1

BYL444 – Yaşam Öyküsü Karakterleri Genetiği

2.Ders (15 Mart 2019)

BÜYÜME, GELİŞİM VE OLGUNLAŞMA

Bir organizmanın uyum başarısı organizmanın büyüme gelişim örüntülerine, özellikle

olgunlaşma yaşı ve büyüklüğüne bağlıdır. Yaşam öyküsü teorisi, bu özelliklerin yani erken veya

geç olgunlaşmasının, büyük veya küçük kalmanın göreceli maliyetleri ve faydaları açısından

kapsamlı bir şekilde test eder. Hızlı bir gelişim süresi, yani daha kısa bir yaşam döngüsü ve daha

yüksek bir hayatta kalma ile sonuçlanır. Çünkü canlılarda gelişim ve juvenil evresi daha çok risk

içermektedir. Bunun tersine daha uzun süren bir gelişim evresi daha büyük bir vücut

büyüklüğü ile sonuçlanır. Bu durum ise erken yumurtalamayı arttırır, yavrudöl kalitesini

arttırdığı için de juvenil ölüm oranını düşürür ve ömür boyu yumurta sayısını arttırır. Ancak

gelişim süresi uzadığı için ergin öncesi yaşayabilirlik daha düşük olur.

Ancak, klasik yaşam öyküsü karakterleri çalışmaları gelişimsel ve fizyolojik faktörlerin büyüme

ve olgunlaşma karakterlerinde gözlenen bu varyasyonlarla nasıl ilişkili olduğunu hesaba

katmamıştır. İleri çalışmalar bu mekanistik bilgilere de ulaşmaya çalışmaktadır. Dolaylı gelişim

gösteren organizmalar larva ve ergin formları arasında yer alan bir metamorfoz ile karakterize

olmaktadırlar. Hayvanlar aleminde yer alan 30 filumdan 28 tanesi dolaylı gelişim

göstermektedir. Bu kadar yaygın olmasına karşın hala metamorfozun evrimi ve mekanizması

hakkında çok bilinmez vardır.

Doğrudan gelişim, bir hayvanın yetişkin formunun daha küçük bir versiyonunda doğduğu gelişim sürecini ifade eder. Hayvan biçiminde bebeklikten yetişkin formuna kadar büyük bir geçiş yoktur. Doğrudan gelişme yaşayan organizmalar, yavruyu beslemek için büyük miktarda yumurta sarısına sahip olabilir veya yavru, doğrudan annenin vücudu tarafından beslenebilir. Her iki yavruyu da besleyen bu süreçlerde anne büyük miktarda enerji harcar. Bu nedenle yavru sayısının mutlaka küçük olması gerekir.

Dolaylı gelişim, bir organizmanın doğum formu yetişkin formundan çok farklıdır. Embriyo yumurtadan larva şeklinde çıkar. Larva, yetişkin evresine ulaşmak için bir metamorfoza maruz kalır. Dolaylı gelişim gösteren hayvanlar çok sayıda yumurta bırakır. Yumurtalar küçük olduğu için nispeten az yumurta sarısına sahiptir. Yumurta sarısı az olması nedeniyle, larva hızla gelişir ve yumurtadan çıkar.

2

Holometabol böcekler, amfibiler ve deniz omurgasızlarında görülen metamorfozun önemli

benzerlikleri vardır. En belirgin benzerlik, farklı organizmaların büyümeyi, morfogenezi ve

metamorfozu düzenlemek ve dışsal çevre ile senkronize etmek için benzer hormon

sistemlerini kullanmasıdır. Örneğin ektisteroit ve juvenil hormonlar böcek metamorfozunun

düzenlemesinde önemlidir. Tiroid hormonları amfibi ve balık metamorfozunun

düzenlenmesinde kritik fonksiyonlara sahiptir ve metamorfik böcek hormonları ile tiroid

hormonları arasında dikkate değer paralellikler vardır.

Omurgalı ve omurgasız taksonlarındaki metamorfik düzenlemedeki bu benzerlikler yaşam

öyküsü karakterlerinin evrimini anlamamız için önemlidir. Hormonal sinyal iletimini ve

sentezindeki evrimsel değişiklikler alternatif yaşam öyküsü karakterlerinin evrimine katkıda

bulunan uyum başarısının sonucu olabilir. Endokrin regülasyonunda ametabol (metamorfoz

yok - doğrudan gelişme), hemimetabol (eksik metamorfoz) ve holometabol (tam metamorfoz

- dolaylı gelişme), böceklerdeki yaşam öyküleri arasında birçok önemli farklılık vardır. Bu

endokrin yolaklardaki fizyolojik değişikliklerin büyüme, büyüklük ve diğer yaşam öyküsü

özellikleri üzerinde önemli etkileri olduğu bilinmektedir ve bu nedenle bu sinyalleme

sistemlerindeki varyasyonun metamorfoz ve üreme zamanlamasında evrimsel değişikliklere

katkıda bulunduğu düşünülebilir.

Holometabol böcekler, amfibiler, balıklar ve deniz omurgasızları arasında larva gelişiminin

düzenlenmesinde pek çok benzerlik olsa da bazı önemli farklılıklar da vardır. Dolaylı olarak

gelişen böcekler metamorfozdan hemen sonra ürerler ve bu nedenle larva gelişimi sırasındaki

büyüme hızları doğurganlık ve dolayısıyla uyum başarısı ile yüksek oranda ilişkilidir. Benzer

şekilde, amfibi kurbağa yavruları, metamorfoz öncesi büyüme oranları düşük olduğunda,

yumurta verimliliğinde ve uyum başarısında düşüklük yaşarlar.

DENİZ OMURGASIZLARINDA YERLEŞİM YERİ VE METAMORFOZUN REGÜLASYONU VE

EVRİMİ

Deniz omurgasızları farklı üreme stratejilerine sahiptir. Belirgin bir strateji, larva hareketine

bağlıdır. Bazı durumlarda larva doğrudan gelişim gösterir. Bu direk gelişim ya planktonik ya da

bentik gelişimdir. Diğer grupta ise dolaylı gelişim göstermektedir (Şekil 1).

3

Şekil 1. Deniz omurgasızlarında üreme stratejileri. Doğrudan ve dolaylı gelişim yollarının özetlenmiş şeması.

Yerleşim öncesi gelişim stratejisine bakmaksızın organizma ergin, yani yerleşik duruma

geçmeden önce metamorfoz geçirir. Bu yaşam döngüsünü düzenleyen morfolojik, fizyolojik ve

moleküler bileşenleri anlamak için yapılan türe özgü çalışmalardan elde edilen veriler

karşılaştırmalı araştırmalar için fırsat sunar. Böylece bu karşılaştırmalı araştırmalar türler arası

farklılıklara neden olan bu varyasyonların nasıl evrildiğini anlamamızı sağlar. Yaşam öyküsü

karakterleri bakımından farklılık gösteren yakın türleri karşılaştırarak bu farklılıkların

moleküler seviyede nasıl düzenlendiğini saptayabiliriz.

Denizel omurgasızların yaşam öykülerine giriş:

Denizel omurgasızlarının yaşam öyküleri çeşitlilik gösterir ve temelde gamet salınımı, gelişimin

meydana geldiği lokasyon, larval evrenin varlığı veya yokluğu, larval evrede beslenme ihtiyacı

olup olmadığı ve yerleşim ve/veya metamorfoz evresinin var olup olmadığı bakımından ayrılır.

Şekil 2’de bu aşamaların çok basit bir gösterimi vardır. Biz, dolaylı gelişim gösteren, larval

evrede beslenen ya da beslenmeye evrelere sahip olup bentik habitatda metamorfoz ve

yerleşik bir ergin evreye sahip olan organizmalar üzerinde duracağız.

4

Şekil 2. Deniz omurgasızlarında doğrudan ve dolaylı gelişimin olası aşamaları.

Planktonik çevrede dolaylı gelişim gösteren larvalar beslenme ya da beslenmeme davranışına

göre ayrılır. Beslenme davranışı gösterenler planktotrofik olarak isimlendirilir. Bu grup

larvadan juvenil aşamaya geçmek için besin almak zorundadır. Beslenmeden juvenil aşamaya

geçen larvalar ise lesitotrofik olarak adlandırılır. Bu larvalar anasal olarak yumurtadan

sağlanan besinler ile gelişimini sürdürür. Çok nadiren bazı larvalar beslenir ama beslenmeye

ihtiyaçları yoktur bunlar ise fakültatif planktotrof olarak isimlendirir. Bu grup planktotrof ve

lesitotrof arası bir geçişi temsil eder.

Omurgasızlar arasında yumurtadaki anasal yatırım gelişim tipinin güçlü bir belirleyicisidir. Eğer

yumurtada anasal besin fazla ise larva tipik olarak beslenmeyen tipte bir gelişim gösterir

(Vance, 1973). Soy hatları arasında yumurtadaki anasal yatırım miktarı farklılık

göstermektedir.

Şekil 3. Yumurtadan ergine gelişim tipleri: doğrudan ve dolaylı gelişim. Dolaylı gelişimde larva beslenme şekline göre planktotrofik ve lesitotrofik olarak ayrılmaktadır.

5

İki fazlı bu yaşam döngüsünde planktonik larva aşamasında ki seçilim bentik juvenil / ergin

evresinden faklı meydana gelmektedir. Bu durum dolaylı gelişimin evrimini şekillendiren

yaşam evreleri arasında trade-off’ların ortaya çıkmasına neden olur. Tüm gelişim evreleri

arasında larval evre güçlü bir seçilim baskısı altındadır. Çünkü daha çok riskli durum ile karşı

karşıya kalmaktadır. Örneğin zararlı etkileri olabilecek yüksek tuzluluk, sıcaklık ve pH

değişiklikleri gibi.

Lesitotrofik larvalar yumurtadan gelen anasal besin ile geliştiği için ve besin bu manada kısıtlı

olduğu için görece daha kısa sürede gelişimini tamamlamaktadır ve etkilendiği çevresel

değişkenler besine bağlı olmayan değişkenlerdir.

Metamorfoz, dolaylı gelişimin karmaşık bir parçasıdır ve dolayısıyla doğrudan yerleşimden

önceki aşama metamorfik yeterliliktir. Yeterli larvalar, juvenil yaşam alanlarına hızla

yerleştikten sonra oldukça spesifik çevresel değişkenlere cevap verir. Dolaylı gelişim gösteren

türlerde juvenil yapılar larval aşamada farklılaşır ve bu nedenle bu iki gelişimsel evre arasında

trade-off’lar mevcuttur.

Ekinoidlerde (deniz kestaneleri) Larva gelişiminin regülasyonu ve beslenme modlarının

evrimi: Larva gelişimi sırasında enerji dağılımındaki trade-off’lar

Ekinoidlerde gelişim sırasında juvenil yapılar larva evresinde gelişmeye başlar. Bu durum larva

evresinde enerji dağılımına bağlı olarak trade-off’lara neden olabilir. Bu deniz

omurgasızlarındaki birçok grupta larvanın içerisinde bu juvenil yapıların gelişimi ve büyümesi

yüksek esneklik göstermektedir. Örneğin bryozoan larvalarında ilkel juvenil yapıların gelişmesi

çevresel besin şartlarından yüksek oranda etkilenmektedir. Bu tip oluşumlarda ekolojik

faktörlerin gelişimsel süreçlerle bütünleşmesi gerekir, ki bu durum organizmanın uyum

başarısını belirler. Bu gibi durumlarda, larval evre ve juvenil evre arasındaki enerji dağılımının

nasıl olacağı larvanın bulunduğu çevresel koşullar belirlemektedir. Larval yaşam öyküsü

karakterleri, örneğin metamorfoz yaşı ve büyüklüğü gibi, ya da yerleşik olduktan sonra ki

performans ve ilk üreme zamanı gibi juvenil yaşam öyküsü karakterleri büyük oranda larval

aşamada anasal yatırım ve besine ulaşmaya bağlıdır. Bu ilişki Şekil 4’de verilmektedir. Yerleşik

düzene geçen larvanın kalitesi juvenilin büyüklüğüne etki edebilir. Bu nedenle uzayan larval

evreler juvenil kalitede artışa neden olmaktadır ve bu durum larval hayatta kalış ile juvenil

performans arasında bir trade-off ile sonuçlanır. Bu durum sadece beslenen larvalar için

6

geçerlidir. Çünkü beslenmeyen larvalarda bu süre uzadıkça kısıtlı kaynaklarından dolayı tersi

bir durum ortaya çıkmaktadır.

Şekil 4. Dolaylı beslenen (solda) ve beslenmeyen (sağda) gelişimi olan türler için uzun süreli larva ömrünün potansiyel uyum başarısı. Üst: Beslenen larvaları olan türlerin (sol üstte) larva habitatında (L, açık gri) yerleşik duruma geçmek için hızlı meydana gelen bir gelişim, daha küçük bir juvenil büyüklük ve daha erken bir yerleşim ile sonuçlanır (siyah alan). Daha uzun süren beslenme ise daha büyük juvenil büyüklük ile daha geç bir yerleşim ile sonuçlanır. Alternatif olarak, beslenmeyen larva aşaması olan (sağ üst) türler için, yerleşim yetkinliğine kadar olan süre çevresel gıdalara bağlı değildir, bu nedenle uzun gelişim dönemleri net enerji kayıplarına, dolayısıyla daha küçük juvenillere neden olur. Daha küçük juvenil büyüklüğü (J, koyu gri) performansı ve üreme verimini olumsuz yönde etkilese de, birçok deniz omurgasız türü, yerleştikten sonra uzun süre sonra üreyebilir ve larva döneminde karşılaştığı bu tür olumsuz etkileri juvenil süreçte telafi edilebilir. Okların eğimi, yerleşim evresine kadar olan gelişim hızını (S) ve üremeyi (R) yansıtır. Alt: Larval hayatta kalma ve gelecekteki juvenil büyüklük / performans arasındaki yaşam öyküsü trade-off’u belirli bir çevrede en uygun yerleşim zamanlamasını tahmin eder, ki bu durum beslenen ve beslenmeyen larvaları olan türler arasında farklılık göstermektedir. Bu zamanlamalar larvanın karşı karşıya kaldığı çevresel ve endojen sinyallere karşı larvaların gösterdiği davranışsal yanıttan etkilenir (plastisite için P). Larvası beslenen türler için (sol altta), yerleşim için en uygun zaman, zamanla larva sağ kalımındaki azalmayı juvenil büyüklüğüne bağlı olan juvenil performansındaki artışlarla ve daha iyi bentik habitatlar için potansiyel olarak seçim yapmak ile dengeler. Bununla birlikte, beslenmeyen larvaları olan (sağ altta) türler için, larva ve juvenil evreleri için uyum başarı eğrilerinin şekli, zaman içinde beklenen azalan faydalarla aynıdır. Bu nedenle, beslenmeyen larvaları olan türlerin juvenil aşamasına en az gecikmeyle geçmesi beklenir. Kurabağa ve böcekler gibi, dolaylı gelişim ve metamorfik bir geçiş gösteren birçok organizma

larva ve juvenil gelişimini hormonlar ile düzenler. Alt kordalılarda tiroid hormonu (TH) sinyal

7

yolağı ile ilgili yeni veriler, bu grupların metamorfozunda da TH'lerin düzenleyici bir

fonksiyonunu göstermektedir.

Deniz omurgasızları için larva gelişiminin ve metamorfozun altında yatan mekanizmalar iyi

anlaşılmamıştır. Mevcut veriler, nöronal ve hormonal sinyalleme sistemlerinin çevresel

girdilerden etkilendiğini göstermektedir. Her iki sistem de larva gelişimi sırasında örtüşür.

Nöronal sinyalleşme çok çeşitli nörotransmiterleri içerir ve metamorfik larvanın yerleşimi

sırasında işlevseldir. Hormonal sinyalizasyon, larva ve juvenil gelişim programını koordine

etmekte işlevsel görünmektedir. Yeni genomik ve proteomik yaklaşımlar, işlevsel

karakterizasyonu bekleyen çeşitli sinyal yollarını ortaya koymaktadır.

Deniz omurgasızlarındaki yaşam öyküsü evriminin altında yatan mekanizmaları anlamak, larva

gelişimi ve metamorfozun düzenleyici mekanizmaları hakkında yapılacak detaylı mekanik

çalışmalar gerektirmektedir. Larva ekolojisi bu mekanizmaların evrimini şekillendiren en

önemli faktörlerden biridir.

BÜYÜME VE VÜCUT BÜYÜKLÜĞÜNÜN EVRİMİ VE REGÜLASYONU

Vücut büyüklüğü ve yaşam öyküsü parametreleri arasındaki ilişki uzun zamandır bilinmektedir.

Vücut büyüklüğü ile yumurta sayısı, ömür uzunluğu, gebelik süresi ve olgunlaşma yaşı

arasındaki korelasyonlar birçok taksonda iyi çalışılmıştır. Benzer şekilde, organ

büyüklüğündeki değişimler, yaşam öyküsü geçişlerinde önemli rol oynar: böceklerde boynuz

geliştirme, işçi veya kraliçe karınca olma veya Daphnia'da savunma kaskı geliştirme

süreçlerinin hepsi organ büyümesinde değişiklikler içerir ve yaşam öyküsü üzerinde önemli

etkileri vardır. Gelişimsel olarak, nihai beden ve organ büyüklüğü, iki temel yaşam öyküsü

parametresi olan büyüme hızını ve süresini kontrol eden mekanizmalar tarafından düzenlenir.

Bu nedenle, birçok düzeyde, vücut ve organ boyutunu düzenleyen genetik, gelişimsel ve

fizyolojik mekanizmalar, yaşam öyküsünü düzenleyenlerle yakından ilişkilidir. Beden ve organ

büyüklüğündeki değişiklikler sonuç olarak diğer yaşam öyküsü özelliklerini etkiler ve bunun

tersi de olur (Stearns 1992, Roff 2002). Son 30 yılda yapılan çalışmalar, büyümeyi ve vücut

boyutunu düzenleyen mekanizmalar ve bu mekanizmaların yaşam öyküsünün diğer yönlerini

nasıl etkilediğine dair önemli bilgiler sundu. Evrimsel biyologlar için zorluk, büyüme ve vücut

büyüklüğünün nasıl geliştiğini anlamak için bu yeni mekanik bilgiyi evrimsel bir bakış açısı ile

bütünleştirmektir.

8

BÖCEKLERDE VÜCUT BÜYÜKLÜĞÜNÜN DÜZENLENMESİ

Holometabol böcekler adı üzerine pupal evre öncesi bir seri larval evre içeren tam metamorfoz

geçiren böceklerdir. Tüm eklembacaklılar gibi yetişkin böceklerde sert ve büyümeyi sınırlayan

dış iskelete vardır, bu nedenle yetişkin büyüklüğü premetamorfik larva evreleri boyunca

meydana gelen büyüme ile düzenlenir. Bu durum hem bütün vücut için hem de gelişmekte

olan larvanın içinde bulunan ve metamorfozda yetişkin organlara (kanatlar, bacaklar, gözler

vb.) dönüşecek olan “imaginal diskler” için de geçerlidir. Maksimum vücut ve organ büyüklüğü

bu nedenle metamorfoz noktasında sabitlenir.

Metamorfozun başlamasını kontrol eden ve dolayısıyla büyüme süresini belirleyen fizyolojik

süreçler, en iyi Manduca sexta ve ipekböceği Bombyx mori’de tanımlanmıştır (Nijhout ve

Williams 1974, Truman ve Riddiford 1974, Ishizaki ve Suzuki 1994). Bu fizyolojik işlemler, Şekil

5'de gösterilen kademeli bir hormonal geçişine sahiptir. Bir lepidopteranın son larva

instarındaki bir noktada, kritik büyüklük veya kritik ağırlık olarak adlandırılan belirli bir vücut

büyüklüğüne ulaşılması, dolaşımdaki jüvenil hormon (JH) seviyesindeki bir düşüşle ilişkilidir.

Bu, corporat allata tarafından JH üretimindeki bir düşüşün (Nijhout ve Williams 1974) ve JH

esteraz üretimindeki artışın bir sonucudur (Sparks ve ark. 1983, Roe ve ark. 1993, Browder ve

ark. 2001). JH seviyeleri belirli bir eşiğin altına düştüğünde, bu prottorasik bez (PG) tarafından

ekdisonun sentezini stimüle eden prothoracicotropic hormonun (PTTH) (Nijhout ve Williams

1974) salınımını engeller. Sonradan ekdisteroid seviyelerindeki (ekdizonun metabolik

türevleri) yükseliş larval beslenmenin kesilmesine neden olur, ardından larva bir süre daha

dolaşır ve sonra pupasyonu başlatır. Vücudun büyümesi larva beslenmesinin durmasıyla

durur. Bununla birlikte, imaginal diskler pupa döneminin başlangıcına kadar büyümeye devam

eder, dolaşımdaki ekdisteroidler daha da yüksek seviyelerde büyümelerini durdurabilir ve

kendi yetişkin yapılarına farklılaşabilir (Chihara ve ark. 1972, Champlin ve Truman 1998).

Bu hormonal olaylar dizisi, kritik boyuta ulaşma ile vücut ve organ büyümesinin sona ermesi

arasında, terminal büyüme dönemi (TGP) olarak adlandırılan bir gecikme olduğu anlamına

gelir (Shingleton ve ark. 2007). Böylece, holometabol böceklerde nihai vücut büyüklüğü üç

temel mekanizma ile düzenlenir:

1) kritik büyüklük

2) TGP'nin süresi

3) TGP sırasında büyüme oranı.

9

Aynısı organlar için de geçerlidir, ancak vücut büyümesinin sona ermesinden sonra büyümeye

devam ettikleri için, organların TGP'leri vücudun TGP'sinden daha uzundur. Bu nedenle,

holometabolous böceklerde vücut büyüklüğünün düzenlenmesi, bu üç gelişimsel süreç ayrı

ayrı dikkate alınarak ele alınabilir.

Şekil 5. M. sexta'da metamorfozun fizyolojik düzenlenmesi. Kritik büyüklüğün (a) elde edilmesi, JH titresindeki düşüş ile ilişkilidir. JH'nin hemolenften ayrılması, proteaz bezi tarafından ekdisteroidgenezi uyaran PTTH sekresyonunu (b) engeller. Ekdisteroid titresindeki müteakip artış, vücudun TGP'sini (aynı zamanda büyümenin durma aralığı, ICG olarak da adlandırılır) sınırlayan beslenmenin (c) sonlanmasına neden olur. PTTH (d) 'deki ikinci bir tepe noktası, ekdisteroid titresinde bir başka artışa neden olur. Bu, JH’deki bir yükselmeyle birlikte pupasyon başlatmaktadır (e). Pupasyon sırasında (gösterilmemiştir) ekdisondaki zirveler, imaginal disk farklılaşmasını başlatır, büyümeye son verir ve imaginal disklerin TGP'sini sınırlar (Nijhout 1994).

BÜYÜME HIZININ REGÜLASYONU

Hayvanlarda vücut büyüklüğünün ikinci belirleyicisi büyüme hızıdır. Büyüme hızının kilit bir

düzenleyicisi metabolik hızdır. Büyüme hızı ile metabolik hız ve metabolik hız ile vücut

büyüklüğü arasındaki geniş ve özel ilişkiler hakkında birçok şey bilinmektedir (Calder 1984,

Schmidt-Nielsen 1984, West ve diğerleri 1997, 2001, 2003). Bununla birlikte, bir populasyon

içindeki bireyler arasında, büyüme hızında, çoğu beslenme, sıcaklık ve oksijen seviyesi gibi

çevresel faktörlerden kaynaklanan önemli değişiklikler olabilir. Son on yılda yapılan

araştırmalar, bu faktörlerin büyüme hızını moleküler düzeyde nasıl etkilediğinin

aydınlatılmasında önemli ilerleme kaydetmiştir. Bunu yaparken, büyüme hızının nasıl kontrol

10

edildiğine ve bu kontrolün evrimsel zaman içinde nasıl değişebileceğine dair daha derin bir

anlayış sağlamaktadır.

Neredeyse bütün hayvanlarda, gelişimsel beslenmenin azalması büyüme hızını düşürür ve

nihai yetişkin boyutunu azaltır. Bu ilişki sezgiseldir: büyüme, beslenmenin dokuya

dönüştürülmesiyle gerçekleşir ve beslenme ne kadar sınırlı olursa, büyüme o kadar sınırlı olur.

Dikkat çekici bir şekilde, tüm hayvanlarda bu ilişki aynı sinyal yollarıyla düzenlenmiş

görünmektedir: insülin / insülin benzeri büyüme faktörü sinyal (IIS) yolağı, rapamisin (TOR)

sinyal yolağı ve AMP bağımlı kinaz (AMPK) yolağı hepsi bir arada IIS / TOR sistemi olarak

adlandırılır (Şekil 6; Conlon ve Raff 1999, Edgar 1999, 2006, Oldham ve diğerleri 2000,

Shingleton 2005). IIS / TOR sistemi transkripsiyon, translasyon, endositoz, otofaji ve mitozu

düzenleyerek büyüme hızını düzenler ve temelde böcek ve omurgalılarda özdeştir.

Şekil 6. Drosophila'da insülin / IGF sinyal sistemi. Beslenmedeki değişim, muhtemelen sNPF'lerin ve AKH'nin etkisiyle ILP'lerin salınımını etkiler. ILP'ler, çoklu ara proteinlerin fosforilasyonunu içeren bir sinyal iletim dizisini başlatan InR'ye bağlanır. Hem FOXO hem de TOR, sırasıyla çoklu büyüme inhibitörlerinin ve promotörlerinin aktivitesini düzenler. (Noktalı çizgiler açıklanamayan / olası ilişkilerdir). Vücut Büyüklüğünde çevresel varyasyonlar: böceklerde vücut büyüklüğü regülasyonunda kritik vücut büyüklüğü, TGP ve büyüme hızı arasındaki etkileşimler Büyüme hızı ve büyüme süresinin mekanizmalarını ayrı ayrı anlamak önemlidir. Ancak vücut

ve organ büyüklüğünün regülasyonunu açıklamak için yeterli değildir. Örneğin gelişim

süresinde telafi edici bir artış mevcut ise büyüme hızındaki değişiklikler son vücut büyüklüğüne

yansımayabilir. Bu nedenle vücut ve organ büyüklüğünün evrimi ve regülasyonunu anlamamız

için büyüme hızı ve zamanının fonksiyonel etkileşimini anlamamız gerekir. Bu etkileşimi

11

anlamanın en etkili yolu çevresel regülatörlerin büyüklük üzerine etkisini elde etmek olur. Yani

vücut büyüklüğünün fenotipik plastisitesini.

Gelişim sırasında besin miktarındaki azalma neredeyse tüm organizmalarda vücut

büyüklüğünün küçülmesi ile sonuçlanır. Drosophila'da bu başlıca, düşük IIS / TOR sinyalinin

büyüme hızı üzerindeki olumsuz etkileri ile elde edilir. Yetersiz beslenen sinekler düşen

büyüme hızlarını telafi etmek için ne kritik vücut büyüklüğünü değiştirebilirler ne de TGP’lerini

uzatırlar (Shingleton ve ark. 2005, Layalle ve ark. 2008). Sonuç olarak bu sinekler TGP’leri

sırasında daha yavaş büyürler bu da vücut ve organ büyüklüğünde küçülme ile sonuçlanır

(Shingleton ve ark. 2005, 2008) (Şekil 7).

Şekil 7. Drosophila'da vücut ve organ büyüklüğünün fizyolojik düzenlenmesi. (A) Larva, üçüncü larva instarının başlangıcında kritik bir boyuta ulaşana kadar büyür. Kritik büyüklüğe ulaşma vücut (TGPvücut) ve imaginal diskler (TGPdisk) için bir terminal büyüme periyodu başlatır. Nihai vücut ve organ büyüklüğü, vücut büyüklüğü ve kritik büyüklükteki disklerin yanı sıra takip eden TGP'ler sırasında elde edilen büyüme miktarı ile kontrol edilir. (B) Azaltılmış beslenme, büyüme oranını yavaşlatır, ancak kritik boyutu düşürmez ve TGP'leri uzatmaz. Kritik büyüklükten önceki besin kısıtlamaları kritik büyüklüğün elde edilmesini geciktirir ve toplam gelişim süresini uzatır, ancak nihai vücut büyüklüğüne etki etmez. Asıl kritik büyüklükten sonra besin kısıtlamasının etkisi görülür ve TGPvücut ve TGPdisk süresince meydana gelen büyüme yavaşlar ve son vücut ve organ büyüklüğü böylece azaltır, ancak bu evrenin de toplam gelişim süresine etkisi yoktur (Shingleton, 2008). M. sexta'da, gelişimsel dönemde beslenmeye verilen büyüklük tepkisi mekanik olarak

Drosophila'ya benzer, ancak aynı değildir. Drosophila'ya gelince, beslenme yetersizliği

nedeniyle büyüklükteki bir azalma, büyük ölçüde, beslenmeye-duyarsız bir TGP sırasındaki

büyüme hızındaki bir azalmadan kaynaklanmaktadır (Davidowitz ve ark. 2004). Bununla

birlikte, besin kısıtlaması M. sexta'da kritik büyüklüğü azaltır ve beslenmenin nihai vücut

12

büyüklüğünü etkileyen ikinci bir mekanizmanın ortaya çıkmasına neden olur (Davidowitz ve

ark. 2004).

M. sexta’da kritik vücut büyüklüğü yüksek sıcaklıktan etkilenmemektedir. Ancak TGP süresi ve

TGP’deki büyüme hızı sıcaklıktan etkilenmekte ve küçük vücut büyüklüğüne sahip erginler

ortaya çıkmaktadır.

Büyümenin ve farklılaşmanın termal tepkisini ve dolayısıyla sıcaklığın büyüklük üzerindeki

etkisini, sadece temel biyokimyasal kinetiğin bir sonucu olarak ve dolayısıyla adaptif olmayan

bir şekilde görmek işin kolay tarafıdır. Ancak, populasyon ve vücut büyüklüğü için termal

hassasiyetteki bireysel farklılıklar için birçok kanıt vardır (Angilletta ve ark. 2004). Böylece

hayvanlar sıcaklığın büyüme ve gelişme hızını nasıl etkilediğini değiştirebilirler. Şaşırtıcı bir

şekilde, bu termal hassasiyet kontrolü, bir bireyin farklı organları düzeyinde görülebilir.

Örneğin, Drosophila'da kanat büyüklüğü, diğer organların boyutuna ve bir bütün olarak

vücudun boyutuna göre termal olarak daha hassastır ve bunun sonucu olarak örneğin daha

düşük sıcaklıklarda yetiştirilen bireylerin vücut boyutuna göre orantılı olarak daha büyük

kanatlara sahip oldukları bilinir (Shingleton ve ark. 2009). Yapılan bir çalışma, küçük kanat

yüklerinin (vücut alanının kanat alanına bölünmesi) düşük sıcaklıklarda daha iyi performans

gösterdiğini göstermiştir, bu nedenle kanatların yüksek termal duyarlılığı, farklı sıcaklıklarda

uçuşa uyum sağlamış gibi görünmektedir (Frazier ve ark. 2008). Kanattaki TGP, vücudun ve

imaginal disklerin TGP'sini düzenleyen aynı hormonal basamaklar tarafından

düzenlendiğinden, termal duyarlılıktaki bu fark, sıcaklığın büyüme süresinden ziyade büyüme

hızını etkileme biçimini yansıtır.

VÜCUT BÜYÜKLÜĞÜ VE DİĞER KARAKTERLER ARASINDAKİ TRADE-OFF’LAR

Böceklerde vücut büyüklüğünü düzenleyen mekanizmalar başka yaşam öyküsü karakterlerini

de düzenlemektedir. Bu etkileşimler trade-off üretmek için potansiyel oluşturmaktadır.

Holometabol böceklerde vücut büyüklüğünü düzenleyen fizyolojik mekanizmalardan biri

gelişim süresidir. Doğal seçilim daha büyük bir vücut büyüklüğü (büyük dişiler genelde daha

çok yumurta bırakır) ve kısa bir gelişim süresi (kısa jenerasyon süresi üreme oranını arttırır)

yönündedir (Roff 2002).

Örneğin IIS / TOR sistemi, birçok yaşam öyküsü karakterlerinin düzenlenmesinde etkili bir

sinyal yoludur. IIS sinyalleri yalnızca büyüme hızını (ve dolayısıyla gelişim zamanını) değil aynı

zamanda yaşlanma ve yumurta üretimini de etkiler. IIS'deki bir azalma Drosophila'da (Tatar ve

13

ark. 2001), nematod Caenorhabdites elegans'ta (Dillin ve ark. 2002, Lee ve ark. 2003) ve fare

Mus musculus'ta (Holzenberger ve ark. 2003) yaşlanmada artışa neden olur.

İNSAN EVRİMİNDE VÜCUT BÜYÜKLÜĞÜNÜN VE BEYİNDEKİ NÖRON SAYILARI ARASINDA

TRADE-OFF’LAR

Daha büyük memelilerin daha büyük beyinlere sahip olma eğilimine rağmen insan, beyinde en

fazla nöron sayısına sahip olan ancak en büyük vücut kütlesine sahip olmayan primatdır.

Neden en büyük primatlar olan büyük maymunlar, aynı zamanda en büyük beyinlere sahip

değildir? Beynin enerji maliyetinin beyindeki nöron sayısının doğrusal bir işlevi olduğu

bilinmektedir. Fonseca-Azevedo & Herculano-Houzel (2012) yaptıkları bir çalışmada beslenme

ile geçen sürenin ve çiğ gıdaların düşük kalorik veriminden kaynaklanan metabolik

sınırlamaların, vücut büyüklüğü ve beyin nöronlarının sayısı arasında bir trade-off’a neden

olduğunu göstermiştir. Bu durum büyük maymunlarda büyük vücut büyüklüğüne karşın küçük

beyin büyüklüklerini açıklamaktadır. Bu sınırlama muhtemelen Homo erectus'ta pişmiş bir

diyete geçiş ile aşılmıştır. Bu durum günün çoğunu beslemek için harcamayı gerektirmediği

için, boşa çıkan zaman ve çok sayıda beyin nöronunun kombinasyonu, insan evriminde beyin

büyüklüğündeki hızlı artışa büyük bir pozitif itici güç olmuş olabilir.

Şekil 8 sol grafik incelendiğinde vücut kitlesine göre günlük alınması gereken kalori miktarı

grafik ile gösterilmiştir. Tahmin edileceği üzere vücut kitlesi arttıkça alınması gereken kalori

miktarı da artmaktadır. Şekil 8 sağ grafikte ise vücut kitlesi ve beyin nöron sayıları arası ilişki

gösterilmektedir. Farklı renk skalaları ise ilgili kitle ve beyin nöron sayısına sahip canlıların

yeterli kalori almaları için günlük beslenmeleri gereken süre saat olarak verilmektedir. Homo

cinsi türler goril ile aynı besini tükettiklerinde sahip oldukları yüksek beyin nöron sayıları için

ihtiyaç duydukları kalori miktarını elde etmek için beslenmeye 9 – 10 saat ayırmaları gerekiyor.

Goril insandan daha az beyin nöronuna sahip ama daha büyük vücutludur ve hemen hemen

beslenme için Homo cinsi türler ile aynı zamanı ayırması gerekmektedir. Eğer goril beyni daha

fazla nöron sayısı yönünde evrilseydi gorilin hem vücut kitlesi hem beyin nöronları için

gereksinimi olacak kaloriyi temin etmek için günün tamamını beslenmeye ayırması gerekirdi.

Bu nedenle vücut büyüklüğü ve beyin nöronlarının sayısı arasında bir trade-off olduğu

düşünülmektedir.

14

Şekil 8. 11 tane insansı olmayan primat türünün beslenme ile saat başına tahmini aldığı kalori,

alınana kalori/saat, vücut kitlesi ile ölçeklenmektedir.