Tek Hücreden Çok Hücreli Organizmaya

Kavanozdaki yeşil taneler

Salı, saat üçe yirmi var. Poyraz dinmiş, pencerenin önündeki tezgâha kışın son güneşlerinden biri vuruyor. Lam kutusu dünkü yerinde, mikroskobun yanında duruyor; ama Emel Hanım önce biyoloji bölümünden ödünç aldığı küçük bir cam kavanozu koyuyor tezgâha. Suyun içinde, çıplak gözle zor seçilen yeşil taneler ağır ağır dönüyor.

Umay bir damlayı çukur lama alıp en küçük büyütmeye yerleştiriyor. Tane, içi boş bir küre çıkıyor: yüzeyinde sık dizilmiş yüzlerce yeşil nokta, içinde ise birkaç iri, koyu yeşil küre. "Bu tek bir canlı mı, yoksa bir arada yüzen bir sürü canlı mı?" diye soruyor. Emel Hanım gülümsüyor: "Bugünün sorusu tam olarak bu. Önce buna bak, sonra dünkü kutudan ince bağırsağın kesitini çıkar."

Bu derste ne olacak

Önce kavanozdaki algin gösterdiği geçişi, bir arada yaşayan hücrelerden işi bölüşen hücrelere geçişi, kaynaklarıyla izleyeceğiz. Sonra bağırsak kesitinde dört temel dokuyu ayırıp komşu hücrelerin birbirine hangi bağlantılarla tutunduğunu, aralarını neyin doldurduğunu göreceğiz. Son bölüm bu birlikteliğin tek tek hücrelere ne pahasına geldiğini soracak.

Metin

Birlikte yüzmekten işi bölüşmeye

Kavanozdaki alg Volvox'tur. Wikipedia'nın Volvox maddesi bu canlının küresinde türe göre yüzlerce ile on binlerce hücre bulunduğunu yazar; çok hücreli organizma maddesi de cinse 500 ile 50.000 arası hücre verir. Umay'ın saydığı yüzey noktaları somatik hücrelerdir: her biri kamçılıdır, küreyi ışığa doğru yüzdürür, ama üremez. İçerideki iri küreler gonidyumlardır; hareket etmezler, bölünerek yeni koloniler üretirler. David Kirk'ün 2005'te BioEssays'de yayımladığı derlemenin özeti aynı ayrımı "üreme hattı ile beden hücreleri arasında tam bir iş bölümü" diye adlandırır.

Kirk'ün özetine göre bu yeşil algler tek hücreli Chlamydomonas'tan başlayıp küçük bir koloni olan Gonium'a, oradan Pandorina, Eudorina ve Pleodorina gibi giderek büyüyen ve iki hücre tipini giderek daha belirgin ayıran canlılara, en sonunda Volvox'a uzanan bir dizi oluşturur. Wikipedia da Volvox'un yakın akrabalarının tek hücrelilerden basit kolonilere uzandığını, bu yüzden cinsin çok hücreliliğin evrimini incelemek için model olduğunu yazar. Dizinin başındaki koloni, aynı işi yapan hücrelerin bir arada durmasıdır; sonundaki organizma, işi bölüşmüş hücrelerin birliğidir.

Bu geçiş bir kez yaşanmadı. Antonis Rokas'ın 2008'de Annual Review of Genetics'te yayımladığı derleme, çok hücreliliğin yaşam tarihinde erken ve tekrar tekrar ortaya çıktığını yazar ve birbirinden bağımsız evrilmiş tek hücreli–çok hücreli akraba çiftlerini karşılaştırır. Richard Grosberg ile Richard Strathmann'ın 2007 tarihli derlemesi de büyümenin ve hücrelerin işlevce özelleşmesinin faydalarının çok hücreli organizmaların evrimini tekrar tekrar desteklediğini söyler. Wikipedia'nın çok hücreli organizma maddesi de bağımsız ortaya çıkışları ökaryotların pek çok soyunda sayar.

İki derleme bu geçişlerde ortak bir malzeme listesine de işaret eder. Rokas, tek hücreliden çok hücreliye geçişlerin genellikle hücre farklılaşmasına, hücreler arası iletişime ve yapışmaya ilişkin genlerin sayısındaki artışla birlikte görüldüğünü yazar. Grosberg ile Strathmann da hücre yapışmasını, hücreden hücreye iletişimi ve programlı hücre ölümünü çok hücreli düzenin gerekleri arasında sayar ve bunların büyük ölçüde tek hücreli atalarda evrilmiş olabileceğini ekler. Farklılaşmayı bir önceki derste görmüştük. Bu dersin geri kalanı yapışmayı ve iletişimi, en sonda da ölümü ele alıyor.

Bir kesitte dört doku

Umay kavanozu kenara çekip bağırsak kesitini mikroskoba yerleştiriyor. Görüntü katman katmandır: iç yüzde parmak gibi uzanan çıkıntıların kenarını tek sıra uzun hücreler döşer; altında gevşek, pembe bir zemin, onun altında kalın ve düzenli kas şeritleri, iki kas katının arasında da soluk renkli küçük hücre kümeleri.

Hayvan dokularını dört tipe ayıran sınıflama, OpenStax Anatomy and Physiology'de de Wikipedia'daki doku maddesinde de aynıdır. Epitel, beden yüzeylerini örten, iç boşlukları ve geçitleri döşeyen hücre tabakalarıdır. Bağ dokusu hücreleri ve organları bir arada tutar, destekler ve korur; hücreleri, aralarındaki bol hücre dışı malzemeyle birbirinden ayrılır. Kas dokusu uyarılabilir ve kasılır. Sinir dokusu da uyarılabilir, ama işi bedenin bir yerinden ötekine elektrokimyasal sinyal taşımaktır.

Kesit bu dört tipi tek bakışta gösterir. Sindirim kanalının duvarını OpenStax'in sindirim sistemi bölümü ve Wikipedia'daki mide-bağırsak duvarı maddesi aynı sırayla anlatır: en içte tek katlı silindirik epitel ve onu taşıyan, lamina propria denen gevşek bağ dokusu; altında submukoza denen bir bağ dokusu katı; sonra iç katı dairesel, dış katı boyuna uzanan düz kas; kas katlarının arasında da bağırsak hareketini yöneten miyenterik sinir ağı. Umay'ın soluk kümeleri bu ağın parçalarıdır. Tek bir organın duvarında dört doku katman katman durur; organ, dokuların birlikte kurduğu bir yapıdır.

Epitele biz yabancı değiliz. Benign, malign ve prekanseröz ayrımını işlediğimiz derste (L01-P01-M03-D06) intraepitelyal sözcüğünü çözerken epitelin doku yüzeyini örten hücre tabakası olduğunu görmüştük. Hücre boyutu dersinde bağırsağın emici yüzünü döşeyen epitel hücrelerinin fırçamsı kenarına da bakmıştık.

Komşuya tutunmak

Sıkı bağlantı (tight junction) kapatıcıdır. Anatomi ders kitabında OpenStax, sıkı bağlantıyla birleşen hücreler arasında hücre dışı boşluk kalmadığını ve maddelerin hücrelerin arasından geçişinin engellendiğini yazar; OpenStax'in Biology kitabı bunu komşu iki hücre arasında su geçirmez bir mühür diye anlatır, klaudin ve okludin proteinlerini adlandırır, mesanenin iç yüzünü örnek verir. Wikipedia'nın sıkı bağlantı maddesi ikinci bir işi ekler: bağlantı bir çit gibi çalışır, hücrenin boşluğa bakan yüzü ile tabana bakan yüzündeki zar proteinlerinin birbirine karışmasını önler. Epitelin bir bariyer olabilmesi buna bağlıdır. Hücrelerin arasından geçemeyen bir madde tabakayı ancak hücrenin içinden, yani zarından geçerek aşabilir; zar taşınımının yolları ileride kendi modülünde işlenecek. Wikipedia'nın aynı maddesi epitellerin bağlantılarının sıkılığına göre sıkı ve daha geçirgen diye ayrıldığını da yazar. Bağırsak geçirgenliği araştırma konusudur; bu ders onu işlemez ve bir ürün iddiasını desteklemez.

Tutturucu bağlantılar tabakaya mekanik dayanıklılık verir. Yapışma bağlantılarında (adherens junction) hücre zarının iç yüzünde kasılabilen aktin proteinini aynı anatomi kitabı tarif eder; Wikipedia'nın hücre bağlantıları maddesi de bu bağlantıların aktin iplikleri üzerinden tutunduğunu ve hücreyi saran bir yapışma kuşağı oluşturabildiğini yazar. Desmozom (desmosome) iki kaynakta da kadherin denen yapışma proteinleriyle kurulur: bir hücrenin kadherinleri zarı aşıp komşu hücrenin kadherinlerine bağlanır, içeride ara filamentlere tutunur. Biology kitabı desmozomları nokta kaynaklarına benzetir ve deri, kalp ve kas gibi gerilen dokularda bulunduğunu yazar. Hemidesmozom ise hücreyi komşusuna değil alttaki hücre dışı malzemeye bağlar ve bunu kadherin yerine integrin proteinleriyle yapar.

Oluklu bağlantı (gap junction) iletişim kurar. Biology kitabına göre altı konneksin proteini bir araya gelip konnekson denen bir kanal oluşturur ve komşu hücrelerin konneksonları karşılıklı birleşince iyonlar ve küçük moleküller bir hücreden ötekine geçer. Wikipedia'nın maddesi protein ve nükleik asit gibi büyük moleküllerin bu kanaldan geçmediğini ekler. İki kaynak da kalp kasını örnek verir: kasılma sinyali oluklu bağlantılardan hücreden hücreye geçtiği için kalp kası hücreleri birlikte kasılır. Hücrelerin birbirine sinyal göndermesinin başka yolları, zarın alıcıları ve sinyalin hücre içindeki yolu Zar Bütünlüğü ve Hücresel Sinyal dersinde işlenecek. Her bağlantı tipi de ileride kendi dersinde açılacak.

Hücrelerin arasındaki malzeme

Hayvan hücrelerinin matriksinde en bol proteinin kollajen olduğunu, kollajen liflerinin karbonhidrat taşıyan proteoglikanlarla örüldüğünü Biology ders kitabı bildirir; Wikipedia'nın kollajen maddesi de kollajeni bağ dokusu matriksinin ana yapısal proteini olarak tanımlar. Anatomi kitabında bağ dokusunu hücreler, biçimsiz bir temel madde ve protein lifleri kurar; lifleri salgılayan başlıca hücre fibroblasttır, kollajen lifleri esnektir ama gerilmeye karşı büyük bir dayanıklılık gösterir. Kesitteki pembe zemin bu malzemedir.

Epitel ile bağ dokusu arasında ince bir tabaka daha vardır: bazal membran. Aynı kitap epitelin glikoproteinler ve kollajenden oluşan bazal laminaya tutunduğunu, alttaki bağ dokusunun salgıladığı katmanla birlikte bazal membranın oluştuğunu yazar. Wikipedia'nın maddesi bu tabakanın epiteli alttaki bağ dokusuna tutturduğunu ve bütün çok hücreli hayvanlarda bulunan özel bir matriks olduğunu yazar. Alveolde gaz değişimini işlediğimiz derste (L02-P07-M01-D08) kan–hava bariyerinin katmanları arasında bu zarla karşılaşmıştık.

Birlikteliğin bedeli

Kavanozdaki kürede iş bölümünün bedeli açıkça görülür: somatik hücreler koloniyi yüzdürür ama kendileri üremez; soyu gonidyumlar sürdürür. Grosberg ile Strathmann'ın derlemesi çok hücreli bir organizmayı bir başka tehdide karşı da inceler: kendi çoğalmasını organizmanın bütünlüğü pahasına artıran hücre soyları. Derlemeye göre bu çatışmayı sınırlayan en önemli düzenek, organizmanın tek bir hücreden gelişmesidir; bütün hücreler aynı kökten geldiği için birbirleriyle yarışmaları daha az olasıdır. Bir önceki dersin aynı genom fikri burada evrimsel bir anlam kazanır.

İnsan bedeninde bedel başka bir biçim alır. Bir önceki derste çekirdeğini ve mitokondrisini atarak farklılaşan alyuvarı görmüştük: böyle bir hücre kendi yenisini yapamaz, yerine yenisini kemik iliğindeki kan yapıcı kök hücrelerin soyu üretir. Özelleşen hücre, tek hücreli bir canlının kendi başına yaptığı işlerden bazılarını bırakır ve o işler için bedenin geri kalanına dayanır.

Birlikte yaşayan hücre, gerektiğinde ölmeyi de üstlenir. Apoptozu hem Biology ders kitabı hem Wikipedia çok hücreli organizmalarda hasarlı ya da fazla hücrenin denetimli biçimde kendini yok ettiği programlı hücre ölümü diye tanımlar ve gelişen embriyoda parmakların arasındaki hücrelerin böyle ortadan kalktığını yazar; bu süreç ileride kendi derslerinde işlenecek. Biology kitabı aynı denetimin hücrelerin bedende dolaşıp denetimsiz çoğalmasını engellediğini, metastaz yapan tümör hücrelerinde ise bu denetimin aşıldığını yazar; Wikipedia'nın bazal membran maddesi de bu zarın kötü huylu hücrelerin derine inmesine karşı mekanik bir engel olduğunu söyler.

Kesiti kutusuna koymadan önce

Umay defterin sayfasını dikine bir çizgiyle ikiye bölüyor; sola "Volvox", sağa "bağırsak" yazıyor. Volvox sütununa "iki hücre tipi, biri üremez" yazıyor. Bağırsak sütununa tek satır ekliyor: "epitel, bağ, kas, sinir" ve altına küçük harflerle "sıkı, desmozom, oluklu, matriks".

Emel Hanım defterin üstüne eğiliyor. "İkisinin altına ortak bir satır yaz," diyor. "Kürede yüzeydeki hücreler üremeyi bırakmış, bizim bedenimizde alyuvar çekirdeğini." Umay kalemi bir süre bekletiyor, sonra yazıyor: "birlik, her hücrenin bir şeyden vazgeçmesiyle kuruluyor." Emel Hanım lamları kutusuna diziyor. "Bir hafta boyunca hücreyi parça parça gördün. Perşembe bütün parçaları tek bir hücrenin çiziminde toplayacağız."

Kendini sına

1. Volvox'ta somatik hücreler ile gonidyumların işini ayır. Bu ayrım neden bir koloniden çok hücreli bir organizmaya geçişin işareti sayılır?
2. Çok hücreliliğin birden çok kez bağımsız ortaya çıktığını söyleyen iki kaynağı an. Bu geçişlerde hangi gen gruplarının arttığı görülür?
3. İnce bağırsak duvarının bir kesitinde dört temel dokuyu içten dışa doğru nerede bulursun?
4. Sıkı bağlantı, desmozom ve oluklu bağlantının her birinin bir epitel ya da kalp kası için yaptığı işi birer cümleyle yaz.
5. "Doku yalnızca hücrelerden oluşur" cümlesini hücre dışı matriks, kollajen ve bazal membranı kullanarak düzelt.

Bir sonraki derse köprü

Bu dersler boyunca hücre önce bir mantar dilimindeki boş odacık, sonra çekirdeği, organelleri, zarları ve komşularıyla görüldü. İnsan Hücresinin Görsel Haritası dersi bu parçaları tek bir çizimde buluşturacak: çekirdek, mitokondri, endoplazmik retikulum ve Golgi aygıtı bir insan hücresinin içinde birbirine göre nerede durur, ve plazma zarının hangi yüzü komşu hücreye, hangisi alttaki matrikse bakar?