Science Advances dergisinde yayımlanan çalışma, ilk hücrelerin metabolizma için gerekli yüzlerce kimyasal reaksiyonu nasıl geliştirdiğini araştırdı. Bulgular, son evrensel ortak ata olarak tanımlanan LUCA’nın modern hücrelerdeki metabolik enzimlerin yalnızca yaklaşık yarısına sahip olabileceğini; kalan reaksiyonların ise hidrotermal bacalardaki metaller tarafından yürütüldüğünü gösteriyor. Araştırmacılara göre bakteriler ile arkeler ayrıldıktan sonra çevresel katalizörlere olan bağımlılıklarını farklı enzimler geliştirerek birbirlerinden bağımsız biçimde aşmış olabilir.

Dünya üzerindeki bütün canlıların geçmişi, dört milyar yıldan daha eski bir döneme uzanıyor. Ancak yaşamın cansız maddelerden nasıl ortaya çıktığı, modern bilimin yanıtlamakta en fazla zorlandığı sorulardan biri olmayı sürdürüyor.

Heinrich Heine Üniversitesi Düsseldorf öncülüğündeki uluslararası araştırma ekibi tarafından yürütülen yeni çalışma, bu geçişin düşünüldüğü gibi tek bir kez gerçekleşmemiş olabileceğini öne sürüyor. Araştırmacılara göre yaşamın iki temel kolunu oluşturan bakteriler ve arkeler, ortak genetik mirası paylaşmalarına rağmen tam anlamıyla bağımsız yaşayabilen hücrelere ayrı ayrı dönüşmüş olabilir.

Çalışmanın kıdemli yazarı William Martin, sonuçları “genetik kodun tek bir kökeni, ancak yaşamın iki kökeni” şeklinde yorumluyor. Buradaki “iki köken” ifadesi önemli bir ayrıntı taşıyor: Araştırma, yaşamın cansız maddelerden iki farklı zamanda ve tamamen bağımsız olarak başladığını göstermiyor. İddia, ortak bir erken hücresel sistemden ayrılan bakteri ve arke soylarının, çevreden bağımsız metabolizma kurarak serbest yaşayan hücrelere birbirlerinden ayrı biçimde dönüşmesiyle ilgili.

Yaşamı Tanımlayan Temel Özellik: Metabolizma

Yaşamın kesin bir tanımını yapmak sanıldığı kadar kolay değil. Genel olarak çevreye tepki verme, enerji kullanma, büyüme ve çoğalma canlılığın temel özellikleri arasında sayılıyor. Fakat virüsler gibi sınırda kabul edilen oluşumlar, bu tanımı karmaşıklaştırıyor.

Virüsler çoğalabilmelerine ve evrimleşebilmelerine rağmen bunu kendi başlarına gerçekleştiremiyor. Konak hücrenin mekanizmalarına ihtiyaç duydukları için geleneksel olarak canlı kabul edilmiyorlar. Araştırmacılar bu nedenle metabolizmayı, bağımsız yaşamın belirleyici özelliklerinden biri olarak ele alıyor.

Metabolizma; hücrelerin enerji üretmek, büyümek ve işlevlerini sürdürmek için kullandığı kimyasal reaksiyonların tamamını kapsıyor. Modern canlılarda bu reaksiyonların büyük bölümü enzim adı verilen proteinler tarafından hızlandırılıyor. Ancak burada önemli bir başlangıç sorunu ortaya çıkıyor: Enzimler de metabolik reaksiyonlar sonucunda üretiliyorsa ilk metabolizma, henüz enzimler bulunmadan nasıl çalıştı?

İlk Enzimlerin Görevini Metaller Üstlenmiş Olabilir

Çalışmaya göre bu sorunun yanıtı, ilk hücrelerin ortaya çıktığı çevrede bulunuyor olabilir. Yaşamın kökenine ilişkin önde gelen hipotezlerden biri, ilk metabolik sistemlerin okyanus tabanındaki hidrotermal bacalarda geliştiğini öne sürüyor.

Bu bölgelerde doğal olarak bulunan demir, nikel, kobalt ve paladyum gibi metaller, modern hücrelerde enzimler tarafından yürütülen bazı kimyasal reaksiyonları hızlandırabiliyor. Hidrojen, karbondioksit, amonyak, hidrojen sülfür ve fosfat gibi basit maddeler böylece amino asitlere, RNA bazlarına ve yardımcı metabolik moleküllere dönüştürülmüş olabilir.

Araştırma ekibi, yaşamın temel yapı taşlarını üreten 420 kimyasal reaksiyondan oluşan metabolik ağı inceledi. Bakteri ve arke genomlarındaki temel enzimlerin yapıları karşılaştırıldı; ardından reaksiyonları basitten karmaşığa doğru sıralayabilen yeni bir matematiksel yöntem geliştirildi.

Elde edilen sonuçlara göre bütün hücresel yaşamın son evrensel ortak atası olarak kabul edilen LUCA, söz konusu reaksiyonların yalnızca yaklaşık yarısını gerçekleştirecek enzimlere sahipti. Diğer reaksiyonlar ise LUCA’nın yaşadığı çevrede bulunan metal ve mineraller tarafından katalizlenmiş olabilir.

Metabolizmanın Gelişiminde Dört Aşama

Araştırmacılar, metabolik katalizin gelişimini dört temel aşamaya ayırdı. İlk aşamada reaksiyonlar tamamen çevredeki metallerin yardımıyla gerçekleşiyordu. İkinci aşamada ise enzimlerin ve inorganik katalizörlerin birlikte çalıştığı karma bir sistem ortaya çıktı.

Bu karma sistemin LUCA döneminde hâkim olduğu düşünülüyor. Daha sonraki aşamalarda bakteri ve arke soyları birbirinden ayrıldı. Her iki soy da çevredeki metallere olan bağımlılığını azaltacak yeni enzimler geliştirmeye başladı.

Çalışmanın başyazarı Natalia Mrnjavac, bakteri ve arke atalarının aynı temel metabolik reaksiyonları yürütmek için yapısal açıdan birbirinden farklı enzimler geliştirdiğine ilişkin örnekler belirlediklerini açıkladı. Aynı biyokimyasal sorunların farklı protein yapılarıyla çözülmesi, iki soyun metabolik bağımsızlığa ayrı yollar üzerinden ulaştığı görüşünü güçlendirdi.

Araştırmacılara göre bakteri ve arkeler ancak çevresel metal katalizörlere ihtiyaç duymadan kendi metabolizmalarını sürdürebildiklerinde gerçek anlamda “serbest yaşayan hücreler” haline geldi. Bu dönüşüm iki soy birbirinden ayrıldıktan sonra gerçekleştiyse, bağımsız hücresel yaşamın iki kez ortaya çıktığı söylenebilir.

ATP’den Önce Enerji Nasıl Sağlandı?

Modern hücrelerde metabolizmanın temel enerji birimi ATP molekülüdür. Fakat ATP de karmaşık enzim sistemleriyle üretiliyor. Dolayısıyla henüz gelişmiş enzimlerin bulunmadığı erken Dünya koşullarında metabolik reaksiyonların hangi enerjiyle yürütüldüğü uzun süredir tartışılıyor.

Araştırmacılar bu soruya fosfit ve paladyum üzerinden olası bir yanıt sundu. Hidrotermal ortamlarda doğal olarak bulunabilen bir fosfor türü olan fosfit, paladyumun katalizörlüğünde organik bileşiklerle tepkimeye sokuldu. Deneylerde, su içerisinde bir gece içinde metabolik fosforilasyon reaksiyonlarının meydana geldiği görüldü.

Ekipten Manon Schlikker’e göre bu sistemde fosfit ve paladyum, erken metabolizmada ATP ile enzimlerin görevini kısmen üstlenmiş olabilir. Bulgular, karmaşık biyolojik enerji mekanizmaları oluşmadan önce de temel kimyasal dönüşümlerin gerçekleşebileceğini gösteriyor.

“Yaşam İki Kez Başladı” İddiası Ne Anlama Geliyor?

Araştırmanın en çarpıcı sonucu, dikkatli yorumlanması gereken “iki yaşam kökeni” iddiası. Çalışma, Dünya’nın iki farklı bölgesinde birbirinden habersiz iki ayrı genetik sistemin ortaya çıktığını savunmuyor. Bakteriler ile arkelerin ortak genetik kodu paylaşması, daha erken bir ortak kökene işaret ediyor.

Önerilen senaryoya göre önce çevresel metallerle desteklenen ortak bir metabolik ve genetik sistem oluştu. Bakteri ve arke soyları bu sistemden ayrıldıktan sonra kendi enzimlerini geliştirerek serbest yaşama birbirlerinden bağımsız olarak geçti.

Bu nedenle araştırma, doğrudan “abiyogenez iki kez gerçekleşti” sonucunu kanıtlamıyor. Daha dar ve teknik anlamda, tam metabolik bağımsızlığın iki ayrı evrimsel hatta paralel biçimde geliştiğini öne sürüyor. Ayrıca model; günümüz genomlarının, protein yapılarının, laboratuvar deneylerinin ve matematiksel sıralamaların geriye dönük yorumlanmasına dayanıyor. Yaklaşık dört milyar yıl önceki süreç doğrudan gözlemlenemediği için bulguların yeni deneyler ve bağımsız araştırmalarla sınanması gerekiyor.

Buna rağmen çalışma, yaşam ağacının köklerine ilişkin yerleşik anlatıya önemli bir alternatif sunuyor. LUCA, tamamen gelişmiş ve bağımsız yaşayan tek bir hücre olmaktan çok, çevresindeki jeokimyasal sistemlere bağımlı erken bir hücresel topluluk olabilir. Bakteriler ve arkeler ise aynı kökten çıktıktan sonra “yaşayan bağımsız hücre” olmanın son eşiğini iki farklı yoldan aşmış olabilir.

Derleyen: Yağmur Saatcı