Evrenin Sırları-10: YAŞAM

Yaşam ne zaman başladı?

‘Yaşam nasıl başladı’dan çok daha kolay bir soruyla başlıyoruz. Geçtiğimiz mayıs ayında Quebec, Kanada’da 4,2 milyar yaşında demir soluyan ve demirle beslenen bakteri fosilleri bulundu. Bu durumda 4,5 milyar yıl önce oluşan Dünya’mızda yaşamın çok çok erken başladığını söyleyebiliriz, neredeyse Dünya gaz ve toz bulutundan oluştuktan birkaç yüz milyon yıl sonra. Buluşun sahiplerinden biri bu kadar az sürede canlı hayatın başlamasının evrende başka hayatlar bulma konusunda büyük umut vaat ettiğini söylüyor.

 Tortul kaylarda rastlanan dünyanın en eski fosil izleri

Fosillerin bulunduğu tortul kayaların formasyonu, yaşamın okyanusların derinliklerinde, magmanın etkisiyle aşırı derecede ısınan su ve gazın çıktığı bacalarda (hidrotermal bacalar) başladığına işaret ediyor.   

Zirkonla zamanda yolculuk

Kayalar her ne kadar cansızlığın neredeyse karşılığı olsa da, içlerinde bir meyveli kek gibi mineraller bulundurur ve bu mineraller hayatın başlangıcında çok önemli bir rol oynar. Zirkonu bilirsiniz, hani elmas kadar cebimizi yakmayan ve birçok kayada bulunan mineral. Zirkon bilim insanları için zaman makinesi işlevi görüyor. Zirkonun kimyasına baktığımızda, bu kristal yapının yalnızca su varsa ve 4 ila 4,4 milyar yıl önce oluştuğunu biliyoruz. Bu da demek oluyor ki su, dünyanın oluşumundan çok az bir zaman sonra ortaya çıktı.

Dahası dünyanın atmosferi de -oksijeni çıkarırsak- bugünün atmosferine oldukça benziyordu. Yani bolca volkanik gazlar olan nitrojen (azot) ve karbondioksit bulunduruyordu. Oksijen yaşama ilk başlayan okyanusların dibindeki bakteriler için hiç de gerekli değildi. 2 milyar yıl boyunca bakteriler Yerküreye hakimdi ve onu şekillendirdiler; kaya ve mineral birikimleri oluşturdular, okyanusları, kıtaları, atmosferi ve iklimi alt üst ettiler. Bu bakterilerin yüzeye çıkıp güneş enerjisinden faydalanarak fotosentez yapmaları yaygınlaşınca atmosferde oksijen arttı. Bu ilk kez 2 milyar yıl önce gerçekleşti. Artık uzaydan bakılsa bile Dünya’nın yaşayan bir gezegen olduğu seçilebilirdi çünkü oksijen sayesinde artan enerji ile Dünya’da bakterilerin basit yaşamından çok daha karmaşık yaşam başladı. Fakat bu karmaşıklığa gidişin çok garip bir hikayesi var. Az sonra.

Yaşamak nedir?

Yaşam yeni bileşenler yapmak, bunları birleştirmek, böylece büyümek ve ayrıca üremektir; bu esnada da bütünlüğünü koruyabilmektir. Bu kadar basit. Ama bundan sonrası basit olmayacak, uyarıyorum.

Bahsettiğimiz bileşenler protein, şeker, yağ ve nükleik asit. En kritiği protein çünkü varlığı inşa edip, sürdüren o. Şeker enerji için elzem, yağ ise suyun içinde koruyucu zar oluşturup bütünlüğü koruma açısından önemli. Nükleik asit ise bildiğiniz DNA’nın NA kısmı yani kalıtım işlevi görüyor. Bunların hepsinden oluşanı kimse tutmasın.

Proteinlere odaklanacak olursak, bunların yapılışındaki hammadde amino asit. Amino asitler de karbon, hidrojen, nitrojen, oksijen, fosfor ve sülfür elementinden oluşuyor. Bildiğimiz periyodik cetvelden seçmeler… oldukça cansız.Protein vücutta nefes almaktan kalbin atışına yemeğin sindirilmesinden harekete kadar tüm işlevlerden sorumlu.

Proteinleri ara hammadde olarak düşünebiliriz, çünkü proteinler birleşerek enzimleri oluşturuyor. Enzimler de organizmada her tür işlemin hızlarını arttırma (katalizör) görevi yaparlar. Enzimler olmasa elimizi kaldırmamız seneler sürerdi.

Hücrelerimizde ribozom adında dahiyane bir şekilde çalışan bir enzim var. Akıl almaz derecede küçükler, örneğin bir tek karaciğer hücresinde 13 milyon ribozom bulunuyor. Ribozomlar şeride yazılı şifreyi alırlar ve şifredeki sıraya göre amino asitleri harfi harfine dizip proteinin kendisine çevirirler. Yazılı şifrenin nereden geldiğini biliyorsunuz: çekirdekteki  DNA’larımızdan (Deoksiribo Nükleik Asit), şifreyi çekirdeğin dışındaki ribozomlara götüren postacı ise RNA (Ribo Nükleik Asit). Nükleik asitler de sıradan atom dizilimlerinden oluşur. Yapıtaşlarına ise nükleotit deniyor. 

DNA ikili bir sarmaldan oluşuyor ve fermuar gibi açılıp bir tane olabiliyor ki eşinden gelen bir tane ile birleşsin ve yeni fermuar oluşturup kalıtsal mirası çocuğa geçirsin. Amino asitler organizmaya nasıl bir tür protein lazımsa ilgili genin (DNA biriminin) dediği şekilde diziliyorlar, karaciğere ayrı, göze ayrı proteinler gibi. İnsan vücudunda 20,687 gen değişik proteinler için inşa şifresi taşıyor.

DNA’nın ne kadar değerli olduğunu görüyorsunuz. Bu kadar değerli bir şeyi kim olsa kasada saklamak ister. İşte bu yüzden DNA’da yazan bu bilginin alakalı kısmı (ilgili gen) kısa mesajlar olarak RNA’ya yazılıyor. RNA yalnızca bir sarmaldan oluşuyor. Yukarıda bahsettiğimiz ribozom makineleri RNA’yı okuyup proteini yaparlar. Bu arada 2009 yılında ribozomun bizzat bir RNA enzimi olduğu ispatlandı .Bu buluş koca bir Nobel Biyoloji Ödülü hakkederdi ama biyoloji kategorisinde Nobel verilmediği için Nobel Kimya Ödülü aldı.

Şimdi bir nefes alabilirsiniz. 

Yaşamın nelere ihtiyacı var?

1-Yeni bileşenler yapmak için karbon kaynağı olmalı

İhtiyaç olan karbon- sizi şaşırtmasın- bildiğiniz toprağın altındaki kömürü oluşturan karbonla aynı; yalnızca kimyasal olarak farklı şekilde evrimleşmiş. Karbon mükemmel bir elementçünkü uzun molekül zincirleri çeşitliliğine uygun; yani  karbondan protein, şeker, yağ ve nükleik asit yapılabilir. Havada bol miktarda bulunan karbondioksit çekilip her seferinde bir karbon olarak diğer moleküllere eklenebilir.

2-Protein ve nükleik asit yapmak için serbest enerji kaynağı olmalı

Amino asitlerden protein yapmak için ya da nükleotidlerden nükleik asit (RNA,DNA) yapmak için, ribozomun enerji kaynağına ihtiyacı var. Bu arada tüm bu biyokimyasal reaksiyonlara metabolizma diyoruz. Besinlerin oksijenle yakılarak enerji ihtiyacının karşılandığını biliyoruz ama işin sırrı bu sistemin nasıl işlediğinde .

3-Metobolizmayı hızlandıracak katalizör olmalı

Canlı organizmalar fiziksel yasalar gereği en düşük enerjide (fazlaca ısınıp pil gibi patlamamak için diyelim) kendilerini sürdürmek isterler. Katalizörler düşük enerji (sıcaklık) düzeyinde kimyasal reaksiyonların oluşmasına yardım ederler. Bu yüzden kimyasal reaksiyonları hızlandırmak için daha fazla ısınmak yerine kestirmeden katalizörler kullanmak isterler. Proteinlerin yaptığı enzimler ve RNA’nın yaptığı ribozom da tam budur.

4-Atık boşaltımı olmalı

Tren örneği verelim. Yolcular trene, istasyona yeni gelen yolcuların hızında binemezse, kısa zamanda bir blokaj oluşur sistem işlemez hale gelir. Yani atıklar hücreden fiziksel olarak çıkarılmalı.

5-Zarı olmalı

Yağ asitleri tam da bunu sağlar. Canlılığı sağlayan tüm organik moleküllerin bir bütünlük içinde oraya buraya dağılmaması için içerisini dışarıdan ayıran bir koruyucu zarı olmalı.

6-Kalıtsal olmalı

Türünün devamını sağlamak üremeye ve doğru bir şekilde üremeye bağlıdır bunu da DNA ve RNA ile sağlar.

İlk canlılar ve Hayat Ağacımız

İki milyar yıl önceye kadar yalnızca bakteriler ve arkeler vardı. Arkeler, tek hücreli organizmalar ve hücrelerinin içinde çekirdek yok, aynen bakteriler gibi fakat metabolizmaları farklı işlediği için başlı başına bir dal olmayı hak ediyorlar. Bakteriler ve arkeler normal koşullarda birbirinin atıklarıyla beslenen iki ayrı tür mikro organizma. Bazıları bu birbirinden faydalanma işini abartmış olmalı ki fazla yakınlaştılar ve bir grup arke, bir grup bakteriyi içine aldı. Fakat arkeler bakterileri yemedi, bakteriler de ev sahibini öldürmedi, hatta zarar vermedi. Onun yerine harikulade bir işbirliği başladı. Arke, bakteriye yemek ve barınak verdi. Bakterinin atıkları da arke için muhteşem bir enerji kaynağı oldu. Yeni ve komplike hücreler oluştu. Bu yeni ve çok başarılı türün adı ökaryotlar; ve biz insanlar da bunun bir üyesiyiz. Bu hücrelerin içinde kalan antik bakteri kalıntısının adı da mitokondri. (Mitokondriye daha sonra döneceğiz) En garip olay ise bu arke-bakteri birleşmesinin Dünya’nın tarihinde sadece bir kere yaşanmış olması. Bunu nereden mi biliyoruz, soğana, kediye, yosuna veya kendi hücrenize bakınca arada fark yok gibi. Hepimiz aynı şekilde yaşlanıyoruz ve eşeyli ürüyoruz. Bu olay birden çok kez yaşansaydı örneğin kendini klonlayarak üreyen türler de ortaya çıkardı belki; ama yok. Biyolojinin kara deliği bu işte; neden bu olay bir kez yaşandı?

LUCA

Büyük büyük büyük… büyük anneanneniz ile tanışın: LUCA (Last Universal Common Ancestor- Son Evrensel Ortak Ata). Bugün yaşam formlarının hepsinde ortak olan izlerin tek hücreli bir bakteri olan LUCA’dan gelmiş olması gerekiyor. Bunu nereden mi biliyoruz, çünkü ökaryotlar (mesela biz), arke ve bakterilerdeki genler aynı mantıkta çalışıyor. DNA, proteinin nasıl yapılması gerektiğini belirliyor demiştik. İnsan genini alıp bakteriye koyarsanız bakteri insan proteini yapıyor. (İnsülin aynen böyle yapılıyor.) Genetik kodun bu kadar evrensel oluşu, bizim de son bir ortak evrensel atamız olduğunun işareti. LUCA’nın izlerine Grönland ve Avustralya’da okyanusların dibinde hidrotermal bacaların yanında rastlandı. LUCA’nın proteinlerin yapımında kullanılan 20 kadar amino asidi kullandığını, yüzlerce proteini olduğunu ve enzim de ürettiğini, iki katmanlı bir zarı ve RNA’sı olduğunu biliyoruz. LUCA, okyanusun dibinde oksijensiz ve güneş ışığı olmadan, metan soluyarak 3,8 milyar yıl önce yaşadı. Yanlışlık olmasın LUCA dünyada yaşayan ilk organizma değil; bugün yaşayan tüm canlıların son ortak atası. Öncekilerin soyu günümüze gelemedi.

LUCA’nın birebir fosilini belki hiç bulamayabiliriz ama yaşayan modern mikro organizmaların ortak 355 adet geninin LUCA’dan geldiği bugün kesin olarak biliniyor. Kanada’da bulunan fosil LUCA değil yani soyu devam etmedi.

Anneniz özenle sunar: Mitokondri

Arkelerin içindeki bakteri kalıntısına mitokondri demiştik. Mitokondri arkeye mkemmel bir enerji kaynağı olmuştu. Hücrelerimizin enerji santralleri diyebileceğimiz mitokondriler, kendi DNA’larına sahipler. Mitokondrilerin DNA’sı yalnızca annelerden geçer, babalardan değil. Yani gözünüzün rengini belirleyen ve hücrenizin çekirdeğinde bulunan DNA hem anne hem babanızdan; fakat hücrenizin içinde (çekirdeğin dışında) bulunan mitokondrinizin DNA’sı yalnızca annenizden geliyor.

Yaşamın nelere ihtiyacı var başlığındaki 2 numaraya dönecek olursak şu enerji sisteminin nasıl işlediğinin sırrını verelim. Solunum yaptığımız anda besinlerden elektron  (H^-) çalmaya başlıyoruz ve bunları mitokondrinin zarında oksijene aktarıyoruz. Elektronların bu akışı protonları (H⁺) da mitokondrinin zarından dışarı çıkmaya zorluyor. Protonlar zarın dışında birikmeye başlayınca zarın içi ile dışı arasında proton sayısında büyük fark oluşuyor. Bir yerde çok proton olunca bir yerde az proton olunca akış kaçınılmaz oluyor. Bu akış ki adına proton pompalanması deniyor bakın neler beceriyor…

ATP: HAYAT ENERJİSİ

Enerji, mitokondrinin içinde ATP moleküllerinin içinde saklanıyor. Şimdi aradaki T harfi tri yani üç anlamında. P ise fosfat. A ise adenosin elementi. Sıkıntı şu: üçüncü fosfatı eklemek aşırı zor; müthiş bir enerjiye mal oluyor. Aynı şekilde ATP’den bir fosfor gidince ADP (aradaki D harfi di-iki anlamında) kalıyor, bu esnada da depolanan enerji açığa çıkıyor. 

Soru: Tamam o halde üçüncü nasıl ekleniyor?

Cevap: Proton pompalanmasıyla. Her birimiz hücrelerimizin zarlarından saniyede 1.021 adet proton pompalıyoruz.

Soru: Proton pompalama işini daha detaylı anlasak?

Cevap: Solunuma dönelim tekrar, nefes alıp besinlerden elektron çalıyoruz ve elektronlar aktarılıyor dedik. Besin olarak şekeri seçelim. Glikoz= C ₆ H ₁₂ O _{2 .} Şimdi nefes alın. Oksijen yani. Tam 6 adet molekül oksijen, glikoz ile birleşince, 6 molekül karbondioksit, 6 molekül su ve enerji ortaya çıkıyor.  Bunun Türkçesi oksijen alıyoruz karbondioksit ve su buharı veriyoruz; yanında da bonus olarak enerji! Fakat ( bu büyük bir fakat) buradan açığa çıkan enerjiyi doğrudan mesela koşmak için kullanamayız. Bu ABD’de TL kullanmaya çalışmaya benzer. TL’yi dolara çevirmelisiniz. Bu benzetmeden yola çıkarak ATP’ye ‘enerji para birimi’ denir. Kısaca söz konusu enerjiyi ATP moleküllerinin içinde saklamamız gerek. Şimdi proton pompalamaya geldik. Elektronların aktarılmasıyla protonlar mitokondri zarının bir tarafında fazlalaşıyor. Bir dengesizlik oluyor. Zarın bir tarafında çok proton var bir tarafında ise az. Fizik dünyasında denge ve sakinlik favoridir. Bu yüzden bir akış an meselesi. Mitokondri zarının üstünde ATP makineleri bulunuyor. (bakınız resim)

Zarın bir kısmında fazlalaşan protonlar öbür tarafa akarken makineyi döndürüyor. Ve makine bir P’yi ADP’ye ekleyerek ATP yapıyor. Enerjiyi harcarken ATP yeniden ADP’ye (üçten iki fosfata) dönüşüyor. Şimdi düşünebilir, anlayabilir ve dilerseniz koşabilirsiniz. Bu arada bir molekül glikozdan 32 adet ATP ürettiniz.

Yaşam ilk nasıl başladı?

Yaşamın başlangıcıyla ilgili bilim insanları henüz kanıtlanmış bir teoriye ulaşmadı. Fakat tepkimeye son derece hazır bir doğal ortamda canlılığın, bir "cansızlık çorbası" içerisinde, oluşabileceği biliniyor. Bakteriler ve arkelerin oluşması bu çok olası duruma bağlı ve bunun serbest enerji bulmakla ve onu iyi kullanmakla ilgisi var. Bilim insanları bu ortamı laboratuvarda yaratmaya çalışıyor. Soru önce neyin ilk oluştuğu. Günümüzde üç teori yarışıyor. DNA mı, ATP mi, yoksa hücre zarı mı? Yani bilgi mi, enerji mi yoksa bütünlük mü? Haftaya bunları konuşacağız.  

Yaşamın Dünya’mıza uzaydan meteorlarla taşındığını söyleyen teori ise (Panspermia Teorisi) konuya bambaşka bir yerden yaklaştığı için bu yazının konusu değil. Fakat en az diğerleri kadar güçlü bir rakip. Bir son dakika gelişmesi ise 29 Haziran’da Şili’deki ALMA adlı teleskop ile astrobiyologların yeni doğmakta olan bir yıldızın çevresinde kompleks organik moleküllerin izine rastladığı. Uzaylıyı gökte ararken yerde bulabiliriz.