İnsan kanı neden kırmızı ve nasıl evrim geçirdi? İnsanlar neden sıcakkanlı canlılar? Kızıl kan canlıların evrimindeki en önemli unsurlarından biridir; çünkü kan akışı vücudumuzun hem beslenme hem de temizlik sistemidir.
Kanımız akyuvarların mikroplar ve virüslere ulaşmasını kolaylaştırıp bağışıklığı güçlendirebilir; ama açık yaradan enfeksiyon kapmamıza da neden olabilir. Sıcakkanlı canlılar içinse radyatör sıvısı gibidir ve memelileri içten içe ısıtır. Kanımızın nasıl oksijen taşıdığını ve neden mavi veya yeşil kanlı olmadığımızı görelim.
İnsan kanı 600 milyon yaşında
Kanın evrimi 740 milyon yıl öncesine uzanıyor ki bu açıdan insan kanı gerçekten insandan eskidir ve bizi 500 milyon yıl önce soyu tükenmiş olan kafadanbacaklı bir hayvana götürür: Marrella spledens. Bilim insanları British Columbia’nın ünlü fosil yatağı Burges Shale’deki yeraltı katmanlarında (şist, yani yapraktaşı tabakasıyla kaplı olan bir arazi) eklembacaklı canlılar sınıfına giren Marrella spledens’e ait 30 binden fazla fosil buldular. Marrella damarlarından kan aktığı bilinen en eski canlıdır.
500 milyon yıldan eski fosillere baktığımızda Marella bireylerinin çok iyi korunduğunu görüyoruz. Karınlarındaki ince çizgilerden başlarındaki kol benzeri uzantılara kadar bütün detaylar fosillerde rahatça seçiliyor. Bu kadim hayvanların güzelliğini bozan tek detay ise bazı Marella fosillerinin başını veya kuyruk kısmını kirleten siyah lekelerdir; yani ilk kan, kara kan:
İlk kan; çünkü Burges Shale’de bulunan diğer organizma fosillerinin hiçbirinde siyah leke yok. Bu siyah lekeler bugünkü hemen bütün hayvanların Marella spledens’le ortak bir yanı olduğunu gösteriyor. Biyologlar lekelerin kara kan olduğunu düşünüyor. Damarlarımızda dolaşırken besin maddelerinin taşınması ve atıkların vücuttan uzaklaştırılmasına yarayan kanın oldukça dolambaçlı bir öyküsü var.
Oysa insan kanı bir günde ortaya çıkmadı. 740 milyon yıl öncesinden günümüze canlıların kanı defalarca evrim geçirdi. Bazen kan vücutta hiç oksijen taşımadı ve bunun yerine balıkların soğuktan donmasını önleyen antifriz işlevini gördü. Bazen de siyah, beyaz, yeşil, mavi ve hatta mor renkli oldu. Biz de bugün Marella’dan başlayarak kırmızı insanı kanının nasıl ortaya çıktığını göreceğiz.
Picard dizisiyle yeniden popüler olan Uzay Yolu’ndaki Volkanlıların kanı yeşil renklidir. Yüzüklerin Efendisi’ndeki Ork kanı da siyah ve bunlar kurgusal eser olsa da salt hayal gücü değildir. Doğada kanı farklı renklerde olan canlılar var ki bu da bize insan kanının karmaşık ve dolambaçlı evrimini gösteriyor. Öyleyse insan kanı ne işe yarıyor?
Öncelikle dokularımıza oksijen, hücrelere besin taşıyor ve atık maddelerin vücuttan atılmasını sağlıyor. Buna karşın bütün hayvanların kana ihtiyacı yoktur. Süngerler, denizşakayıkları ve denizanalarının dokuları o kadar incedir ki oksijen atomları okyanus suyundan direkt hücrelerine geçer. Bu yüzden de kalp-dolaşım sistemi ve damar ağlarına ihtiyaç duymazlar.
Bu da Dünya’daki ilk hayvanların kana gerek duymadığını gösteriyor. Sonuçta bunlar küçük ve yavaş hareket eden canlılardı. Basit vücutları fazla enerji tüketmiyor ve performansı artıran kan besleme sistemine gerek duymuyordu. Ancak, 540 milyon yıl öncesinden, yani Kambriyen canlı türleri patlamasından sonra hayvanlar daha karmaşık canlılara dönüştü.
Artık aktif, dinamik ve heyecanlı canlılar olarak kana ihtiyaç duydular. Bu da gösteriyor ki Proterozoik Devirde yaşayan süngerler, denizanaları ve taraklılar Dünyamızda ortaya çıkan ilk hayvan türleridir (2,5 milyar-540 milyon yıl önce). Kafadanbacaklılar, sürüngenler, dinozorlar, balıklar, omurgalılar ve memelilerin kanlı ataları Proterozoik Devrin sonlarında ortaya çıkmıştır. Peki kan nasıl ortaya çıktı?
Marella bilinen ilk kanlı canlı hayvan olabilir; ama bu kanı Marella’nın geliştirdiği anlamına gelmez. Kan yaklaşık 600 milyon yıl önce ortaya çıkan ve bugünkü bütün hayvanların ortak atası olan bir türde gelişti. Maalesef buna ait bir fosil yok ama kanlı ortak atamızın neye benzediğini tahmin edebiliyoruz; çünkü kalp-dolaşım sistemine sahip bizim gibi canlıların neye benzeyeceğine dair bir fikrimiz var. 😉
Kanlı canlıların ortak özellikleri
Öncelikle bu canlılarda iki taraflı simetri var. Bunlar kelebeğin kanatları ve insan yüzünün iki yarısı gibi simetrik canlılar ki denizanaları ve denizyıldızları gibi bakışımsız değiller. Ayrıca kan damarları olan canlıların tamamında iç vücut boşlukları bulunuyor.
Bu boşluklara farklılaşmış iç organlar yerleşiyor. Diyafram ve diğer bağ dokular da organları sarsıntıdan koruyacak şekilde yastıklıyor (iç boşluklarını zamanla yitiren birkaç istisnai tür dışında). Bugün bu özelliklere sahip olan en basit canlılar Akoelomorflardır (yassıkurt benzeri hayvanlar) ve kan taşıyan son ortak atamız da bunlara benziyor olabilir. İlk kanın renginden ise o kadar emin değiliz:
Yine de kimyasal olarak bugünkü kana benzediğini düşünüyoruz. Özellikle de belirli proteinler içermesi bakımından: Günümüzde kandaki hemoglobin proteini oksijen taşımakta kullanılıyor; ama ilk kandaki proteinler muhtemelen başka işe yarıyordu. Azot oksidi metabolize etmek ve oksijeni yakalayarak canlı dokuları yakmasını önlemek gibi. Özetle kanımız oksijen taşıma özelliğini sonradan kazandı.
Kandaki proteinleri kodlayan genler üzerinde yapılan moleküler saat analizleri (karmaşık bir molekülün evrim sürecinde ne kadar hızlı mutasyon geçirebileceğine dair bilgisayar simülasyonları) bazı kan proteinlerinin kandan eski olduğunu gösterdi! Öyle ki bunların kökeni 740 milyon yıl öncesine uzanıyor. Kan taşıyan ilk canlılar ise 600 milyon yıl önce oraya çıktı.
Günümüzde hayvanların en çok tercih ettiği kan proteini globindir. Globin molekülünün bir özelliği de demir atomuna bağlanması ve demirin de oksijene bağlanarak kanda oksijen taşımasıdır. Hem de oksijenin canlı dokuları oluşturan hücrelere ulaşana dek reaksiyona girmesini önleyerek! Globin proteini bir tür atom kafesidir ve demir atomunu heme denilen simit şekilli özel bir molekülle sarar.
Kandaki moleküler oksijen ise simit şekilli bu molekülün ters yüzünden girerek demir atomuna bağlanır. İşte hemoglobin proteini içinde bu moleküler simidi saran yapıya globin kılıfı deriz. Bu kılıf oksijene bağlanma ve oksijen salma açısından o kadar yararlıdır ki evrim sürecinde birçok canlı türü globin kılıfından farklı amaçlarla yararlandı (insanda alyuvarlar hemoglobin içerir ve oksijen taşır).
İnsan kanı bu yüzden kırmızıdır
Hemoglobin demir atomu sayesinde oksijeni bağlıyor ve bu da kana kırmızı rengini veriyor (açık tenli insanlarda damarlar mavi göründüğü için Ortaçağda ayrımcı asil mavi kan söylencesi ortaya çıkmış bulunuyor). Oysa farklı türlerde farklı hemoglobin türleri evrim geçirdi. Örneğin yassıkurtlar, iplik kurtları, eklembacaklılar ve yumuşakçaların kendine özgü oksijen bağlama proteinleri bulunuyor. Üstelik bu proteinleri de oksijen taşımaktan farklı işlerde kullanabiliyorlar:
Mesela bizler hemoglobini kandan organlara oksijen taşımakta kullanıyoruz. Bazı istiridye türleri ise hemoglobini sinirleri için oksijen depolamakta kullanıyor. Böylece suda oksijensiz kalsalar bile sinir sistemini yedek oksijenle besleyerek hayatta kalıyorlar. Bir iplik kurdu türü ise oksijeni ağzındaki kadife dokuda saklıyor ve böylece oksijensiz toprakta bile ağız kaslarıyla durmadan beslenmeyi sürdürüyor.
Evrimin bugün bile Corona virüsünü üretecek şekilde nasıl devam ettiğini gösteren en güncel örneklerden biri olan E. coli bakterileri ise hemoglobinle oksijen taşımak yerine, bununla bulundukları ortamdaki oksijeni hissediyor. Böylece yaşamak ve canlılara bulaşmak için nereye gideceğini biliyor. İnsan kanı açısından hemoglobin proteinin ortaya çıkması ise çok eskilere dayanıyor:
Fosil kayıtlarında gördüğümüz en eski hemoglobin kaydı tahmin edebileceğiniz gibi fosilleşmiş bir sivrisineğe aittir. Montana’daki şist yataklarında bulunan 46 milyon yıllık bu sivrisinek fosiline 2013’te bakan bilim insanları, sineğin karnında heme molekülü yığınları buldular.
Bunlar da muhtemelen sivrisineğin canlılardan emdiği kandaki hemoglobin proteinlerinin çürümüş kalıntılarıydı (Gerçi DNA molekülü 46 milyon yıl bozulmadan kalamadığı için sivrisinek kanında Eosen Parkı adında bir film çekip Jurassic Park’a rakip olamadılar. 😉). Oysa hemoglobin sivrisineklerden çok daha eskidir. Biz de hemoglobinin izini ondan önce gelen oksijen bağlayıcı proteinlerle sürelim:
İnsan kanının doğrudan kökeni 450 milyon yıl önce denizlerde yaşayan ilk omurgalı deniz canlılarına uzanıyor. Ancak, hemoglobin evrim geçiren tek kan proteini değildir ki bunun kanıtını eski dostumuz eklembacaklı Marella’nın kara kanında bulabiliriz: 2014 yılında bilim insanları Marella fosillerindeki siyah lekeleri incelediler ve kara kanın bulundukları kayadan daha fazla metal içerdiğini gördüler.
Oysa Marella kanı bizdeki gibi demir bakımından değil, bakır bakımından zengindi ve hemosiyanin denilen siyanür bazlı başka bir oksijen bağlama proteini kullanıyordu. Hemosiyanin hemoglobinden tümüyle bağımsız olarak evrim geçirmiştir. Ayrıca oksijen bağlamak için demir yerine bakır kullanmaya ek olarak farklı bir protein yapısı da geliştirmiştir.
Öyle ki hemosiyanin yukarıda sözünü ettiğimiz globin kılıfındın türemedi. Büyük olasılıkla 700 milyon yıl önceki canlılarda var olan bir enzimden türedi; çünkü yumuşakçalarda bulunan hemosiyaninin genetik yapısının eklembacaklılarda bulunan versiyondan tümüyle farklı olduğunu görüyoruz.
Toparlayacak olursak hemoglobin proteini, globin kılıfının 500 milyon yıl önce evrim geçirmesiyle ortaya çıktı ve bu da yaklaşık hemosiyaninin evrim geçirdiği zamana denk geliyor (600 milyon yıl önce); ama hemosiyanin başka bir enzimden türemiş bulunuyor. Oysa iki molekül de kanda aynı işlevi görüyor; yani oksijen bağlıyor. Bu da bizi evrimde sık görülen yakınsayan evrim konusuna getiriyor:
Bazen aynı molekül veya benzer moleküller farlı zamanlarda yaşayan farklı türlerde birbirinden tümüyle bağımsız olarak evrim geçirerek ortaya çıkarlar (görme organımız gözün geçmişte farklı vesilelerle en az 50 kez evrim geçirmiş olması gibi). Araştırmalara göre yumuşakçalar hemosiyanini 740 milyon yıl ve eklembacaklılar da 600 milyon yıl önce geliştirdiler ki Marella da bunlardan biridir. Evrim sürecinde görülen bu tür Amerika’yı yeniden keşfetme vakalarına yakınsayan evrim deriz.
Bu arada hemosiyanin içeren kan mavi renklidir; çünkü bakır okside olunca mavi renge bürünür. Öyleyse Marella fosillerindeki kara kan da bunlar yaşarken mavi renkteydi. Peki hemoglobin bu kadar işe yarıyorken yumuşakça ve eklembacaklılar neden birbirinden bağımsız olarak iki kez bakırlı protein geliştirdiler? Bunun bir nedeni hemoglobinin oksijen taşımakta daha verimli olmasına karşın hemosiyaninin soğuk iklimlerde daha iyi çalışması olabilir.
Nitekim bazı türlerin muhtemelen farklı iklim kuşaklarına göç etmek için iki proteini birlikte kullandığını görüyoruz. Hem sıcak hem de soğuk iklimlerde kanın oksijenlenmesini optimize edecek iki farklı protein olması, bu türlerin dünyaya yayılması için doğal seçilim avantajı sağlamış olabilir. Bu durum günümüzde eskisi kadar yaygın değil; çünkü teknolojik uygarlık kurarak çevreyi kirleten insanlık canlı türlerinin ulaşım araçlarıyla her yere yayılmasını kolaylaştırdı. Neden derseniz:
Oysa eski Dünya 600-700 milyon yıl önce küresel soğuma nedeniyle bir kar topuydu. Okyanuslar bile tümüyle buz tutmuştu. Sonra metanojen bakteriler geldi ve nefes verirken atmosfere metan gazı salarak doğal küresel ısınmayı başlattı. Yine Dünya’nın iç çekirdeği yeryüzünden 4 milyar yıl genç yazısında belirttiğim gibi iç çekirdeğin katılaşması da bu döneme denk gelerek kıtaların kaymasına hız verdi. Kısacası kıtalar kayarak yer ve şekil değiştirdiler, volkanik faaliyetler arttı ve iklimler ısındı.
Böylece Dünya gezegeninde ilk kez birbirinden çok farklı ve sürekli değişen habitatlar ortaya çıktı. Habitatların hızla değişmesiyle birlikte Büyük Ölüm gibi toplu soy tükeniş felaketleri görülmeye başladı. Bu da omurgalıların ortaya çıkması için çok güçlü bir evrimsel baskı yarattı. İnsan kanı işte bu süreçte hayvanların ihtiyacını karşılamak için evrim geçirdi; ama farklı kanlar gökkuşağı gibi rengarenktir:
Örneğin farklı evrimsel ihtiyaçlar derken birçok deniz kurdu ve kolsu ayaklı türünün hemeritrin denilen bambaşka kan proteinleri kullandığını görüyoruz. Bu protein de oksijen bağlıyor ama simit şekilli heme molekülünü kullanmıyor. Bu sebeple söz konusu hayvanların kanı oksijenlendiğinde mor renge bürünüyor! Hemosiyanin gibi bu protein de hemoglobin kadar verimli değil; ama aynı zamanda çok basit bir molekül. O kadar basit ki 2,5 milyar yıldan eski ilk birhücreli canlılarda ortaya çıkmış olabilir.
Yeşil kanlı kertenkeleler
Yeşil kan ise hastalıklara karşı bağışıklığı artırıyor: Örneğin küçük ve ilginç bir kertenkele türü olan skinklerin limon yeşili kanı bulunuyor. Bunun nedeni ise kanlarında bulunan biliverdin denilen bir pigment ki bu da hemoglobin molekülünün kanda parçalanıp dağılmasıyla ortaya çıkıyor. Biyologların tahminine göre biliverdin kertenkelelerin enfeksiyon kapmasını zorlaştırıyor. Peki ya beyaz kan?
Buraya dek gördüğümüz gibi kana rengini içindeki oksijen bağlayıcı proteinler verir ama bir de renksiz kan var, yani beyaz kan (Beyaz tüm renklerin karışımı olup belirli bir renk değildir ve renksiz olmak da saydam olmaktan farklıdır): En basitinden, güney kutbunda bulunan Antarktika kıtasının soğuk denizlerinde yaşayan bir buzlu balık türü kandaki bütün proteinlerini kaybetmiş bulunuyor.
Belki de kanda oksijen taşıyan kan hücreleri olması kanın soğuk sularda donup pıhtılaşmasını kolaylaştırıyor. Proteinsiz kan ise bir tür antifriz gibi davranıyor. Gerçi buzlu balık evrimsel bir kaza kurbanı da olabilir: Kan proteinleri balığa bir avantaj sağlamıyorsa bu proteinlere ait genlerin DNA’da kalmasının bir anlamı olmuyor. Her ne kadar atıl genler genellikle DNA’da varlığını sürdürse de rastgele gerçekleşen mutasyonlar artık işe yaramayan genleri zamanla silebiliyor.
Peki buzlu balık alyuvarlar olmadan nasıl nefes alıyor derseniz evrimsel uyarlanma yüzünden derim: Bu soğuk balığın oldukça uyuşuk bir metabolizması var ve bu nedenle kanında yüksek oksijene gereksinim duymuyor. Ayrıca oksijen bakımından çok zengin sularda yaşıyor ve temiz sudan yaşamasına yetecek kadar oksijen almayı başarıyor. Sözün özü kan proteinlerinin geçmişi biz insanları 700 milyon yıl önceki ilk hayvanlara ve hatta 3 milyar yılık bakterilere bağlıyor.
Sıcakkanlı canlılar
İster insan kanı olsun ister yeşil kan, damarlarında kan dolaşan bütün canlıların kalp dolaşım sistemleri bulunuyor ve özellikle de omurgalılarda kırmızı kan yaygın görülüyor. Ayrıca insan vücudu kan sıcaklığını hava şartlarından bağımsız olarak belirliyor. Biz de böylece içten ısıtmalı sıcakkanlı canlılar sınıfına giriyoruz. Nitekim kan dolaşımı bozuk olan insanlar ne kadar örtünürsen örtünsün ısınamıyor. Peki DNA Neden Sağ Elli ve Floresan Hayvanlar Nasıl Işık Saçıyor? Onu da şimdi görebilir ve ardından Okyanuslar Hakkında Yanıtını Bilmediğimiz 7 Soruya geçebilirsiniz. Sağlıcakla ve bilimle kalın.