Cansızdan nasıl canlı çıktığı bilimin en büyük gizemlerinden. Günümüzde bunun nasıl olduğuna ilişkin fikirler de oldukça bölünmüş durumda. Bugün atomik seviyede nasıl işlediğinden emin olduğumuz kalıtımdan sorumlu DNA, metabolizmadan sorumlu ATP ve hücrelerimizin zarı hep birlikte maksimum verimle hayatı sürdürüyor olsa da başlangıçta bir diğeri olmadan hangisi ortaya çıkıp hayatı başlattı? Bilim insanları laboratuvarda minyatür Frankensteinler yaratmaya çalışmakla meşgul. Henüz başarıya ulaşılmamış olsa da 10-20 yıla kadar hayatın nasıl ve hangi koşullarda başladığından emin olabileceğiz.
Yaşamın kısa bir özeti
* Yaşam Dünya’nın oluşumundan çok kısa bir zaman sonra okyanusların dibinde hidrotermal bacalarda başladı.
* 2 milyar yıl boyunca hayat yalnızca basit tek hücreli organizmalar düzeyinde kaldı: Arkeler ve bakteriler.
* Bu organizmalar Güneş enerjisinden faydalanmaya başlayınca fotosentez yaptılar ve atmosfer oksijen açısından zenginleşti.
* Tam bu zamanlarda Dünya’nın tüm tarihinde yalnızca bir kere yaşanan bir olay oldu. Bakteriler arkeler tarafından yendi, müthiş bir işbirliği başladı ve böylece yepyeni, karmaşık bir tür başladı: Ökaryotlar.
* Ökaryotların içindeki kalıntı bakterilerin, bugün tüm karmaşık yaşamın metabolizmasında kullandığı mitokondri olduğu ispatlandı. Mitokondri hücrenin enerji santraliydi.
* Arkeler ve bakteriler 4 milyar yıldan beri yapı olarak hiç değişmediler. Ökaryotlar gibi evrim geçirmediler.
* Ökaryotların yapılarına mikroskopla baktığınızda, örneğin bir elma, yosun, tavşan veya insanın hücresi müthiş bir benzerlik gösteriyor. Çalışma prensibi hepsinde aynı. Bu yüzden biliyoruz ki tarihte arkelerle bakterilerin birleşmesi yalnızca bir kere yaşandı. Öbür türlü olsaydı çok daha değişik prensiplerle yaşamını sürdüren türler bulurduk. Ama bulamadık.
*Ökaryotların bu kadar büyüyüp karmaşıklaşmasının enerjiyi verimli kullanabilen mitokondri ile alakası olmalı.
Küçük bir anekdot
50 yıl önce, 1967’de ökaryotların arkelerle bakterilerin birleşmesinden oluştuğunu ve oluşumun içindeki bakteri kalıntısının mitokondri olduğunu bulan bilim insanı Lynn Marguiles’di. Kendisi 2011’de öldü. Fikirleri ancak son yıllarda kabul görmeye başladı. Son günlerinde ona şöyle bir soru geldi: “Sürekli tartışmalara yol açan fikirlerinizle anılan bir bilim insanı olmak nasıl?” Cevabı kısa ve netti. “Fikirlerim tartışmalı değil, doğru.” Bu büyük bilim insanı ilk evliliğini kiminle yaptı dersiniz? Carl Sagan ile.
Voyager’ı son bir kez dünyaya çevirip bir “soluk mavi nokta”dan başka bir şey olmadığımızı söyleyen popüler bilimin babası. Bu iki bilim insanının ilişkisi pop kültürde Madonna ile Michael Jackson’ın evlenmesi gibi bir şey olurdu ve tabi sonra da beklenildiği gibi boşanmaları.
Yaşam pişirmek
Hayatın başlangıcıyla ilgili tarihte ilk radikal fikir 1924’te SSCB’den Alexander Oparin’den gelen ‘ilksel çorba’ düşüncesiydi. Tabi radikal deyince ilk akla gelen Darwin’in Evrim Teorisi’dir ancak evrim hayatın nasıl oluştuğu ile ilgilenmez; hayatın başladıktan sonra nasıl çatallandığı ve karmaşıklaştığı ile ilgilenir. Oparin, “Hayat basitçe belli bileşenlerin, güneş ışığı altında uzun bir süre verildiğinde, yaşamın yapıtaşı olan proteini üretmesi ile ortaya çıkmıştır” dedi. O günden bu yana bilim insanları 4 milyar yıl önce Dünya’mızda bulunan malzemelerden laboratuvarda yaşam yaratmayı test ediyorlar. Dünya’nın yaşamı ortaya çıkarması için birkaç yüz milyon yılı vardı. Bilim insanları ise ilk deneylerini 1952 yılında yaptılar. Yani henüz yaşamı oluşturmayı başaramamak sürpriz olmasa gerek.
Urey ve Miller Deneyi
Harold Urey ve Stanley Miller erken Dünya koşullarında kompleks moleküllerin nasıl oluştuğunu görmek için bir düzenek kurdular. Atmosfer için bir kabın içine metan, amonyak ve hidrojen gazları ile su buharı koyup, enerjiyi vermek için de şimşek simülasyonu yaparak kabın içine elektrik verdiler. Bir tüple okyanus suyuna verilen hava, yaklaşık bir hafta sonunda suyu kahverengiye çevirdi.
Hayatın kullandığı 20 amino asidin 11’ini yapmayı başarmışlardı. Daha sonraları atmosferin bu elementlerden oluşmadığı ortaya çıksa da (yalnızca nitrojen, karbondioksit ve su buharından oluşuyordu) bu deney çığır açıcı olmuştu, Dünya’nın ilk zamanlarını doğru simüle ederek bilim insanları aşırı karmaşık minik makinelerden oluşan canlı hücre avına başladılar. Pekiyi yaşamın başlaması için ilk ne olmuştu? Bunun üç ayrı cevabı var.
Teori 1: Önce Gen
1960’lardan günümüze gelen teoriye göre hayatı ilk başlatan kendini kopyalayabilme becerisiydi; fakat DNA ile değil, RNA ile. RNA, DNA’dan farklı olarak sadece bir sarmaldan oluştuğu için origami gibi katlanmasıyla farklı şekiller oluşturması açısından daha esnek.
Teori, Dünya ilk oluştuğunda kimyasal tepkimeler sonucu sularda kendiliğinden RNA zincirleri oluştu, bunlar kendilerini kopyaladı, evrildi ve hayatta kalmak için birbiriyle yarıştı der; sonrasında bunların iyice ustalaşıp genetik kodu, proteinleri ve canlı hücreyi oluşturduğunu söyler.
Amino asitler nasıl sırayla dizilip katlanıp proteinleri ve bu proteinler de birleşip katalizör enzimleri oluşturuyorsa -bu enzimler olmadan hayat mümkün olmuyorsa- nükleotidler de bir araya gelerek RNA’ları oluşturduktan sonra acaba RNA’lar birleşip enzim oluşturabilir miydi? Eğer öyleyse RNA hem genetik kodu barındırabilir hem de kimyasal tepkimeleri katalize edebilirdi.
1980’lerdeki ilk çalışmada bir tek hücreli organizmadan tüm enzimler çıkarıldı ve yalnızca RNA kalması sağlandı. Yalnız başına kalan RNA’nın kendi kendini kestiği görüldü. Hemen ardından ikinci bir RNA enzimi daha bulundu. ‘RNA Dünyası’ adı verilen teori gelecek vaat ediyordu. 2000’lere gelindiğinde kimyagerler kendi diledikleri gibi RNA sarmallarını kestiklerinde çok daha karmaşık ve kullanışlı proteinlerin ve enzimlerin oluşabildiğini gözlemlediler. Thomas Steitz hücrelerimizde bulunan ribozomun (protein yapma enzimi) yapısını atomik seviyede resmetti ve RNA’nın bu makinenin katalizör merkezi olduğunu ispatladı. Ribozomsuz hayat olamazdı ve Dünya’nın en eski zamanlarında var olan RNA, ribozomu oluşturmaya yetiyordu. Bu buluş 2009’da Steitz, Venkatraman Ramakrishnan ve Ada Yonath’a Nobel Kimya Ödülü getiriyordu. RNA Dünyası bundan sonra biraz yokuş aşağı gitti. RNA’nın hayatı başlatma görevinin altından kendi başına kalktığı henüz ispatlanamadı.
RNA’ya yakından bakış
RNA nükleotidlerden oluşuyor. Dört çeşit nükleotid var: A,U,C ve G.
Bunlar yan yana geldiklerine birbirine sıkıca tutunurlar ve farklı farklı dizilirler. Farklı zincirler oluşturabilirler. Bu kısım laboratuvarda ancak özel enzimlerle yapılabildi. Kendiliğinden oluşması sağlanamadı.
Başıboş dolaşan nükleotidlerden A yalnızca U ile ve C yalnızca G ile birleşebilir. Birleşme tamamlanınca fermuar gibi açılır ve işlem yeniden tekrarlanır. Böylece kopyalanma sağlanmış olur. 2013 yılında bu sürecin laboratuvar ortamında kendiliğinden oluştuğu görüldü.
RNA zinciri birleşmek için nükleotid bulamazsa kendiliğinden kendi içinde kıvrılıp birleşmeler yaratır. Boşta kalanlar ise etraftaki başka molekülleri alır, fırlatır, böler veya birleştirir. RNA katalizör görevi yapabilir. Ribozom tam da budur. Bu ispatlandı ve 2009’da Nobel geldi.
İyice ustalaşan bir RNA zinciri kendi kendine yeni nükleotidler bile oluşturur ve yeni zincirlerin oluşmasını sağlar, yani RNA kendini kopyalayabilir. Laboratuvar ortamında RNA’lar ustalaştırıldı ve bu sağlandı; dört nükleotidin ikisi oluşturuldu ama kendiliğinden değil.
Teori 2: Önce ZAR
Hücrelerin en önemli özelliği yaşamın temel yapı taşlarını içinde barındırıp, dışarıya dökülmesini engellemektir diyebiliriz. Hücrenin zarı yani dış duvarı olmazsa hücre dağılıp ölür. Bir şekilde Dünya’nın ilk zamanlarında bir takım hammaddeler bir keseciğin içine girip kabataslak bir hücreye dönüşmüş olmalı. Bu ilkel hücreyi (protosel) laboratuvarda yaparsak bu teoriyi de ispatlamış olacağız. Akla ilk gelen, kompartıman oluşturabilecek bir yapı sudaki yağlı maddelerin oluşturduğu kürecikler. Bu yağlı maddelere lipit; hayatın ilk bu şekilde başladığını söyleyen teoriye de ‘Lipit Dünyası’ deniyor. Lipit molekülleri kendi kendine diziliyor, kafa (mor) kısımları suda; kuyrukları ise yağda olmayı sevdiği için bir ya da iki katmanlı kesecik oluşturabiliyorlar.
Bu keseciklerin oluşması yetmiyor; aynı zamanda sabit olması, zamanı gelince bölünmesi ve giriş çıkışlara hakim olması gerekiyor. Unutmayalım ki laboratuvarda yapılacak protoseller bugün bunların gerçekleşmesini sağlayan modern proteinleri kullanamaz. Henüz bu başarılamadı. Lipit Dünyası 1994’te RNA Dünyası’na yakınlaşarak ilk protosellerin içinde RNA barındırdığını ileri sürdü. Bu büyük bir geri adımdı fakat iki Dünya teorisi birleşmişti. Zar ve RNA aynı anda oluşmuş olabilirdi. 2003’te yağlı keseciklere RNA konularak protosellerle deneyler başladı.
Killenmek güzeldir
Kil volkanik küllerin hava koşullarında kırılmasından oluşuyor. Dünya’nın ilk zamanlarında da volkan külünden fazla bir şey yoktu. Killerin içindeki kristaller suyla buluştuklarında büyüyebiliyor, aynı özellikleri taşıyacak şekilde ikiye bölünebiliyor, bazen de ayrılmanın şiddetiyle farklı şekilde bölünüp, mutasyon geçirebiliyordu; aynen yaşayan organizmalardaki DNA gibi. Belli ki kil çok önemliydi. Protosel oluşturma deneyleri kilin üzerinde yapıldığında kesecik oluşmasının 100 kez hızlandığı görüldü. Kilin mikro gözeneklerden oluşan yüzeyi, mükemmel bir katalizördü. Oluşan kesecikler yarı geçirgendi ve kilin gözeneklerinden içlerine daha fazla nükleotid ve kil molekülleri almaya başladı, böylece protoseller içlerine hem RNA hem de daha çok katalizör almış oldu. İşin güzel yanı içerde bir araya gelen moleküller büyüdüklerinden dışarı çıkamıyordu. Bir yıl sonra bu protoseller neredeyse patlamak üzereydi. Hücre duvarı buna dayanmak için etrafından daha fazla yağlı asit topluyordu. Etrafı derken kendisi kadar büyüyememiş protosellerden çalıyordu. Evrim kuramı çalışmaya başlamıştı, hayatta kalma yarışı. Daha fazla RNA molekülü olan hücre daha büyük olduğu için kazanıyordu. Peki ya bölünme nasıl olacaktı? Bu yağlı oluşumlar ince deliklerden geçmeye zorlanırlarsa ya da çok fazla basınç uygulanırsa yavru protoseller oluşuyordu. İşin sırrı şuydu; hücre bölünürken içini dışarı dökmeyecekti. 2009’da bu başarıldı. Her yavru protosel içinde annelerinden RNA barındırıyordu ve işlem devam ediyordu. Fakat içlerindeki RNA henüz kendini kopyalamıyordu, boş duruyordu. 2013’te ise protosellere magnezyum ve sitrik asit (limondaki) eklendiğinde RNA’nın kendini kopyalaması da sağlandı. Bu muhteşemdi.
İlerleyen tarihlerde ise protosellerin içine başka kimyasallar eklenmeye başlandı: fosfat, bakır ve sülfür gibi. Bu ilksel çorba 1952’nin çorbasından çok daha verimli çalıştı. Elektrik akımın yerini ise ultraviyole ışınlar almıştı. Fakat enerji sorununa değinmeyen ve hiçbir organizmanın fazla dayanmasına izin vermeyen ultraviyole ışınlarını denkleme sokan bu ‘Karman Çorman Dünya’ teorisi ne kadar doğru olabilirdi? Önümüzdeki yıllar gösterecek.
Teori 3: Önce ATP
Bir hücrenin kendini kopyalamasından daha önemli ne olabilir diye düşününce akla ilk hayatta kalması geliyor. Ne de olsa ölürsen kopyalayamazsın da. Hayatta kalmak için de elzem olan enerjidir. Yani ATP! Biz yemek yiyerek, bitkiler ise Güneş’ten enerji alıyor. Bu sürece metabolizma deniyor. Önce örneğin şekerden enerjiyi alıyoruz sonra da bu enerjiyi mitokondrimizin zarından proton pompalayarak ATP yapmak için kullanıyoruz. Her türlü işlem için de, içinde enerjiyi depolamış bu ATP’yi kullanıyoruz.
Peki ya ilk yaşayan organizmalar ne yapıyordu? Yani onlarda bu karmaşık makine yokken. Hatta zar bile yokken.
Bunu yapabilecek bir hücre yoksa çevreden yararlanmak bir fikir olabilirdi. Yani proton pompalamayı otomatik yapan bir yüzey ve bu yüzeyde bu enerjiden faydalanan ilk yaşam formları mümkün olabilirdi. Ancak böyle bir yer var mıydı? Geçen bölümdeki hidrotermal bacalara aşinasınız. İlk kez 1977’de Büyük Okyanus’un derinliklerinde içinden sıcak su ve karbondioksit çıkan baca benzeri kaya ve mineral oluşumları Galapagos Adalarında bulundu. Yakınlarında buradan çıkan enerjiye bağımlı yaşayan midye, yengeç, tüp solucanları ve bolca bakteri vardı. Bu bacalar 4 milyar yıl evvel de olabilir, organik bileşenler amino asitlere, nükleotidlere ve şekere dönüşebilirdi. Yalnızca bir sorun vardı. O kadar yüksek sıcaklıkta mesela bir şeker bileşeni en fazla saniyelerce dayanırdı.
Mike Russell sahneye çıktı ve şöyle dedi: o halde doğal olarak proton pompalayan ve çok da sıcak olmayan başka hidrotermal bacalar (menfezler) bulunmalıydı, özel menfezler. Bu menfezler içinde az proton (H+) barındırmalıydı yani PH+ derecesi az olmalıydı (alkalin); dışarıdaki okyanus suyu zaten hâlihazırda çok karbondioksit içerdiğinden zaten proton sayısı (H+) çok yüksekti (asit). Böylelikle aradaki dengesizlikten dışarıdaki protonlar bacaların yüzeyindeki gözeneklerden içeri hücum edecek, proton pompalanıp ATP yapılması için gerekli enerji kendiliğinden oluşacaktı. 2000 yılında Deborah Kelley Atlas Okyanusunda 40 ila 75 derece sıcaklıkta bu alkalin menfezleri keşfetti, adını da Lost City (Kayıp Şehir) koydu. Bu bacalar çok da kolay oluşuyordu. Tek gereken su, sıcaklık ve mermerimsi bir kayaydı. Özetle hayatın başlaması evrende hiç de ender rastlanan bir durum olmamalı.
Bacalardaki yarı geçirgen gözenekler zar görevini görüyordu ve içlerinde çok önemli mineraller barındırıyordu. Bu kimyasal enerjiyi kullanmayı beceren organizma RNA yapmayı başardıktan sonra kendi yarı geçirgen zarını da oluşturup, bacalara olan bağımlılığından kurtulup artık okyanusun yüzeyine çıkabilir, Dünya’ya yayılabilirdi. İşte cansızdan canlı çıkması serbest enerjiyi bulup, kullanıp, optimize etmekten geçiyordu. Artık bol bulunan karbondioksit ve hidrojen başta olmak üzere elementler birleştirilip amino asitler, proteinler ve enzimler yapılabilirdi. Sonrasında da evrim süreci başlayabilirdi.
2016’da Mike Russell ve William Martin LUCA’nın hayata tam olarak da bu alkalin menfezlerde başladığını öne sürdüler. Ancak bu çalışmayı laboratuvarda simüle etmedikleri için topa tutuldular. University College London’dan biyokimyager Nick Lane içinde olduğumuz günlerde bu problemi ‘Hayatın başlangıcı reaktörü’ adını verdiği cihazla çözmeye çalışıyor.
Artık sözü bu yazıya ilham olan, “The Vital Question- Elzem soru: Yaşam neden var” adlı ödüllü kitabın yazarı Lane’e bırakıyorum. Kim bilir, belki bir gün Nobel Ödülü alır.
“…Dünya’daki bütün yaşamın, hem karbon hem metabolizmasını sürdürmek için zarları aşan proton pompalamasını kullandığını eklersek, fizikçi John Archibald Wheeler gibi ben de ‘Başka türlü olabilir miydi ki! Bunca zamandır nasıl bu kadar kör olabildim!’ diye haykırmak istiyorum.
…Alkalin menfezlerde yaşamın alışveriş listesi kaya, su ve CO2’dir, evrende her yerde en sık rastlanan maddelerden üçüdür. Yaşamın kökeni için uygun koşullar şu anda, sadece Samanyolu’nda 40 milyar gezegende varolabilir.”
KAYNAKÇA:
Yaşam Neden Var? Nick Lane Koç Üniversitesi Yayınları
https://www.youtube.com/watch?v=j_flx26bU0Q
https://www.youtube.com/watch?v=ZJ3x4Iq91Sw
https://www.youtube.com/watch?v=j_flx26bU0Q https://www.youtube.com/watch?v=av98Brx23_4
https://www.youtube.com/watch?v=DpuHOqbDjoc
http://www.actionbioscience.org/evolution/poolearticle.html
https://www.youtube.com/watch?v=xbJ0nbzt5Kw
