gamet oluşturulmadan gerçekleşen üremeye eşeysiz üreme denir: bakterilerin ikiye bölünmesi, mayanın tomurcuklanması, patatesin yumrusundan yeni bitki oluşması buna örnektir. Eşeysiz üremeyle oluşan bireyler kalıtsal olarak ataya ve birbirlerine benzer. Eşeyli üremede ise erkek ve dişi gametler birleşir (döllenme); yavrular iki atanın kalıtsal özelliklerini karışık olarak taşır ve kalıtsal çeşitlilik artar. Bölünmelerin ayrıntısını hücre bölünmeleri konusunda göreceksin.

Üreme bireyin yaşaması için zorunlu değildir; türün devamı için gereklidir. Katır üreyemez ama beslenir, solunum yapar, büyür; yani canlıdır.

Homeostazi ve adaptasyon

Canlılar dış ortam değişse bile iç ortamlarını belirli sınırlar içinde sabit tutar. Buna homeostazi denir. İnsanın vücut sıcaklığı sıcak havada terleme, soğukta titreme ve deri damarlarının daralmasıyla yaklaşık 37 °C'de tutulur. Kandaki şeker miktarı, vücudun su ve tuz dengesi, kanın pH'ı da homeostaziyle korunur. Bitkiler susuz kaldıklarında stomalarını kapatarak su kaybını azaltır. Homeostazi bozulduğunda hastalık ortaya çıkar.

Adaptasyon, bir canlının yaşadığı ortamda hayatta kalma ve üreme şansını artıran kalıtsal özelliklerdir. Kaktüslerde yaprakların dikene dönüşmesi su kaybını azaltır; develerin geniş ayak tabanları kumda batmayı önler; kutup tilkisinin küçük kulakları ısı kaybını azaltır. Adaptasyonlar popülasyonda kuşaklar boyunca oluşur ve yavrulara aktarılır.

Bir bireyin yaşamı boyunca çevre etkisiyle kazandığı değişiklikler ise kalıtsal değildir ve adaptasyon sayılmaz. Güneşte kalan bir insanın derisinin bronzlaşması ya da düzenli spor yapan birinin kaslarının gelişmesi böyledir; bu değişiklikler yavruya aktarılmaz. Homeostazi ile adaptasyonu da karıştırma: terleme o anda iç ortamı dengeleyen bir düzenlemedir, kutup ayısının kalın yağ tabakası ise türün kalıtsal bir uyumudur.

Virüsler canlı mıdır?

Virüsler, bir nükleik asidin (DNA ya da RNA, ikisi birlikte değil) protein bir kılıfla (kapsit) çevrilmesinden oluşan çok küçük yapılardır. Bazılarının dışında, konak hücrenin zarından alınmış bir zarf bulunur. Çoğu virüs bakterilerden çok daha küçüktür ve ancak elektron mikroskobuyla görülebilir.

Virüsleri canlılara benzeten özellikler şunlardır: kalıtım materyalleri vardır; bir konak hücreye girdiklerinde çoğalırlar; kalıtım materyallerinde mutasyon olur, bu yüzden zamanla değişirler (her yıl yeni grip aşısı gerekmesinin bir nedeni budur).

Virüsleri cansız varlıklara benzeten özellikler ise daha temeldir. Hücresel yapıları yoktur: hücre zarı, sitoplazma ve ribozom bulundurmazlar. Kendi metabolizmaları yoktur; beslenmez, solunum yapmaz, ATP üretmez, kendi proteinlerini sentezleyemezler. Bazı virüsler kılıflarının içinde birkaç enzim taşısa da bu enzimler tek başına bir metabolizma oluşturmaz. Virüsler ancak canlı bir konak hücreye girdiklerinde, o hücrenin ribozomlarını, enzimlerini, ATP'sini ve yapı taşlarını kullanarak çoğalabilir; konak dışında hiçbir yaşamsal etkinlik göstermezler. Bazı virüsler, örneğin tütün mozaik virüsü, saflaştırılıp tuz gibi kristallendirilebilir.

Bu nedenle virüsler zorunlu hücre içi parazit olarak tanımlanır ve canlı ile cansız arasında bir yerde düşünülür. Canlıların sınıflandırıldığı âlemlerin hiçbirine dahil edilmezler. Antibiyotikler bakterilerin hücre yapılarını ya da metabolizmalarını hedeflediği için virüslere etki etmez.

Deney sorularını adım adım çözmek

Deney yorumu soruları bu konunun en çok puan getiren kısmıdır. Bir düzenek şekli ya da tablo verildiğinde şu sırayı izle:

1. Araştırılan problem ne? Kökte geçen hipotezi ya da soruyu bul.
2. Düzenekler arasında hangi etkenler farklı? Bunlar bağımsız değişken adaylarıdır.
3. Ne ölçülüyor ya da gözleniyor? Bu bağımlı değişkendir.
4. Hangi etkenler bütün düzeneklerde aynı? Bunlar kontrol değişkenleridir.
5. Karşılaştırılan iki düzenek arasında yalnızca bir fark var mı? Varsa sonuç o etken hakkındadır.
6. Sonuç yalnızca verilen veriden çıkarılır. Deneyde denenmemiş bir koşul hakkında kesin yargı verilmez.

Aşağıdaki maya deneyinde üç şişe aynı miktarda maya, şeker ve su içeriyor, yalnızca bekletildikleri sıcaklık farklı. Maya şekeri yıkarken açığa çıkan karbondioksit şişenin ağzına geçirilen balonu şişirir. Şişeler bekletildikten sonra oda sıcaklığına getirilip balonlar öyle karşılaştırılır; böylece şişedeki havanın ısınıp genleşmesi sonucu etkilemez. Bağımsız değişken sıcaklık, bağımlı değişken balonun şişme miktarı (açığa çıkan karbondioksit), kontrol değişkenleri maya, şeker ve su miktarı, şişe büyüklüğü ve süredir.

Bu deneyden "maya en iyi 30 °C'de çalışır" diye kesin bir sonuç çıkaramayız; yalnızca denenen üç sıcaklık arasında en çok karbondioksitin 30 °C'de açığa çıktığını söyleyebiliriz. 25 °C ya da 40 °C denenmemiştir. Şekersiz bir şişe de kurulmadığı için "maya şeker olmadan karbondioksit üretmez" yargısı bu deneyden çıkmaz.