Termodinamik, oldukça basite indirgenecek olursa ısı, iş, sıcaklık ve enerji dörtlüsü arasındaki ilişkiyi ve dönüşümleri inceleyen fiziğin alt alanıdır. Fiziğin çoğu disiplininde olduğu gibi termodinamiğe de hükmeden yasalar bulunmaktadır. Bu yasalar dört tanedir: Termal Denge Yasası (Sıfırıncı Yasa), Enerjinin Korunumu Yasası (Birinci Yasa), Entropi Yasası (İkinci Yasa) ve Mutlak Sıfır Yasası (Üçüncü Yasa). Bu yazıda Entropi Yasası açıklanacak, bu yasanın biyoloji bilimiyle ve canlılarla olan ilişkisi incelenecektir.
Entropi Nedir?
Entropiyi tanımlarken çoğu zaman “düzensizlik” veya “rastgelelik” gibi kavramlarla karşılaşırız. Bu kavramlar tam olarak yanlış olmasa bile hala eksik sayılabilir. Mesele şudur ki evrendeki enerji sürekli form değiştirir. Ancak bu enerji geçişleri kusursuz sağlanamaz. Her zaman saçılan ve kullanılamaz hale gelen bir kısmı olacaktır. İşte enerjinin ne kadarının dağıldığının ve saçılıp iş yapamayacak hale geldiğinin ölçüsüne de entropi deriz. Yasamız; bu kullanılamayan enerjinin ve ondan kaynaklanan düzensizliğin her zaman arttığını, yalnızca kusursuz sistemlerde (örneğin sıfır sürtünmeye ve ısı kaybına sahip olanlarda) sabit kalabileceğini söyler. Sorun şudur ki bu tarz sistemlere yalnızca ve yalnızca fizik ders kitaplarınızdaki o bayıldığınız sorularda rastlayabilirsiniz. Zira gerçek hayatta hava direncinden dolayı topunuzu istediğiniz hedefe fırlatmakta zorluk çekeceksiniz, termosunuzdaki içeceğiniz eninde sonunda soğuyacak ve kullandığınız makineler (buna siz de dâhilsiniz) bir gün aşınacaktır. Her sistem kaosa eğilimlidir. Evren bir kaos makinesidir. Entropiden bunu anlayabilirsiniz.
Açık Sistemler Olarak Canlılar
Üç temel bilim olan fizik, kimya ve biyoloji iç içe geçmiş matruşka bebeklerdir. En özelden genele gidersek biyoloji aslında canlı kimyasıdır ve kimyanın kanunlarına boyun eğer. Aynı şekilde kimya da özelleşmiş bir fiziktir. Günün sonunda vücudumuzda gerçekleşen her bir reaksiyonda fizik kanunlarını görmek durumundayız. Günlük hayatta öyle hissetmeyebilirsiniz ancak sizin herhangi bir fiziksel sistemden tek farkınız, bilince sahip olmanızdır. O hâlde vücudumuzu bir makine gibi ele alıp sorgulayalım: Bu makine nasıl işliyor ve neden bir gün durmak zorunda?
Kullanma Kılavuzunuz
Canlılar, çevreleriyle sürekli olarak madde alışverişi yapan açık sistemlerdir. Düşük entropili, yani düzenli ve stabil hâlimizi korumak için (mesela hücre bütünlüğünü sağlamak ve DNA onarımı gibi; liste oldukça uzatılabilir) besinleri yakar, onların sahip olduğu kimyasal potansiyel enerjiyi kendimize hapsederiz. Tamam; besinleri alırız, ATP üretiriz… Ama neden? Neden enerjiye ihtiyacımız var? Çünkü enerji vererek bu durumu tersine çevirmeye çalışmadığınız her an, kaosa sürüklenirsiniz! Evrenin kanunlarından biri olan entropi, her zaman sistemi “termodinamik denge” hâline getirmek üzere programlanmıştır.
Termodinamik denge hâli; kısaca ısı, basınç ve derişiminizin bulunduğunuz çevreyle eşit olmasıdır. Evrenin kanunları hücrenizin içi ve dışının bu gibi fiziksel özellikler bakımından tamamen eşit olmasını isterken sizin zavallı hücreleriniz ise yine aynı evrenin kanunları tarafından, yalnızca içini ve dışını birbirinden farklı durumlarda tutarsa hayatta kalabilecek şekilde programlanmıştır. Tezatlığın zirvesi, öyle değil mi? Bu durumda ne yaparsınız? Savaşırsınız elbette. Lakin siz değil; siz yerinizde otururken veya uyurken bunu sizin için içinizdeki o milyonlarca makine parçası yapar.
Sizin oldukça huzurlu bir biçimde gün batımını izlediğiniz bir günde içinizdeki sayılamayacak kadar fazla hücreniz, termodinamik dengeye gelip ölmemek için sodyum-potasyum pompalarını çalıştırır ki içerideki ve dışarıdaki derişim eşit olmasın. Zira eşit olursa hücre ölecektir; çünkü doğa onu sadece içeride potasyumun çok ve dışarıda sodyumun çok olacağı şekilde çalışmaya programlamıştır. Buna binlerce örnek verilebilir çünkü aslında vücudunuzda gerçekleşen ve amacı kaosa karşı çıkmak olmayan bir tane bile reaksiyon yoktur.
Ne gibi? Kalsiyumun yanlış zamanda hücre içine dolması (ki fizik kanunları onun içeri dolması için can atmasına sebep olur), hücre zarını eritebilecek bazı enzimlerin aktifleşmesine sebep olur. Dolayısıyla hücrelerimiz onu ya bazı organellere hapsetmek ya da dışarıda tutmak ister. Hücre bir an olsun bunu yapmak için gereken enerjiye sahip olmazsa kalsiyum sitoplazmaya dağılır ve oradaki “entropiyi” artırır. Hücre sonuçta ölecektir. Yemek yeme gibi bazı davranışları neden yaptığınızı umarım şimdi daha iyi anlamışsınızdır. Enerjiyi, sizi dağıtmak ve termodinamik dengeye sürüklemek isteyen entropiye karşı kullanırsınız. Ve her gün bu savaşta bir önceki günden daha çok yeniliyorsunuz.
Mağlubiyetin Faturası: Fizik Kanunlarının Gazabı
Vücudunuzun, tüm canlı vücutlarının, entropiye karşı gelmek ve düzeni korumak için durmaksızın uğraşan “entropi pompaları” ve hatta “makineler” olduğundan bahsettik. Ancak günlük hayatınızdan da bilirsiniz ki her makinenin bir kullanım ömrü olmak zorundadır. Ama neden?
Yazımızın başında, kusursuz çalışan ve enerji kaybının olmadığı o sistemlerin yalnızca ders kitaplarında var olduğundan söz etmiştik. Hiç tam verimle çalışan bir sistem gördünüz mü? Hayır. Entropi kanunu dolayısıyla evren her zaman bir vergi kesecektir. Sistem (burada sizin hücreniz) ne kadar enerji alırsa alsın o düzensizliğe tam olarak karşı koyamamaktadır. Her gün, her saniye içinizdeki entropi yalnızca başa çıkılabilir bir seviyede tutulmaktadır, kusursuz bir sıfır değil. Tertemiz ve toplu odanıza her gün birinin gelip bir eşya yerleştirdiğini veya tam orta yerine minicik de olsa çöp attığını düşünün. Odanız en başta oldukça stabil ve topluydu. Ama her gün biraz daha kirleniyor ve doluyor. Gitgide o düzenli ve kararlı hâlinden uzaklaşıyor ve odanızın düzensizliği, yani entropisi artıyor. Yani evet, yaşıyorsunuz ama her saniye entropiniz artıyor ve kan kaybediyorsunuz… Peki, biyolojik olarak oldukça dramatik ve hüzün veren bir olay olan ölümün fizikteki karşılığı nedir?
Ölüm Değil, Termodinamik Denge
Bu aşamada artık entropi öyle bir duruma gelmiştir ve vücudun içindeki sistemleri öyle düzensiz hâle getirmiştir ki o tam verimle yapılamayan ama ömür boyunca süren “biyolojinin canlılık kanunları termodinamiğin ikinci yasasına karşı” savaşını kaybederiz. Sistemimiz o düzeni koruyacak enerjiyi verimli kullanamıyordur ve evrenin yasaları üstünlük kurmuştur. Fiziksel tanımıyla ölüm, açık bir sistemin çevresiyle olan enerji alışverişini sürdüremeyecek hâle gelecek kadar yıpranması sonucunda kapalı bir sistem hâline gelmesidir. Doğayla aramızdaki o savaş biter ve bu durum; bizim için olmasa da en başından beri bizi termodinamik dengeye getirebilmek için aşındıran kâinatı oldukça memnun eder.
Bilgi (Shannon Entropisi) ve Genetik Kodun Silinmesi
Fizikte bir sürü entropi çeşidi vardır ve bu yazıda maalesef ki hepsinden bahsedilemeyecektir; ancak termodinamikteki entropi kaybedilen enerji ve düzensizliğin bir ölçüsüyken bilgi entropisi ise “bir mesajdaki belirsizlik, rastgelelik” demektir. Bu kavram, sistemdeki verinin ne kadar tahmin edilemez olduğunun bir ölçüsüdür. Bu konsept bizim genetiğimizde nasıl işler? DNA’mız milyonlarca yıllık bir evrimle yazılmış, evrenin bilinen en yoğun ve anlamlı bilgi deposudur. Genç ve sağlıklı bir hücrede bu kodun okunması ve okunmasını belirleyen epigenetik etiketler kusursuzdur. Yani bilgi entropisi düşüktür. Ancak ne zaman ki hücredeki termodinamik entropi sebebiyle oksidatif stres ve kopyalama hataları artar, o zaman genetik metin yavaşça anlamsızlaşmaya başlar. Hücre kendi kimliğini unutur, işlev göremez hâle gelir.
Kısacası entropi sadece enerjimizi tüketen bir güç değil, zamanla biyolojik şifremizi de silen bir etkidir. Yaşlanma sadece termodinamik dengeye ulaşma değil, aynı zamanda hücresel hafızanın bilgi entropisine yenik düşüp anlamsızlaşmasıdır.
Entropi Hücreye Ne Yapar da Kaos Getirir?
Serbest Radikaller
Mitokondriler enerji üretirken zarlarındaki entropinin sebep olduğu titreşimler, dışarıya elektron kaçırmalarına sebep olur. Bu elektronlar oksijenle birleşip serbest radikalleri oluşturur. Bunların dış yörüngelerinde eksik elektronlar vardır ve bunu tamamlamak için hücredeki sağlıklı yapılara saldırıp zarar verirler.
Proteinlerin Yanlış Katlanması
Ortamdaki entropi (mesela engellenemeyen ısı ve molekül çarpışmaları), proteinlerin o hassas üç boyutlu yapısına zarar verir, bağlarını koparır. Proteinler işlev göremez. Bu kaos durumları bu kadarıyla bitmemekte; kendi vücut ısımızın yapılara zarar vermesi, serbest şeker moleküllerinin proteinlere yapışması, lizozomlardan enzim kaçakları ve radikallerin lipitlerimize saldırması gibi mekanizmalarla entropinin kendini göstermesiyle devam etmektedir.
Toparlamak gerekirse; hayat, bedenimizin entropinin getirdiği kaosa karşı direnişinden ibaret. Her şeyin eninde sonunda termodinamik dengeye ulaşacağını bilsek de, mitokondrilerimizin bizi ayakta tuttuğu o süre biyolojinin en büyük zaferidir.
KAYNAKÇA
- Murgia, C., & Adamski, M. M. (2017). Translation of nutritional genomics into nutrition practice: The next step. Nutrients, 9(4), E366. https://doi.org/10.3390/nu9040366
- Espay, A. J., Sturchio, A., Imarisio, A., Hill, E. J., Williamson, B., Montemagno, K., Hoffmann, C., Roy, H. L., Milovanovic, D., & Manfredsson, F. P. (2025). Physics of protein aggregation in normal and accelerated brain aging. BioEssays: News and Reviews in Molecular, Cellular and Developmental Biology, 47(8), e70030. https://doi.org/10.1002/bies.70030
- Morimoto, R. I., & Cuervo, A. M. (2014). Proteostasis and the aging proteome in health and disease. The Journals of Gerontology. Series A, Biological Sciences and Medical Sciences, 69 Suppl 1(Suppl 1), S33-8. https://doi.org/10.1093/gerona/glu049
- Azad, R. K., & Li, J. (2013). Interpreting genomic data via entropic dissection. Nucleic Acids Research, 41(1), e23. https://doi.org/10.1093/nar/gks917
- Strait, B. J., & Dewey, T. G. (1996). The Shannon information entropy of protein sequences. Biophysical Journal, 71(1), 148–155. https://doi.org/10.1016/S0006-3495(96)79210-X
- Sabirov, D. S., & Shepelevich, I. S. (2021). Information entropy in chemistry: An overview. Entropy (Basel, Switzerland), 23(10), 1240. https://doi.org/10.3390/e23101240
- Schrodinger, E. (1948). What is life? The physical aspect of the living cell.