Kristaller ve rastgele olaylar

Shutterstock

Bilimin gelişmesi çeşitli yollardan geçer…

En çok bildiğimiz yöntem, çok sayıda bilimcinin iğne ile kuyu kazar gibi bir probleme yoğunlaşmasıdır. Bugün kanser ile savaş, yakıt pilleri, uzay araştırmaları, ileri teknoloji malzemeleri gibi pek çok sahada sayıları yüz binlere varan bilim insanları çalışıyor. Çoğu insan bilgi hazinemize gayet küçük katkılarda bulunuyor. Daha az sayıda araştırmacı ise bu katkılardan büyük resme ulaşmayı hedefliyor. Ama sonunda bazen yavaş bazen hızla da olsa bilim ilerliyor.

Kazara olan buluşlar

Bir başka yol ise İngilizcede “serendipity” olarak geçiyor ve Türkçede tek bir kelime ile ifade edilemiyor. Tureng.com “mutlu tesadüf, mutlu kaza, aramazken bulunan” gibi, çok da yeterli olmayan karşılıklardan sonra “şans eseri değerli bir şeyler keşfetme” olarak tanımlıyor. Yani aslında başka bir şeyi araştırırken, farklı bir problemi anlamanın veya çözmenin karşılığı. Bunun en çok bilinen örneği ise penisilin: Alexander Fleming bir seyahatten döndüğünde laboratuvarında stafilokok içeren bir kapta bir küfün ürediğini ve bu küfün stafilokokun büyümesini durdurduğunu görür. Bu buluşun bir ilaca dönüşmesi başka bilim insanları tarafından gerçekleştirilse de Fleming penisilinin babası olarak bilinir. Günümüzde hala penisilin en çok kullanılan antibiyotik.

Bu tarz keşiflerin güzel bir listesini burada bulabilirsiniz [1]:

Radyoaktivite (H. Becquerel), Röntgen (W.Röntgen), velcro (G.de Mestral), sakkarin (C. Fahlberg), kalp pili (W. Greatbatch), insulin (O. Minkowski ve J.von Mering) ve kauçuk (C. Goodyear) bilinen örneklerden.

Uygulamaların disiplinler arası kullanımı: Kristallerin rastgeleliği

Çok daha az rastlanan ama etkili olabilen başka bir yol ise, bir sahada bilinen tekniklerin başka bir konuya uygulanabilir kılınmasıdır. Chemistry World’de yayınlanan “Kristallerden oluşan gerçek rastgele sayılar” başlıklı ilginç bir makale buna bir örnek [2].

Bu çalışmayı anlatmak için önce kristalleştirme nedir, neden önemlidir ve bu süreç içindeki bilimsel sorunlar nelerdir açıklayalım.

Katı tuz veya şeker molekülleri oda sıcaklığında kristal yapısındadır; suya koyduğunuz zaman, bu yapıları kaybederler yani çözünürler. Eğer suyu buharlaştırmaya başlarsanız, tekrardan tuzu ve şekeri elde edebilirsiniz ama kristal yapısını kaybetmiş de olabilirsiniz. Bir şekilde kristal yapısı bozulmuş olan molekülleri tekrardan kristal haline getirme işlemi kristallendirme olarak bilinir ve çözünmenin aksine çok daha zor/rastgele gerçekleşebilir.

Kristal oluşturmanın çok gerekli olduğu bir alan, proteinlerin yapılarının bulunmasıdır. Bu yapıların bilinmesi, biyokimyasal tepkimelerin anlaşılması ve sonucunda vücutta doğru çalışmayan proteinlerin fonksiyonlarına kavuşturulması yani hastalıkların iyileştirilmesi için son derece önemli.

Üç boyutlu protein yapılarını bulmayı amaç edinen yapısal biyoloji sahası, kristallendirme tekniğiyle atomik çözünürlükte elde ettiği yapıları, ilaç niteliğindeki küçük moleküllerin rasyonel tasarımında kullanır.

Sulu çözeltideki bir proteinin kristallenmesi bir tuzunkine benzer olarak iki aşamalı bir faz değişimi olarak modellenebilir: çekirdekleşme ve kristallenme. Bu termodinamik bariyerlerin aşılması için proteinin yüksek konsantrasyonda çözünür olması ve çözelti şartlarının o protein için “doğru” olması gerekir.  Fakat, yapısı çözülmüş her bir protein için, çözülememiş on protein daha vardır: Her yapının çözülememesi,  yani proteinin üç boyutlu dinamik yapısını sabitleştiren faktörlerin tam olarak anlaşılmaması, kristallenme aşamasının termodinamik ve kinetik açıdan rastgele oluşunun bir sonucudur.

Kristaller ve rastgele sayılar

Rastgele sayılara gelirsek, gerçek bir rastgele sayıyı bulmak çok zordur [3]. Bilgisayarlarda yarattığımız bütün rastgele sayıların, çok uzun olsa da periyotları vardır, yani bir süre sonunda kendini tekrarlarlar. Yukarıda bahsi geçen Chemistry World’de yayınlanmış yazı “gerçekten” rastgele olan bir olayı yani kristallenmeyi ele alıyor. Çözelti içinden kristallerin oluşması kullanılarak yeni rastgele sayılar üretilebileceği anlatılıyor.

Glasgow Üniversitesi’nden Lee Cronin 10×10 cam tüp içeren bir sistemde, otomatik olarak kristal oluşturabilen bir robot tasarlıyor. Bu robot oluşan kristallerin boyutları, renkleri, yönlendirilmeleri gibi özelliklerinin fotoğraflarını çekip bir dizi rastgele sayı üretiyor. Bu sayılar şimdiye kadar rastgele sayıların uyması gereken istatistiksel testleri geçiyor. Rastgele sayılar genellikle şifreleme alanında çok kullanılıyor. Cronin de kendi sayılarını kullanarak başarılı bir şifreleme gerçekleştirebiliyor.

Aslında şifreleme için bugün yeterli derecede iyi çalışan pek çok algoritma var. Yani bu robot olmadan da yaşayabiliyoruz. Cronin’in esas amacı ise zaten başka. O, stokastik dediğimiz “rastgele” kimyasal olayları, örneğin güneş pili malzemelerindeki bozuklukları veya poroz (delikli) sıvıları anlamak için çalışıyor. Yine de bu klasik bir probleme çok farklı bir yaklaşım olması açısından güzel bir örnek.

Zeynep Yurtsever (Araştırmacı, Pfizer)
Ersin Yurtsever (Bilim Akademisi üyesi, Koç Üniversitesi Kimya Bölümü öğretim üyesi)

Kaynaklar

[1] Kevin Loria, “These 18 Accidental And Unintended Scientific Discoveries Changed The World“, Business Insider, Nisan 2018.
[2] Tom Matcalfe, “Really random numbers created from crytals“, Chemistry World, Şubat 2020.
[3] Ersin Yurtsever, “Rastgele sayılar ve Monte Carlo yöntemi nedir?“, sarkac.org, Kasım 2018.