Eklembacaklıları başarıya götüren bir takım güçlü aletleri olduğunu ve bu canlıların uzun ömür, birey sayısı, tür sayısı ve çeşitlilik açısından olmak üzere pek çok şekilde başarıya ulaştıklarını gördük. Yine de eklembacaklılar olası her türlü başarıya imza atmış değiller. Omurgalılar, eklembacaklıları bir alanda sürekli olarak saf dışı bırakmışlardır: vücut büyüklüğü.
Karada yaşayan omurgalılar boyut olarak epey büyümüştür. Dinazorları düşünün! Aşırı derecede büyüktürler. Ancak, kertenkele gibi günümüzde yaşayan tipik bir omurgalı bile neredeyse tüm karasal eklembacaklılardan daha cüsselidir.
Bu bölümde, şu önemli soruların yanıtlarını araştıracağız:
- Neden karasal eklembacaklılar mesela filler kadar büyük olacak şekilde evrilememiştir?
- Evrimsel kısıt nedir?
Fiziğin ve kalıtımın karasal eklembacaklıların büyük vücutlu olacak şekilde evrilmelerini nasıl engellediğini incelemeye başlıyoruz!
Evrimsel kısıtlar nelerdir?
Evrimsel kısıtlar bir şeyin neden evrilmediğini veya evrilemiyor olduğunu açıklamaya yardımcı olur. Bu kavram, fillerin neden kanatlara, denizanalarının neden daha hızlı bir hareket yeteneğine veya böceklerin neden devasa boyutlara sahip olacak şekilde evrilmediğini açıklar.
Karada yaşayan omurgalılar boyut olarak epey büyümüştür. Dinazorları düşünün! Aşırı derecede büyüktürler. Ancak, kertenkele gibi günümüzde yaşayan tipik bir omurgalı bile neredeyse tüm karasal eklembacaklılardan daha cüsselidir. Peki, karasal eklembacaklılar neden filler kadar büyük cüsseli olacak şekilde evrilmediler?
Vücut büyüklüğü üzerindeki evrimsel kısıtlar, doğada var olan fizik kurallarıyla olduğu kadar, muhtemelen eklembacaklılara ortak atalarından miras kalan bazı özelliklerle de alakalıdır.
Fizik kanunları ve kalıtım
Eklembacaklılar, atalarından hem bir dış iskelet hem de eklemli bacaklar miras edinmişler. Bu kalıtsal özellikler eklembacaklı evriminde pek çok fırsat yaratmıştır, ancak aynı zamanda başka olasılıkları da engellemiştir. Özellikle, karasal eklembacaklıların boyutları üzerinde etkili üç kısıdı inceleyeceğiz:
Deri değiştirme: Deri değiştirmek büyük hayvanlar için daha tehlikelidir.
Dış iskelet dayanıklılığı: Dış iskelet daha büyük hayvanları destekleyecek kadar güçlü olmayabilir.
Solunum: Pek çok eklembacaklı, küçük vücutlarını destekleyecek kadar oksijeni ancak alabilir.
Deri değiştirme ve dış iskelet: İki ucu keskin kılıç
Eklembacaklıların katı dış iskeletleri, koruma amaçlı veya alet gibi kullanabilecekleri uzantılara sahip olabilmelerini sağlayan temel yapı malzemesidir. Ama dış iskeletin de kötü yanları vardır. Sertliği ve dış katmanının cansızlığı nedeniyle dış iskelet, insan iskeletinde olduğu gibi küçük değişimler ile artarak büyüyemez. Bunun yerine eklembacaklılar hassas ve zorlu bir süreçten geçmek zorundadır: bir eklembacaklı, eski dış iskelet atıldıktan sonra yeni dış iskelet henüz sertleşmeden boyutça büyümelidir. Bu sürece deri değiştirme denir.
Kara sakini hindistan cevizi yengeci 5 kg ağırlığındadır. Bu devler için deri değiştirmek ciddi bir sorumluluktur. Gerekirse bütün bir ayı derin bir oyukta, eski deriden sıyrılıp yerine yenisinin sabitlenmesini bekleyerek geçirebilirler.
Dış iskeletin dayanıklılığı: Başarısızlığın fiziği
Az önce dış iskeletin atılmasının karasal eklembacaklıların boyutunu sınırlandırabileceğini gördünüz. Peki, dış iskelet aşırı büyük eklembacaklılar için başka sorunlara da yol açar mı? Cevabı bulmak için eklembacaklının vücut büyüklüğü arttığında dış iskelete ve onu hareket ettiren kaslara ne olduğuna bakacağız.
Dış iskeletin dayanıklılığı: Karıncaları şişirmek
Bir deneyle başlayacağız. Bir karıncayı, vücudunun tüm parçaları orantılı kalacak şekilde büyütürsek ne olur? Aşağıdaki her bir karınca bir öncekinin iki katı büyüklüğündedir. Her bir karıncaya, ayağa kalkıp yemek aramaya gittiğinde ne olacağını görmek için karıncaların üzerine tıklayın.
Dış iskeletin dayanıklılığı: Tam bir boru gibi
En büyük karıncanın bacakları, taşımak için gösterdiği tüm çabaya rağmen vücudunun aşırı ağırlığına dayanamadı ve ezildi. Bunun nedenini anlamak için basitleştirilmiş bir örnek inceleyeceğiz. Eklembacaklı bacağının tek bir bölütü, üzerinde kocaman yük taşıyan bir boruya benzer; bu aslında eklembacaklının vücudunun yükünü çeken içi boş bir destek yapısıdır (dış iskelet).
Tabii, yük taşıyan bir boru ile karıncayı taşıyan bacak arasında pek çok fark vardır. Örnekteki eklemsiz borular yükün hemen altına konuşlanmışken, eklemli karınca bacakları genellikle vücudun kenarından dışarıya doğru çıkar ve yükü bu şekilde taşırlar. Buna rağmen, vücut büyüklüğünün canlı üzerinde oluşturduğu kısıtlamaları anlayabilmemiz için, ağırlık ve boruların iyi bir model oluşturduğunu görürüz. İnceleyeceğimiz örnekleri basitleştirmek için bazı detayları atladık. Atladığımız bu detaylar karıncaların büyük vücutlu olmasını aslında daha da zorlaştırmaktadır!
Borular ve küpler
Borular oldukça kuvvetlidir, ama onların bile sınırları vardır. Aşağıdaki üç boru ve küp seti aynen karıncalarda olduğu gibi her biri bir öncekinin iki katı olacak şekilde büyütülmüştür. Küplerin boyutlarına göz atın. Boyut büyüdüğünde ağırlığa ne olur?
Dış iskeletin dayanıklılığı: Ezici hesaplar
Büyüyen bir küpün ağırlığı boyutlarına oranla daha hızlı artar. Eğer her santimetre küp bir gram ağırlığındaysa, 1. küp 1.000 gram, 2. küp 8.000 gram ve ikincinin iki katı ebatında üçüncü bir küp 64.000 gram ağırlığında olacaktır. Hacim, dolayısıyla ağırlık, küpün tek bir kenarının arttığından daha hızlı artar.
Dış iskeletin dayanıklılığı: Bir çözüm?
Peki, bu sorunun bir çözümü var mı? Daha güçlü bir dış iskeletin (yani daha güçlü boruların) evrilmesi mümkün müdür? Öyle ya, geniş borular dar olanlardan daha güçlüdür. Belki dev karıncamıza çok kalın bir dış iskelet ile çok geniş bacaklar verirsek, bu kadar çok bacağı kırılmaz. Bu karınca başarılı olabilirmiş gibi duruyor mu? Fil gibi büyük karıncamızın kaderini öğrenmek için aşağıdaki düğmeye tıklayın.
Aşırı büyük aşırı ağır demektir
Maalesef, anlaşılan o ki evrim karıncaların boyutlarını daha geniş bacaklar geliştirerek sonsuza dek arttıramaz! Sorun, ağırlıkla ilgilidir. Aşırı geniş bir dış iskelet aynı zamanda çok da ağır olmalıdır. Taşıması zor bu zırhı hareket ettirmek için ise daha fazla güç gerekecektir. Fakat ne yazık ki hırslı karıncamızın kasları, dış iskeletin getirdiği fazladan ağırlıkla baş edecek hızda güçlenemez. Aşırı geniş bacaklı ve çökmeye dayanıklı bir dış iskelete sahip büyük bir karasal eklembacaklı, kendisini hareket ettirecek kas gücüne sahip olamayacaktır!
Evrim ve dış iskelet
Demek oluyor ki, dış iskeletin fiziği büyük vücutlu eklembacaklıların evrimini sınırlandırabilir. Bir karıncanın daha büyük vücutlu olması ona faydalı olsaydı bile, o karınca, daha büyük boyutun faydalarını gölgeleyecek başka kayıplarla karşılaşırdı. Örneğin, vücudunu taşıyamayan bacaklara veya hareket ettirilemeyecek kadar ağır bir dış iskelete sahip olurdu. Yani, karasal eklembacaklılar için daha büyük, her zaman daha iyi demek değildir.
Solunum: Trake, üçüncü dert
Tüm eklembacaklılar deri değiştirir ve dış iskeletleri vardır. Az önce gördüğümüz gibi bunlar, karasal hayvanların vücut boyutlarını sınırlandıran iki etkendir. Ancak, böceklerin soluma yöntemleri sebebiyle bu alanda üçüncü bir problemi var. Kabuklular, solunumu solungaçlarla, örümcekler ise kitapsı akciğer adı verilen solungaç benzeri yapılarla sağlarlar. Böcekler ise farklı bir yöntem kullanırlar, oksijeni trake adı verilen borular vasıtasıyla alırlar.
Solunum: Oksijen almak lazım
Böcekler dahil tüm hayvanlar oksijene ihtiyaç duyar. Oksijen olmadan hayvanların hücreleri yaşayamaz. Böceklerin akciğerleri yoktur ve kanları oksijen taşımaz. Oksijen hücrelere dışarıdaki havayla doğrudan bir bağ vasıtasıyla ulaşır. Trake adı verilen bir boru ağı, oksijenin böceğin derinliklerindeki hücrelerine kadar gitmesini sağlar.
Solunum: Dev yusufçuklar
Tüm böceklerde oksijen, iç hücrelere ulaşmak için boruların içinden hareket eder. Böcek ne kadar büyükse, borular da o kadar uzun olmalıdır. Bu durumun büyük bir böcek için sorun teşkil edip etmeyeceğini incelemek için, oksijenin farklı uzunluklardaki trakelerden geçerken nasıl hareket ettiğini gösteren sanal bir deney gerçekleştireceğiz.
Aşağıdaki borular üç yusufçuğun trakelerini temsil ediyor. Bu modelde, her bir boru bir bağırsak hücresine oksijen sağlıyor. Boruların uzunluğu yusufçuğun büyüklüğüne bağlı olarak değişiyor. Mavi noktalar ise oksijen moleküllerini temsil ediyor.
Solunum: Uzunu ve kısası
Geçişim küçük böcekler için oldukça işe yararken büyüklerde işe yaramaz. Oksijenin geçişimle kat edeceği yol arttıkça hızı azalır. Bu da, geçişime bel bağlayan büyük hayvanların hücrelerinin havasız kalabileceği anlamına gelir. Oksijen o hücrelere, ihtiyaçlarını karşılayabileceği çabuklukta ulaşamaz.
Evrim geçişim hızı fiziğinin etrafından gezinemez ve böcekler de atalarından miras kalan solunum sistemini öyle basitçe kaldırıp atamazlar. Bu iki etken birleşir ve böceklerin evrilebileceği vücut boyutunu kısıtlar. Geçişim hızı tarafından konmuş vücut sınırlarını zorlamaya başlayan hayvanlar, hücrelerine yeterli oksijeni sağlayamayacak ve dolayısıyla pek başarılı olamayacaklardır.
Gidilmeyen yol
Evrim, bakterilerden yarasalara akıl almaz bir çeşitlilik, fotosentezden yankı-konumlamaya kadar muazzam uyarlanımlar üretmiştir. Fakat az önce gördüğünüz gibi, evrim her şeyi yapacak güce sahip değildir. Evrim, yer çekimi gibi fizik yasalarıyla, genetikle (yani, solunum organlarının yapım talimatlarınının ancak belirli bir şekilde kodlanabilmesi ile) ve çevreyle (örneğin, büyük, yavaş hareket eden ve kırılgan karıncalar için bir niş bulundurmayarak) kısıtlanmış, belli bir yönü olmayan bir süreçtir. Eklembacaklılarda, vücut desteği, koruma ve su geçirmeme gibi açılardan yararlı bir uyarlanım olan dış iskelet, solunum sistemlerine faydalarıyla beraber evrimsel kısıtlar da getirmiş görünüyor.
Her ne kadar dev bir mitolojik figür olan bahamut karıncalarının bugün yerkürede neden dolanmadıklarını tam olarak bilmek zor olsa da, birçok olası evrimsel açıklamayı birlikte inceledik. Deri değiştirmenin tehlikeleri, dış iskeletin yapısı ve trake sistemi, eklembacaklı evrimsel tarihinin bir parçasıdır ve eklembacaklılar bu tarihi görmezden gelip her şeye sıfırdan başlayamazlar. Evrimin mekanizmaları yalnızca halihazırda var olan öğeler üzerinde çalışabilir. Gelecekteki evrimleri, onları hangi yöne götürürse götürsün, her zaman atalarından kalıtılan karakterlere bağımlı olacaklardır.
Şimdi evrim ve eklembacaklılar hakkında öğrendiklerimizin özetine bir bakalım.
