Canlılarda Büyüklüğün ve Şeklin Sınırları

Erken modern çağın önemli bilim insanlarından Galileo Galilei’nin ilk olarak ortaya koymuş olduğu ölçeklendirme ilkesi, canlılara büyüklük ve şekil bakımından sahip olduğu sınırları anlamamızı sağladı. Böcek gibi küçük canlılar, memeli gibi omurgalı canlılardan oldukça farklı anatomik yapıya sahiptirler. Yüzey alanı/hacim oranına bağlı olarak yüzey yapışma kuvvetleri ve zayıf kütle çekim kuvveti, farklı vücut büyüklüğüne sahip olan canlılarda farklı yaşam şekiller sunar. Doğa yasalarının büyüklüğe göre belirli anatomik ve morfolojik yapılara olanak sunması nedeniyle, bilim kurgu filmlerinde yaratılan devasa canlılar, esasında herhangi bir gerçeklik payına sahip değillerdir.

Galileo Galilei: Ölçekleme İlkesinden İlk Bahseden Bilim İnsanı

Modern fiziğin kurucularından olan ve kendisinden gelen birçok bilim insanını etkilemiş olan Galileo Galilei, ölçeklendirme ilkesinden ilk olarak bahseden kişidir. Mekanikle İlgili İki Yeni Bilim Üzerine Söylevler ve Matematiksel Kanıtlar adlı eserinde bu konuyu tartışan Galilei, aynı şekle sahip bir nesnenin (hayvanın), büyüklüğü arttırıldığında görece dayanıklılığının düşeceğini, dayanıklılığın korunması için daha güçlü ya da daha kalın kemiklere ihtiyaç olduğuna dikkat çeker. Nitekim o, söz konusu eserinde konuya dair şu sözleri sarf etmektedir:

Sanat yapılarının veya doğal yapıların boyunu sonsuza kadar artıramazsınız. İnsan veya hayvanların vücudunu bir arada tutmak veya fonksiyonunu sağlamak için

değiştiremezsiniz, boyun uzatılması ancak güçlü bir madde veya kemikler büyütülerek ve şekilleri bir hilkat garibesine dönüştürülerek yapılır. Resimde boyu üç kat artırılan ve aynı büyüklükte olan hayvana göre küçük kemiğin aynı işlevi yapıncaya kadar ikiyle çarptığım bir kemiğin (uyluk kemiğinin) taslağını çiziyorum. Bunun ne kadar orantısız olduğunu görebilirsiniz. Normal bir insan uzuv oranını devleştirmek için daha güçlü bir madde bulmaz zorundasınız, aksi halde ya düşer ya da kendi ağırlığı altında ezilir. Bu arada, vücut boyu küçültülürse, dayanıklılığı oranlı olarak azaltılamaz, bu nedenle vücut ne kadar küçük ise, göreceli dayanıklılığı o kadar büyük olur. Küçük bir köpek kendi boyuna göre aynı boyda iki veya üç köpeği sırtında taşıyabilir, atın ise bir atı bile sırtında taşıyacağını sanmam. (Singer, 1959)

Kütle Çekimi ve Uzay Geometrisi

Diğer cisimler gibi, hayvanlarda maddelerden meydana gelen ve uzayda yer kaplayan nesnelerdir. Haliyle fizik yasaları hayvanlara, dolayısıyla hayvanların evrimine etki eder. Vücut büyüklüğü, ilk olarak Galileo Galilei tarafından gösterildiği gibi, yüzey alanı/hacim oranına bağlıdır. Gerçekten de bir file ile bir kurdu karşılaştırdığımız zaman, bacak kalınlıklarının göreli boyutlarının farklı olduğu göze çarpacaktır. Eğer ki bir kurdun şeklini koruyacak şekilde bir fille aynı boyuta getirecek olsaydık, kurdun bacak kemikleri kendi ağırlığı altında kırılacaktır. Bunun sebebi, yüzey alanı/hacim oranına bağlı olarak dayanıklılığın görece düşmesidir. Yüzey alanı uzunluğun karesiyle artarken, hacim uzunluğun küpü oranında artar. Haliyle şekli korunmuş bir nesnenin büyüklüğü arttırıldığında hacmi görece daha büyük olur. Büyüklüğün artmasıyla taşınması gereken kütle de görece artacaktır.

Dayanıklılık yaşanan ortama göre de farklılık gösterir. Sözgelimi suda yaşayan canlılar ile karada yaşayan canlılar aynı kuvvetler etkisinde yaşamaz. Su da yaşayan canlılar ayrıca suyun kaldırma kuvvetine maruz kalırlar. Bu kaldırma kuvvetinin sayesinde bu canlılar, karadaki canlılara göre daha büyük vücut büyüklüğüne sahip olabilir. Nitekim, günümüzde yaşayan en büyük memeli grubu balinalardır. Aynı sebepten ötürü, eklem bacaklılar içerisinde de yine suda yaşayanlar, örneğin ıstakoz, karada yaşayanlara göre daha büyük olabilirler.

Vücut Gelişimi

Yüzey alan/hacim oranı ayrıca iç organ sistemlerini de şekillendirir. Vücut büyüklüğü küçük olan canlılar, difüzyon yoluyla yüzey solunumu yaparlar. Vücut büyüklüğü arttıkça organizma oksijeni gerekli vücut hücrelerine difüzyonla yeterli seviyede taşıyamaz. Bu sorun, dolaşım sisteminin geliştirilmesiyle çözülür. Büyük organizmalarda dolaşım sistemi bu nedenle evrilmiştir. Dolaşım sistemiyle taşınan oksijen molekülleri, difüzyonla hücrelere ulaşabilecek kadar küçülen kılcal damar ağlarına ayrılarak hücrelere ulaşır.

Diğer iç organların gelişmesi de aynı fizik yasasına bağımlı halde gerçekleşir. Sözgelimi büyük memelilerin ince bağırsaklarında villus adı verilen besinlerin emilmesi için yüzey alanını artıran küçük çıkıntılar bulunur. Vücut büyüklüğü artıkça, hacim görece daha büyük olmasından ötürü ihtiyaç duyulan besin miktarı da artar. Buna bağlı olarak, sindirim sistemi de büyüklüğe göre uyarlanır. Küçük memelilerde ise daha az gelişmiş bir sindirim sistemi vardır. Örneğin villusları yoktur. Zaten ihtiyaçta duymazlar.

Vücut Büyüklüğünün Sınırları

Böceklerle diğer memeli hayvanlar arasındaki farklardan birisi de dolaşım sistemlerinde yatmaktadır. Böcekler yüzeyden aldıkları havayı trakeler aracılığıyla vücut hücrelerine götürürler. Memeli hayvanlarda kapalı dolaşım sistemi görülürken, böceklerde açık dolaşım sistemi mevcuttur. Açık dolaşımda böceklerin kan ile doku sıvıları birbirine karışmıştır. Bu karışmış sıvıya da hemolenf denir. Bu sıvıdaki oksijen ve besinler vücut hücrelerine difüzyon yoluyla taşınır. Ancak vücut büyüklüğü arttığında, bu trakeler oksijeni taşımakta yetersiz kalır. Çünkü, mesafe difüzyonla taşınmayacak kadar artmıştır. Büyüklük arttığında ise daha karmaşık bir dolaşım sistemi gelişir. Bu dolaşım sistemi memeli hayvanlarda görülen kapalı dolaşım sistemidir. Atardamarların yoluyla kalpten taşınan kan, kılcal damarlara ayrılarak tüm vücut hücrelerine taşınır.

Böceklerde vücut büyüklüğünü etkileyen diğer bir faktörde atmosferdeki oksijen oranıdır. Atmosferdeki oksijen oranı arttıkça difüzyonla alınan oksijen miktarı da artar. Aynı dolaşım sistemine sahip olan bir böcek, atmosferde daha fazla oksijen bulunduğunda hücrelerine daha fazla oksijen taşıyabileceği için göreli büyüklüğünü arttırabilir. Nitekim Karbonifer döneminde yaşamış olan bir yusufçuk cinsi olan Meganeura’nın kanat açıklığı yaklaşık 75 santimetreydi. (Turner, 2014)

Vücut kütlesini taşıyan iskelet tipi kabaca iç ve dış iskelet olarak ikiye ayrılır. Omurgalı canlılarda iç iskelet bulunurken, eklem bacaklılar şubesine mensup böceklerde dış iskelet bulunur. Kas kütlelerini taşıyan kemikler büyüdükçe, görece aynı büyüklüğü taşıyabilmesi için kalınlaşması gerekir. Ancak dış iskelet yapısı, böceklerin potansiyel vücut büyüklüğüne sınır koyar. Çünkü kalınlaşan dış iskelet, organizmanın iç organları ve kaslarının ihtiyaç duyduğu hacme yer bırakmayacaktır. Dış iskelete sahip olan omurgalılar da aynı şekilde vücut büyüklükleri belirli bir sınıra kadar küçülebilir. Oldukça küçülen iç iskelete sahip bir organizma, kütle çekimi kuvvetinin etkisiyle biçimsiz bir yığına dönüşecektir. Netice itibariyle iskelet yapıları hem omurgasız hem de omurgalı canlıların büyüme ve küçülmelerine bir sınır koyar.

Yüzey alanı/hacim oranı hayvanlar yaşam tarzlarını da etkiler. Küçük vücut büyüklüğüne sahip olan böceklerin görece yüzey alanları geniştir. Bu geniş vücut yüzey alanları sayesinde adezyon kuvveti, zayıf kütle çekim kuvvetine karşı üstün gelerek böceklerin su yüzeyine ve tavana tutunmalarını sağlar. Görece büyük vücut büyüklüğüne sahip olan memeliler böcekler gibi yerçekimi kuvvetine karşı duramazlar.

Memelilerin böcekler kadar küçük olması durumunda da birçok sorun ortaya çıkar. Sözgelimi şekli korunarak bir böcek boyutuna kadar küçültülmüş bir insanı düşündüğümüzde, kohezyon kuvveti nedeniyle su damlaları belirli bir boyuttan daha küçük olamadığı için, bir damla su bile büyük bir çarpma etkisi oluşturur. Aynı şekilde insancık kendi boyutuna uygun bir kitap yapmayı başarsaydı bile, adezyon kuvveti sayfaların çevrilmesini engellerdi.

Bir memeli türü olan insanın bir böcek değil de tavşan boyutlarında olması da önemli sorunlar ortaya çıkarırdı. Kinetik enerji uzunluğun beşinci kuvvetiyle orantılı olması nedeniyle, tavşan büyüklüğünde bir insan bir ağacı kesecek ya da bir hayvanı avlayacak güce sahip olamazdı. Benzer bir şekilde, normalden iki kat büyük bir insan yere düştüğü zaman normalde alacağı hasarın yaklaşık beş katını alacağından dolayı, bu büyüklükte var olmayı başarsa bile ayağına takılan bir taş sebebiyle ölümcül yaralar alırdı.

Temel olarak yüzey alanı/hacim oranı anatomik olarak organların ve vücut şeklinin uyarlanmasını etkiler. Bu doğa yasası da böceklerin vücut büyüklüğüne sınır koyduğu gibi, omurgalı canlılara da sınır koyar. Doğa tarihi boyunca canlılar her zaman doğa yasalarına tabi olarak evrilmiştir. Bilim kurgu filmlerinde gördüğümüz uzaylıların birçoğu da var olması mümkün olmayan, doğa yasalarına aykırı anatomik yapılara sahiptir.

Yazar: Samet Tekin

Kaynakça

Gould, S. J., 2020. Darwin ve Sonrası. İstanbul: Say Yayınları.

Singer, C., 1959. A Short History of Sceintific Ideas to 1900. Oxford: Clarendon Press.

Topdemir, H. G., 2013. Galileo – Fikir Mimarları Dizisi – 18. İstanbul: Say Yayınları.

Turner, D., 2014. Paleontoloji ve Evrim: Felsefi Bir Yaklaşım. İstanbul: Boğaziçi Üniversitesi Yayınevi.