BİYOLOJİYE GİRİŞ MBG 111 BİYOLOJİ I Hazırlayan: Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER
DÜNYANIN OLUŞUMUNDA MOLEKÜLER EVRİM *Canlılar belirli bir büyüklükteki moleküler dizilimin ürünü olmak zorundadır. *Bunun nedeni karmaşık olarak tanımlanabilecek, tepki gösterebilen, birbirinden farklı moleküllerle yapılma zorunluluğudur. *Bugün tanımlayabileceğimiz biyolojik yapı, biyomer dediğimiz belirli polimerlerden oluşmak zorundadır. *Moleküler çeşitlenmeyi, yani biyolojik çeşitliliği sağlayabilmek için özellikle birden çok bağ oluşturabilen karbon ve silisyum gibi ana elementlere ihtiyaç vardır. *Fakat bu elementlerin oluşturacağı bağların kırılgan yapı göstermemesi gerekir. Ayrıca bu moleküllerin oluşturdukları küçük bileşikler bir sıvıda çözünebilir olmalıdır.
*Bu nedenle, örneğin silisyumdan oluşmuş bir canlı kesinlikle yoktur. Çünkü SiO 2 suda çözünemez, dolayısıyla kimyasal tepkimelere yeterince giremez. *Gaz haline geçebilen, suda çözünen CO 2 dir. Dolayısiyle, polimerlerin oluşması için en uygun element olarak karbon görülmektedir. Basit moleküller belirli fiziksel koşullarda moleküler bütünlüğünü korur. *Buna karşılık, molekülün boyutları büyüdükçe ve özellikle bu molekül sürekli kimyasal tepkimelere katılmak durumunda kaldıkça, belirli fiziksel koşulların dışında 3 boyutlu yapısını (tersiyer yapısını) koruyamaz. Karbondioksit (CO 2 ) Silisyum dioksit (SiO 2 )
*Bu nedenle canlılığın çok yüksek sıcaklıklarda (100ºC tan fazla sıcaklıklarda) oluştuğunu savunmak sınırsız bir yorum yapmak olur. *Kaba bir tahminle, biyomerlerin özelliklerini koruyabilmeleri için 0-100 ºC 'lık sıcaklık aralığında bulunmaları gerekir. *Dünya mızın kabaca 4,5 milyar yıl önce oluştuğu saptanmıştır. Ancak Dünya nın organik polimerleri sürekli tutabilecek ortama 3,8 milyar yıl önce kavuştuğu düşünülmektedir. *Miller in öğrenciyken yaptığı deney ve onu izleyen değişik gözlem ve araştırmalar, basit organik moleküllerin, Dünya nın 4 milyar yıl önceki koşulları laboratuvar ortamında oluşturularak ve o günkü aktive edici ajanlar (yüksek enerjili ışınlar, elektrik deşarjları, mor ötesi dalga boyları vs.) kullanılarak belirli ölçüde sentezlenebileceğini gösterdi. *Bu deney, inorganik yapıdan organik yapıya geçişin ilk adımlarını oluşturur. Bu tip moleküller, aşırı olarak tanımladı ya da daha karmaşık moleküllere dönüşebilir.
*Dünya yaklaşık 4 milyar yıldır bir yaşam ortamıdır. Organik evrim, bir yaşam ortamının başlangıcından bu yana kadar oluşan değişiklikleri inceleyen bilimin adıdır. *İnorganik evrim ise bundan önceki süreci de kapsayarak inceler. İnorganik evrimden bildiğimiz gibi, her an yapısını değiştirebilen bir evrede, yaşam ortamının da sabit kalması beklenemez. *Sabit kalmayan bir yaşam alanındaysa, bütünü oluşturan parçaların değişmeden kaldığını savunmak doğanın mekaniğine aykırıdır. *Bu nedenle 4 milyar yıldan beri hiç durmayan bir evrim söz konusudur.
Bir türün, ürediği tür hakkındaki bilgileri, onların özelliklerini ve türün son halinin diğer türlerle ilişkisini inceleyen bilim dalına Filogeni denir. Biyolojiye birbirinden farklı birçok yaklaşım türü, filogeniyi ilerletir: Moleküler biyoloji, DNA zincirlerinin karşılaştırılmalarını yaparken fosillerin karşılaştırmalarını da paleontoloji yapar. Bilimadamları, evrim ilişkilerini, birkaç metodla inceleyip düzenlerler. Bu metodlar; filogenetik, genetik ve kladistik olarak üç dalda toplanabilir. Evrim teorisi, Darwin ve Wallace tarafından açıklanmasından beri, bu fikir, sonuçlara ya da açıklamaları tutarlı bulmayan bilim insanları tarafından sürekli tartışılmıştır. Ancak, günümüzde biyologların çoğu Evrim teorisi ni, bir değişim olarak kabul ederler. Bu hali ile kullanılabilir ve geçerli bir Hipotez olduğunu kabul etmişlerdir. Çünkü Teori olmasını sağlayacak şartları tam olarak yerine getirememektedir. İnsanlık bir hücreyi inorganik maddelerden yapmadığı sürece, bunu yapsa bile bunun farklılaşarak tür meydana getirdiğini deneysel olarak açıklamadıkça evrim, mesela bir hücre teorisi gibi olamaz. Kabulden öteye geçemez. Bu yönüyle de son derece çağdaş bir dogmadan ileri geçemez.
FİLOGENİ Fosil: Geçmişte yaşamış organizmalardan tortul kayaçlar arasında kalan izler yada kısımlara verilen isimdir. Biyoloji bilminin tarihsel verileridir. Prekambriyen 4600 Milyon yıl önce Dünyanın yaklaşık oluşum zamanı 3800 Milyon yıl önce İlk yaşam izleri 3500 Milyon yıl önce Atmosfer oluşmaya başlıyor 2700 Milyon yıl önce Prokaryotlar 2200 Milyon yıl önce Ökaryotik hücre izleri ve prokaryotlar 600 Milyon yıl önce Yumuşakçalar ve algler
Paleozoik Kambriyen 543 Milyon yıl önce Pek çok modern hayvan filumu Ordovisyen 510 Milyon yıl önce Sucul algler, kara bitkileri ve eklem bacaklılar Siluriyen 439 Milyon yıl önce Çenesiz balıkların yayılışı, ilk çeneli balıklar ve damarlı bitkiler Devoniyen 409 Milyon yıl önce Kemikli balıkların yayılışı, ilk amfibi ve böcekler Karbonifer 363 Milyon yıl önce Damarlı tohumlu bitkiler, sürüngenler, amfibiler baskın Permiyen 290 Milyon yıl önce Bir çok denizel ve karasal organizma topluca ortadan kalkar. Sürüngenler ve sürüngene benzeyen memeliler, modern böcekler yayılır
Mezozoik Trias 245 Milyon yıl önce Kozalaklı bitkiler (Gimnospermler) baskın dinazorların yayılışı Jura 206 Milyon yıl önce Kozalaklı bitkiler (Gimnospermler) ve dinazorlar baskın Kreatase 144 Milyon yıl önce Çiçekli bitkiler (Angiospermler) meydana çıkar dinazorların tükenir Kreatase sonunda Palosen başında 65 Milyon yıl önce karayip denizine göktaşı çarpması ile dinazorlar tükeniyor.
Senozoik Tersiyar Paleosen 65 Milyon yıl önce Memeli kuş polinatan böceklerin yayılışı Eosen 57 Milyon yıl önce Angiospermler baskın, memeliler yayılıyor Oligosen 35 Milyon yıl önce Kuyruksuz maymun ve pek çok primat görülmeye başlıyor Migosen 23 Milyon yıl önce Memeli ve angiospermler yayılıyor Pilosen 5 Milyon yıl önce İnsanın maymun benzeri ataları ortaya çıkıyor Kuaternar Pileistosen 1.8 Milyon yıl önce Buzul çağları ve ortaya çıkışı Şimdiki zaman 0.01 Milyon yıl önce Yazılı tarih
Biyolojinin İlkeleri Biyolojik bilimler, birkaç temel ilkenin altında toplanılabilirler: 1.Evrensellik, 2.Evrim -Değişim, 3.Çeşitlilik, 4.Devamlılık, 5.Genetik, 6.Homeostasis, 7.Etkileşimler.
BİYOLOJİ BİLMİ 1.1.Hayat Bilgisi Biyoloji doğa bilimlerini birleştiren bir bilim dalıdır. Bunu temel nedeni biyolojik sistemlerin çalışılmasında farklı bilim dalları ile ortak çözümler aranmasına ve bir sorunu çözmek için pek çok farklı yaklaşımlara ihtiyaç duyulmasıdır.
Hayat basit tanımını aşıyor. Ömrü tanımlamak zor olsa da Bir veya daha fazla hücreden oluşan canlı sistemlerin yedi ortak özellikleri vardır. Yüksek ve karmaşık yapılı olmaları; uyaranlara cevap verebilmeleri; büyüme, üreme ve kendinden sonra gelen bireylere genetik bilgiyi aktarabilmeleri, çalışmak için enerjiye ihtiyaç duymaları ve nispeten sabit iç koşulları (homeostazi) korumaları; ve ortamlara evrimsel adaptasyon yeteneğine sahip olmalarıdır.
Yaşam sistemleri hiyerarşik örgütlenme Canlı sistemlerin hiyerarşik örgütlenme atomlardan biyosfere ilerler. Daha yüksek bir düzeye her çıkışlarında, ortaya çıkan yeni özellikler diğer, kazanılmış özelliklerin, parçaların toplamından daha fazladır.
1.2. Bilimin doğası Özünde, bilim, gözlem ve muhakeme ile dünyanın doğasını anlayabilmekle ilgilidir. Bilim açıklayıcıdır Bilim, gözlem ve deney yoluyla doğa giderek daha doğru bir açıklama geliştirilmesi ile ilgilenir. Bilim tümdengelim ve tümevarım akıl kullanır Tümdengelimde belirli sonuçları tahmin etmek için genel ilkeler geçerlidir. Endüktif muhakeme, genel bilimsel ilkelere oluşturmak için özel gözlemler kullanır.
Hipotez odaklı bilim yapmak, testler, tahminler ve Teori Gözlemlere dayanarak bir hipotez inşa edilir ve bu hipotezin doğruluğunu kanıtlamak için deneysel olarak test edilebilir tahminler üretmek gerekir. Deneylerde bir değişken değiştirilir ve test edilir. Bu durumda elbette bir kontrol gerekir. Öngörülerin deney ya da gözlemler tarafından doğrulanmadığı durumlarda hipotezler reddedilir. Eğer doğrulanırsa kabul edilir ve TEORİ adı verilir.
İndirgemede, büyük sistemler kendini oluşturan parçalara ayrılır. İndirgeme karmaşık bir sistemin, onu oluşturan bileşenlerine, parçalarına ayırarak bütünü anlamaya çalışır. Büyük sistem oluşturan ayrılmış birimler, parçalar bütünden izole parçalar oldukları için farklı hareket edebilirler. Çünkü sınırlıdırlar. Biyologlar yaşam sistemleri açıklamak için modeller oluştururlar. Bir model oluşturarak sorun hakkında düşünmek, araştırıcıya organize bir yol sağlar. Modelleme ile oluşturulan deneysel yaklaşımlar canlı bilminde önerilmektedir.
Doğal bilimsel teoriler Bilim adamları, teori kelimesini iki ana yol için iki kullanırlar: ilki bazı doğal fenomenlerin açıklanması için ve ikincisi vücut bileşenlerinin ve çalışma kavramlarının anlaşılması içindir. Araştırma temel veya uygulamalı olabilir. Temel araştırma bildiklerimizin sınırlarını genişletir; uygulamalı araştırma, tarım, tıp, ve sanayi gibi uygulamalı alanlarda bilimsel bulguları kullanmak ister. 1.3 Bilimsel araştırmaya bir örnek Darwin in evrim teorisinde, bir bilim adamının nasıl bir hipotez geliştirdiği, deliller yardımıyla nasıl düzenlendiği ve yanı sıra bilimsel bir teori olarak nasıl büyüdüğü ve kabul edildiği, kazançları ve nasıl düzenlendiği görülebilir.
Evrim fikri Darwin'den önce de vardı. Doğa bilimcileri ve filozoflar dünya tarihinde birden fazla kez değişimler olduğunu ileri sürmüşlerdir. Darwin'in katkısı doğal seleksiyon kavramı ile olmuştur. Darwin birbirleri ile ilgili organizmalar arasındaki farklılıkları gözlemlemiştir. H.M.S. Beagle yolculuğu sırasında, Darwin çeşitliliğin gözleyerek, dünyada kalıplaşmış fikirleri değiştirme fırsatı Bulmuştur.
Darwin, evrim için bir mekanizma olarak doğal seleksiyon önerdi. Darwin, türlerin çok sayıda yavru üreten türlerin, sadece sınırlı sayıda hayatta kaldıklarını ve çoğalmaları soylarını sürdürmeleri için başka şansları olmadığını kaydetmiştir. O yavruların özellikle yapay seçilim tarafından seçilebilir olduğunu gözlemlemiştir. Darwin, istenen özelliklere sahip bireylerin zamanla nüfuslarınn artışı ile hayatta kalma ve üreme başarılarının daha fazla olduğunu söylemiştir. Bu değişiklik, doğal seçilimin (doğal seleksiyon) kökeni ve özüdür. Alfred Russel Wallace, kendi çalışmalarında, Darwin den bağımsız ve habersiz olarak aynı sonuçlara ulaşmıştır.
Evrim e Dair *Evrimsel süreçte insanlara en yakın canlılar, Primatlar, yani iki ayağı üzerine kalkabilen hayvanlar olarak görülmektedir. *Biyolojideki temel düzenleyici içerik, tüm canlıların aynı kökten gelip, değişik süreçler sonrasında değişip geliştiğini savunan evrimdir. *Canlılar arasındaki etkileyici benzerlikler Charles Darwin de evrim fikrini uyandırmış, böylece evrimin sürmesine sebebiyet veren Doğal seleksiyonu açıklayarak, evrimi, geçerli bir teori olarak haline getirmeye çalışmıştır. Bu konuda benzer zamanlarda Alfred Russel Wallace'ın yaptığı çalışmaların da bu hipotezin geliştirilmesinde ve desteklenmesinde büyük rol oynadığı da belirtilmelidir). Modern canlının gelişmesi-sentezi teorisinde, genetik çeşitlilik önemli rol oynar.
Sistematik ve taksonominin ilgi alanı olan sınıflandırma, birbirinden farklı yöntemler izler. Taksonomi, organizmaları, taxa adı verilen gruplarda sınıflandırırken, sistematik, organizmaların birbirleriyle ilişkilerini inceler. Bu bilim dalları, kladistik ve genetik dallarında da geliştirmişlerdir. Geleneksel olarak, canlılar beş büyük aleme bölünürler: Monera - Protista Fungi Plantae - Animalia Ancak, çoğu bilimadamı, bu sistemi demode bulmakta ve de modern alternatifler getirmektedirler. Modern sistemler, üç-âlemli bir sistem kullanırlar: Archaea - Bacteria - Eukaryota Bu âlemler, hücrelerin çekirdeklerinin olup olmamasına ve hücrelerin iç yapılarının farklılıklarına göre bölünmüştür. Aynı zamanda, metabolik anlamda, daha az canlı olan bazı hücre içi parazitler de biyolojide ayrı bir alem olarak incelenirler: Virüsler - Viroidler - Prionlar
*Daha da ileri gidildiğinde, bütün âlemler, tüm türler ayrı ayrı sınıflandırılıncaya kadar bölünürler. Bu sıralama, şu sırayla gider: Âlem, Filum, Sınıf, Takım, Cins, Tür ve Alt türdür. *Bir organizmanın bilimsel adı, onun cinsi ve türüne göre belirlenir. Buna ikili isimlendirme (=Binomiyal nomenclatura) denir. *Bilimsel tür isimlerini yazarken,organizmanın cinsinin ilk harfini büyük yazıp türünü küçük harflerle yazmak gerekir. Ayrıca tüm adın da yana yatık yazılması bir kuraldır. *Sınıflandırma için kullanılan terim, taksonomidir.
EVRİM VE SINIFLANDIRMA TARİHÇESİNE BAKIŞ ve ÖNEMLİ BİLİM ADAMLARI Eski Yunan: Bir çoğu, canlıların kademeli olarak değişim geçirdiğine inanıyordu. Plato (M.Ö. 427-347) ve öğrencisi Aristo (M.Ö. 384-322) iki dünya olduğuna inanıyordu. Buna göre Aristo türlerin bir merdivende sıralandığına (Scala natura = Doğanın cetveli)basitten karmaşığa gittiğine, her merdiven basamağının dolu olduğuna ve değişmeyeceğine inanıyordu. Türler daimdi, mükemmeldi ve değişmezdi. Yaklaşık 2000 yıl buna inanıldı. Plato (M.Ö. 427-347) Aristo (M.Ö. 384-322) Yahudi Hıristiyan: Eski Ahit türlerin değişmediğini söylüyordu. 1700 lü Yıllarda doğal teoloji hakimdi. Doğal teolojinin amacı, türleri Tanrının canlıları yarattığı düzende, yaratılış basamaklarını gösterecek şekilde sınıflandırmaktı.
*Carl von Linnaeus (İsveç) 18. yüzyılda yaşamış bir doğa bilimci, canlıların iki isimle sınıflandırılmasının babası ve tüm canlıların karşılaştırmalı sistematiğini yaptı. *Jean Baptiste Lamarck (Fransa)1809 da Paris Doğa Tarihi Müzesinde çalışırken ilk evrim teorisini ortaya atan kitabını yayınladı. 18. Yüzyılın sonuna doğru; Jean Baptiste Lamarck canlıların nasıl bir evrim geçirdiğine yönelik kapsamlı bir model geliştirdi. 1809 da Paris Doğa Tarihi Müzesinde çalışırken yaşlı fosiller ile genç fosiller arasındaki ilişkileri inceleyerek ilk evrim teorisini ortaya atan kitabını yayınladı. Türlerin özgün adaptasyonları ile ilgili fikirleri ile dikkati çekti. Kullanılma ve kullanılmama fikri en dikkat çekici olandı. Kullanılan organ gelişir, kullanılmayan organ ise körelir fikrine dayanıyordu (Ör: Zürafanın boyun uzunluğu) Kazanılmış karakterlerin yeni nesillere kalıtıldığı fikridir. Bu fikirler özellikle Cuvier tarafından eleştirildi. *Charles Darwin 1859 da Türlerin Kökeni adlı kitabı ile Evrim in varlığını kanıtlarla ispatladı. *Darwin, türlerin kökeni isimli eserinde iki önemli noktayı tespit etti; 1.Bugün Dünya da yaşayan organizma türlerinin atasal türlerden ürediğini kanıtlarla ispatladı. 2.Doğal seçme adını verdiği mekanizma ile evrimleşmenin gerçekleştiğini öne sürdü.
*Antoine-Laurent de Jussieu (Fransa) Bitkiler aleminin temel alt bölünmelerini yaptı. *Georges Leopold Cuvier (Fransa) Hayvanlar aleminin dallanmasını yaptı. Fosil çalışmaları Darwin in fikirlerine temel oluşturdu. Katmanlar arasında eskiye gidildikçe canlılardaki değişim ve basitleşmeyi gösterdi ama Evrim e inanmadı. Katastrofizmi savundu. Doğal felaketlerin ancak bazı türleri topluca ortadan kaldırdığına inandı. *Ernest Haeckel (Almanya) Monera alemini ve pek çok bakteriyi ilk tanımladı. *Herbert F. Copeland (Amerika) Bütün mikroorganizmalar yeniden sınıflandırdı ve tanımladı. *Hogg s (1860) Protista aleminde yer alan çekirdekli organizmaları tanımladı
Alfred Wallace (1823-1913) Doğal seçilim teorisi1858 de yayınlandı. Bu kitap iki önemli noktayı kanıtladı. Evrimin olduğunu ve Doğal seçilimin gerçekleştiğini gösterdi. Doğal seçilimin prensiplerine bakarsak; 1.Üremedeki farklı başarıdır. 2.Populasyondaki bireysel organizmalar arasında yer alan kalıtsal farklılıklar ile etkilenir. 3.Doğal seçmenin ürünü, organizma populasyonlarının çevrelerine adaptasyonudur *Robert H.Whittaker (Amerika) 5 Alem sistemini buldu ve mantarlar alemini tanımladı. *Ernst Mayr 1942 de modern anlamda Biyolojik Tür tanımlamasını yaptı.
Evrimin Diğer Kanıtları Homolojiler Homoloji: Ortak atadan gelen canlıların bazı karakter benzerliklerine denir. Anatomik Homolojiler: Anatomik olarak benzemesi aynı işe yaradığını ve aynı kökenden geldiğini göstermez. Embriyonik Homolojiler: Erginde benzer olmayan bazı yapılar, embriyonik düzeyde benzer olabilir. Tam tersi farklı embriyonik görünümler, erginde aynı işlevsel yapılara dönebilir.ör: Solungaç ve Östaki borusu. Moleküler Homolojiler: Bu tüm canlılardan elde edilen DNA ve RNA dizilerinin benzerliğini esas alır. Evrimsel akrabalıkları saptamada kullanılabilir.
Doğal seçim öngörüleri test edilmiştir. Doğal seleksiyon, birçok alanda elde edilen veriler kullanılarak test edilmiştir. Yeryüzünün yaşı ile 4,5 milyar yıl olarak belirlenen radyoaktif bozunma oranları; Gregor Mendel'in genetik deneyleri ve özellikleri ayrı, kökenleri aynı hücresel birimler miras olarak gösterilebilir. Karşılaştırmalı anatomi ve bunların arasında yer alan fosil kayıtlarıda önemli yer tutar. Homolog yapıların incelenmesi ve moleküler verilerde görülen DNA ve proteinlerdeki değişiklikler diğer kanıtları sağlar. Birlikte ele alındığında, bu bulgular güçlü bir doğal Seleksiyonu gösteren, bu şekilde evrimi destekleyen kanıtlardır. Evrimi tamamen çürütmek için hiçbir veri tespit edilememiştir.
1.4.Biyolojinin birleştirici temaları Hücre teorisi, canlı sistemlerin organizasyonu açıklar. Hücre hayatın temel birimi olduğunu göre, tüm organizmalarda büyüme ve üreme anlamak için temelini bilmemiz gerekir.
Kalıtımın moleküler temeli, yaşamın devamlılığını açıklar Kalıtsal bilgiler, DNA molekülünün üzerinde bulunan genlerde kodlanmış olarak bir nesilden diğerine geçer.
Canlı sistemleri oluşturan yapılar ve bu yapıların fonksiyonları arasındaki ilişkiler Makromoleküller ve bunların karmaşık fonksiyonları tarafından dikte edilen ve kendi yapısına bağlı özellikler canlıları oluşturur. Bunlar arasındaki yapısal ve fonksiyonel benzerlikler, bir canlıdan diğerine evrimsel bir ilişki gösterebilir. Evrimsel değişim ile yaşamın çeşitliliği ortaya çıkar. Yaşayan organizmalar ortak bir kökenden evrimsel değişim ile çeşitliliği ortaya çıkarırlar. Aralarındaki farklılıkları dayalı olarak, üç temel birime ve altı aleme ayrılırlar. Canlı sistemlerin birimlerinin evrimsel korunma ile açıklanması Temel biyokimyasal ve genetik benzerlikler, tüm yaşamın tek bir kaynaktan evrimleştiği fikrini destekler.
Hücrelerin bilgi-işlem sistemleri Hücreler hissedebilir ve hücre zarlarının üzerinde bulunan proteinler aracılığıyla çevresel değişikliklere yanıt verebilirler. Farklı hücre türleri için ifade edilen faklı bilgiler depolanabilen genetik bilgi temellidirler. Canlı sistemler hayatta kalmaları dengesiz bir sisteme dayalıdır. Organizmalar, istikrarlı durumunu korumak için sürekli bir enerji kaynağına ihtiyaç duyan dengesiz açık sistemlerdir. Canlılar, belli özelliklerini kendi kendine organize edebilir. Canlının karmaşıklık düzeyine bağlı olarak bu dengeye gelme hızı ve durumu değişkendir.
Kaynaklar Campbell Biology 9th ed.(2011) Neil A. Campbell, Jane B. Reece, Unit 4, Part:22, p: 456-457 Pearson Benjamin Cummings, 1301 Sansome St., San Francisco, CA 94111. Biology / 9th ed (2008)Peter H. Raven George B. Johnson, Kenneth A. Mason, Jonathan B. Losos, Susan R. Singer, Chapter 1, p:1-15. The McGraw-Hill Companies, Inc., 1221 Avenue of the Americas, New York, NY 10020.