Beyinsiz Bir Leke Tokyo'nun Metrosunu Çizdi

Bölüm metni

Bir tabakta yulaf ezmesinden yapılmış minyatür bir Japonya var: her tane bir şehir. Ortasına bırakılan sarı, tek hücreli bir leke birkaç saat sonra bu şehirleri birbirine bağlıyor ve ortaya çıkan ağ, mühendislerin on yıllarda kurduğu Tokyo demiryolu ağıyla neredeyse aynı verimlilikte. Bu şeyin ne beyni var ne siniri — hatta tek bir hücre.

Hokkaido Üniversitesi'nin bir laboratuvarında, düz bir tepsinin üzerine ince bir agar tabakası dökülmüştü. Agar, laboratuvarlarda kullanılan jölemsi bir besiyeri; deniz yosunundan elde edilir, saydamdır ve üzerine bırakılan canlılara hem zemin hem nem sağlar. Bu tepsi sıradan bir petri kabı değildi. Üzerindeki jölenin kenarları özenle kesilmişti ve kesilen biçim, Japonya'nın Kanto ovasının haritasıydı. Tokyo körfezinin girintisi, denizin kıyıya vurduğu hat, dağların yükseldiği yerler; hepsi ölçekli biçimde oradaydı. Denizin ve dağların üzerine besiyeri konmamıştı ya da güçlü bir ışıkla aydınlatılmıştı, çünkü bu deneyin baş oyuncusu parlak ışıktan kaçar. Yani araştırmacılar, coğrafyanın kendisini bir engel olarak kaba yazmışlardı.

Sonra yulaf ezmeleri geldi. 36 küçük yulaf parçası, Tokyo çevresindeki şehirlerin gerçek konumlarına denk gelecek biçimde tek tek yerleştirildi. Yokohama'nın olduğu yere bir tane, Chiba'nın olduğu yere bir tane, kuzeydeki Utsunomiya'ya, batıdaki Hachioji'ye birer tane. Harita hazırdı, şehirler yerindeydi, arada hiçbir şey yoktu. Tokyo'nun olduğu noktaya ise bir yulaf değil, sarımsı, damarlı, nemli bir doku parçası kondu.

Bu doku parçasının adı Physarum polycephalum, yani çok başlı cıvık mantar. Adında mantar geçer ama mantar değildir; bitki de değildir, hayvan da. Amipsi canlılar denen ayrı bir kola aittir. En şaşırtıcı yanı da şu: gördüğünüz o el kadar, bazen tabak kadar, ideal koşullarda otuz santimetreyi aşan sarı leke tek bir hücredir. Bölünmemiş, duvarlarla ayrılmamış tek bir hücre. İçinde milyonlarca çekirdek yüzer, ama hepsi aynı zarın altındadır. Sinir hücresi yoktur. Beyni yoktur. Gözü, kulağı, merkezi yoktur. Ormanda çürüyen kütüklerin altında yaşar, bakteri ve mantar sporu yer, saatte birkaç santimetre yol alır.

Bu canlının böyle bir masaya oturtulmasının bir geçmişi vardı. 2000 yılında, aynı ekibin başındaki Toshiyuki Nakagaki, İngiliz bilim dergisi Nature'da, yani Doğa dergisinde, yarım sayfalık kısa bir yazı yayımlamıştı. Yazının başlığındaki iddia sertti: bir amip labirent çözüyordu. Deney basitti. Plastik duvarlarla bölünmüş küçük bir labirentin içine cıvık mantar yayılmış, girişe ve çıkışa birer yulaf konmuştu. Girişten çıkışa giden dört olası yol vardı; en kısası yaklaşık 33 milimetre, en uzunu 45 milimetre. Başlangıçta canlı labirentin her yerindeydi, bütün koridorları dolduruyordu. Yaklaşık dört saat sonra çıkmaz sokaklardan çekilmişti. Dört saat daha geçtiğinde geriye yalnızca tek bir şey kalmıştı: iki yulafı en kısa yoldan birleştiren kalın, tek bir boru. Diğer üç yol terk edilmiş, emilmiş, yok olmuştu. Beyinsiz bir hücre, insanın kâğıt üzerinde çizerek çözdüğü bir problemi, kendi bedenini yeniden şekillendirerek çözmüştü.

Tokyo tepsisi bu fikrin büyütülmüş haliydi. Labirentte iki nokta vardı; burada 36 nokta vardı ve doğru cevabın ne olduğu belli değildi. Kamera zaman aralıklı çekime ayarlandı ve bekleyiş başladı.

İlk saatlerde leke doymak bilmez biçimde yayıldı. Tokyo'dan dışarı doğru bir dalga gibi genişledi, önüne çıkan yulafı sardı, ovanın neredeyse tamamını sarı bir örtüyle kapladı. Bu aşamada bir ağ yoktu; bir işgal vardı. Sonra ikinci evre başladı. Canlı, kapladığı alanın büyük kısmını terk etmeye, kendi kütlesini geri çekmeye başladı. Yayılmanın körlüğü yerini bir seçime bıraktı. Bazı kollar günden güne kalınlaştı, bazıları inceldi ve koptu. Kaplama seyreldi, seyreldikçe altından bir iskelet çıktı.

26 saatin sonunda tepsideki görüntü, bakan herkesi aynı yere savurdu. Yulafları birbirine bağlayan sarı borular, Tokyo'nun demiryolu ağının hatlarıyla ürkütücü biçimde örtüşüyordu. Merkezden dışa doğru açılan kalın ana koridorlar, kenar şehirleri birbirine bağlayan çevre halkaları, dağın etrafından dolanan kavisler. Onlarca yıl boyunca mühendislerin, plancıların, arazi ölçümlerinin, bütçe tartışmalarının ve siyasi pazarlıkların ürünü olan bir ağın kaba planını, tek bir hücre bir gün ve iki saatte yulaf peşinde koşarak çizmişti.

Bulgular, Amerikan bilim dergisi Science'ın, yani Bilim dergisinin, 22 Ocak 2010 tarihli sayısında yayımlandı. Makalenin ilk yazarı, o dönem Hokkaido'da çalışan Atsushi Tero'ydu; Nakagaki, matematikçi Ryo Kobayashi ve Oxford Üniversitesi'nden Mark Fricker de aralarındaydı. Aynı yıl ekip, insanı önce güldürüp sonra düşündüren araştırmalara verilen Ig Nobel Ödülü'nü ulaşım planlaması dalında aldı. Nakagaki için bu ikinciydi; labirent deneyi de 2008'de aynı ödülü kazanmıştı.

Ve ödülün gülümsemesi geçtikten sonra geriye tek bir soru kaldı. Bu şey nasıl oluyor?

Cevabı aramaya, canlının ne olmadığını kabul ederek başlamak gerekiyor. Ortada bir karar merkezi yok. Tepsinin bir yerinde oturup haritaya bakan, "şu hattı iptal edelim" diyen bir yönetici hücre yok. Sinyalleri toplayıp işleyen bir sinir ağı da yok. Olan tek şey, içi sıvı dolu boruların oluşturduğu bir tesisat ve o tesisatın içinde akan sitoplazma.

Bu tesisatın çalışma biçimi, cıvık mantarın en özgün yanı. Boruların duvarında, kas hücrelerimizdekine benzer proteinler, aktin ve miyozin bulunur. Bu duvarlar ritmik biçimde kasılır ve gevşer; bir kasılma dalgası boruların üzerinde ilerler, bir yerdeki basıncı yükseltip başka yerdeki basıncı düşürür. Sonuç, mekik dokuma tezgâhındaki mekik gibi ileri geri giden bir akıştır. Sıvı bir yöne saniyede bir milimetreye varan hızla akar, yaklaşık bir ila iki dakika sonra yön değiştirir ve geri döner. Bütün beden, hiç durmaksızın kendi içini karıştırır. Besin, sinyal molekülleri, kimyasal haberler bu gidip gelen akıntıyla dolaşır.

Ağın kendini biçimlendirmesi de tam buradan doğuyor. Kural tek satırla yazılabilecek kadar basit: içinden bol sıvı geçen boru kalınlaşır, içinden az sıvı geçen boru incelir ve zamanla emilir.

Bu kuralın ne kadar güçlü olduğunu görmek için akışkanların davranışını hatırlamak yeter. Bir borudan geçen sıvının karşılaştığı direnç, borunun genişliğine son derece duyarlıdır; boruyu bir miktar genişletmek, direnci çok daha büyük oranda düşürür. Yani kalın boru, ince boruya kıyasla akışı kendine çeker. Akış arttıkça duvar daha çok gevşer, boru daha da genişler, daha da çok akış çeker. Bu bir kartopu etkisidir. Karşı yönde de bir baskı vardır: kullanılmayan her boru sürekli olarak zayıflar, incelir, kopar. Canlı, kendisine ayırdığı malzemeyi kullanılmayan hattan alıp kullanılan hatta yatırır.

Şimdi labirenti bu gözle düşünün. Başlangıçta canlı bütün koridorları doldurmuştur, iki yulaf arasında dört ayrı hat vardır ve hepsi aynı iki noktayı bağlar. Ama kısa hat, aynı miktarda sıvıyı daha az dirençle taşır. Kısa hattan geçen akış biraz daha fazladır. Biraz daha fazla akış, biraz daha kalın boru demektir; kalınlaşan boru bir sonraki turda daha da fazla akış çeker ve uzun hatlar sessizce kurur. Çıkmaz sokaklarda ise akış hiç yoktur; bir uçtan girip aynı uçtan çıkacak sıvı olmadığı için oralar hiçbir zaman yarışa bile giremez. Kimse hesap yapmaz. Sadece fizik, kendi kendine, doğru cevabı biriktirir.

Bu yüzden cıvık mantarın hafızası, bizim hafıza dediğimiz şeye hiç benzemez. Öğrendiği yol, bir yerde saklanmış bir kayıt değildir; bedeninin geometrisinin ta kendisidir. Kalın boru, "buradan geçmeye değer" cümlesinin cisimleşmiş halidir. 2021'de Amerikan Ulusal Bilimler Akademisi'nin dergisinde yayımlanan bir çalışma bu fikri bir adım öteye taşıdı: Mirna Kramar ve Karen Alim, canlı bir besin kaynağına dokunduğunda o noktadan borulara yumuşatıcı bir madde salındığını, bu maddenin akışla ağın içine dağıldığını ve geçtiği yerdeki boruları genişlettiğini gösterdiler. Yani besinin nerede bulunduğu bilgisi, boru kalınlıklarının hiyerarşisine kazınıyor. Beden, kendi haritasıdır.

Nakagaki ve Kobayashi bu mantığı denklemlere döktüler. Modelde her boru bir iletkenlik değeri taşır, akış bu iletkenliğe göre dağılır, iletkenlik de taşınan akışa göre büyür ya da küçülür. Sonuç, hem şaşırtıcı hem güven verici oldu: gerçek canlıyı tepside izlemeden, yalnızca bu iki kuralı sayılarla döndürerek, Tokyo tepsisindekine benzer ağlar üretebiliyorlardı. Dahası, denklemin tek bir katsayısını oynattığınızda ağın karakteri değişiyordu; kâh mümkün olan en ucuz, en yalın iskelet çıkıyordu, kâh yedek yolları olan, daha pahalı ama kopmalara daha dayanıklı bir örgü.

Matematikçiler işi devraldı. 2012'de Vincenzo Bonifaci, Kurt Mehlhorn ve Girish Varma, bu denklem sisteminin iki nokta arasındaki en kısa yola gerçekten yakınsadığını kanıtladılar; ağın biçiminden ve başlangıçtaki kütle dağılımından bağımsız olarak. Yani cıvık mantarın çözümü bir tesadüf ya da laboratuvar şansı değil. Kuralın kendisinde saklı.

Peki kalınlaşan bir boru, düşünmek midir?

Bu sorunun etrafında bugün hâlâ süren, zaman zaman sertleşen bir tartışma var ve her iki tarafın da ciddi gerekçeleri var.

Kuşkucuların itirazı doğrudan: burada bir zekâ değil, bir minimize etme süreci gördüğümüzü söylüyorlar. Doğa böyle şeylerle dolu. Bir tel çerçeveyi sabun köpüğüne batırıp çıkardığınızda, zar birkaç noktayı en az yüzey alanıyla birleştiren yüzeyi kurar; kimse hesap yapmamıştır, yüzey gerilimi yapmıştır. Nehirler denize giderken en az dirençli yatağı bulur. Yıldırım havada en kolay iyonlaşan koridoru seçer. Cıvık mantarın borularının akışa göre kalınlaşması da aynı ailedendir: bir akış ağı, enerji kaybını azaltacak biçimde kendini yeniden düzenler. Bu bakışa göre "leke Tokyo metrosunu tasarladı" demek, "sabun köpüğü geometri problemi çözdü" demek kadar mecazidir.

Karşı taraf ise bu benzetmenin bir yerden sonra tıkandığını söylüyor. Sabun köpüğü açlık çekmez, geçmiş deneyimini saklamaz, alışkanlık edinmez. Cıvık mantar bunları yapıyor. 2016'da Toulouse'da çalışan Romain Boisseau, David Vogel ve Audrey Dussutour, canlının yulafa ulaşmak için üzerinden geçmesi gereken jel bir köprü kurdular ve köprüye acı maddeler, kinin ya da kafein koydular. İlk günlerde canlı köprüye isteksizce, ağır ağır girdi. Günler geçtikçe tereddüt azaldı; altıncı günün sonunda, zararsız köprüden geçen kontrol grubuyla aynı hızda ilerliyordu. Sonra madde bir süre kaldırıldığında ürkeklik geri geldi. Bu, sinir sistemi olmayan bir organizmada gösterilmiş bir alışma örneğidir; öğrenmenin en temel biçimlerinden biri. Aynı ekip, canlının çevrede periyodik olarak tekrarlanan bir kuruma ya da soğuma olayını önceden sezip yavaşlamaya başladığını gösteren daha eski bulguları da hatırlatıyor.

Yine de, bu bölümün asıl konusuna dürüst kalmak gerekirse, Tokyo deneyi hakkında abartılan birkaç şeyi düzeltmek şart. Birincisi, cıvık mantar demiryolunu tasarlamadı ve mühendisleri "yenmedi". Araştırmacıların yaptığı karşılaştırma çok daha ölçülü: canlının kurduğu ağ, toplam boru uzunluğu yani maliyet, şehirler arası ortalama mesafe yani verim ve rastgele bir hattın kopmasına dayanma yani sağlamlık bakımından gerçek demiryolu ağıyla karşılaştırılabilir düzeydeydi. Bazı ölçümlerde bir tık öndeydi, kopmalara dayanıklılıkta ise biraz geride. Ortada bir üstünlük değil, bir denklik vardı ve asıl çarpıcı olan da buydu.

İkincisi, tepsi Tokyo değildi. Gerçek bir demiryolu ağını çizen kısıtların çoğu o jölenin üzerinde yoktu: arazi mülkiyeti, kamulaştırma bedelleri, tünel açılabilecek jeoloji, nüfusun zaman içindeki dağılımı, hangi şehrin hangi dönemde siyasi ağırlığı olduğu. Cıvık mantar, şehirlerin nüfusunu da bilmiyordu; her yulaf onun için eşit büyüklükte bir ödüldü. Deneyin cevabı zaten biliniyordu ve engeller o cevabı üreten coğrafyaya göre kuruldu. Bu, sonucu değersizleştirmez; ama "beyinsiz bir canlı Japon mühendislerden daha iyi plan yaptı" cümlesini de dayanaksız bırakır.

Üçüncüsü ve en önemlisi: buradan mistik bir sonuç çıkmaz. Cıvık mantarın Tokyo'yu bilmesi, şehirleri tanıması, bir amaç gütmesi ya da gizemli bir bilinç taşıması söz konusu değil. Ortada iyi anlaşılmış bir mekanizma var; kimyasal sinyaller, kasılma ritimleri, akış ve borularda biriken geri besleme. Bunun ötesine geçen iddialar, bilimin bugünkü uzlaşısının değil, hayal gücünün ürünü.

Peki geriye ne kalıyor? Sanırım deneyin gerçek mirası, cevabın kendisi değil, cevabın nereden geldiği. Bugün mühendislik literatüründe cıvık mantardan esinlenen bir algoritma ailesi var; ağ tasarımı, yol planlaması, iletişim hatlarının yerleştirilmesi gibi problemlerde kullanılıyorlar. Ama bu algoritmaların cazibesi hızlarından çok mimarilerinden geliyor. Çünkü bizim ağ kurma biçimimiz neredeyse her zaman merkezîdir: bir masa, bir harita, bir plancı, bir onay. Cıvık mantarınki değil. Onun ağında hiçbir noktanın tümü hakkında bilgisi yok. Her boru yalnızca kendi içinden ne kadar geçtiğini "bilir" ve buna göre kalınlaşır ya da incelir. Yerel, aptal, tek satırlık bir kuralın milyonlarca kez tekrarlanmasından, bütünü gören bir çözüm doğar.

Bunun bize söylediği şey rahatsız edici olduğu kadar aydınlatıcı: bir sistemin optimize olması için onu optimize eden birine ihtiyaç yok. Aynı mantık, dünyanın başka yerlerinde de karşımıza çıkıyor. Kan damarlarımız da az kullanılan kolları budayarak, çok akan kolları kalınlaştırarak olgunlaşır. Bir yaprağın damarları da aynı ekonomiye uyar. Beynimizdeki sinapslar da kullanıma göre güçlenip zayıflar. Cıvık mantar bu ailenin en yalın, en görünür üyesi; çünkü bütün hesabı, saklayacak bir kafatası olmadığı için, açıkta, tepsinin üzerinde, sarı bir çizgi olarak yapıyor.

Ve belki de bölümün başındaki o zaman aralıklı görüntünün asıl huzursuz edici yanı buydu. Ekranda 26 saati bir dakikaya sıkıştırılmış halde izlerken, kaplayan, sonra çekilen, sonra karar vermiş gibi duran o sarı lekeye bakan hiç kimse, gördüğü şeyin yalnızca akan bir sıvı olduğunu düşünmedi. Düşünmek zorunda kaldığımız soru şu: onun yaptığına bakıp "bu sadece fizik" diyorsak, bizim kafamızın içinde olan bitene niye aynı şeyi demiyoruz?

Nöron Bilim'de bugünkü bölümün sonuna geldik. Yeni bir hikâyede yeniden buluşmak üzere.