Canlıların hayatta kalma savaşını düşündüğümüzde genellikle vücut büyüklüğü, hız veya güç gibi özelliklerin avantaj yaratma bakımından ön planda olduğu izlenimine kapılırız. Ama doğada dengeyi zayıf, yavaş veya küçük olan canlılardan yana kaydıran bir silah da mevcuttur: Zehir. Kara hayvanlarının ataları yüz milyonlarca yıl önce sudan karaya geçip ilkel sahillerde yaşamaya başladığında, bu yeni koşullarda avlanmak ve dolayısıyla hayatta kalabilmek için çeşitli silahlar geliştirmiştir ki bunlardan birisi de zehir salgısıdır. Üstelik zehir öylesine etkili bir silahtır ki, çok farklı hayvanlarda en az 10 kez evrimleşmiş ve canlıya sağladığı büyük avantajlar nedeniyle de kalıcı olmuştur. Adeta bir biyolojik silah olan bu bileşimleri yüzlerce milyon yıllık evrim sürecinde, her geçen gün daha da iyileştirerek üreten doğa gerçekten de en büyük kimyagerdir.
Zehrin kökeninin çok eskiye, bundan yaklaşık 500 milyon yıl önceye dayandığı düşünülmektedir. Doğada zehirli böcekler, örümcekler, balıklar, akrepler, köpekbalıkları, denizanaları, deniz salyangozları, kertenkeleler ve hatta zehirli memeliler (erişkin erkek ornitorenk, vampir yarasa ve Solenodontidae familyasına ait iki tür) bile vardır. Bu yazıda biraz daha özele inerek, akrep zehri üzerine Shunyi Zhu ve ekibinin Molecular Biology and Evolution’da yayımlanan güncel çalışmasının ışığında, zehrin evrimi konusuna kısa bir giriş yapmak istiyorum.
Resim 1: Bazı zehirli hayvanlar
Birçok durumda, yaşam için hayati öneme sahip bir proteinin öldürücü bir maddeye dönüşmesi için gereken tek şey, tek bir gende meydana gelen bir mutasyondur. Geçtiğimiz aylarda Prof. Zhu ve ekibi, böceklerde bulunan ve normalde vücudun bağışıklık sisteminde rol oynayan proteinler (defensinler) ile akrep zehrinde bulunan proteinler (nörotoksinler) arasındaki evrimsel ilişkiyi ortaya koyarak, zehir gelişiminin kökenine dair yeni veriler sundu. Prof. Zhu ayrıca, diğer hayvan zehirlerinin evriminde de benzer bir sürecin rol oynamış olmasının akla yatkın ve yüksek bir ihtimal olduğunu belirtti. Söz konusu çalışmaya geçmeden önce, akrepler hakkında kısa bir bilgi verelim:
Akrepler, Eklembacaklılar şubesine ait Scorpiones takımını oluşturur. Dünyada yaklaşık 1750 farklı akrep türü tanımlanmıştır. Buna ek olarak 111 tane de nesli tükenmiş takson olduğu bilinmektedir. Yaşadığını bildiğimiz en eski akrepler 430 milyon önceye denk gelen Silüryen dönemine (443-417 myö) aittir.
Dünyanın Antarktika hariç her kıtasında bulunan akrepler, türlerine bağlı olarak yüksek irtifada, nemli ortamlarda, mağaralarda, ağaçlarda, yeraltında, kayalarda veya çöllerde yaşayabilirler. Sadece tundralar, yüksek irtifadaki taygalar ve kalıcı kar örtüsüne sahip dağ zirveleri gibi kutupaltı iklime sahip karasal ekosistemlerde (Kuzey Amerika ve Avrasya’nın kuzeyindeki 50°-70°N enlemleri arasındaki bölgelerde) barınamazlar. Genel olarak 20-37°C’lik sıcaklık aralığını tercih etseler de, 0°C’nin altındaki dondurucu soğuklardan kavurucu çöl koşullarına kadar uzanan geniş bir habitatta yaşama yeteneğine sahiptirler. Akrepler kuş, kırkayak, kertenkele, fare, sıçan, yarasa vb avcılardan korunmak için gündüzleri pek ortalıkta dolaşmaz, aksine gece avlanırlar. Menülerinde daha çok küçük eklembacaklılar, bazen de ufak kertenkele ve fareler bulunur.
Akreplerin evrimi hakkında farklı görüşler olsa da şu an için en çok kabul gören fikir akreplerin karadan köken aldıkları, sonradan yosunlar ve bitkiler yoluyla okyanuslara sürüklendikleri, orada bulundukları süre zarfında evrimleşerek yaklaşık 400 myö de yeniden karaya çıktıkları yönündedir. (Zehirlerini her geçen gün geliştirmekte olan deniz yılanlarının da benzer bir evrimsel geçmişi vardır. Günümüzdeki deniz yılanları, sadece 30 myö kara yılanlarından evrilmiştir. Kara yılanları ise 100 myö kertenkelelerden evrilmiştir.)
Her akrep zehir salgılayan bir kuyruğa sahiptir; yani aslında her akrep zehirlidir. Nörotoksin ve enzim inhibitörlerinden oluşan bu zehir, akrebin avlanması kadar korunmasına da yarar. Fakat neyse ki bilinen 1750 akrep türünden yalnızca 25 tanesinin zehri insan için ölümcüldür. Buna rağmen yılda yaklaşık 5000 kişi akrep sokmasından hayatını kaybetmektedir.
Birçok çeşidi olan akrep toksinlerinin moleküler işlevi, iyon kanallarını bloke etmektir. (Voltaja duyarlı K+ kanallarını bloke ederek etki eden akrep nörotoksinlerine α-KTx denir.) Akrepler, zehirlerinin etkinlik düzeyine bağlı olarak, kıskaçlarıyla yakaladıkları avlarını ya yine kıskaçlarıyla ezererek ya da zehirleriyle öldürürler. Fakat akrepler ancak sıvı haldeki besinleri sindirebilir (dış beslenme). Kurbanın, üzerine kustukları mide ve bağırsak salgılarıyla sıvılaşan kısımlarını emer; geriye kalan kemik, tüy gibi sindirilemeyen sert kısımlarını ise atarlar. Bir oturuşta büyük miktarlarda besin alabilen ve depolayabilen akrepler, bu sayede açlığa 6-12 ay kadar dayanabilir. Akreplerle ilgili önemli bir bilgi de şudur: Zehrini kullanıp tüketen bir akrep, zehir “reşarjı” yaptığı süreçte çok fazla enerji harcar ve dolayısıyla tamamen savunmasız hale gelir. Bu durum, zehrin hayvanlar aleminde neden daha yaygın bir adaptasyon olmadığını açıklayabilir. Ama elbette zehri kullanabilmeniz için onu zerk edecek özelleşmiş anatomik yapılara da sahip olmanız gerekir.
Zhu ve ekibinin yaptığı çalışma:
Gerek omurgalıların gerekse de omurgasızların genomları, onları bakteri, virüs veya mantar gibi patojenlerden koruyan ve defensin adı verilen savunma proteinleri içerir. Defensinler, patojenleri fagosite eden bağışıklık sistemi hücrelerinin yapısında yer alır. Bilim insanları genetik benzerlikleri görece düşük de olsa yapısal benzerliklerine bakarak, omurgasızların sahip olduğu defensinler ile akrep toksininin ortak bir kökene sahip olabileceğini düşünmüş, ancak bu ortaklığı tam olarak açıklayamamıştı. Bu, yaklaşık 20 yıldır çözülmeyi bekleyen bir sırdı. İşte Zhu ve ekibinin yaptığı bu önemli çalışma, toksik olmayan bir proteinin tek bir genetik silinmeyle, bir toksine nasıl kolayca dönüşebileceğini göstermiş oldu.
Ekip önce akrep nörotoksin dizilerini analiz ederek toksinin “imzasını”, yani proteinde işlev ve yapıdan sorumlu olan bölgeyi belirlemeye çalıştı. Aranan “akrep toksin imzası” (Scorpion Toxin Signature veya kısaca STS) bulunduktan sonra, başka hangi hayvanların bu imzayı taşıdığını anlamak için mevcut hayvan genomları tarandı. Aranan imzalar, Hemiptera ve Hymenoptera takımlarına ait 6 zehirli böcek türünün defensinlerinde bulundu. Ekip, böcek defensinlerinin protein yapısındaki tek bir loop’un voltaja duyarlı K+ kanallarına bağlanmayı imkansız hale getirdiğini fark edince bu loopu silmeyi denedi. Loopun silinmesiyle, bu defensinin tıpkı bir α-KTx (yani akrep nörotoksini) gibi davranarak spesifik olarak K+ kanallarına bağlandığı gözlemlendi. Kısacası, STS taşıyan böcek defensinleri, tek bir mutasyonla (genetik silinme yoluyla) akrep nörotoksinine dönüşmüştü.
Prof. Zhu, “Sadece zehirli böceklere ait defensinlerin STS taşıması ilginç. Bu defensinlerin bir evrimsel geçiş sürecine işaret ettiği ve akrebinkine benzer bir toksine dönüşme potansiyeli taşıdığı açıktır.” diye belirtiyor.
Bu çalışma, böcek defensinleri ile akrep α-KTx’ları arasındaki evrimsel ilişkiyi gösteren ilk işlevsel kanıttır. Aynı zamanda ufacık bir genetik mutasyonun belli bir proteinde yepyeni bir işleve yol açabildiğini göstererek, akreplerin o meşhur öldürücü darbelerini nasıl kazanmış olduklarını da açıklar.
"Çalışmamız ıraksak evrime ilişkin mükemmel bir örnektir; atasal hatta meydana gelen yapısal değişiklikler, proteinlerde işlevsel bir değişime (bir zamanlar mikroplarla savaşıyorken, sonrasında avlara saldırır hale gelmesi) neden olmuştur.
Zhu ayrıca şöyle bir ekleme de yapıyor: "Defensinlerden toksinlerin gelişimi, akreplerin karaya döndüklerinde küçülen vücutlarıyla bağlantılı bir adaptasyon olsa gerek.” Akrep evrimine ilişkin (şimdilik) en fazla kabul gören varsayıma göre, akreplerin sudaki ataları çok daha büyüktü; fakat evrim süreci içinde karaya çıkmalarıyla küçülmek zorunda kaldılar. Dolayısıyla avları yakalamaları da eskisine kıyasla daha zor hale geldi ve zehir geliştirerek bu olumsuzluğu telafi etmiş oldular. Herhangi bir yanlış anlaşılma olmaması için burada ufak bir noktayı hatırlatmakta fayda var: “Zehir geliştirmek” derken kastedilen şey bilinçli bir seçim değildir elbette; yani akrepler, “Madem küçüldük, biz de zehir geliştiririz” gibi bir karar vermemiştir. Popülasyondaki bazı bireylerde şans eseri, çalışmada bahsedilen türden bir mutasyon gerçekleşmiş (zehir salgısı oluşmuş) ve işin oradan sonrasında doğal seçilim devreye girmiştir. Kısacası bu mutasyon, ona sahip olan akrepler için bir avantaj yaratmıştır ve zaten tam da bu avantaj nedeniyle popülasyonda yayılma imkanı bulmuştur.
Queensland Üniversitesi’ndeki Zehir Evrimi Laboratuvarı’nda çalışan ve dünyanın en büyük zehirli yılan uzmanı sayılan Bryan Fry ise bu konuda şunları söylüyor: “Zehir gelişimi akreplerin yepyeni alanlara yayılmasını sağladı. Karaya çıktıklarında tek bir avlanma yöntemleri vardı: güçlü kıskaçları. Fakat avı yakalamak, aynı zamanda avı elde tutmak anlamına da geliyordu ve bu küçülmüş halleriyle yakaladıkları avın bizzat kendisi bir tehdit haline gelebiliyordu. En eski ve büyük akreplerin hala çok büyük pençeleri ve ufacık kuyrukları vardır. Evrimsel açıdan daha gelişmiş olanlarda ise durum tam tersidir: büyük kuyruklar ve ufak pençeler (Aşağıdaki fotoğraflarda farkı görebilirsiniz.)Yani akrepler mekanik avlanma yöntemini, kimyasal bir silahla değiş tokuş etmişlerdir. Bu durum yılan gibi diğer zehirli hayvanlar için de geçerlidir; onlarda da tek bir mutasyon, bir defensinin toksine dönüşmesine sebep olmuştur. Tüm zehirli yılanlar, zehirli kertenkelelerden evrilmiştir. Boa ve piton gibi daha ilkel olan dev yılanlar, çok büyük ve güçlü oldukları için zehirlerini kaybetmiştir.” (Burada yine ufak bir hatırlatma yapayım: Bu ilkel yılanlar aynı zamanda körelmiş arka bacaklara da sahiptir. Evrim sürecinde körelmiş yapılarla ilgili yazıya buradan ulaşabilirsiniz.)
Resim 2: 20 cm’ye varan boyuyla dünyanın en büyük akreplerden biri: Pandinus imperator
Resim 3: 50-90 mm’lik boyuyla dünyanın en zehirli akreplerinden birisi: Hottentotta tamulus
Sonuçta farklı canlılardaki evrimsel süreçler aynı veya benzer olsa da sonuçları farklıdır. Örneğin kobra yılanı, avını yakalamak için zehrini kullanır ve bunun için de çok zarif bir yöntem geliştirmiştir. Kobra zehri, sinir sisteminin çalışmasını durdurarak bir yandan solunumu engelleyip kurbanın boğulmasına yol açarken, diğer yandan da kaslarını felç ederek kaçmasını önler. Bazı yılanların (örneğin Avustralya’da yaşayan Taipan yılanlarının) zehrinden yarım çaykaşığı bile bir insanın kanını milyonlarca kan pıhtısına dönüştürerek katılaştırır. Sonuçta iç organlar iflas eder, bütün pıhtılaşma faktörleri kullanılmış olduğu için de kurban sonunda aşırı kanamadan ölür. Yine Avustralya açıklarında görülen Kutu denizanası, bedenin dayanabileceğinden fazla acı yaratarak ölüme sebep olur. Fry, “Kutu denizanası sizi soktuğunda iki şekilde ölebilirsiniz. Birincisi, yarattığı acı zaten o kadar büyüktür ki şoka girerek ölürsünüz. İkincisi, acıya dayanabilmişseniz bile zehrin kendisi zaten yarım saat içinde sizi öldürür.” diye bilgi veriyor. Bu zehirlerin gücünün kaynağı, daha doğusu neden bazılarının belli canlılarda etkili olup diğerlerinde etkisiz olduğu da yine evrimsel geçmişlerinde yatar. Zehirli canlı hangi avlarla besleniyorsa, sahip olduğu zehir de ona uyacak şekilde evrimleşmiştir. Örneğin Taipan yılanları çok tehlikeli avlarla beslenir, dolayısıyla sahip olduğu zehir de aynı oranda güçlüdür.
Hayvan zehirleri tıbbın çeşitli alanlarında kullanılmakta, sürekli evrilmeye devam ettiği için de ilaç sanayisinde çok önemli bir yer tutmaktadır. Akrep toksinleri günümüzde böcek ilaçlarında, aşılarda ve protein mühendisliğinde kullanılmaktadır. Ayrıca radyoaktif hale getirilmiş versiyonları beyin tümörlerinin tedavisinde veya tümör sınırlarının belirlenmesi amacıyla kullanılmaktadır. Çeşitli canlılardan elde edilen zehirler günümüzde kalp, dolaşım ve kan hastalıklarına yönelik birtakım ilaçlar için vazgeçilmezdir. Ayrıca ağrı kesici veya sedatif olarak ya da kanser, Parkinson ve Alzheimer gibi hastalıkların tedavilerinde de kullanılmaktadır. Üstelik canlıların devam eden evrimiyle birlikte bu zehirlerin kimyasal yapıları da evrimleşerek değişmekte, böylece her geçen gün yepyeni tedavilerin önü açılmaktadır.
Bu yazım Ateist Dergi'nin 4. sayısında yayımlanmıştır.
Kaynaklar:
Şunlar da ilginizi çekebilir: