Hücre Kuramının Tarihi

Poyrazlı bir pazartesi

Çanakkale'de mart başında bir pazartesi, saat dokuzu çeyrek geçiyor. Boğaz'dan esen poyraz, bir üniversitenin tıp fakültesindeki histoloji öğrenci laboratuvarının pencerelerini sarsıyor; sıralardaki yirmi mikroskobun tozlukları henüz üstlerinde. Histoloji ve embriyoloji anabilim dalının öğretim üyesi Emel Hanım masaya bir zeytinyağı şişesinden çıkmış mantar tıpa, bir paket jilet ve bir parça siyah karton bırakıyor. Umay birinci sınıfta ve bu dönem ders hazırlığına gönüllü yardım ediyor.

"Tıpadan bir dilim kes, kâğıt kadar ince olsun," diyor Emel Hanım. "Lamı kartonun üstüne koy, ışığı yandan ver." Umay'ın ilk kesiti kalın çıkıyor ve mikroskopta yalnız kahverengi bir leke görünüyor. İkinci kesit ışığı geçiriyor: düzensiz, altıgene yakın boşluklardan örülmüş bir ağ, bal peteğine benziyor ama sıraları eğri. Emel Hanım okülerin içine yerleştirilmiş ölçekli camı gösteriyor. "Say. Bir çizgi boyunca kaç boşluk var? Sonra sayını, aynı işi üç yüz altmış yıl önce yapmış bir adamın sayısıyla karşılaştıracağız."

Bu derste ne olacak

Hücre kuramının iki yüzyıla yayılan kuruluşunu, mantarda sayılan boşluklardan hücrenin nereden geldiği sorusuna kadar izleyeceğiz. Kuramın üç klasik önermesini sonradan eklenenlerden ayıracak, mikroskobun bir ölçüm aracı olarak nerede durduğunu soracak ve dağınık gözlemleri tek bir kurama bağlayan şeye bakacağız.

Metin

Mantarın içindeki kutular

Robert Hooke'un Micrographia'sı 1665'te Londra'da basıldı; kitabın başındaki Royal Society baskı izni 23 Kasım 1664 tarihini taşır. On sekizinci gözlem mantarın dokusuna ayrılmıştır ve Hooke'un anlattığı işlem Umay'ınkinden pek farklı değildir. Ustura kadar keskinletilmiş bir kalem bıçağıyla ince bir dilim kesti, mantar beyaz olduğu için dilimi siyah bir nesne levhasına koydu ve ışığı düz dışbükey bir camla üstüne topladı. Gördüğünü bal peteğine benzetti, gözeneklerin düzensiz olduğunu da ekledi. Bu kutulara "cells" dedi; OpenStax'in mikrobiyoloji kitabı ile National Geographic'in eğitim sayfası, sözcüğün bu anlamdaki ilk kullanımını bu sayfaya bağlar.

Sık anlatılan bir ayrıntı ise o sayfada yoktur: Hooke'un sözcüğü keşiş odalarını andırdığı için seçtiği söylenir. Micrographia'nın on sekizinci gözleminde karşılaştırma bal peteğiyle yapılır, manastırdan söz edilmez. Hooke'un gördüğü de canlı bir hücre değildi. Kendi metninde kutuların havayla dolu olduğunu yazar; Knapic ve arkadaşlarının 2019'da Scientific Reports'ta yayımlanan mantar görüntüleme çalışması da mantarı ölü, boş ve kapalı hücrelerden oluşan gözenekli bir malzeme olarak tanımlar. Hooke duvarları gördü, duvarların bir zamanlar çevrelediği canlı içeriği değil.

Bir sayımın arkasındaki ölçüm

Hooke yalnız bakmadı, saydı. Bir inçin on sekizde biri boyunca uç uca dizilmiş yaklaşık altmış hücre buldu ve oradan bir inçe bin yüze yakın hücre düştüğü sonucuna vardı: 60 × 18 = 1080. Aynı sayıyı alana ve hacme taşıdı. Kare inç için 1080 × 1080 = 1.166.400, küp inç için 1080 × 1080 × 1080 = 1.259.712.000 yazdı ve mikroskop bunu gözle göstermese sayının neredeyse inanılmaz olacağını ekledi.

İnç 25,4 milimetre olarak tanımlandığı için Hooke'un sayısı tek bir hücrenin boyunu da verir: 25,4 ÷ 1080 ≈ 0,0235 milimetre, yani yaklaşık 24 mikrometre. Knapic ve arkadaşlarının modern görüntülerinde mantar hücreleri bir doğrultuda 40 mikrometre dolayındadır. İki değer aynı mertebededir, ama birebir karşılaştırılamaz: Hooke kesiti hangi doğrultuda aldığını yazmadı, "yaklaşık altmış"ın ne kadar oynadığını da.

Ölçüm Bilimi programında bir sonucun önce neyin ölçüldüğünü söylemesi gerektiğini görmüştük. Hooke'un ölçülen büyüklüğü bir duvardan ötekine uzanan mesafeydi; tanımına kesitin yönü girmiyordu, belirsizliği de "yaklaşık" sözcüğünde saklıydı.

Bir göl damlasındaki canlılar

Hooke'un aleti birden çok camlı bileşik bir mikroskoptu; Micrographia'nın önsözü üç camlı bir düzeneği anlatır. Delft'te kumaş ticareti yapan Antoni van Leeuwenhoek ise tek, küçük bir mercekle çalıştı. Berkeley'deki Kaliforniya Üniversitesi Paleontoloji Müzesi'nin tarih sayfası mikroskoplarının 200 katın üzerinde büyüttüğünü yazar; Wikipedia'daki biyografisi günümüze kalan örneklerin 275 kata kadar çıktığını belirtir.

Leeuwenhoek gördüklerini 1673'ten başlayarak Royal Society'ye yazdığı mektuplarla bildirdi. Her iki kaynak da 1674'ü, suda kıpırdayan küçük canlıları ilk kez tanımladığı yıl olarak verir; 9 Ekim 1676 tarihli mektubu tek hücreli canlılara dair gözlemlerini topladı. Bu canlılara Felemenkçe "küçük hayvancıklar" dedi ve sözcük İngilizcede animalcules olarak yerleşti. 1683'te kendi ağzından aldığı örnekte de hareket eden küçük canlılar gördü; bugün bunların bakteri olduğu kabul edilir.

Hooke'un kutularıyla Leeuwenhoek'in hayvancıkları arasında o dönemde bir bağ kurulmadı. Kutular ölü bir bitki dokusundaydı, hayvancıklar suda yüzüyordu; ikisini tek kavramda toplamak cesur bir genelleme isterdi.

Bitkiden hayvana

Alman botanikçi Matthias Schleiden 1838'de "Beiträge zur Phytogenesis" başlıklı yazısını Archiv für Anatomie, Physiologie und wissenschaftliche Medicin dergisinde yayımladı. Linda Hall Kütüphanesi'nin biyografi notuna göre Schleiden bitkilerin hücrelerden kurulduğunu ileri sürdü. Bir yıl sonra fizyolog Theodor Schwann, Mikroskopische Untersuchungen adlı kitabında aynı genellemeyi hayvan dokularına taşıdı; OpenStax da Schwann'ın 1839'da bitki ve hayvan dokuları arasındaki benzerliği gördüğünü yazar. Hücre böylece bitkiyle hayvanın ortak birimi oldu.

Kuruluşun öbür yarısı ise yanlıştı. Schleiden yeni hücrelerin, sitoblast (cytoblast) adını verdiği bir çekirdeğin çevresinde bir tür maddeden oluştuğunu düşünüyordu; Linda Hall notu bu açıklamanın hatalı olduğunu ve gözleme sağlam dayanmadığını yazar. Schwann bu görüşü benimsedi. Wikipedia'nın hücre kuramı maddesi ikisinin önerisini, hücrelerin kristalleşmeye benzer biçimde başka hücrelerin içinde ya da dışında oluşması diye özetler.

Gözlem, Ölçüm ve Yorum dersinde kuram yüklü gözlemi, ne gördüğümüzün ne aradığımıza bağlı olması diye tanımlamıştık. Schleiden çekirdeği gerçekten gördü ve bu kısım doğruydu. Ona yüklediği rol, hücreyi üreten bir çekirdek fikri, lamdaki görüntüden değil beklediği açıklamadan geliyordu.

Hücre hücreden

Açığı kapatan kanıt embriyolojiden geldi. OpenStax'e göre nörolog ve embriyolog Robert Remak 1852'de hücrelerin başka hücrelerden bölünmeyle türediğine dair ikna edici kanıt yayımladı. Wikipedia'daki biyografisi, Remak'ın tavuk embriyolarındaki kırmızı kan hücrelerini bölünmenin çeşitli evrelerinde gözlediğini yazar.

Patolog Rudolf Virchow 1855'te bu fikri "omnis cellula e cellula", yani her hücre bir hücreden, kalıbıyla yaydı. İfade, derslerinden derlenen ve 1858'de basılan Die Cellularpathologie ile yerleşti; kaynaklarda iki yılın da geçmesi bundandır. OpenStax'in aktardığına göre Virchow, Remak'ın çalışmasını biliyor göründüğü hâlde 1855 yazısında ona yer vermedi; 1858'de bir kitabının önsözünde o yazının bilimsel bir makale değil bir başyazı olduğunu yazdı. Wikipedia'nın hücre kuramı ve Remak maddeleri de fikri Remak'ın daha önce ortaya koyduğunu ve Virchow'a intihal suçlaması yöneltildiğini aktarır. Üçüncü önerme bugün de çoğunlukla Virchow'un adıyla anılır; bölünmeyi gösteren kanıtın ağırlığı ise Remak'ın gözlemlerindeydi.

Üç önerme ve sonradan eklenenler

Schwann'ın genellemesi ile Virchow'un kalıbı birleştiğinde kuramın bugün ders kitaplarında sayılan klasik biçimi ortaya çıktı. Wikipedia'nın hücre kuramı maddesi ile National Geographic'in eğitim sayfası bu biçimi aynı üç önermeyle verir.

Aynı iki kaynak, kuramın sonradan genişletilmiş biçimine de yer verir. Hücreler kalıtsal bilgiyi DNA olarak taşır ve bu bilgi bölünmede bir hücreden ötekine aktarılır. Benzer türlerin hücreleri yapı ve kimya bakımından büyük ölçüde benzerdir. Enerji akışı, yani metabolizma, hücrelerin içinde gerçekleşir. Bu ekler Schwann'ın ya da Virchow'un elinde yoktu; moleküler biyoloji, genetik ve biyokimya onları kendi kanıtlarıyla ekledi ve bu seviyenin sonraki programları tek tek açacak.

Kuramın tanımını Olgu, Hipotez, Model ve Kuram başlıklı derste (L01-P01-M01-D02) yapmıştık: çok sayıda ayrı kanıt hattının dayanak olduğu, öngörü üreten bir çerçeve. Farklı yöntemlerin aynı sonuca varmasına da kanıtın birleşmesi demiştik. Hücre kuramının hatları bu tanıma oturur. Bir mantar kesiti, bir göl damlası, bitki ve hayvan dokuları, bölünen embriyo hücreleri ve hastalıklı dokular ayrı ellerde, ayrı sorularla incelendi; hiçbiri tek başına kuram değildi. Kuramı kuran, bu hatların aynı birime ve aynı kökene işaret etmesiydi.

Bilimin kendini düzeltmesini işlediğimiz derste bir bilgi gövdesinin hatasını nasıl onardığını görmüştük. Serbest hücre oluşumu böyle bir onarımla ortadan kalktı: kuram önermelerini yitirmedi, yanlış parçasını bölünme gözlemleriyle değiştirdi.

Merceğin sınırı

Bu hikâyede mikroskop bir büyüteçten fazlasıdır: gözün göremediği bir uzunluğu sayılabilir ve başkasının sayısıyla karşılaştırılabilir kılar. Brown Hareketi dersinde Perrin'in reçine taneciklerinin yerini düzenli aralıklarla işaretleyip Avogadro sayısına vardığını görmüştük; orada da mikroskop bir konum ölçeriydi. Her ölçüm aracı gibi onun da bir alt sınırı var. Mikroskopta bu sınır, iki noktanın ayrı görünebildiği en küçük uzaklıktır.

Nobel Kimya Ödülü'nün 2014 tarihli bilgi metnine göre Ernst Abbe 1873'te mikroskobun çözünürlüğünün, başka etkenlerin yanında ışığın dalga boyuyla sınırlandığını gösteren bir denklem yayımladı. Bu denklem, ışık mikroskobunda dalga boyunun kabaca yarısından, yaklaşık 0,2 mikrometreden küçük ayrıntıların ayırt edilemeyeceği kanısını yirminci yüzyılın büyük bölümünde yerleştirdi. Wikipedia'nın kırınımla sınırlı sistemler maddesi denklemi d = λ ÷ (2 × NA) diye yazar; NA sayısal açıklıktır ve objektifle örnek arasındaki ortamın kırılma indisiyle merceğin ışık toplama yarı açısının sinüsünün çarpımıdır.

Dalga boyunu Elektromanyetik Spektrum dersinde tanımlamıştık. 500 nanometrelik yeşil ışık ve sayısal açıklığı 1 olan bir objektifle sınır 500 ÷ 2 = 250 nanometredir. Yağ immersiyonlu objektiflerde açıklık 1,4 dolayına çıkar ve sınır 500 ÷ 2,8 ≈ 180 nanometreye iner. Sınır merceğin büyütmesine değil, açıklığına ve ışığın dalga boyuna bağlıdır; daha güçlü bir okülerle büyütmek aynı bulanıklığı yalnızca daha büyük gösterir. Onlarca mikrometrelik bir hücre bu sınırın çok üstündedir. Nobel metni, 2014 ödülünü alan Eric Betzig, Stefan Hell ve William Moerner'in floresan molekülleri kullanarak bu engelin altına indiğini anlatır; Floresans dersinde gördüğümüz ışıma burada bir ölçüm yöntemine dönüşür.

Kesitler kutusuna dönerken

Umay okülerdeki ölçekle mantar kesitinde bir çizgi boyunca hücreleri sayıp defterine yazıyor, yanına Hooke'un 60 × 18 = 1080'ini ekliyor. Emel Hanım sayının altına kurşun kalemle "hangi doğrultuda, kaç kez?" diye not düşüyor. Sonra bir kürdanla Umay'ın yanağının iç yüzünden birkaç hücre alıyor, lama yayıp metilen mavisiyle boyuyor. Lamda yassı, düzensiz hücreler beliriyor ve her birinin ortasında koyu mavi bir leke var.

"Hooke'un kutularında bu leke yoktu," diyor Umay. "Kutular boştu," diyor Emel Hanım. "Bunlar canlı bir dokudan geldi. Ortadaki leke, Schleiden'in yanlış bir iş yüklediği yapı." Umay defterin kenarına iki satır yazıyor: "mantar: duvar, içi hava" ve "yanak: ortada koyu leke". Poyraz dinmiş; Emel Hanım lamları tahta kutusuna diziyor.

Kendini sına

1. Hooke bir inçin on sekizde birinde altmış değil elli hücre saysaydı bir inçteki ve kare inçteki hücre sayısı ne olurdu? Tek bir hücrenin boyunu ÷ ile mikrometre olarak hesapla.
2. Hooke'un mantarda gördüğüyle Leeuwenhoek'in su damlasında gördüğü arasındaki fark neydi? Bu fark kuramın hangi önermesine dokunur?
3. Serbest hücre oluşumu hangi gözleme yaslanıyordu, hangi gözlemlerle terk edildi? Bu değişiklik kuramın bütününü mü, bir parçasını mı etkiledi?
4. 500 nanometrelik ışıkla, sayısal açıklığı 1,25 olan bir objektifin Abbe sınırı nedir? Aynı objektifi daha güçlü bir okülerle kullanmak bu sayıyı değiştirir mi?

Bir sonraki derse köprü

Schleiden hücrenin ortasındaki yapıya yanlış bir görev yüklemişti, ama yapının kendisi oradaydı: bugünkü adıyla çekirdek. Leeuwenhoek'in 1683'te kendi ağzından aldığı örnekteki bakterilerde ise zarla çevrili bir çekirdek yoktur. Prokaryot ve Ökaryot Hücre dersi bu ayrımı soracak: çekirdeği zarla çevrili ökaryot hücreyi çekirdeksiz prokaryot hücreden ayıran başka neler vardır, ve "bütün canlılar hücrelerden oluşur" önermesi bu iki büyük grubu hangi ortak özelliklerle aynı çatı altında tutar?