Balinalar ve nefes tutmanın sırları

HABER MERKEZİ – Güncel bilimsel gelişmelere ve bilim tarihine mercek tuttuğumuz “Karınca’nın Gözünden Bilim”de bu hafta, yaklaşık dört saat nefes tutabilen balinalardan yola çıkarak, insanların nefes tutmakta neden bu kadar zorlandığına odaklanıyoruz.

Mehmet Ali Döke*

Dalan memelilerin nefeslerini saatlerce tutabilmelerinin altında evrimsel süreçte kazandıkları birtakım özellikler yatmakta. Bunların bir kısmı hemen akla gelebilecek ve kolayca gözlenebilecek şeyler. Örneğin, beden büyüklüğüne oranla daha büyük akciğer ve dalaklar ile kan hacmine sahip olmak ve yüksek sayıda kırmızı kan hücresi üretmek, dalış sırasında uzuvlara giden kanı büyük ölçüde kısarak merkezi sinir sistemi ve iç organların oksijene erişimini artırmak ve yine dalışta nabzın yavaşlaması hemen her sucul memelinin belirli ölçülerde kazanmış olduğu özelliklerdir.

Fakat bunların toplamı bile saatlerce su altında kalmayı açıklamaya yetmez. Bu noktada göze görünmeyen moleküllerin alemine bakmak gerekir. Zaten Bajau Kabilesi örneğinde de geçtiği gibi dalışla gelen fizyolojik zorlukları aşmanın altında yatan pek çok geni artık biliyoruz.

Bu alandaki en ilginç buluşlardan biri de 2013’te Science dergisinde yayımlanan bir makalede karşımıza çıkıyor. Karasal ve sucul memeli türlerinin kaslarındaki miyoglobin yoğunluğu ile miyoglobin moleküllerinin elektrik yükü arasındaki ilişkiye odaklanan araştırmacılar sucul canlılardaki miyoglobin proteinin artı elektriksel yük barındırdığını buldular. Miyoglobin, kaslarda bulunan ve oksijen bağlayan bir protein. Araştırmacılara göre, artı yüklü miyoglobinler birbirini ittiği için dalan memelilerin kaslarına muazzam miktarda miyoglobin bulunduğu halde bu moleküller birbirine yapışıp işlev kaybına neden olmuyorlar. Hatta araştırmada yer alan Liverpool Üniversitesi’nden Michael Barenbrick’e göre, miyoglobinin elektrik yükü ile canlının su altında kalabileceği süre arasındaki ilişki o kadar net ki, bu bilgiden hareketle çoktan nesli tükenmiş canlıların DNA dizileri incelenerek ne kadar nefes tutabileceklerini kestirmek bile mümkün.

Zamanının çoğunu ya da tamamını suda geçiren memeli türlerinin nefes tutma konusundaki becerileri insanları eskiden beri etkilemiştir. Örneğin akarsularda kurdukları barajlarla bilinen kunduzlar nefeslerini 15 dakika tutabilirler. Yunus ve küçük balina türlerinde bu süre genelde 10 – 20 dakika iken ispermeçet balinası gibi iri türler tek nefesle bir saatten fazla su altında kalabilirler. Fakat nefes tutma dünyasının yıldızı hiç kuşkusuz Cuvier gagalı balinalarıdır. Bu türe ait bir önceki kayda geçmiş rekor akıllara durgunluk veren tam 137,5 dakika iken, Eylül 2020’de Deneysel Biyoloji Dergisi’nde yayımlanan bir makaleye göre yeni bir rekor belgelenmiştir. Bu yeni gözlemde dalışı kaydedilen balina su altında tam 222 dakika geçirerek bütün hayvanlar aleminde şimdiye kadar bilinen en uzun nefes tutma rekorunu da belirlemiştir.

Nefes tutma rekorunun bir anda neredeyse iki katına çıkmış olması, geleceğin daha da akıl almaz rekorlara gebe olduğunun işaretçisi olabilir. Çalışmada ortaya konan bir başka bulgu da balinaların nefeslerini tutarak geçirdikleri zamanın uzunluğu ile tekrar dalmadan önce yüzeyde geçirdikleri zaman arasında bir ilişki olmamasıdır. Yani bir balina su altında kısa bir süre de dursa, saatlerce de dursa yüzeyde kısa bir süre nefeslendikten sonra tekrar dalabilmekte.

Beklenebileceği üzere insanların nefes tutma alanında büyük bir iddiası yok. Gerçi siz de bazen mübalağa ederek “Dizinin bu haftaki bölümü çok heyecanlıydı. Soluksuz izledim” demiş olabilirsiniz. Sizin için mümkün olmasa da 2018’de saf oksijen soluyarak nefesini tutan Budimir Šobat, tek bir solukla tam 24 dakika 11 saniye geçirdi ve dünya bu alandaki dünya rekorunun da sahibi oldu. Eğer önüne bir ekran konmuş olsa, sevdiği bir yapımı gerçekten tek solukta izleyebilirdi! Saf oksijen değil de çoğu azottan oluşan normal hava soluyan Branko Petrović ise 2014’te tek bir nefesle tam 11 dakika 54 saniye geçirmeyi başarmıştı.

Eğer benzer bir süre nefes tutmayı hayal bile edemiyorsanız, yalnız değilsiniz. Bu alanda özel olarak kendisini geliştirmemiş ve hava soluyan bir insanın tek nefesle geçirebileceği ortalama süre otuz saniye kadardır. Otuz saniye civarına geldiğimizde rahatsız bir his oluşmaya başlar. Diyafram kasınız, akciğerlerinizdeki “kullanılmış” havayı atıp yerine temiz hava almak için istemsizce kasılmaya başlar. Kalp atışlarınız hızlanır ve kaslarınıza giderek bir yorgunluk çöker. Eğer bedeniniz el veriyorsa ve biraz da canınız tatlı değilse, belki bir dakika sınırına ulaşabilirsiniz. Bu noktada göğüs kafesiniz ve gırtlağınız daha da kuvvetle sizi nefes almaya zorlayacak şekilde kasılmaya başlar. Karşı koymak kolay değil. Kaslarınızdaki yanma hissi belirginleşir. Kalbinizin sert ve sık çarpmalarını duyar hale gelirsiniz.

Peki, nefes tutmak neden bu kadar zordur?

Belki çoğumuzun aklına gelen ilk yanıt “Oksijene ihtiyaç duyduğumuz için” olacaktır. Oysa ki nefes alırken akciğerlerimize çektiğimiz havadaki oksijenin sadece bir kısmını kullanıp gerisini verdiğimiz nefesle tekrar atmosfere göndeririz. Genelde soluduğumuz havanın %21’i oksijenden oluşurken, verdiğimiz nefeste bu oran %16’dır. Oysa insanlar %16 oksijen barındıran bir ortamda kısa süre pek bir sıkıntı çekmeden hayatta kalabilirler. Bu oran %14’ün altına düştüğünde zihinsel işlevlerde aksamalar ve nefes alıp vermekte güçlük baş gösterir. Fakat hala durum ölümcül değildir. Oksijen seviyesi %6’nın altına inene kadar kısa sürelerle de olsa insan bedeni dayanabilir. Yani solunum sonrası dışarı verdiğimiz havada sınır değerin neredeyse üç katı oksijen vardır. Peki o zaman neden her aldığımız nefesi oksijen seviyesi %6’ya düşünceye kadar tutamıyoruz?

Burada akla gelmesi gereken bir diğer önemli gaz karbondioksit. Vücudumuza giren oksijenin değerlendirildiği solunum etkinliğinin sonucunda atık olarak ortaya çıkan karbondioksiti vücuttan uzaklaştırmak da akciğerlerin işi. Soluduğumuz havadaki karbondioksit oranı yalnızca %0,04 (on binde dört) iken solunum sonrası dışarı verdiğimiz havada bu oran %4 – yani başlangıcın tam 100 katıdır. Solunan havadaki karbondioksit miktarı %1’e çıktığında halsizlik başlar. %3’te soluk alıp verme hızlanır, kan basıncı artar ve nabız yükselir. %4 oranında karbondioksit içeren bir ortamda kalınırsa çok kısa sürede sağlık üzerine etkileri görülmeye başlar. %5’e gelindiğinde baş dönmesi, zihin bulanıklığı, baş ağrısı ve nefes darlığı görülür. %8 seviyesinde görme kaybı, terleme, titreme, bilinç kaybı ve nihayetinde can kaybı beklenir. Gördüğünüz üzere, nefes tutarken asıl zorluk oksijen azalması değil, karbondioksit birikmesidir. Akciğerden atılamayan karbondioksit, kanda birikerek kanın pH değerini düşürür (asitleştirir). Bu, merkezi sinir sisteminde bir acil durum olarak algılanır ve nefesinizi yöneten kaslara gönderilen sinyaller sizi nefes almaya zorlar. Nefes tutarken hissedeceğiniz kasılmalar bundan kaynaklanır.

İnsanın evrimsel geçmişinin çok eskiden beri karada yaşayan kökenlerine dayandığı düşünülürse, nefes tutmanın bir ihtiyaca dönüşeceği durumların çok nadir olduğu görülecektir. Bu bakımdan insanların bu konuda önemli bir başarı sergilememesi de doğaldır. Buna istisna olan örneklerden birisi güneydoğu Asya’nın denizlerinde uzun süre gezgin yaşamış Bajau Kabilesi’dir. Bin yıl kadar önceden yakın zamana kadar yüzen evlerde, karayla ilişkilerini en aza indirmiş olarak yaşadığı düşünülen bu kabilenin insanları her gün uyanık oldukları sürenin yaklaşık yarısını su altında geçirirler. Dalış tüpü ve benzeri teknolojiler kullanmaksızın, nefeslerini tutarak dibe dalan yetişkinler ellerindeki mızraklarla balık avlayarak kendilerini ve ailelerini beslerler. Bajaular, bu yaşam tarzına o kadar adanmıştır ki çocukluktan itibaren kulak zarlarını kasıtlı olarak delerek su altında acı çekmeden geçirebilecekleri süreyi uzatmayı seçerler. Bu sebepten pek çok yetişkin Bajau işitme güçlüğü çekmektedir.

Bin yılı aşkın dalma deneyiminin nesiller boyu süren evrimsel etkileri de olmuştur. Örneğin 2018 yılında Cell dergisinde yayımlanan bir makaleye göre Bajauların dalakları, civarda yaşayan karasal gruplarınkinden %50 daha büyüktür. Dalma refleksinin özellikle derindeyken tetiklenen bir kısmı, dalakta bulunan hemoglobin zengini kanın organın kasılması ile dolaşıma pompalanmasıdır. Bu sayede, akciğerde tutulan ve gittikçe oksijen seviyesi düşen havadan daha da çok oksijeni kana çekmek mümkün olur. Dalakta görülen büyümenin altında Bajaularda doğal seçilim altında olduğu düşünülen PDE10A genindeki bir değişikliğin neden olduğu ortaya konmuştur. Yine dalma refleksinde önemli görevi olan çevresel damar daralmasını kontrol eden BDKRB2 geni ve karbondioksit birikmesi halinde kanın pH değerini dengelemede görev alan karbonik anhidraz enzimini düzenleyen FAM178B geni de Bajauların evrimsel geçmişinde yakınlarındaki diğer topluluklardan farklılaşmıştır.

Bu da göstermektedir ki hayatta kalmak için dalmak zorunda olan insan da dahil her memeli türünün ellinde evrimsel olarak seçilmeye müsait çeşitlilik mevcuttur. Nasıl ki bugün saatlerce su altında kalabilen türler olan yunusların, balinaların ve fokların kökenleri bir zamanlar karada yaşayan ve ancak kısa sürelerle nefes tutabilen canlılarsa, belki biz de milyonlarca yıl sonra zamanının çoğunu ya da tamamını suda geçirecek canlıların kökeni olabiliriz. Geleceğin ne getireceği bilinmez ama şimdilik karasal bir tür olmanın verdiği rahatlıkla şöyle derin bir nefes alıp fazla tutmadan geri verebilirsiniz – zaten pek başka bir seçeneğimiz de yok.

Kaynaklar

https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/z9hycdm/revision/3
https://sciencing.com/minimum-oxygen-concentration-human-breathing-15546.html
https://www.fsis.usda.gov/wps/wcm/connect/bf97edac-77be-4442-aea4-9d2615f376e0/Carbon-Dioxide.pdf?MOD=AJPERES
https://www.smithsonianmag.com/smithsonian-institution/ask-smithsonian-whats-longest-you-can-hold-your-breath-180960905/
https://www.sciencenews.org/article/cuviers-beaked-whale-longest-record-dive
https://www.bbc.com/news/science-environment-22853482
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)30386-6
https://jeb.biologists.org/content/223/18/jeb222109
https://science.sciencemag.org/content/340/6138/1234192

* Puerto Rico Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı, entomolog