Yaşamın Başlangıcının Bilimsel Tarihi: Dünya'da Yaşam Nasıl Başladı?
HD Walls
Yaşam nasıl başladı? Bundan daha büyük bir soruyu hayal etmek bile güçtür. İnsan tarihinin büyük bir kısmında, insanların büyük bir kısmı "tanrı yaptı" şiarının bir versiyonuna inanmıştır. Bunun haricindeki hiçbir açıklama olası görülmemiştir. Bu, artık doğru değil. Geride bıraktığımız asırda birkaç bilim insanı yaşamın nasıl başladığını aydınlatmaya çalıştılar. Hatta laboratuvarlarında "Yaratılış" anını yeniden canlandırmaya çalıştılar: Amaçları; sıfırdan, yepyeni bir yaşam yaratmaktı. Şu ana kadar bunu başarabilen olmadı; ancak bu denemeler sayesinde çok fazla yol kat ettik. Günümüzde yaşamın başlangıcı üzerinde çalışan birçok bilim insanı doğru iz üzerinde olduklarından eminler - ve hatta bu iddialarını destekleyecek deneysel kanıtlara da sahipler.
Bu makalemizde okuyacağınız, bizlerin nihai kökenini keşfetmeye yönelik hikayemizdir. Takıntının, mücadelenin ve zeka dolu yaratıcılığın bir hikayesidir. Bu hikaye içerisinde, modern bilimin en büyük keşiflerinden bazılarıyla karşılaşacaksınız. Canlılığın başlangıcını anlama çabası, insanları gezegenimizin en uç köşelerine göndermiştir. Bazı bilim insanları bunu yaptıkları için "şeytan" olarak görülmüş, bazı diğerleri ise baskıcı totaliteryen devletlerin gölgesi altında araştırmalarını sürdürmek zorunda kalmıştır.
Bu, Dünya'da yaşamın doğumunun hikayesidir.
Yaşam, çok yaşlıdır. Dinozorlar, belki en bilinen "yok olmuş canlı grubu"durlar. İlk olarak 250 milyon yıl kadar önce evrimleşmişlerdir. Ancak yaşam, bundan çok daha eskidir.
Bildiğimiz en eski fosil, yaklaşık 3.5 milyar yıl öncesine aittir. Yani en yaşlı dinozorun var olduğu zaman diliminin günümüze olan mesafesinden 14 kat daha yaşlıdır! Ancak fosil kayıtları, muhtemelen 3.5 milyar yıl öncesinden çok daha geriye gitmektedir. Örneğin, Ağustos 2016'da yapılan bir araştırmada uzmanlar yaklaşık 3.7 milyar yıl öncesine ait, muhtemelen mikroplara ait fosiller keşfetmişlerdir.
Dünya'nın kendisi de, en yaşlı fosilden çok da yaşlı değildir. Gezegenimiz, 4.5 milyar yıl kadar önce oluşmuştur.
Eğer ki yaşamın Dünya üzerinde başladığını varsayacak olursak (ki henüz başka bir yerde bulamadığımızdan bu, mantıklı bir varsayım gibi gözükmektedir), bu durumda yaşam, Dünya’nın oluşumu ile bildiğimiz en eski fosiller arasındaki 1 milyar yılda evrimleşmiş olmalıdır.
Ancak yaşamın sadece ne zaman başladığına dair tahmin aralığımızı daraltmakla kalmak zorunda değiliz. Aynı zamanda, neye benzediğini de tahmin edebiliriz.
19. Yüzıl'dan bu yana biyologlar tüm canlıların "hücrelerden" oluştuğunu bilmektedir. Hücreler, çeşitli şekillerde ve boyutlarda olabilen, içlerinde canlı maddeyi barındıran ufak paketçiklerdir. Hücreler ilk olarak 17. Yüzyıl'da, modern mikroskoplar ilk defa icat edildiğinde keşfedilmiştir; ancak onların tüm yaşamın temeli olduğunu anlamamız bir asır zaman almıştır.
Bir kedibalığı ya da Tyrannosaurus'a benzemediğinizi düşünebilirsiniz; ancak mikroskop altında hücrelerinize bakacak olursanız, hepinizin benzer yapılardan oluştuklarını göreceksiniz. Ufak tefek farklılıklarla birlikte, bitki ve mantarlar da öyle...
Ancak yeryüzünde açık ara farkla en fazla sayıda bulunan canlılar mikroorganizmalardır. Bunlar, tek bir hücreden oluşan canlılardır. Bakteriler, bunlar arasındaki en bilinen gruptur ve Dünya üzerinde her yerde bulunurlar.
Aslında maddi destek istememizin nedeni çok basit: Çünkü Evrim Ağacı, bizim tek mesleğimiz, tek gelir kaynağımız. Birçoklarının aksine bizler, sosyal medyada gördüğünüz makale ve videolarımızı hobi olarak, mesleğimizden arta kalan zamanlarda yapmıyoruz. Dolayısıyla bu işi sürdürebilmek için gelir elde etmemiz gerekiyor.
Bunda elbette ki hiçbir sakınca yok; kimin, ne şartlar altında yayın yapmayı seçtiği büyük oranda bir tercih meselesi. Ne var ki biz, eğer ana mesleklerimizi icra edecek olursak (yani kendi mesleğimiz doğrultusunda bir iş sahibi olursak) Evrim Ağacı'na zaman ayıramayacağımızı, ayakta tutamayacağımızı biliyoruz. Çünkü az sonra detaylarını vereceğimiz üzere, Evrim Ağacı sosyal medyada denk geldiğiniz makale ve videolardan çok daha büyük, kapsamlı ve aşırı zaman alan bir bilim platformu projesi. Bu nedenle bizler, meslek olarak Evrim Ağacı'nı seçtik.
Eğer hem Evrim Ağacı'ndan hayatımızı idame ettirecek, mesleklerimizi bırakmayı en azından kısmen meşrulaştıracak ve mantıklı kılacak kadar bir gelir kaynağı elde edemezsek, mecburen Evrim Ağacı'nı bırakıp, kendi mesleklerimize döneceğiz. Ama bunu istemiyoruz ve bu nedenle didiniyoruz.
Nisan 2016'da bilim insanları "yaşam ağacı" veya "Evrim Ağacı" dediğimiz ve Dünya üzerindeki tüm canlıları evrimsel akrabalık ilişkisi dahilinde birbirine bağlayan ağacın güncel bir versiyonunu yayınladılar. Bu ağaç sayesinde gördük ki, neredeyse dalların her biri bakterilere ait! Dahası, yaşam ağacının yapısı, tüm yaşamın ilk ortak atasının da bir bakteri olduğuna işaret ediyor. Bir diğer deyişle, var olmuş, var olan ve var olacak her şey (buna siz de dahilsiniz), nihai olarak bir bakteriden evrimleşmiştir. Her birimizin en yaşlı "dedesi", bir bakteridir!
Bunu anlamak, bize şunu sağlamaktadır: Yaşamın kökeni problemini çok daha net bir şekilde tanımlayabiliriz. Dünya üzerinde 3.5 milyar yıl önce bulunan malzeme ve şartlardan başka hiçbir şey kullanmaksızın, bir hücre yaratmak zorundayız! Bu ne kadar zor olabilir ki?
Bölüm 1: İlk DeneylerTarihin büyük bir kısmı boyunca kimse yaşamın nasıl başladığına dair sorular sormadı, çünkü cevap çok açık gibi gözüküyordu. 1800'lerden evvel birçok insan "vitalizm" denen bir şeye inanıyordu. Bu sezgisel inanç, yaşayan her şeyin özel ve büyülü bir niteliğe sahip olduğunu ve bunun onları cansızlardan ayırdığına dayanıyordu. Vitalizm, çoğu zaman dini inançlar tarafından da destekleniyordu. İncil'e göre Tanrı insanı yaratırken ona "nefes üflemiştir". Ölümsüz ruh inancı, bir çeşit vitalizm inancıdır.
Ancak bununla ilgili "ufak" bir sorun var: Vitalizm inancı, tamamiyle yanlıştır.
1800'lerin başında bilim insanları sadece yaşama özgü bazı yapılar keşfettiler. Bunlardan birisi, idrar içerisinde bulunan üre idi. İlk olarak 1799 yılında kimyasal olarak izole edilmişti. Ancak bu, halen vitalizm ile uyumlu gözükmekteydi. Sadece canlı varlıklar bu kimyasalları üretebiliyor gibi gözüküyordu. Bu durumda belki de "yaşam enerjisi" ile dolulardı ve bu sayede bu özel kimyasalları üretebiliyorlardı?
Ancak 1828 yılında Alman kimyager Friedrich Wöhler, oldukça yaygın olarak bulunan bir kimyasal madde olan amonyum siyanattan üre yaratmayı başardı. Amonyum siyanatın canlılıkla hiçbir bağlantısı bulunmuyordu. Diğerleri de onun adımlarını izledi ve çok kısa sürede anlaşıldı ki, canlılığı yaratan kimyasalların hepsi, canlılıkla hiçbir alakası olmayan ve daha basit yapılı kimyasallardan yaratılabilmekteydi!
Bu farkındalık, vitalizm inancını bilimsel bir konsept olmaktan çıkarmış ve onun sonu olmuştur. Ancak insanlar bu düşünceden/inançtan kurtulamamışlardır. Birçokları, yaşamın kimyasallarının "özel" hiçbir tarafı olmayışının, yaşamın büyülü doğasını yok ettiğini yok ettiğini ve bizleri birer makineye indirgediğini düşünmüştür. Elbette, söylemeye gerek yok, bu gerçek, kutsal sayılan kitaplarla da çelişmekteydi.
Bilim insanları bile vitalizm inancından kolay kolay kurtulamamıştır. 1913 yılı gibi geç bir tarihte bile İngiliz biyokimyager Benjamin Moore, "biyotik enerji" adını verdiği bir teoriyi inadına bilim camiasına iteklemeye çalışıyordu. Bu teori, özünde vitalizmden farksızdı; sadece adı değiştirilmişti. Vitalizm fikri, beyinlerde çok sıkı bir yer etmişti ve kolay kolay gitmiyordu.
Günümüzde bile bu inanç hiç beklenmedik şekillerde karşımıza çıkmaktadır. Örneğin günümüzde halen bol miktarda bilimkurgu hikayesi insanın "yaşam enerjisinin" emilebileceği veya arttırılabileceği inancı üzerine inşa edilmiştir. Doctor Who'da Zaman Lordları tarafından kullanılan "rejenerasyon enerjisi" kavramını düşünün mesela... Eğer ki bu enerji miktarca azalırsa, doldurulabilecekleri bile iddia edilmektedir! Bu fikir geleceğe ait gibi görünse de tamamıyla Nuh Nebi’den kalmadır.
Yine de, 1828 yılından sonraki bilim insanlarının tanrıya yer bırakmaksızın yaşamın nasıl başladığının açıklanabileceğini düşünmeleri için yeterince güçlü sebepleri vardı. Ama yine de ayak dirediler. Yaşamın başlangıcı, kulağa her ne kadar araştırılması şart ve çok bariz bir konu gibi gelse de, yaşamın kökeninin gizemi on yıllar boyunca göz ardı edildi. Belki de herkes halen vitalizm inancına fazlasıyla sıkı bir şekilde bağlıydı ve bir türlü sonraki adımı atamıyorlardı.
Bunun yerine, 19. Yüzyıl'ın (yüzyılın) en büyük buluşu, Charles Darwin ve diğerleri tarafından geliştirilen Evrim Teorisi olmuştur. 1859 yılında yayınlanan Türlerin Kökeni isimli kitapta detaylandırılan Darwin'in teorisi, yeryüzündeki bu engin çeşitliliğin nasıl tek ve ortak bir atadan gelebileceğini açıklamayı başarmıştır. Canlıların tek tek ve ayrı olarak Tanrı tarafından yaratılması yerine, her birinin "milyonlarca yıl önce" yaşamış öncül bir canlıdan evrimleşerek bugünkü hallerini aldığını ortaya koymuştur. Bu ilk ve en basit ortak ataya, Evrensel Ortak Ata (EOA) denmektedir.
Bu fikir ilk etapta aşırı tartışmalı bulunmuştur. Neden? Çünkü İncil ile çelişmektedir. Darwin ve fikirleri akıl almaz düzeyde şiddetli bir tepkiyle karşılanmıştır. Özellikle de öfkeli Hristiyanlardan…
Ancak Evrim Teorisi, ilk canlının nasıl var olduğuna dair tek bir cümle bile sarf etmemiştir. Darwin, bunun çok temel bir soru olduğunu fark etmiştir; ancak belki de Kilise ile çok da takışmak istemediği için konuyu yalnızca 1871 yılında yazdığı bir mektupta tartışmıştır. Mektupta kullandığı heyecanlı dil, kendisinin de bu sorunun ne kadar temel ve önemli bir soru olduğunun farkında olduğunu göstermektedir:
Peki eğer (ama ne büyük bir "eğer"!) ufak ve ılık bir su birikintisi hayal edebilirsek ve içerisinde her türlü amonyak, fosforik tuzlar, ışık, sıcaklık, elektrik ve diğer kimyasallar bulunsa, bir protein kimyasal olarak oluşabilir ve daha karmaşık değişikliklere doğru yol alabilir...Bir diğer deyişle, belki de ufak bir su birikintisi vardı, içi basit organik kimyasallarla doluydu ve gün ışığı alıyordu. Bu bileşiklerden bazıları yaşam-benzeri bir maddeyi, örneğin bir proteini oluşturmuş olabilir. Sonrasında bu, giderek daha karmaşık bir hal almış olabilir.
Ama bu, epey yüzeysel bir fikirdir. Yine de bu basit düşünce, yaşamın nasıl başlamış olabileceğine dair ilk hipotezlerin temelini oluşturmuştur.
Fikir, ilginç bir şekilde beklenmedik bir yerden gelmiştir. Bu tip cüretkar bir özgür düşüncenin, düşünce ve ifade özgürlüğünün bulunduğu demokratik bir ülkeden gelmesini bekleyebilirsiniz; mesela ABD’den... Ancak yaşamın başlangıcına yönelik ilk hipotezler, oldukça totaliter ve özgür düşüncenin epey kısıtlı olduğu bir ülkeden gelmiştir: Sovyetler Birliği.
Stalin Rusyası'nda her şey devlet kontrolü altındadır. Buna insanların düşünceleri, hatta biyoloji gibi konulardaki düşünceleri de dahildir; her ne kadar komünist siyaset ile alakasız gibi gözüken konular olsa bile... Stalin'in meşhur hamlelerinden birisi, geleneksel genetik üzerine çalışan bilim insanlarını engellemesi olmuştur. Bunun yerine, bir çiftçi olan Trofim Lysenko gibi insanların fikirleri ön plana çıkarılmıştır. Bunun sebebi, bu kişilerin görüşlerinin komünist ideolojiyle daha uyumlu olmasıdır. Genetik üzerine çalışan bilim insanları, Lysenko'nun fikirlerini kabul etmeye zorlanmışlardır, aksi takdirde işçi kamplarına gönderilmekle tehdit edilmişlerdir.
İşte bu tip baskıcı bir ortamda Alexander Oparin biyokimya alanındaki çalışmalarını yürütmüştür. Bunu yapabilmesinin nedeni sadık bir komünist olmasıdır. Lysenko'nun fikirlerini desteklemiştir ve hatta Lenin Nişanı’na layık görülmüştür. Bu nişan, Sovyetler Birliği'nde yaşayan birinin erişebileceği en üst düzey madalyadır. 1924 yılında Oparin Yaşamın Kökeni isimli bir kitap yayınlamıştır. Bu kitap içerisinde, Darwin'in "ufak su birikintisine" dikkate değer miktarda benzer olan bir fikri savunmuştur.
Oparin, Dünya'nın yeni oluştuğu zamanları hayal etmiştir. Yüzey sıcaklıkları aşırı yüksektir, uzaydan gezegene kayalar yağmaktadır ve yüksek basınç altında gezegeni dövmektedir. Gezegen, içlerinde bolca kimyasal bulunan yarı erimiş kayalardan oluşan bir yapıdır. Bu kimyasalların başında da karbon gelmektedir.
Nihayetinde Dünya yeterince soğuduğunda, su buharı da yoğunlaşarak sıvı suya dönüşmüştür ve ilk yağmurlar gezegen üzerine düşmüştür. Kısa bir süre sonra ilk okyanuslar oluşmaya başlamıştır. Bunlar, sıcak ve karbon-temelli kimyasallarca zengin su birikintileridir. Bu noktada, şu iki şeyden biri olabilir:
İlki, çeşitli kimyasallar birbiriyle etkileşerek birçok yeni bileşik oluşturabilirler. Bunlardan bazıları, diğerlerine göre daha karmaşık yapılı olabilir. Oparin, yaşamın merkezinde yer alan kimyasalların (örneğin şekerler ve aminoasitlerin) Dünya okyanuslarında oluşabileceğini varsaymıştır.
İkincisi, bu kimyasallardan bazıları mikroskobik yapılar oluşturmaya başlayabilir. Birçok organik kimyasal su içerisinde çözünmez. Örneğin yağ, suyun üzerinde bir tabaka oluşturur. Ancak bu kimyasalların bazıları suyla temas ettiklerinde, "koaservatlar" adı verilen küresel yapılar oluştururlar. Bu koaservatların boyutları kabaca 0.01 santimetre düzeyindedir.
Eğer ki koaservatları mikroskop altında inceleyecek olursanız, neredeyse "rahatsız edici şekilde" hücreler gibi davranırlar. Büyürler, şekil değiştirirler ve hatta bazen ikiye bölünürler. Ayrıca etraflarındaki su birikintisinden maddeler alabilirler, böylece yaşam için gerekli olan kimyasallar bu koaservatlar içerisinde hapsolabilir. Oparin, koaservatların modern hücrelerin atası olduğunu ileri sürmüştür.
Ondan 5 yıl sonra İngiliz biyolog J. B. S. Haldane, Oparin'den tamamen bağımsız bir şekilde çok benzer fikirleri, Rationalist Annual isimli dergide kısa bir makale olarak yayınlamıştır. Haldane, çoktan evrimsel teoriye epey katkı sağlamış bir bilim insanıdır. Darwin'in fikirlerini, yeni yükselen bir bilim dalı olan genetik ile birleştirmeyi başarmıştır. Ayrıca kişilik olarak da destansı ve epik bir karakterdir. Örneğin bir keresinde, basınç odası içerisinde yaptığı deneyler sebebiyle kulak zarını delmeyi başarmıştır; ancak sonrasında şöyle yazmıştır:
Kulak zarı genellikle iyileşir; ancak içerisindeki delik bazen orada kalabilir. Bu durumda kişi işitme kaybı yaşasa da, en azından kulağından sigara dumanı üfleyebilir! Bu da sosyal bir beceri olarak görülmelidir.Oparin gibi Haldane de organik kimyasalların su içerisinde nasıl birikebileceğini izah etmiştir:
Böylece ilk okyanuslar, seyreltilmiş ve sıcak bir çorba kıvamına ulaşmıştır. Bu noktada 'ilk yaşam' ya da 'ilk yarı-yaşam' formları oluşmuştur. Bunların her biri, yağsı bir film tabakası içerisinde meydana gelmiştir.
Dünyadaki bütün biyologlar arasından Oparin ve Haldane’in bunu önermesi çarpıcıdır. Canlı organizmaların bir tanrı veya “yaratıcı kuvvet” olmadan, tamamen kimyasal yollarla oluştuğu düşüncesi, her şeyi kökünden değiştirmiştir. Daha önceki Darwin’in Evrim Teorisi gibi bu düşünce de Hristiyanlığa ters düşmüştür.
Bu durum, Sovyetler Birliği açısından bir sıkıntı yaratmamıştır. O zamanki Sovyet rejimi resmî olarak ateist olduğundan ülkenin liderleri de yaşam gibi temel bir olayda materyalist bir bakış açısını desteklemişlerdir. Haldane de ateistti, üstüne üstlük sadık bir komünistti.
Almanya’daki Osnabrück Üniversitesi’nde yaşamın başlangıcı konusunda uzmanlaşan Armen Mulkidjanian zamanın siyasi yapısı hakkında şunları söylemiştir:
O zamanlar bu düşünceyi kabul ya da reddetmek daha çok bireyin kişilik özelliğine, yani dindar olup olmadığına veya sol ya da komünist düşünceleri destekleyip desteklemediğine bağlıydı. Bu kişiler Sovyetler Birliği’nde memnuniyetle karşılanıyorlardı çünkü Tanrı’ya ihtiyaç duymuyorlardı. Batı dünyasında ise bu yönde düşünen birini aradığınızda hepsinin solcu, komünist vb. olduğunu görüyordunuz.Yaşamın ilksel çorba içindeki organik kimyasallardan oluştuğu düşüncesi Oparin-Haldane hipotezi olarak bilinmeye başlamıştır. Aslında oldukça açık ve etkili olan bu hipotezin sorunu deneysel kanıtla desteklenmemiş olmasıdır. Bu kanıt yaklaşık çeyrek yüzyıl daha olmayacaktır.
Harold Urey yaşamın başlangıcıyla ilgilenmeye başlamadan önce 1934 Nobel Kimya ödülünü kazanmış, atom bombasının yapılmasında görev almıştır. Urey 2. Dünya Savaşı sırasında Manhattan Projesi’nde çalışarak bomba çekirdeğinde kullanılan kararsız uranyum-235’in toplanmasını başarmıştır. Savaştan sonra nükleer teknolojinin sivillerin kontrolünde olması için mücadele vermiştir.
Bu arada Urey uzay boşluğunun kimyasıyla da ilgilenmeye başlamıştır, özellikle de Güneş Sistemi ilk oluşmaya başladığında neler olup bittiğiyle ilgilenmiştir. Verdiği derslerden birinde, Dünya’nın ilk oluştuğu zamanlarda, atmosferinde muhtemelen hiç oksijen bulunmadığını belirtmiştir. Atmosferde oksijenin bulunmaması, Oparin ve Haldane’in ilksel çorbası için ideal bir ortam demektir, aksi takdirde hassas kimyasallar oksijenle temas ettiğinde yok olurlar.
Urey’in dersinde Stanley Miller isimli bir doktora öğrencisi de dinleyiciler arasındadır. Miller ders sonunda Urey’in yanına gelerek bu fikri deneylerle test etmelerini önerir. Urey yapabileceklerini pek düşünmese de Miller onu ikna eder.
Böylece 1952 yılında Miller şimdiye kadar yapılan yaşamın başlangıcı deneyleri arasındaki en meşhur olan deneyi yapmaya başlar.
Deney düzeneği çok basittir. Miller bir dizi cam deney tüpünü birbirine bağlar ve o ilk zamanlarda Dünya üzerinde bulunduğunu düşündüğü dört kimyasalı içlerinden geçirir: kaynar su, hidrojen gazı, amonyak ve metan. Yine o zamanlarda Dünya üzerinde çok sık yaşandığını düşündüğü yıldırım çarpmalarını simüle etmek için de bu gazların üzerine defalarca elektrik şoku uygular.
İlk gün sonunda Miller “deney tüpünün içindeki suyun fark edilir derecede pembeleşmeye başladığını, ilk haftanın sonunda da çözeltinin koyu kırmızı bir renk aldığını ve bulanıklaştığını” görür. Belli ki kimyasal bir karışım oluşmaya başlamıştır.
Miller karışımı analiz ettiğinde iki amino asit içerdiğini görür: glisin ve alanin. Amino asitler genellikle yaşamın temel yapı taşları olarak bilinirler. Vücudumuzdaki çoğu biyokimyasal süreci kontrol eden proteinleri onlar oluştururlar. Böylece Miller yaşamın en önemli iki bileşenini sıfırdan yapmayı başarmıştır.
Deneyin sonuçları 1953 yılında, prestij sahibi Science dergisinde yayınlanır. Urey, kıdemli bilim insanları arasında pek görülmeyen cömert bir hareketle makaleden ismini çıkararak tüm prestijin Miller’a verilmesini sağlar. Buna rağmen çalışma genellikle “Miller-Urey deneyi” olarak bilinmektedir.
İngiltere’nin Cambridge şehrindeki Moleküler Biyoloji Laboratuvarı’nın grup liderlerinden John Sutherland, deneyin önemini şu sözleriyle vurgulamaktadır:
Miller-Urey deneyinin gücü, basit bir atmosferden yola çıkıp birçok biyolojik molekül üretilebileceğini göstermesinden gelmektedir.Daha sonraki çalışmalar, Dünya’nın ilk zamanlarındaki atmosferde daha farklı gazlar bulunduğunu ve Miller-Urey deneyinin ayrıntılarda doğru olmadığını gösterse de bu deneyin önemine gölge düşüremeyecektir.
Sutherland deneyin son derece simgesel bir önem taşıdığını, birçok insanın hayal gücünü canlandırdığını ve çok sayıda çalışmada referans gösterildiğini söylemektedir.
Başka bilim insanları da Miller deneyinin izinden giderek basit biyolojik molekülleri sıfırdan üretme yollarını bulmaya başlamışlardır. Artık yaşamın başlangıcı gizeminin çözümü yakın görünmektedir.
Fakat sonra yaşamın düşünüldüğünden daha karmaşık olduğu anlaşılır. Hücrelerin sadece birer kimyasal haznesi değil, anlaşılması güç minik makineler olduğu ortaya çıkar. Birdenbire yaşamın sıfırdan oluşturulması, bilim insanlarının beklediğinden çok daha zorlu bir işe dönüşmüştür.
2. Bölüm – Büyük Kutuplaşma1950’lerin ilk yarısına gelindiğinde bilim insanları, eskiden beri var olan varsayımlardan, yani yaşamın tanrıların bir armağanı olduğu görüşünden uzaklaşmışlardır. Bunun yerine yaşamın kendiliğinden ve doğal bir şekilde oluştuğu olasılığını araştırmaya başlamışlardır. Stanley Miller’ın sembolik deneyi sayesinde düşüncelerini fiile dökülmüş şekilde de destekleyebilecek durumdadırlar.
Miller yaşam hammaddelerini sıfırdan üretmeye çalışırken bazı bilim insanları da yaşamın hangi genleri içerdiğini bulmaya çalışmışlardır.
Bu arada bazı şekerler, yağlar, proteinler ve kısaca DNA olarak bilinen deoksiribonükleik asit de dahil olmak üzere nükleik asitler gibi birçok biyolojik molekül tanımlanmıştır.
DNA’nın genlerimizi taşıdığı günümüzde sıradan bir gerçek olsa da bu bilgi 1950’lerin biyologlarını şok etmiştir. Proteinler çok karmaşık olduğundan o zamanın bilim insanları proteinleri gen zannetmişlerdir.
Bu düşüncenin doğru olmadığı Washington Carneige Enstitüsü’nde görev yapan Alfred Hershey ve Martha Chase tarafından 1952 yılında kanıtlanmıştır. Sadece DNA ve proteinden oluşan, dolayısıyla üremek için bakteriye girmek zorunda olan basit virüsleri inceleyen bu iki bilim insanı, virüsün sadece DNA’sının bakteriye girdiğini, proteinin ise dışarıda kaldığını tespit etmişlerdir. Genetik malzemenin DNA olduğu çok açıktır.
Hershey ve Chase’in bulguları DNA’nın yapısını ve dolayısıyla çalışma biçimini anlamak isteyenler arasında hummalı bir yarış başlatmıştır. Problem ertesi yıl Cambridge Üniversitesi’ndeki Francis Crick ve James Watson tarafından, ayrıca çalışmada adı geçmese de Rosalind Franklin’in epey bir yardımıyla çözülmüştür.
Bu çalışma 20. yüzyılın en büyük bilimsel buluşlarından biridir ve ayrıca hücrelerin içindeki gizli ve inanılmaz giriftliği ortaya çıkararak yaşamın başlangıcı araştırmalarını yeniden şekillendirmiştir.
Crick ve Watson DNA’nın spiral oluşturacak şekilde bükülmüş bir merdiven gibi çift sarmallı olduğunu fark etmişlerdir. Merdivenin iki tarafındaki “şeritler” de nükleotit denen moleküllerden oluşmuştur.
Bu yapı hücrelerin DNA’larını nasıl kopyaladığını açıklamaktadır. Diğer bir deyişle, annebabaların nasıl kendi genlerinin kopyalarını yapıp çocuklarına aktardıklarını göz önüne sermektedir.
Buradaki kilit nokta çift sarmalın birbirinden ayrılabilir olmasıdır. Böylece genetik bazlar A, T, C ve G’nin diziliminden oluşan ve normalde DNA merdiveninin basamaklarında saklanan genetik kod ortaya çıkar. Sonra her iki sarmal, şablon olarak kullanılıp diğerinden bir kopya yaratır.
İlk yaşam başladığından bu yana genler bu mekanizma kullanılarak annebabadan çocuğa aktarılmıştır. Hepimizin genleri nihayetinde bir ata bakteriden gelmektedir, ve bu genler her seferinde Crick ve Watson’ın keşfettiği bu mekanizma ile kopyalanmaktadır.
Crick ve Watson bulgularını 1953 yılında Nature dergisinde yayınlanan bir makaleyle açıklamışlardır. Sonraki birkaç yıl içinde biyokimyagerler DNA’nın tam olarak hangi bilgileri taşıdığını ve bu bilgilerin hücre içinde nasıl kullanıldığını anlamak için birbirleriyle yarışa girmişlerdir. Yaşamın özündeki sırlar ilk kez ortaya çıkarılmaktadır.
DNA’nın sadece bir görevi olduğu anlaşılır. DNA’mız hücrelerimize nasıl protein yapacaklarını söylerler. Proteinler hayati bir sürü görevi yerine getiren moleküllerdir; onlar olmadan yediklerimizi sindiremeyiz, kalbimiz durur, nefes alamayız.
Ancak DNA kullanılarak protein üretmenin son derece girift bir işlem olduğu anlaşılır. Yaşamın başlangıcını açıklamaya çalışan herkes için bu büyük bir sorundur çünkü bu kadar karmaşık bir şeyin nasıl gerçekleşebildiğini kimse tahayyül edemez.
Temelde her protein, birbirine belli bir sırayla bağlanmış, uzun bir amino asit zinciridir. Amino asitlerin dizilimde nasıl sıralandığı o proteinin üç boyutlu şeklini ve dolayısıyla ne yaptığını belirlemektedir.
Bu bilgi DNA bazlarının diziliminde kodlanmıştır. Yani hücre belli bir proteini üretmek istediğinde DNA’daki ilgili geni okuyarak amino asitlerin sıralamasını öğrenir.
Ancak bu noktada değişik bir yol izlenir. DNA çok değerli olduğundan hücreler onu güvenli bir yerde tutmayı tercih ederler. Bu nedenle DNA’daki bilgiyi RNA (ribonükleik asit) denen kısa moleküllü başka bir madde üzerine kopyalarlar. Eğer DNA’ya kütüphaneden çıkarılmayan bir kitap gözüyle bakarsak RNA’ya da üzerine önemli bir paragrafı yazdığımız bir kağıt parçası diyebiliriz. RNA DNA’ya benzer ancak sadece tek bir şeridi vardır.
En sonunda o RNA şeridindeki bilgi ribozom isimli, müthiş ayrıntılı bir molekülde proteine dönüştürülür.
Bu işlem her canlı hücrede gerçekleşir, en basit bakteride bile. Ve yaşam için yemek yemek ve nefes almak kadar gereklidir. Bu nedenle yaşamın başlangıcına dair yapılan her açıklama bu karmaşık üçlünün (DNA, RNA ve ribozom proteininin) nasıl oluştuğunu ve görevlerini yapmaya nasıl başladığını kanıtlamalıdır.
Birdenbire Oparin ve Haldane’in düşünceleri saflık düzeyinde basit, yalnızca protein yapmada kullanılan birkaç amino asidi üreten Miller’ın deneyi ise amatörce görünmeye başlamıştır. Yeni ufuklar açan Miller deneyi yaşamı yeniden oluşturma yolunda bizi sonlara taşımak yerine besbelli ki uzun bir yolculuğun sadece ilk adımı olmuştur.
John Sutherland ne kadar karmaşık bir şeyi çözmeye çalıştıklarını şöyle anlatmaktadır:
DNA RNA’yı, RNA da proteini üretir ve bunların hepsi o lipitle kaplı kimyasal haznesinde olur. Onu incelediğinizde ne kadar karmaşık olduğunu anlarsınız. Tek bir seferde bütün bunları gerçekleştirecek organik kimya bilgisini nasıl, nereden bulacağız?Buna kafa tutan ilk kişi İngiliz kimyager Leslie Orgel olmuştur. Crick ve Watson’ın DNA modelini ilk görenlerden biri olan Orgel daha sonra da Mars’a uzay sondası gönderen Viking projesinde NASA’ya yardımcı olmuştur.
Orgel problemi basitleştirmekle işe başlar. 1958 yılında, Crick tarafından da desteklenen bir makale yazarak ilk yaşamın protein veya DNA içermediğini öne sürer. Ona göre ilk yaşam, neredeyse tamamen RNA’dan oluşmaktadır. Bu düşüncenin doğru olabilmesi için ilkel RNA moleküllerinin daha fazla görev üstlenmiş olmaları gerekmektedir. Her şeyden önce, tahminen DNA ile aynı baz eşleştirme mekanizmasını kullanarak kendilerini kopyalayabilmeleri lazımdır.
Yaşamın RNA ile başlamış olduğu düşüncesi bir hayli önem kazanır. Fakat aynı zamanda günümüze dek süren bilimsel bir hakimiyet savaşını da başlatmış olur.
Orgel canlılığın RNA ve az sayıda diğer kimyasal ile başladığını öne sürerek yaşamın çok önemli bir özelliğinin, kendi kendine çoğalabilme yeteneğinin, diğer özelliklerinden daha önce ortaya çıktığını söylemiştir. Bir bakıma, yaşamın bileşenlerinin ilk kez nasıl bir araya gelip onu oluşturduğunu önermekle kalmamış, yaşamın ne olduğuyla ilgili fikirlerini de söylemiştir.
Çoğu biyolog Orgel’in “önce replikasyon” düşüncesine katılmıştır. Darwin’in evrim teorisinin merkezinde de soyunu sürdürebilme yeteneği yer almaktadır. Bir organizma, ancak arkasında birçok yavru bıraktığında “kazanmış” sayılır.
Ancak yaşamın eşit derecede zaruri görünen başka özellikleri de vardır. Bunlardan en belirgin olanı metabolizma, yani çevremizden enerji toplayıp bunu hayatta kalmada kullanabilme yeteneğimizdir. Birçok biyoloğa göre yaşamı asıl tanımlayan özellik metabolizmadır, replikasyon ondan sonra sahneye çıkar.
Böylece 1960’lardan itibaren yaşamın başlangıcı üzerinde çalışan bilim insanları iki gruba ayrılmışlardır.
Sutherland ana kutuplaşmanın “önce metabolizma” ile “önce genetik” grupları arasında olduğunu söylemektedir.
Bu arada üçüncü bir grup da ilk önce kilit moleküllerin dağılıp yok olmasını önleyecek bir haznenin var olduğunu iddia etmiştir. Sutherland de bu düşünceyi şu sözleriyle desteklemektedir:
Önce bölümleşme olmuştur çünkü bölümleşme olmadan metabolizmanın hiçbir anlamı yoktur.Diğer bir deyişle, Oparin ve Haldane’in yıllar önce önemle belirttikleri gibi, önce bir hücre olmalıdır; muhtemelen basit yağlar ve lipitlerden oluşan bir zarla kaplı bir hücre…
Bu üç düşünce de destek görmüştür, günümüzde de hâlâ desteklenmektedir. Bilim insanları daha doğru buldukları ve üzerinde yıllarca çalıştıkları düşüncelerine tutkuyla bağlanmışlar, hatta bazen körü körüne savunmuşlardır.
Sonuç olarak, yaşamın başlangıcı hakkında yapılan bilimsel toplantılar sık sık tartışmalara sahne olmuş, bir gruptan bilim insanları konuyla ilgili haber yapan gazetecilere diğer gruplardan çıkan düşüncelerin saçma veya daha kötü olduklarını sürekli olarak söyleyip durmuşlardır.
Fakat yaşamın RNA ve genetikle başladığı düşüncesi Orgel sayesinde yola diğerlerinden avantajlı başlamıştır. Sonra 1980’ler gelmiş ve şaşırtıcı bir buluş bu düşünceyi büyük ölçüde doğrulamıştır.
Bölüm 3: İlk Kopyalanmanın Peşinde1960'lardan sonra, yaşamın kökenlerini anlama arayışındaki bilim insanları üç gruba ayrılmıştır. Bir grup, yaşamın biyolojik hücrelerin ilkel versiyonlarının oluşmasıyla başladığına ikna olmuşlardır. İkinci grup, gerekli ilk adımın bir metabolik sistem olduğunu düşünürken üçüncü grup ise genetiğin ve replikasyonun (kendini çoğaltma/kopyalamanın) önemine odaklanmıştır. Bu son grup, ilk replikasyonun nasıl gerçekleştiğini, RNA kaynaklı olduğu fikrine odaklanarak anlamaya çalışmıştır.
1960'ların başlarında bilim insanları, RNA'nın tüm yaşamın kaynağı olduğu düşüncesini taşımaktaydılar.
Daha açık bir şekilde ifade etmek gerekirse DNA'nın yapamayacağı bir şeyi RNA yapar. RNA tek zincirli bir moleküldür; bu nedenle sert ve çift zincirli olan DNA'nın aksine katlanarak kendini birçok farklı şekle sokabilir.
RNA'nın origami benzeri katlanması, proteinlerin yapısına oldukça benzer görünmekteydi. Proteinler de temelde uzun zincirlerdir ve nükleotitlerden ziyade amino asitlerden yapılmıştır, bu nedenle ayrıntılı yapılar oluşturabilirler.
Bu, proteinlerin en ilginç kabiliyetidir. Bazıları kimyasal reaksiyonları hızlandırabilir ya da "katalize" edebilir. Bu proteinler enzimler olarak bilinirler.
Bağırsağımızda birçok enzim bulunur; burada enzimler yiyeceklerimizdeki kompleks molekülleri hücrelerimizin kullanabileceği basit şekerlere dönüştürürler. Enzimler olmadan yaşamamız mümkün değildir.
Leslie Orgel ve Francis Crick’e göre eğer RNA bir protein gibi katlanabiliyorsa belki enzim de oluşturabilirdi. Eğer bu doğruysa RNA ilk -ve birçok işi yapan- canlı molekül olabilirdi, şu an DNA'nın yaptığı gibi bilgileri depoluyor ve bazı proteinlerin yaptığı reaksiyonları katalize ediyor olabilirdi. Bu fikir oldukça açık ve net olmasına karşın on yılı aşkın bir süre boyunca kanıtlanamayacaktı.
Thomas Cech Iowa'da doğdu ve büyüdü. Çocukken kayalar ve minerallerin cazibesine kapılmıştı. Ortaokuldayken yerel üniversiteyi ziyaret ederek jeologların kapılarını çalıyor, mineral yapılarının modellerini görmek istiyordu.
Fakat sonunda RNA'ya odaklanan bir biyokimyager oldu.
1980'lerin başında, Cech ve Colorado Boulder Üniversitesi'ndeki meslektaşları Tetrahymena thermophila adlı tek hücreli bir organizmayı inceliyorlardı. Bu organizmanın bazı hücre mekanizmaları RNA zincirlerini içerir. Cech, RNA'nın belli bir bölümünün bazen geri kalanından koptuğunu bulmuştu, tıpkı bir makasla kesilmiş gibi.
Ekip moleküler makas gibi davranabilen tüm enzimleri ve diğer molekülleri kaldırdığında bile RNA bunu yapmaya devam etti. Böylece ilk RNA enzimini keşfetmişlerdi: daha büyük bir zincirden kendisini kesip ayırabilen bir RNA parçası.
Cech, araştırma sonuçlarını 1982'de yayınladı. Ertesi yıl başka bir grup ikinci bir RNA enzimini buldu ve bu enzimi "ribozim" olarak adlandırdı.
Art arda iki RNA enzimi bulmak, daha fazlasının var olabileceğini düşündürüyordu. Bu buluşların ardından yaşamın RNA ile başladığı fikri umut verici görünüyordu.
Ancak bu fikre bir isim veren kişi Cambridge, Massachusettes’teki Harvard Üniversitesi'nden Walter Gilbert olacaktı. Moleküler biyolojinin cazibesine kapılan bir fizikçi olan Gilbert, insan genomunu dizilemenin ilk savunucularından da birisiydi.
1986'da Nature dergisindeki yazısında Gilbert, hayatın "RNA Dünyası”nda başladığını öne sürmüştü.
Gilbert, evrimin ilk aşamasının “bir nükleotit çorbasındaki kendi parçalarını bir araya getirip birleştirmek için gerekli katalitik faaliyetleri gerçekleştiren RNA molekülleri” olduğunu öne sürdü. RNA molekülleri, farklı RNA parçalarını kesip birbirine yapıştırarak her zamankinden daha yararlı diziler yaratabilirdi. Moleküller en sonunda proteinleri ve protein enzimlerini yapmanın bir yolunu buldular. Bu proteinler ve enzimleri, değişik RNA versiyonlarının görevlerini devralacak kadar yararlı olduklarını kanıtladılar ve böylece bugün bildiğimiz yaşamın oluşmasına yol açtılar.
RNA Dünyası karmaşık hayatı sıfırdan yapmak için zarif bir yoldur. Düzinelerce biyolojik molekülün ilksel çorbadan eşzamanlı olarak oluştuğunun doğru olduğuna güvenmek yerine “elinden her iş gelen” tek bir molekülün bütün işi yapması daha mantıklıydı.
RNA Dünyası hipotezi, 2000 yılında çarpıcı bir kanıtla ödüllendirildi.
Thomas Steitz 30 yıl boyunca canlı hücrelerdeki moleküllerin yapılarını inceledi. 1990'lı yıllarda çok zor bir görevi üstlendi: ribozomun yapısını bulmak.
Her canlı hücrenin ribozomu vardır. Bu büyük molekül RNA'dan gelen talimatları okur ve protein yapmak için amino asitleri sıralar. Vücudumuzun çoğunu hücrelerimizdeki ribozomlar inşa etmiştir.
Ribozomun RNA içerdiği biliniyordu. Ancak 2000 yılında Steitz'in ekibi, RNA'nın ribozomun katalitik çekirdeği olduğunu gösteren ayrıntılı bir ribozom yapısı görüntüsü yakaladı.
Bu kritikti, çünkü ribozom çok eski ve yaşam için çok temel bir moleküldür. Bu temel yapının RNA'ya dayandığı gerçeği, RNA Dünyasını daha makul hale getirdi.
RNA Dünyası taraftarları bu buluş nedeniyle acayip heyecanlandılar. 2009'da Steitz bir Nobel Ödülünü iki kişiyle paylaştı. Fakat o tarihten sonra şüpheler yeniden ortaya çıkmaya başladı.
En başından beri RNA Dünyası fikri ile ilgili iki problem vardı. Yaşamın tüm işlevlerini RNA gerçekten tek başına gerçekleştirebilir mi? Ve Dünya’nın ilk zamanlarında RNA oluşmuş olabilir mi?
Gilbert, RNA Dünyasının bütün hünerlerini ortaya serdiğinden beri 30 yıl geçti ve biz hâlâ RNA'nın kendisinden beklenen her şeyi yapabileceğine dair kesin kanıtlara sahip değiliz. RNA küçük, marifetli bir molekül; ancak yeterince marifetli olmayabilir.
Bu noktada yapılması gereken şey şunu kanıtlamaktı: Eğer yaşam bir RNA molekülü ile başladıysa, o RNA kendisinin kopyalarını yapabilmiş olmalı.
Fakat bilinen hiçbir RNA kendi kendine çoğalamaz, DNA da. Bir RNA veya DNA parçasının bir kopyasını üretmek bir dolu enzim ve molekül gerektirir.
Bu nedenle 1980'lerin sonlarında, birkaç biyolog çok umut vadettiği söylenemeyecek bir arayışa başladı: kendi kendini kopyalayan bir RNA yapmak.
Harvard Tıp Fakültesi'nden Jack Szostak bu araştırmaya ilk başlayanlardan biriydi. Çocukken kimya onu çok etkiliyordu, hatta evlerinin bodrumunda bir laboratuvarı vardı. Bir keresinde kendi güvenliğini hiçe sayarak bir patlama deneyi yapmış ve bir cam tüpün tavana gömülmesine sebep olmuştu.
1980'lerin başında, Szostak, genlerimizin kendilerini yaşlanma sürecine karşı nasıl koruduklarını göstermeye yardımcı oldu. Bu erken araştırma, sonunda onun bir Nobel Ödülü’nü paylaşmasını sağlayacaktı.
Fakat kısa süre sonra Cech'in RNA enzimlerinin cazibesine kapıldı.
Çalışmanın gerçekten harika olduğunu düşündüm. Esas itibarıyla, RNA'nın kendi replikasyonunu katalize etme ihtimali olabilir.1988'de Cech, yaklaşık 10 nükleotit uzunluğunda kısa bir RNA molekülü oluşturabilen bir RNA enzimi buldu. Szostak bu buluştan yararlanarak laboratuvarda yeni RNA enzimleri geliştirmek için yola çıktı. Ekibi rastgele dizilerden oluşan bir havuz oluşturdu ve hangilerinin katalitik aktivite gösterdiğini test etti. Daha sonra bu dizileri azar azar değiştirerek tekrar test ettiler.
Bunu 10 kez tekrarladıktan sonra Szostak, bir reaksiyonu normaldekinden yedi milyon kat daha hızlı hale getiren bir RNA enzimi üretti. Ekip, RNA enzimlerinin gerçekten güçlü olabileceğini göstermişti. Ama ürettikleri enzim kendisini kopyalayamıyordu. Szostak duvara toslamıştı.
Bir sonraki büyük ilerleme, 2001'de Cambridge'teki Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde çalışan ve Szostak'ın eskiden öğrencisi olan David Bartel'den geldi. Bartel, var olan bir şablonu temel alarak bir RNA zincirine yeni nükleotitler ekleyebilen R18 adlı bir RNA enzimi yaptı. Başka bir deyişle, bu enzim sadece rastgele nükleotit eklemekle kalmıyor, bir diziyi de doğru bir şekilde kopyalıyordu.
Bu yine de kendi kendini kopyalama değildi, ama ona doğru yaklaşan bir adımdı. R18 enzimi 189 nükleotitli bir diziden oluşuyordu ve bir zincire 11 nükleotiti hatasız ekleyebiliyordu: kendi uzunluğunun %6'sı. Enzimin birkaç ufak düzenleme ile 189 nükleotit uzunluğunda, yani kendi boyunda bir zincir yapması umuluyordu.
Bu konudaki en iyi çaba, Cambridge, İngiltere'deki Moleküler Biyoloji Laboratuvarı'nda çalışan Philipp Holliger'dan 2011 yılında geldi. Ekibi, R18’in değişikliğe uğramış bir şekli olan ve tC19Z denilen, 95 nükleotit uzunluğuna kadar kopyalama yapabilen bir enzim oluşturdu. Bu kendi uzunluğunun %48’idir; R18’den fazla olmasına karşın yine de gerekli olan %100’den azdır.
Alternatif bir yaklaşım, La Jolla, Kaliforniya'daki Scripps Araştırma Enstitüsü’nde çalışan Gerald Joyce ve Tracey Lincoln’dan geldi. İkili, 2009'da dolaylı olarak kendini çoğaltan bir RNA enzimi yarattı.
Yaptıkları enzim, iki kısa RNA parçasını birleştirip ikinci bir enzim üretiyordu. Bu daha sonra başka iki RNA parçasını bir araya getirerek orijinal enzimi yeniden oluşturuyordu.
Bu basit döngü, hammadde bulunduğu sürece sonsuza kadar sürebilirdi. Ancak enzimler, Joyce ve Lincoln'ün yapmak zorunda olduğu doğru RNA zincirleri verildiğinde işe yarıyordu.
RNA Dünyasına şüpheyle bakan birçok bilim insanı için, RNA’nın kendini kopyalayamaması vahim bir sorundur. Bu durumda RNA’nın yaşamı başlatma işini yapabilecek nitelikte olmadığı düşünülür.
Bu düşünce kimyagerlerin sıfırdan RNA üretmedeki başarısızlığı nedeniyle de zayıflamıştır. RNA, DNA'ya kıyasla basit bir molekül olduğu halde sıfırdan üretilmesinin çok zor olduğu ortaya çıkmıştır.
Sorun her bir nükleotiti oluşturan şeker ve bazdadır. Her birini ayrı ayrı yapmak mümkündür, ancak ikisi inatla birbirine bağlanmayı reddeder.
Bu sorun 1990'ların başından beri bilinmekteydi. Birçok biyolog RNA Dünyası hipotezinin çok açık ve net olmasına rağmen pek de doğru olamayacağına dair sürekli bir şüphe duymaktaydı.
Bunun yerine belki de Dünya'nın ilk zamanlarında başka bir molekül çeşidi vardı: İlksel çorbadan kendisini toparlayıp çoğaltmaya başlayabilen ve RNA'dan daha basit bir şey. Bu molekül daha önce gelmiş, sonra da RNA, DNA ve diğerlerine yol açmış olabilirdi.
1991'de Danimarka'daki Kopenhag Üniversitesi'nden Peter Nielsen, ilksel replikasyonu gerçekleştirmiş olabilecek yeni bir aday belirledi.
Bu aday aslında DNA'nın büyük ölçüde değişikliğe uğramış bir versiyonuydu. Nielsen bazları -DNA'da bulunan A, T, C ve G- aynı tuttu ama belkemiğini DNA'da bulunan şekerler yerine poliamitler olarak adlandırılan moleküllerden yaptı. Yeni molekülü poliamit nükleik asit (PNA) olarak adlandırdı. Ancak anlaşılmaz bir nedenle bu molekül o zamandan beri peptit nükleik asit olarak bilinmiştir.
PNA’nın izlerine doğada hiçbir zaman rastlanmamıştır. Fakat DNA'ya çok benzer davrandığı bilinmektedir. Hatta bir PNA zinciri, DNA molekülündeki zincirlerden birinin yerini bile alabilir; karşısındaki tamamlayıcı bazlarla normal bir şekilde eşleşebilir. Dahası, PNA DNA gibi bir çift sarmal halinde kıvrılabilir.
Bu durum Stanley Miller’ın ilgisini çekmişti. RNA Dünyası hakkında son derece kuşkucu bir tavır sergileyen Miller, PNA’nın ilk genetik materyal için daha akla yakın bir aday olduğunu düşünüyordu.
Stanley Miller 2000 yılında bazı güçlü kanıtlar elde etti. O zaman 70 yaşındaydı ve bir bakımevine götürülmesine neden olacak bir dizi inmenin ilkine maruz kalmıştı. Miller, ilk bölümde ele aldığımız klasik deneyini bu kez metan, azot, amonyak ve su kullanarak tekrarladı ve PNA'nın poliamit belkemiğini elde etti.
Bu, RNA'nın aksine, PNA'nın Dünya'nın ilk zamanlarında kolayca oluşabileceğini göstermekteydi.
Diğer kimyagerler de kendi alternatif nükleik asitlerini ürettiler.
2000 yılında Albert Eschenmoser treoz nükleik asidi (TNA) üretti. Bu, aslında DNA olan ancak belkemiğini farklı bir şekerin oluşturduğu bir moleküldür. TNA zincirleri çift sarmal oluşturacak şekilde eşleşebilir, ayrıca RNA ve TNA arasında her iki yönde de bilgi kopyalanabilir.
Üstelik TNA karmaşık şekillere katlanabilir ve hatta bir proteine bağlanabilir. Bu, TNA'nın tıpkı RNA gibi bir enzim rolünü alabileceğini gösterir.
Benzer şekilde, 2005 yılında Eric Meggers sarmal yapılar oluşturabilen glikol nükleik asidi elde etti.
Alternatif nükleik asitlerin her birinin kendi taraftarları vardır: Genellikle de bu kişi o nükleik asidi yapan kişidir. Fakat doğada bu moleküllerin hiçbirisine rastlanmamıştır. Bu yüzden eğer ilk canlı bu molekülleri kullandıysa bile, bir noktada RNA ve DNA’nın lehine onları bütünüyle terk etmiş olmalıydı. Bu nükleik asitlerin yaşamı başlattığına dair hipotezler doğru olabilir, ancak henüz elimizde hiç kanıt yoktur.
Bütün bunlar, RNA Dünyasını destekleyenlerin 2000'li yılların ortalarından itibaren bir açmazda olduğunu göstermektedir.
Bir taraftan, RNA enzimlerinin var olduğu ve biyolojik mekanizmaların en önemli parçalarından biri olan ribozomu içerdiği bilinmektedir ki bu RNA Dünyası için destekleyici bir noktadır.
Ancak diğer taraftan, kendini kopyalayabilen bir RNA bulunamamıştır ve hiç kimse ilksel çorba içinde RNA’nın nasıl oluştuğunu çözememiştir. Alternatif nükleik asitler ikinci problemin çözümü gibi görünseler de doğada var olduklarına dair hiçbir kanıt bulunamamıştır. Bu da RNA Dünyasının zayıf noktasıdır.
Açıkça görülen sonuç şudur: RNA Dünyası ne kadar açık ve net olsa da gerçeği tam olarak açıklayamıyordu.
Bu arada, rakip bir teori 1980'lerden beri giderek güç kazanmıştı. Destekçileri, yaşamın RNA ya da DNA veya herhangi başka bir genetik madde ile başlamadığını iddia ediyorlardı. Bunun yerine yaşamın enerjiyi kontrol edip ondan yararlanan bir mekanizma olarak başladığını düşünüyorlardı.
4. Bölüm: Protonlardan Gelen Güçİkinci bölümde, bilim insanlarının, yaşamın nasıl başladığı konusunda nasıl üç adet düşünce ekolüne bölündüklerini görmüştük. Bir grup, hayatın bir RNA molekülü ile başladığına ikna olmuştu, fakat RNA veya benzer moleküllerin Dünya'nın ilk zamanlarında nasıl kendiliğinden oluşmuş ve kendi koplayarını üretmiş olduklarını çözmekte bocalamışlardı. Gayretleri ilk zamanlar heyecan vericiydi, fakat en sonunda boşa çıkmıştı. Ancak, bu araştırma devam ediyor olsa da, hayatın tamamen farklı bir şekilde başladığından emin hisseden diğer araştırmacılar da vardı.
RNA Dünyası kuramı, basit bir fikre dayanmaktadır: yaşayan bir canlının yapabileceği en önemli şey, kendisini çoğaltmasıdır. Pek çok biyolog, bunu kabul edecektir. Bakterilerden mavi balinalara kadar, yaşayan bütün şeyler, soy sahibi olmak için çabalar.
Wächtershäuser, ilk canlıların "bildiğimiz herhangi bir şeyden çok farklı" olduklarını öne sürmüştü.
Ancak, hayatın kökeni hakkında araştırma yapan pek çok araştırmacı, çoğalmanın gerçekten mühim olduğuna inanmamaktadır. Dediklerine göre, bir canlının üremesi için, kendi kendini sürdürüyor olması gerekir. Kendini canlı tutması gerekir. Sonuçta, ölürseniz çocuklarınız olmaz.
Bizler yemek yiyerek kendimizi canlı tutarken, yeşil bitkiler bunu güneş ışığından enerji çıkararak yaparlar. Ağız sulandırıcı bir bifteği, aç kurtlar gibi yiyen bir insanın, yapraklı bir meşe ağacına pek benzemediğini düşünebilirsiniz, fakat özünde ikisi de enerji almaktadır.
Bu işleme metabolizma denir. İlk önce, enerji elde etmelisiniz; mesela, şekerler gibi enerji bakımından zengin kimyasallardan. Ardından, hücreler gibi kullanışlı şeyler yapmak için o enerjiyi kullanmalısınız.
Bu enerji toplama işlemi o kadar gereklidir ki, pek çok araştırmacı bunun, yaşamın yapmış olduğu ilk şey olması gerektiğine inanır.
Sadece metabolizmadan oluşan bu canlılar neye benzemiş olabilirlerdi? En etkili önerilerden birisi, 1980'lerin sonunda Günter Wächtershäuser tarafından ileri sürülmüştü. Kendisi, tam zamanlı bir bilim insanı değildi, daha çok, kimyada arkaplan sahibi olan bir patent avukatıydı.
Wächtershäuser, ilk canlıların "bildiğimiz herhangi bir şeyden çok farklı" olduklarını öne sürmüştü. Onlar hücrelerden yapılmamıştı. Enzimleri, DNA veya RNA'ları yoktu.
DNA, hücreler ve beyinler gibi çağdaş organizmaları oluşturan tüm diğer şeyler, daha sonra gelmişti
Wächtershäuser bunun yerine, bir volkandan çıkan sıcak bir su akıntısını hayal etmişti. Su, amonyak gibi volkan gazları bakımından zengindi, ve volkanın kalbindeki minerallerin izlerini barındırıyordu.
Suyun kayaların üstünden aktığı yerde, kimyasal tepkimeler meydana gelmeye başlamıştı. Bilhassa sudaki metaller, basit organik bileşiklerin kaynaşıp daha büyüklerine dönüşmesine yardımcı olmuştu.
Dönüm noktası, ilk metabolik döngünün oluşmasıydı. Bu süreçte bir kimyasal, bir dizi diğer kimyasala dönüşüyor ve sonunda esas kimyasal ortaya çıkıyor. İşlemde, bütün sistem enerji alıyor ve bu enerji, döngüyü başlatmak ve diğer şeyleri yapmaya başlamak için kullanılabiliyor.
Metabolik döngüler canlı gibi görünmeyebilirler, fakat hayatın temellerini oluştururlar
Günümüzdeki canlıları oluşturan DNA, hücreler ve beyinler gibi tüm diğer şeyler daha sonra geldiler ve bu kimyasal döngülerin arkasına eklendiler.
Bu metabolik döngüler kulağa pek yaşam gibi gelmeyebilir. Wächtershäuser, buluşlarını "öncü canlılar" olarak adlandırdı ve onların "bunların zar zor canlı olarak adlandırılabileceklerini" yazdı.
Fakat Wächtershäuser'in tanımladığı gibi olan metabolik döngüler, yaşayan herşeyin merkezinde bulunur. Hücreleriniz aslında mikroskobik birer kimyasal işleme fabrikalarıdır ve sürekli bir kimyasalı başka bir kimyasala dönüştürürler.
Wächtershäuser, 1980'ler ve 1990'lar boyunca, kendi kuramını dikkate değer ölçüde geliştirdi. Hangi minerallerin en iyi yüzeyleri meydana getirdiğini ve hangi kimyasal döngülerin meydana gelebileceğini ana hatlarıyla belirledi. Fikirleri, destekçi çekmeye başladı.
Fakat hepsi hâlâ kuramsaldı. Wächtershäuser'ın, fikirlerini destekleyen bir gerçek dünya keşfine ihtiyacı vardı. Neyse ki, on yıl önce zaten yapılmıştı.
Oregon State Üniversitesi'nden Jack Corliss'in önderlik ettiği bir takım, 1977 yılında Pasifik Okyanusu'nun doğusunda, yüzeyin 2.5 km altına bir denizaltı gönderdi. Uzun kaya yükseltilerinin deniz yüzeyinden yükseldiği Galapagos sıcak noktasını inceliyorlardı. Yükseltilerin volkanik olarak faal olduklarını biliyorlardı.
Her ağız, bir tür ilkel çorba dağıtıcısıydı.
Corliss, yüzeyi çukurlarla kaplı yükseltilerin, aslında kaplıca olduklarını buldu. Sıcak ve kimyasal açıdan zengin su, deniz yüzeyinin altından fışkırıyor ve kayalardaki deliklerin içinden dışarı pompalanıyordu.
Şaşılacak şekilde, bu "hidrotermal ağızlarda" yoğun miktarda tuhaf canlı bulunuyordu. Bunlar dev istiridyeler, deniz minareleri, midyeler ve tüp solucanlarıydı. Su ayrıca bakteriyle doluydu. Bütün bu canlılar, hidrotermal ağızlardan gelen enerji ile besleniyordu.
Hidrotermal ağızların keşfi, Corliss'in tanınmasını sağladı. Ayrıca onu düşündürdü. 1981 yılında, benzer ağızların Dünya üzerinde dört milyar yıl önce var olduğunu, ve yaşamın kökeninin, onların bulunduğu bölgede olduğunu öne sürdü. Meslek hayatının geriye kalan kısmının çoğunu, bu görüş üzerinde çalışarak geçirecekti.
Corliss, hidrotermal ağızların, kimyasal karışımlarını meydana getirebileceğini öne sürdü. Söylediğine göre, her ağız, bir tür ilkel çorba dağıtıcısıydı.
Şekerler gibi kilit bileşenler "en fazla... saniyeler boyunca yaşayabilir"
Sıcak su kayaların içinden yukarı aktıkça, ısı ve basınç, basit organik bileşenlerin amino asitler, nükleotitler ve şekerler gibi daha karmaşık olanlara doğru kaynaşmasına neden olmuştu. Suyun o kadar fazla sıcak olmadığı okyanus sınırına yakın yerde, zincirlere bağlanmaya başladılar ve karbonhidratlar, proteinler ile DNA gibi nükleotitler oluşturdular. Ardından, su okyanusa yaklaştıkça ve daha fazla soğudukça, bu moleküller basit hücrelere birleştiler.
Bu müthişti ve insanların dikkatini çekti. Fakat, Birinci Bölüm'de anlattığımız ve hayatın kökenine dair yaptığı deneyi yeni ufuklar açan Stanley Miller, ikna olmamıştı. 1988'de yazarak, ağızların fazla sıcak olduğunu öne sürmüştü.
Aşırı ısı, amino asitler gibi kimyasalların oluşumunu tetiklese de, Miller'ın deneyleri, aynı zamanda onları tahrip edeceğini öne sürmüştü. Şekerler gibi kilit bileşenler, "en fazla... saniyeler boyunca durabilirdi". Dahası, bu basit moleküllerin zincirlere bağlanması ihtimal dışıydı, çünkü etrafta bulunan su, zincirleri neredeyse hemen kırardı.
Bu noktada jeolog Mike Russell kavgaya dahil oldu. Ağız kuramının yine de geçerli hale getirilebileceğini düşünmüştü. Dahası, ağızlar kendisine, Wächtershäuser'ın öncü canlıları için uygun bir ev gibi görünmüştü. Bu fikir, yaşamın kökeni hakkında en geniş şekilde kabul gören kuramlardan birini oluşturmasına yol açacaktı.
Eğer Russell haklıysa, yaşam denizin dibinde başlamıştı
Russell, hayatının ilk dönemlerini farklı olarak aspirin yaparak, değerli mineralleri keşfe çıkarak ve (1960'larda kayda değer bir hadisede) eğitimi olmamasına karşın, muhtemel bir volkanik patlamaya yapılan müdahaleyi koordine ederek geçirmişti. Fakat gerçekten ilgisini çeken şey, Dünya'nın yüzeyinin çok uzun zamanlar boyunca nasıl değişim geçirdiği oldu. Bu jeolojik bakış açısı, yaşamın kökeni üzerindeki görüşlerini şekillendirdi.
1980'lerde, sıcaklıkların 150C altında olduğu, şiddeti daha az olan bir hidrotermal ağız türünün fosil kanıtını buldu. Daha ılıman olan bu sıcaklıkların, yaşamın moleküllerinin, Miller'in varsaydığından daha uzun süre dayanmasına olanak sağlayacağını öne sürdü.
Dahası, daha soğuk olan bu ağızların fosil kalıntıları, ilginç bir şey barındırıyordu. Tüplerin yaklaşık 1mm içinde, demir ve sülfürden meydana gelen ve pirit olarak adlandırılan bir mineral oluşmuştu.
Russell, laboratuvarında, piritin ayrıca küre şeklinde damlalar oluşturabileceğini buldu. İlk karmaşık organik moleküllerin, bu basit pirit yapıların içinde oluştuğunu öne sürdü.
Wächtershäuser, bu sıralarda, bir mineral boyunca akan ve kimyasal bakımdan zengin olan sıcak bir su akıntısına dayanan görüşlerini yayınlamaya başlamıştı. Hatta, piritin de bu sürece dahil olduğunu öne sürmüştü.
Onun fikri, çağdaş bilimin unutulmuş dahilerinden birinin yaptığı çalışmaya dayanmıştı
Böylece Russell, iki ile ikiyi topladı. Denizin derinliklerinde bulunan hidrotermal ağızların, Wächtershäuser'in ilkel canlılarına ev sahipliği yapmış olan pirit yapıların oluşması için yeterince ılık olduğunu öne sürmüştü. Eğer Russell haklıysa, yaşam, denizin dibinde başlamıştı; ve ilk olarak metabolizma ortaya çıkmıştı.
Russell bunun hepsini, Miller'in klasik deneyinden 40 yıl sonra, 1993 yılında yayınlanan bir tezde gözler önüne sermişti. Basın, bunun karşısında aynı derecede heyecanlanmamıştı, fakat bu kanıtlanabilir şekilde daha önemliydi. Russell, görünüşte ayrı olan iki fikri (Wächtershäuser'in metabolik döngüleri ile Corliss'in hidrotermal ağızları), gerçekten ikna edici olan bir şeyde birleştirmişti.
Russell da, ilk canlıların enerjilerini nasıl elde ettikleri konusunda bir açıklama sunarak, bunu daha etkileyici hale getirmişti. Diğer bir deyişle, metabolizmalarının nasıl çalışmış olabileceğini hesaplamıştı. Onun fikri, çağdaş bilimin unutulmuş dahilerinden birinin çalışmasına dayanıyordu.
1960'larda, biyokimyacı Peter Mitchell hastalandı ve Edinburgh Üniversitesi'nden istifa etmek zorunda kaldı. Bunun yerine, Cornwall'daki uzak bir malikâne evinde özel bir laboratuvar kurdu. Bilimsel camiadan soyutlanan Michael'ın çalışmasına, kısmen, bir süt ineği sürüsü sermaye sağladı.
İçinde, başlangıçta, İkinci Bölüm'de anlattığımız, RNA üzerine çalışma yapan Leslie Orgel'in de bulunduğu birçok biyokimyacı, bu fikirlerin düpedüz gülünç olduğunu düşünmüştü.
Mitchell'in tanımladığı sürecin, Dünya üzerinde yaşayan her canlı tarafından kullanıldığını artık biliyoruz
Mitchell, 20 yıldan kısa bir süre sonra, nihai zafere ulaştı: 1978 Kimya Ödülü. Hiçbir zaman ünlü olmadı, fakat fikirleri, bütün biyoloji ders kitaplarında bulunuyor.
Mitchell, mesleki hayatını, canlıların besinden elde ettiği enerjiyle ne yaptıklarını çözmekle geçirdi. Gerçekte, hepimizin anbean nasıl hayatta kaldığımızı soruyordu.
Bütün hücrelerin kendi enerjilerini aynı molekülde, adenozin trifosfatta (ATP) depoladığını biliyordu. Önemli kısım, adenozine bağlanan üç fosfatlık bir zincirdi. Üçüncü fosfatı eklemek, pek çok enerjiyi alıyor ve bu sonra ATP'de hapsoluyordu.
Bir hücre enerjiye ihtiyaç duyduğu zaman (mesela, bir kas hücresi kasılmaya ihtiyaç duyarsa), bir ATP'deki üçüncü fosfatı kırar. Bu durum, onu adenozin difosfata (ADP) çevirir ve depolanan enerjiyi salar.
Hiç ünlü birisi olmamıştıMitchell, hücrelerin ATP'yi ilk olarak nasıl yaptıklarını bilmek istiyordu. Bir ADP'de nasıl yeterli miktarda enerji topluyorlar da üçüncü fosfat bağlanıyordu?
Mitchell, ATP yapan enzimin bir zar üzerinde durduğunu biliyordu. Bu yüzden, hücrenin, zar boyunca proton adı verilen yüklü parçacıklar pompaladığını, bu sayede bir tarafta pek çok proton olduğunu ve diğer tarafta hemen hemen hiç olmadığını öne sürmüştü. Protonlar sonra, her bir taraftaki proton sayısını dengelemek için zar boyunca geri akmaya çalışacaklardı; fakat içinden geçebilecekleri tek yer enzimdi. Enzimin içinden geçen proton akışı, enzime, ATP yapmak için ihtiyaç duyduğu enerjiyi veriyordu.
Hücrelerin nasıl enerji topladığına bu videodan bakın:
Mitchell, fikrini ilk olarak 1961 yılında ortaya koydu. Sonraki 15 yılı, kanıt reddedilemez hale gelene kadar onu her taraftan gelenlere karşı savunarak geçirdi. Artık, Mitchell'in tanımladığı sürecin, Dünya üzerinde yaşayan her şey tarafından kullanıldığını biliyoruz. Bu şu an hücrelerinizin içinde gerçekleşiyor. DNA gibi, bildiğimiz haliyle yaşamın temelini oluşturuyor.
Russell'ın bulduğu kilit nokta, Mitchell'ın proton eğimiydi: bir zarın bir tarafında pek çok protonun olması ve diğer tarafta az miktarda olması. Bütün hücreler, enerji depolamak için bir proton eğimine ihtiyaç duyar.
Günümüzdeki hücreler, eğimleri, protonları bir zar boyunca pompalayarak oluşturur, fakat bu, birden öylece ortaya çıkmış olamayacak kadar karmaşık moleküler işleyişleri kapsar. Bu yüzden Russell, bir tane daha mantıksal sıçrama yaptı: yaşam bir yerlerde doğal bir proton eğimiyle şekillenmiş olmalıydı.
Hidrotermal ağız gibi bir yerde. Fakat bunun özel bir ağız türü olması gerekiyordu. Dünya genç iken, denizler asitliydi, ve asitli suyun içinde birçok proton vardır. Bir proton eğiminin oluşması için, ağızdan çıkan suyun düşük miktarda içermesi gerekir: alkalin olması lazımdı.
Corliss'in ağızları bunu yapamazdı. Sadece fazla sıcak değiller, ayrıca asitliydiler. Fakat 2000 yılında, Washington Üniversitesi'nden Deborah Kelley, ilk alkalin ağızları keşfetti.
Kelley, ilk önce sadece bir bilim insanı olmak için mücadele vermek zorundaydı. Babası, o liseyi bitirirken ölmüştü, ve üniversite boyunca kendisine para sağlamak için uzun saatler boyunca çalışmak zorunda kalmıştı.
Kayıp Şehir'deki gibi ağızların, hayatın başladığı yer olduğuna ikna olmuştu
Fakat başarılı olmuştu, ve hem denizaltı volkanları, hem de yanarcasına sıcak olan hidrotermal ağızları onu büyülemişti. Bu çift sevda, sonunda onu Atlantik Okyanusu'nun ortasına götürdü. Orada, Dünya'nın kabuğu ayrılıyor ve deniz tabanından bir dağ silsilesi yükseliyordu.
Kelley, bu dağ dizisinde, "Kayıp Şehir" olarak adlandırdığı bir hidrotermal ağız alanı buldu. Bunlar Corliss'in buldukları gibi değildi. Bunlardan akan su, sadece 40-75C sıcaklıktaydı ve orta derecede alkalindi. Bu sudaki karbonat mineralleri, deniz yatağından org boruları gibi yükselen dik, beyaz "bacalara" kümelenmişti. Görünüşleri ürkütücü ve hayate benzerdi, fakat bu yanıltıcıydı: bunlar, ağız suyunda gelişen yoğun mikroorganizma topluluklarına ev sahipliği yapıyordu.
Bu alkalin ağızlar, Russell'in fikirlerine mükemmel şekilde uyuyordu. Kayıp Şehir'deki gibi ağızların, yaşamın başladığı yerler olduğuna ikna olmuştu.
Fakat bir sorunu vardı. Bir jeolog olarak, biyolojik hücreler hakkında kuramını gerçekten ikna edici yapacak kadar şey bilmiyordu.
Bu yüzden Russell, meslek hayatının büyük bölümünü Almanya'da geçirmiş kavgacı bir Amerikalı olan biyolog William Martin ile birlikte çalıştı. İkili, 2003 yılında, Russell'in önceki fikirlerinin geliştirilmiş bir halini gösterdi. Bu, kanıtlanabilir şekilde, yaşamın nasıl başladığı konusundaki en ayrıntılı öyküydü.
Artık, bu öykü, yaşamın kökeni konusundaki önde gelen hipotezlerden birisi olarak görülüyor.
Kelley sayesinde, artık alkalin ağız kayalarının gözenekli olduğunu biliyorlar: bunlar, suyla dolu küçük delik çukurlarıyla dolu. Bu küçük çukurların, "hücre" olarak görev yaptığını öne sürüyorlar. Her oyuk, pitrit gibi minerallerin de içinde bulunduğu gerekli kimyasalları içeriyor. Ağızdan gelen doğal proton eğrisiyle birleşerek, metabolizmanın başlaması için en uygun yeri oluşturuyorlar.
Russell ve Martin'in söylediğine göre, yaşam, ağızdaki suyun kimyasal enerjisini topladığı zaman, RNA gibi moleküller yapmaya başlamış. Nihayetinde, kendi zarını oluşturmuş ve gerçek bir hücre haline gelmiş, ve gözenekli kayadan açık suya kaçmış.
Bu öykü, artık, yaşamın kökeni konusunda önde gelen hipotezlerden biri olarak görülüyor.
Martin, 2016 yılının Temmuz ayında, "son evrensel ortak ata"nın (LUCA) bazı özelliklerini yeniden inşa eden bir çalışma yayınladığı zaman, bu öykü güçlü şekilde destek görmüştü. Bu canlı, milyarlarca yıl önce yaşamıştı ve mevcut olan bütün yaşam onun soyundan gelmişti.
RNA Dünyası destekleyicileri, ağız kuramının iki sorunu olduğunu söylüyorlar
LUCA'nın doğrudan fosil kanıtını muhtemelen hiçbir zaman bulamayacağız, fakat nasıl göründüğü ve davrandığı hakkında, bugün hayatta kalan mikroorganizmalara bakarak, hâlâ aydın bir tahmin yapabiliriz. Martin'in yaptığı şey buydu.
1.930 çağdaş mikroorganizmanın DNA'sını inceledi, ve neredeyse hepsinin sahip olduğu 355 geni belirledi. Bu, tartışmaya açık şekilde, bu 355 genin, bu 1.930 mikrobun ortak bir atayı paylaştığı zamandan beri (aşağı yukarı LUCA'nın hayatta olduğu zaman), nesilden nesle geçtiğinin kanıtı durumunda.
355 genin içinde, bir proton eğrisi toplamak için olan bazı genler de var, fakat onu oluşturmak için gereken genler yok; tam da Russell ile Martin'in kuramlarının tahmin edeceği gibi. Dahası, LUCA, metan gibi kimyasalların mevcudiyetine uyum sağlamış gibi görünüyor ve bu durum, volkanik olarak faal olan bir ortamda yaşadığını öne sürüyor; tıpkı bir ağız gibi.
Buna rağmen, RNA Dünyası destekleyicileri, ağız kuramının iki sorunu olduğunu söylüyorlar. Birisi, muhtemelen düzeltilebilir: diğeri mahvedici olabilir.
Ağızlar, ilginç organizmalara ev sahipliği yapar
Birinci sorun, Russell ile Martin'in betimlediği süreçler konusunda deneysel bir kanıt bulunmaması. Adım adım giden bir öyküye sahipler, fakat adımların hiçbiri bir laboratuvarda görülmedi.
Yaşamın kaynağı uzmanı Armen Mülkicanyan şöyle söylüyor: "Çoğalmanın önce gerçekleştiğini düşünenler, devamlı yeni deneysel veriler sağlıyorlar. Metabolizmanın önce olduğunu söyleyenler sağlamıyor."
Bütün bu moleküllerin kimyası, su ile uyumsuzMartin'in meslektaşı, College London Üniversitesi'nden Nick Lane sayesinde bu durum değişebilir. Kendisi, alkalin bir ağzın içindeki koşulları taklit edecek olan bir "hayatın kökeni reaktörü" oluşturdu. Metabolik döngüleri, ve belki de RNA gibi molekülleri gözlemlemeyi umuyor. Fakat şu an erken.
İkinci sorun, ağızların konumunun, denizin derinliklerinde bulunması. Miller'ın 1988'de belirttiği üzere, RNA gibi uzun zincirli moleküller ve proteinler, onlara yardımcı olacak enzimler olmadan suda oluşamazlar. Birçok araştırmacı için, bu, devirici bir görüş. Mülkicanyan şöyle söylüyor:
Eğer kimyada bir arkaplanınız varsa, derin deniz ağızları görüşüne inanamazsınız, çünkü tüm bu moleküllerin kimyasının, su ile uyumsuz olduğunu bilirsiniz.Ne olursa olsun, Russell ve müttefikleri iyimser olmayı sürdürüyor.
Fakat son on yılda, bir dizi sıradışı deney tarafından desteklenen üçüncü bir yaklaşım gündeme geldi. Bu, ne RNA Dünyası'nın, ne de hidrotermal ağızların şimdiye kadar başaramadığı bir şeyi vadediyor: bütün bir hücreyi baştan yapmak için bir yol.
5. Bölüm: Hücre Nasıl Meydana Geldi?2000’li yılların başlarında, yaşamın nasıl başlamış olabileceğine dair iki temel düşünce hakimdi. “RNA Dünyası” görüşünün destekçileri yaşamın kendi kendini yenileyebilen bir molekül ile başladığını savunuyorlardı. Beri taraftan, “önce metabolizma” görüşünü benimseyen bilim insanlarının ise hayatın derin sulardaki hidrotermal bacaların içinde başlamış olabileceği hakkında kapsamlı bir açıklaması vardı. Ancak üçüncü bir düşünce daha sahneye çıkmak üzereydi.
Gezegenimiz üzerinde yaşayan her bir canlı, hücrelerden oluşmuştur. Tek bir hücreyi, sert bir dış duvara (zara) sahip süngersi bir top olarak düşünebiliriz.
Hücrenin amacı yaşam için gerekli temel öğeleri bir arada tutmaktır. Nasıl ki karnı deşilen bir kimsenin fazla yaşayamayacağını söyleyebiliyorsak, dış duvarı yırtılan bir hücre için de aynı şeyi söyleyebiliriz: Dış duvarın koruması olmadan hücrenin içerisinde her ne varsa dışarıya saçılacak ve böylelikle hücre ölecektir.
Görüleceği üzere dış duvarın varlığı öyle büyük bir öneme sahiptir ki yaşamın kökeniyle ilgilenen bazı araştırmacılar onun ortaya çıkması gereken ilk şey olduğunu öne sürmektedirler. Bu durumda, onlara göre, “önce genetik” ve “önce metabolizma” diyen görüşler yanlıştır. Bu görüşlere alternatif olarak “önce bölümleşme” düşüncesini geliştirmişlerdir ve bu fikrin destekçilerinden biri Roma Tre Üniversitesinden Pier Luigi Luisi’dir.
Luisi’nin akıl yürütmesi oldukça basit fakat bir o kadar da üzerinde tartışılması güçtür. Onun düşüncesi pek çok kimyasalın tek bir yerde olmasını zorunlu kılmaktadır ki bu durumda, işleyen bir metabolizma veya kendini yenileyebilen bir RNA nasıl inşa edilebilir sorusu ortaya çıkmaktadır. Tabii, ilk olarak tüm bu molekülleri bir arada tutacak bir kabınız yoksa…
Buradan hareketle, yaşamın başlangıcı için sadece tek bir yol olduğu söylenebilir. Dünya’nın ilkin zamanlarına ait şiddetli iklim koşullarında, birkaç ham madde ilkel hücreleri (proto hücreleri) oluşturmak üzere bir şekilde bir araya gelmiş olmalıdır. İşin zorluğu bunu, yani basit bir canlı hücresini, laboratuvar ortamında oluşturmaktır.
Luisi’nin bu düşüncelerinin izlerini 1. Bölüm’de bahsetmiş olduğumuz Alexander Oparin’e ve Rusya’da gelişen yaşamın kökeni biliminin doğumuna kadar takip etmek mümkündür. Oparin, belli başlı kimyasalların koaservat denilen küçük küre şeklindeki kabarcıkları oluşturarak böylelikle diğer maddeleri içlerinde hapsedebildiği gerçeğinin altını çizmiş ve koaservatların ilk proto hücreler olduğu fikrini ortaya atmıştı.
Yağlı olan herhangi bir madde suda küresel kabarcıklar ya da ince bir katman oluşturacaktır. Bu kimyasallara genel olarak “lipit” denmekte olup lipitlerin oluşturduğu ilkin yaşam biçimi düşüncesi ise “Lipit Dünyası” olarak adlandırılmaktadır.
Sadece kabarcıkların oluşumu yeterli olmayıp bunun yanı sıra kabarcıkların sağlam olmaları, “yavru” kabarcıklar oluşturmak için bölünebilmeleri ve en azından içlerine neyin girip neyin çıktığı üzerine bir nebze denetimleri olması gereklidir. Üstelik günümüz hücrelerinin tüm bu işlevleri yerine getirirken kullandıkları gelişmiş proteinler olmadan bunu yapmalıdırlar.
O halde işin zorlu kısmı bu iş için tam da uygun malzemelerden proto hücre oluşturmaktı. On yıllar boyu pek çok malzeme denemiş olmasına rağmen Luisi, tartışmasız, canlı benzeri hiçbir şey elde edemedi.
1994 yılına gelindiğinde Luisi, ilkin proto hücrelerin RNA’ya sahip olması gerektiğine dair cüretkar bir fikirle çıkageldi. Bu RNA, aynı zamanda, proto hücrenin içinde kendisini kopyalayabilme yeteneğine sahip olmalıydı.
Bu başlı başına büyük bir iddiaydı ve sade bir yaklaşım olan “önce bölümleşme” fikrini terk anlamına geliyordu. Ama Luisi’nin argümanı oldukça sağlam temellere sahipti.
Dış duvara sahip fakat içinde gen taşımayan bir hücrenin fazla işlevi olamazdı. Belki yavru hücrelere bölünebilir ancak kendine ait bilgiyi yavrularına aktaramazdı. Genlere sahip olması halinde ise evrim geçirerek daha karmaşık yapılı hale gelebilirdi.
Bu düşünce, daha sonra, 3. Bölüm’de ele aldığımız RNA Dünyası hipoteziyle bilinen Jack Szostak tarafından büyük destek görecekti. Luisi “önce bölümleşme” kampında yer almış olsa da Szostak “önce genetik” fikrinin destekçisiydi ve bu sebeple bu ikili uzun yıllar boyu ortak bir zeminde buluşamamışlardı.
2001 yılında Szostak ve Luisi ortak bir yaklaşım oluşturmak üzere yola çıktılar. Nature dergisindeki bir yazılarında, kendini kopyalayabilen RNA’ların basit ve yağlı bir kabarcığın içerisinde barınmalarını sağlayarak sıfırdan basit yapılı canlı hücresi oluşturmanın mümkün olması gerektiğini ileri sürdüler.
Szostak, “destekleyici bulgular olmadan teori hayat bulamaz” şiarından hareketle, çok geçmeden, bu çarpıcı fikrini desteklemek için proto hücrelerle deneyler yapmaya karar verdi. İki sene sonra ise Szostak’la beraber iki meslektaşı önemli bir başarı elde etti.
Vesiküllerle, yani iç tarafı sıvıdan, dışı ise iki tabaka yağ asidinden oluşan kabarcıklarla deneyler yaptılar.
Vesikül oluşumunu hızlandırmanın bir yolu olarak “montmorillonit” adlı bir kil türünden ufak parçalar eklediler. Bu işlem vesikül oluşumunu 100 kat daha hızlandırdı. Kilin yüzeyi, tıpkı bir enzim gibi, katalizör olarak davranıyordu. Dahası vesiküller, kil yüzeyinden hem montmorillonit parçacıklarını hem de RNA şeritlerini emebiliyordu. Diğer bir deyişle bu proto hücreler, tek ve basit bir deneyin sonunda genlere ve bir katalizöre sahip olmuştu.
Deneyde montmorillonit kullanımı alelade verilmiş bir karar değildi. On yıllar boyu süren çalışmalar montmorillonitin, hatta ona benzer killerin, yaşamın kökeni için bir anahtar olabileceğine işaret ediyordu.
Montmorrillonit volkanik külün hava olayları sebebiyle ayrışmaya uğramasıyla oluşan yaygın görülen bir kildir ve günümüzde kedi kumu da dahil olmak üzere pek çok şeyde kullanılmaktadır. Gezegenimizin ilk zamanlarında oldukça fazla sayıda volkan olması sebebiyle bu dönemlerde Dünya üzerinde bol miktarda montmorillonitin var olduğu düşünülmektedir.
Bundan çok daha önce, 1986 yılında, James Ferris adlı bir kimyager montmorillonitin organik molekül oluşumunda bir katalizör olarak davrandığını göstermiş, daha sonraları ise onun küçük RNA’ların oluşumunu hızlandırdığını tespit etmişti. Bu durum, Ferris’e, sıradan görünümlü bu kilin, yaşamın kökeninin doğduğu yer olduğunu düşündürmüştü. Szostak ise proto hücre oluşturmak üzere montmorillonit kullanarak bu fikri daha ileriye taşıyan kişi oldu.
Bir sene sonra Szostak ve ekibi proto hücrelerin kendiliğinden büyüdüklerini gösterdiler. Daha fazla RNA molekülü bir proto hücresine sıkıştıkça dış duvar artan bir basınçla karşılaşıyordu. Deyim yerindeyse, çok yemek yemekten proto hücrenin karnı şişiyor ve patlıyordu.
Bunu telafi etmek için ise proto hücre, giderek daha fazla yağ asidi topluyor ve bunları duvarında biriktiriyordu. Bu da, duvarın daha fazla şişip gerginliği üzerinden atmasına yol açıyordu. Daha da önemlisi, daha az RNA’ya sahip diğer proto hücrelerden yağ asitleri alıp bu hücrelerin küçülmesine sebep oluyordu. Bu durum, proto hücrelerin birbirleriyle rekabet halinde olduğunu ve daha fazla RNA’ya sahip olanların üstün geldiğini göstermekteydi.
Şayet proto hücreler büyüyebiliyorsa, bölünebiliyor da olabilirler miydi? Yani Szostak’ın proto hücreleri kendi kendilerini çoğaltıyor olabilirler miydi? İşte bu sarsıcı bir düşünceydi…
Szostak’ın ilk deneylerinde kullanılan bir yöntem proto hücreleri şöyle bölüyordu: Proto hücrelerin küçük deliklere sıkıştırılması onların tüplerin içine doğru uzayarak “yavru” proto hücrelere ayrışmasını sağlıyordu. Hiçbir hücresel mekanizma içermediğinden ve sadece basınç uygulayımı gerektirdiğinden bu yöntem oldukça sadeydi. Ancak iyi bir çözüm olduğu söylenemezdi çünkü işlem süresince proto hücrelerin bir kısmı içeriğini kaybediyordu. Bu yöntem, aynı zamanda, ilk hücrelerin ancak küçük deliklerden geçirilirse bölünebildiğini gösteriyordu.
Vesiküller, aslında, pek çok yolla bölünebilirler. Örneğin, kesme gücü oluşturan güçlü bir su akıntısı bölünmeyi gerçekleştirebilir. Önemli olan, proto hücrenin içeriğini kaybetmeden bölünmesini sağlamaktır.
2009’da Szostak ve öğrencisi Ting Zhu başarılı bir bölünme gerçekleştirmenin bir yolunu buldular. Soğanın halkalarına benzer iç içe geçmiş birkaç dış duvara sahip ve biraz daha karmaşık yapılı proto hücreler inşa ettiler. Girift yapılarına rağmen bu proto hücreleri meydana getirmek yine de kolay olmuştu.
Zhu giderek artan miktarda yağ asidi ekledikçe proto hücreler büyüyerek uzun, ip benzeri şerit şeklini aldı. Proto hücre gereğince uzadığında hafif bir kesme gücü onun düzinelerce yavru proto hücreye parçalanmasına yetti.
Her bir yavru proto hücre ebeveyn proto hücreden aldığı RNA’lar içeriyordu ve neredeyse hiç RNA kaybı yaşanmamıştı. Ayrıca proto hücreler, meydana getirdikleri yavru proto hücrelerin büyüyüp daha sonra kendi kendine bölünmesiyle bu döngüyü defalarca devam ettirebiliyorlardı.
Daha sonra yaptıkları deneylerde Zhu ve Szostak proto hücrelerin bölünmesini teşvik edecek daha fazla metot geliştirdiler. Meselenin bu tarafı en azından hallolmuş gibi görünüyordu. Tüm bunlara rağmen proto hücreler, yine de, kendilerinden bekleneni gerçekleştiremiyorlardı. Luisi bu hücresel yuvaların içerisinde RNA kopyalaması beklentisi içerisindeydi fakat RNA hiçbir şey yapmadan öylece duruyordu.
Proto hücrelerinin Dünya üzerindeki ilk yaşam formu olabileceğini göstermek için Szostak’ın bu hücreler içerisinde RNA’nın kendi kendini kopyalamasını sağlaması gerekiyordu. Elbette bu kolay olmayacaktı çünkü (3. Bölüm’de ele alınan) on yıllarca süren denemeden sonra kendi kendinin kopyasını üretecek bir RNA yapımı başarısızlıkla sonuçlandı. Daha önceden hiç kimsenin çözüme kavuşturamadığı bu sorun, Szostak’ın RNA Dünyası üzerine çalışırken yürüttüğü ilk deneylerinde karşısına çıkmıştı. Bu yüzden, RNA Dünyası hipotezine yıllarını adamış olan Leslie Orgel’in çalışmasını tekrar okudu ve bu tozlu yaprakların içine gömülü çok değerli ipuçları elde etti. Orgel 1970’lerin ve 80’lerin çoğunu RNA şeritlerinin nasıl kopyalandığını araştırarak geçirmişti.
Aslında bu kopyalanma işlemi oldukça basittir. Bir adet RNA şeridi ve bir grup serbest nükleotit gerektirir. Sonra, bu nükleotitleri ilkini tamamlayan ikinci bir RNA şeridi oluşturmak üzere kullanmalısınız. Örneğin, “CGC” dizisini okuyan bir RNA şeridi “GCG” dizisini okuyan tamamlayıcı bir şerit (eşlenik) üretecektir. Bunu iki defa tekrarlarsanız, dolambaçlı yoldan ilk baştaki “CGC” dizisini elde edersiniz.
Orgel, özel koşullar altında, RNA şeritlerinin bu şekilde, enzimlerden faydalanmadan, kopyalanabildiğini buldu. Bu, ilk yaşam formunun kendi genlerinden kopyalarını nasıl meydana getirdiğini gösteren bir yol olabilir.
1987’ye kadar Orgel, 14 nükleotitli bir RNA şeridinden yine 14 nükleotit uzunluğunda onun eşleniği bir RNA şeridi yapmayı başarmıştı. Daha uzun bir şerit oluşturamamış olsa da bu bile Szostak’ın ilgisini çekmeye yetmişti. Öğrencisi Katarzyna Adamala bu tepkimeyi proto hücrelerde ortaya çıkarmaya çalıştı ama tepkime oluşumu için magnezyum gerekli idi. Ancak magnezyum proto hücrelere zarar verdiğinden bu da başlı başına bir sorun oluşturuyordu. Aslında meselenin basit bir çözümü vardı: Sitrat. Limon ve portakalda bulunan sitrik aside neredeyse özdeş olan sitrat, zaten, bütün canlı hücrelerinde olan bir maddedir.
2013’te yayımlanmış olan bir çalışmalarında Szostak ve ekibi, deneylerinde sitrat kullandılar ve sitratın magnezyum üzerine yapışarak şablonun kopyalanması esnasında proto hücrelere koruma sağladığını buldular. Diğer bir ifadeyle, 1994’te Luisi’nin öne sürmüş olduğu fikri gerçekleştirmeyi başardılar. Szostak bu konuyla ilgili şöyle söylüyor:
Yağ asidi vesiküllerinin içerisinde RNA’nın kendini kopyalaması için gerekli olan kimyayı oluşturmaya başladık.
Araştırmalarına başladıktan sadece on yıl gibi bir süre içerisinde Szostak ve ekibi harikulade bir başarının altına imza attılar.
Elde ettikleri proto hücreler, içlerine faydalı molekül alırken genlerini muhafaza edebilmekte, büyüyüp bölünebilmekte ve hatta birbirleriyle rekabet edebilmektedirler. Dahası, RNA bu hücrelerin içlerinde çoğalabilmektedir. Yani, nereden bakarsanız bakın, bu hücreler adeta canlı gibidirler.
Dayanıklı olduklarını da eklememiz gerekir çünkü 2008’de Szostak ve ekibi, 100 santigrat dereceye kadar ısıtıldıklarında proto hücrelerin hayatta kalabildiklerini gözlemlediler, ki bu sıcaklık modern hücrelerin çoğunu tahrip edecek bir ısı derecesidir. Bu olgu, proto hücrelerin, devamlı göktaşı düşmesinin yol açtığı muazzam sıcaklıklara karşı koymuş olması gerektiği düşünülen ilkin yaşam biçimine benzer olduğu görüşünü kuvvetlendirmiştir.
Aslına bakılacak olursa, Szostak’ın yaklaşımı yaşamın kökeni üzerine yapılmış 40 küsür senelik çalışmalara meydan okuyordu. Szostak “önce kopyalanma” veya “önce bölümleşme” diye ayrı ayrı odaklanmak yerine, her iki fikri aynı anda işe koyacak yöntemler geliştirdi. Böyle bir tarz, yaşamın tüm fonksiyonlarını ani bir dokunuşla başlatma girişiminde bulunan yaşamın kökenine dair yeni bir birleşik yaklaşıma öncülük edecektir. Bu “önce hepsi” yaklaşımı, şimdiye kadar, bol miktarda delil biriktirmiştir ve mevcut fikirlerden faydalanarak bütün sorunların üstesinden gelebilecek potansiyele sahiptir.
Bölüm 6: Büyük BirleşmeYaşamın kökeni üzerinde araştırma yapan araştırmacılar, 20nci Yüzyılın ikinci yarısı süresince takımlar halinde çalıştılar. Her grup kendi hikayesini yeğledi ve çoğunlukla hipotezleri yarıştırmaya karşı çıktılar. Bu yaklaşım, önceki bölümlerde ıspatlandığı üzere elbette başarılı oldu, fakat yaşamın kökeni konusunda umut verici olan her fikir, nihayetinde büyük bir sorunla karşı karşıya geldi. Bu yüzden bir miktar araştırmacı, şimdi daha birleştirilmiş bir yaklaşımı deniyor. Bu fikir, ilk büyük desteğini bir kaç yıl önce, görünüşte, çoğalma öncelikli geleneksel RNA Dünyası'nı destekliyor görünen bir sonuçtan elde etti.
2009 yılı itibariyle, RNA Dünyası'nı destekleyenlerin büyük bir sorunu vardı. Dünya'nın ilk zamanlarında makul bir şekilde meydana gelmiş olabilecek RNA'nın yapıtaşları nükleotitleri oluşturamıyorlardı. Üçüncü Bölüm'de öğrendiğimiz üzere bu durum, insanların, ilk ortaya çıkan yaşamın RNA'ya hiç dayalı olmadığından şüphelenmesine yol açtı.
John Sutherland, 1980'lerden beri bu sorun hakkında düşünüyordu Şöyle diyor:
Düşündüm ki, eğer RNA'nın kendi kendine birleşebileceğini gösterebilseydiniz, bu harika bir şey olurdu.Neyse ki Sutherland, İngiltere Cambridge'daki Moleküler Biyoloji Laboratuvarı'nda (LMB) bir işi sağlama almıştı. Çoğu araştırma kurumu, çalışanlarını sürekli yeni bulgular üretmeye zorlar, fakat LMB bunu yapmaz. Bu yüzden Sutherland, bir RNA nükletidi yapmanın neden çok zor olduğu hakkında düşünebilir ve başka bir yaklaşım geliştirerek yıllar harcayabilirdi.
Bulduğu çözüm, yaşamın kökeni hakkında yeni ve kökten bir fikir ortaya atmasına yol açacaktı; yani yaşamın bütün kilit bileşenlerinin hep birden oluşmuş olabileceği fikri.
"RNA kimyasının bazı kilit noktaları işe yaramadı." diyor Sutherland. Her RNA nükleotidi bir şeker, bir baz ve bir fosfattan meydana gelir. Fakat, şeker ve bazı birleştirmenin imkansız olduğu gösterilmiştir. Moleküller uygun şekle sahip değildir.
Bu yüzden Sutherland, tamamen farklı maddeleri denemeye başladı. Sonunda takımı, farklı bir şeker ve isminden siyanür ile ilişkili olduğu anlaşılan siyanamitin de içinde bulunduğu beş basit moleküle yöneldi. Takım, bu kimyasalları, nihayetinde bağımsız şekerler veya bazlar bile oluşturmadan dört adet RNA nükleotidinden ikisini üreten bir dizi tepkimeye maruz bıraktı.
Bu, kesin sonuçlu bir başarıydı ve Sutherland'ın adının duyulmasını sağladı.
Pek çok gözlemci, bulguları RNA Dünyası'nın ilave kanıtı olarak yorumladı. Fakat Sutherland'ın kendisi, bunu hiç böyle görmüyordu.
"Klasik" RNA Dünyası hipotezinin söylediğine göre, RNA ilk canlılarda yaşamın tüm işlevlerinden sorumluydu. Fakat Sutherland, bunun "tamamen iyimser" olduğunu söylüyor. Kendisi RNA'nın bu konuyla büyük oranda ilişkili olduğuna, fakat bunun için en gerekli şey olmadığına inanıyor.
Bunun yerine, Juck Szostak'ın Beşinci Bölüm'de tartışılan, "kopya öncelikli" RNA Dünyası'nı Pier Luigi Luisi'nin "bölümleşme öncelikli" görüşleriyle birleştiren son çalışmasından ilham alıyor.
Fakat Sutherland daha ileri gidiyor. Onun yaklaşımı, "her şey öncelikli". Bütün bir hücrenin, kendisini baştan itibaren birleştirmesine odaklanıyor.
Elde ettiği ilk ipucu, başta önemsiz gibi görünen, kendi nükleotit sentezi hakkındaki tuhaf bir detaydı.
Sutherland'ın yöntemindeki son adım, bir fosfatı nükleotide bağlamaktı. Fakat, fosfatı doğrudan karışımın başlangıcından itibaren dahil etmenin en iyisini olduğunu, çünkü bunun ilk tepkimeleri hızlandırdığını buldu.
Görünüşe göre, fosfatı tam anlamıyla ihtiyaç duyulmadan önce dahil etmek, karmakarışık bir durumdu, fakat Sutherland, bu karmaşıklığın iyi bir şey olduğunu keşfetti.
Bu durum, kendi karışımlarının ne kadar karmaşık olması gerektiği hakkında düşünmesine yol açtı. Dünya'nın ilk zamanlarında, hepsi de beraber yüzen onlarca veya yüzlerce kimyasal olmalıydı. Bu durum, sulu bir çamur tarifi gibi geliyor, fakat belki uygun bir karışıklık seviyesi vardır.
Birinci Bölüm'de baktığımız Stanley Miller'ın 1950'lerde oluşturduğu karışımlar, Sutherland'ınkilerinden çok daha karışıktı. Biyolojik moleküller içeriyorlardı, fakat Sutherland, bunların iz miktarda olduklarını ve biyolojik olmayan çok sayıda diğer bileşenin bunlara eşlik ettiğini söylüyor.
Sutherland için bu durum, Miller'ın düzeneğinin yeterince iyi olmadığı anlamına geliyordu. Çok karmakarışıktı, bu yüzden iyi kimyasallar karışımda kaybolmuştu. Bunun için Sutherland, bir "Goldilocks kimyası" bulmaya koyuldu: işe yaramaz hale gelecek kadar karmakarışık olmayan, fakat ayrıca yapabilecekleriyle sınırlı olacak kadar basit olmayan bir şey. Karışımı yeterince karmaşık yaparsanız, yaşamın bütün bileşenleri birden oluşabilir ve sonra bir araya gelebilir.
Diğer bir deyişle, dört milyar yıl önce Dünya üzerinde bir gölet vardı. Kimyasallardan oluşan karışım uygun hale gelene kadar yıllarca orada durmuştu. Sonra, belki de dakikalar içinde, ilk hücre ortaya çıkmıştı.
Bu durum, ortaçağ simyacılarının iddiaları gibi, kulağa inanılması güç gelebilir. Fakat Sutherland'ın bulguları çoğalıyor. 2009'dan beri, kendisinin iki RNA nükleotidini meydana getiren kimyanın, yaşamın diğer pek çok molekülünü de meydana getirebileceğini gösterdi.
Sıradaki belirgin adım, daha fazla RNA nükleotidi oluşturmaktı. Henüz bunu başarmamıştı, fakat 2010 yılında, nükleotitlere dönüşme ihtimali olabilen, yakın ilişkili moleküller oluşturmuştu.
Benzer şekilde, 2013 yılında amino asit öncüleri oluşturmuştu. Bu sefer, tepkimeleri başlatmak için bakır siyanür eklemeliydi. Siyanürle ilişkili kimyasalların, ortak bir içerik olduğu anlaşılıyordu ve Sutherland 2015 yılında bunları çok daha ileri götürdü.
Aynı kimyasal potasının, hücre duvarlarını oluşturan moleküller olan lipitlerin öncülerini de üretebileceğini gösterdi. Tepkimelerin hepsi, morötesi ışıktan güç alıyor, sülfür içeriyor ve hızlanmak için bakıra ihtiyaç duyuyordu.
Szostak şöyle diyor:
Bütün yapı taşları, ortak bir kimyasal tepkime temelinden ortaya çıkmıştır.Eğer Sutherland haklıysa, o halde yaşamın kökenine dair son 40 yıllık yaklaşımımızın tümü yanlıştı. Bilim insanları, hücrenin tüm karmaşıklığı belirgin hale geldikten sonra bile, ilk hücrelerin kademeli olarak, bir seferde bir parça halinde oluşmuş olması gerektiği varsayımı üzerinde çalışıyorlardı.
Sutherland, araştırmacıların, Leslie Orgel'ın ilk önce RNA'nın geldiği önerisini takiben, bir şeyden önce başka bir şeyi elde etmeye çalıştıklarını, ve sonra bunu kullanarak diğerini ürettiklerini söylüyor. Fakat, en iyi yöntemin her şeyi bir seferde yapmak olduğunu düşünüyor. Sutherland şöyle söylüyor:
Bizim yaptığımız şey, bunun, her şeyi bir seferde yapmak için fazla karmaşık olduğu fikrine meydan okumaktı. Yapı taşlarını bütün sistemler için tek seferde kesinlikle yapabilirdiniz.Szostak şimdi, yaşamın moleküllerini oluşturmak ve bunları canlı hücrelerde birleştirmek için yapılan çoğu girişimin, aynı sebepten dolayı başarısız olduğundan şüpheleniyor: Deneyler fazla temiz olduğu için.
Bilim insanları, ilgilendikleri ufak miktardaki kimyasalı kullandılar, ve muhtemelen Dünya'nın ilk zamanlarında mevcut olan tüm diğerlerini dışarıda bıraktılar. Fakat Sutherland'ın çalışmasının gösterdiğine göre, karışıma biraz daha kimyasal eklemek, daha karmaşık bir olgu oluşturabilir.
Szostak bunu 2005 yılında, kendi protohüclerine bir RNA enzimine ev sahipliği yaptırmaya çalışırken yaşadı. Enzim, protohücrelerinin zarlarını ortadan kaldıran magnezyuma ihtiyaç duymuştu.
Çözüm şaşırtıcıydı. Keseleri, bir saf yağ asidinden yapmak yerine, iki tanesinin karışımından yapmışlardı. Bu yeni ve saf olmayan keseler, magnezyumun üstesinden gelebilirdi; ve bu durum, çalışan RNA enzimlerine ev sahipliği yapabilecekleri anlamına geliyordu.
Dahası, Szostak ilk genlerin de karmaşıklığı benimsemiş olabileceğini söylüyor.
Çağdaş canlılar, genlerini taşımak için saf DNA kullanırlar, fakat saf DNA muhtemelen ilk zamanlar mevcut değildi. RNA nükleotitleri ile DNA nükleotitlerinden oluşan bir karışım olmalıydı.
Szostak 2012 yılında, böylesi bir karışımın, saf RNA'ya epey benzeyen ve onun gibi davranan "mozaik" moleküllere birleşebileceğini göstermişti. Bu karışık RNA/DNA zincirleri, düzgün bir şekilde bile katlanabilirdi.
Bu durum, ilk canlıların saf RNA veya saf DNA yapamamasının önemli olmadığını öne sürmüştü. Szostak şöyle diyor:
İlk polimerin RNA'ya epey benzer olan, RNA'nın daha karmaşık bir türü olduğu fikrine gerçekten geri döndüm.Hatta, Üçüncü Bölüm'de tanıştığımız TNA ile PNA gibi, laboratuvarlarda üretilmiş RNA alternatifleri için bile fırsat olabilir. Bunların herhangi birinin Dünya üzerinde hiç mevcut olup olmadığını bilmiyoruz, eğer mevcut olmuşlarsa, ilk canlılar bunları RNA ile birlikte pekâlâ kullanmış olabilir.
Bu çalışmalardan çıkarılan ders, ilk hücreyi oluşturmanın, eskiden göründüğü gibi zor olmayabileceğiydi. Evet, hücreler karışık makinelerdir. Fakat ortaya çıktığına göre, yakın bir yerden savruk şekilde fırlatıldıkları zaman, he ne kadar büsbütün olmasa da, hâlâ işleyebiliyorlar. Böylesi beceriksiz hücrelerin Dünya'nın ilk zamanlarında hayatta kalması muhtemel görünmeyebilir. Fakat fazla rekabet içinde olmamışlardır, ve onları tehdit eden hiçbir avcı yoktu, bu yüzden hayat pek çok bakımdan şimdi olduğundan daha kolay olmuş olabilir.
Bir sorun var ki, ki bu büyük bir sorun, ne Sutherland ne de Szostak buna bir çözüm bulamadı. İlk canlının bir çeşit metabolizmaya sahip olması gerekiyordu. Yaşam, başlangıçtan itibaren enerji elde etmeliydi, yoksa ölürdü.
Sutherland, başka noktalarda olmasa bile bu noktada, Mike Russell, Bill Martin ve Dördüncü Bölüm'ün metabolizma öncelikli kuramlarını destekleyen diğer insanlar ile aynı fikirde. Sutherland şöyle diyor:
RNA çocukları metabolizma çocuklarıyla kavga ederken, iki tarafın da amacı vardı.Szostak ise şöyle söylüyor:
Metabolizmanın kökenleri, bir şekilde orada olmak zorundaydı. Büyük soru, kimyasal enerjinin kaynağı olacak.Martin ve Russell, denizin derinliklerinde bulunan ağızlarda yaşamın başlangıcı hakkında hatalı olsalar bile, kuramlarının pek çok öğesi, neredeyse kesin olarak hatasız. Bunlardan biri, yaşamın doğuşunda metallerin sahip olduğu önem.
Doğada pek çok enzim, çekirdeğinde bir metal atomu içerir. Bu genelde enzimin "etkin" kısmıdır ve molekülün geri kalanı aslında bir destek yapısıdır. İlk yaşam, bu karmaşık enzimlere sahip olamazdı, bu yüzden muhtemelen, katalizör olarak "çıplak" metalleri kullandı.
Günter Wächtershäuser, yaşamın demir ottaşında oluştuğunu öne sürdüğünde önemli bir şeye parmak basmıştı. Benzer şekilde Russell, hidrotermal ağızlardaki suların, metal bakımından zengin olduğunu ve bunların katalizör olarak davranabileceğini vurgulamıştı; ve Martin'in yaptığı LUCA çalışmasında, demire dayalı birçok enzim bulunmuştu. Bunun ışığında, Sutherland'ın kimyasal tepkimelerinin çoğunun bakıra (ve bu arada, Wächtershäuser'ın da vurguladığı gibi sülfüre) dayanması, ve Szostak'ın protohüclerinde bulunan RNA'nın magnezyuma ihtiyaç duyması önemli.
Hidrotermal ağızların yine de çok önemli olduğu ortaya çıkabilir. Szostak şöyle diyor:
Eğer çağdaş metabolizmaya bakarsanız, demir sülfür kümeleri gibi gerçekten fikir verici olan bir sürü şey olduğunu görürsünüz. Bu durum, yaşamın, suyun demir ve sülfür bakımından zengin olduğu bir ağzın içinde veya etrafında başladığı görüşüne uyuyor. Bununla beraber, eğer Sutherland ve Szostak doğru yoldalarsa, ağız kuramının bir tarafı kesinlikle yanlış: yaşam, denizin derinliklerinde başlamış olamaz.
Sutherland şöyle diyor:
Ortaya çıkardığımız kimya, morötesi ışığa bağımlı. Morötesi ışığın tek kaynağı Güneş'tir, bu yüzden kendisinin tepkimeleri, sadece güneşli yerlerde gerçekleşebilir. Bu durum, bir derin deniz ağzı senaryosunu eliyor.Szostak, denizin derinliklerinin, yaşamın üreme çiftliği olmadığına katılıyor:
En kötü şey, bunun, siyanür gibi yüksek enerjiyle çalışan maddelerin kaynağı olan atmosfer kimyasından yalıtılmış halde olması.Fakat bu sorunlar, hidrotermal ağızları tamamen elemiyor. Belki de ağızlar, güneş ışığı ve siyanürün onlara ulaşabileceği sığ sularda bulunuyordu.
Armen Mülkiciyan, bir alternatif öne sürdü. Belki yaşam karada, volkanik bir gölette başlamıştı.
Mülkiciyan, hücrelerin kimyasal tertibine baktı: özellikle, hangi kimyasalları içeri alıp hangilerini dışarıda tuttuklarına. Ortaya çıktığına göre, hangi canlıya ait olduklarının önemi olmaksızın, bütün hücreler, birçok fosfat, potasyum ve diğer metalleri içeriyordu; fakat hemen hemen hiç sodyum içermiyorlardı.
Günümüzde hücreler bunu, nesneleri içeri ve dışarı pompalayarak gerçekleştiriyor, fakat ilk hücreler böyle yapmış olamazdı çünkü gerekli işleyişlere sahip değillerdi. Bu yüzden Mülkiciyan, ilk hücrelerin, çağdaş hücreler gibi, kabaca aynı kimyasal karışımına sahip olan bir yerde oluştuğunu öne sürdü.
Bu durum, okyanusu derhal eledi. Hücreler, okyanusun sahip olduğundan çok daha yüksek seviyelerde potasyum ve fosfat, ve çok daha az sodyum içeriyorlar. Bu durum, faal volkanların yakınında bulunan jeotermal göletlere işaret ediyor. Bu göletler, hücrelerde bulunan metal karışımların aynısına sahip.
Szostak bunu destekliyor:
Bence şu an benim en sevdiğim kuram, jeotermal olarak faal olan bir bölgede, yüzeyde bulunan bazı tür sığ göller veya göletler olurdu," diyor. Hidrotermal ağızlarınız var fakat derin deniz ağızları gibi değiller, daha çok, Yellowstone gibi volkanik bölgelerde sahip olduğumuz ağız türleri gibiler.Sutherland'ın kimyası, böyle bir alanda da güzel şekilde işleyebilir. Membalar uygun kimyasallara sahip, su seviyesi dalgalanıyor, bu sayede bazı yerler bazı zamanlarda kuruyacaktır ve Güneş'den bir sürü morötesi ışınım var. Szostak şöyle diyor:
Dahası, göletlerin kendi protohücreleri için uygun olabilir. Protohücreler çoğu zaman nispeten uygun olabilir ve bu durum, RNA kopyalaması içve diğer basit metabolizma türleri için iyidir. Fakat ara sıra, kısa bir süreliğine ısınırlar ve bu, RNA ipliklerinin ayrılıp, kopyalanmanın sonraki aşamasına hazır hale gelmesine yardımcı olur.Ayrıca, sıcak su akıntılarının yönlendirdiği akışlar da olacaktır ve bunlar, protohücrelerin bölünmesine yardımcı olabilir.
Aynı görüşün pek çok hattını kullanan Sutherland, üçüncü bir seçenek ortaya atıyor: bir göktaşı çarpma bölgesi.
Dünya, var oluşunun ilk yarım milyar yılı süresince, göktaşlarının çarpmasına maruz kaldı; ve o zamandan beri ara sıra çarpışma yaşandı. Yeterli boyuta sahip bir darbe, Mülkiciyan'ın göletlerine epey benzer bir durum oluşturacaktır.
İlk olarak, göktaşları çoğunlukla metalden oluşurlar. Çarpışma bölgelerinin, sülfürün yanında demir gibi kullanışlı metaller bakımından da zengin olma eğilimleri vardır. Ve çok önemli bir şekilde, göktaşı darbeleri Dünya'nın kabuğunu eriterek, jeotermal faaliyete ve sıcak su oluşumuna yol açar.
Sutherland, bir çarpışma kraterinin yamaçlarından aşağıya akarak, morötesi ışınım yukarıdan yağarken, kayalardan siyanür temelli kimyasallar sızdıran küçük nehirler ve akıntılar hayal ediyor. Her akıntının hafif şekilde farklı kimyasal karışımları olacaktır, bu yüzden farklı tepkimeler gerçekleşecek ve bir sürü organik kimyasal üretilecektir.
Son olarak, akıntılar, kraterin dibindeki volkanik bir gölete doğru akacaktır. Bunun gibi bir gölette, bütün parçalar bir araya gelmiş ve ilk protohücreler oluşmuş olabilir. Sutherland şöyle diyor:
Bu çok özel bir senaryo. Fakat bunu, bulmuş olduğu kimyasal tepkimelerin temeline göre seçiyor. Kimya ile uyumlu olduğunu düşünebildiğimiz tek şey bu.Szostak da emin değil, fakat Sutherland'ın görüşünün titiz bir ilgiyi hak ettiğini kabul ediyor.
Bence çarpışma senaryosu güzel. Volkanik yapılar fikrinin de işe yarayabileceğini düşünüyorum. Birbirinin yararına olan bazı görüşler var.Şimdilik tartışma devam edecek gibi görünüyor. Fakat bir hevesle karara varılmayacak. Kararı, kimya ve protohücler belirleyecek.
Bu durum, tarihte ilk defa, yaşamın nasıl başladığı konusunda geniş kapsamlı bir açıklamanın kökenlerine sahip olduğumuz anlamına geliyor.
"İşler, çok daha ulaşılabilir görünüyor." diyor Sutherland.
Şimdiye kadar, Szostak ve Sutherland'ın "tek seferde her şey" yaklaşımı, sadece kabataslak bir anlatım sunuyor. Fakat ayrıntılı şekilde hazırlanan bu adımlar, on yıllar boyunca yapılan deneylerle destekleniyor.
Bu görüş, aynı zamanda yaşamın kökenine dair olan her yaklaşımı kullanıyor. Bunların sahip olduğu bütün iyi noktalardan yararlanmayı denerken, aynı zamanda tüm sorunlarını da çözüyor. Örneğin, Russell'ın hidrotermal ağızlar hakkındaki fikirlerini çürütmek için fazla çabalamıyor, bunun yerine, en iyi öğelerini birleştirmeye çalışıyor. Dört milyar yıl önce ne olduğunu kesin olarak bilemeyiz. "Eğer bir reaktör yapsanız ve diğer taraftan E. coli çıksa bile... yine de o şekilde ortaya çıktığımızı kanıtlayamazsınız." diyor Martin.
Yapabileceğimiz en iyi şey, bütün bulgularla tutarlı olan bir öykü hazırlamak: kimyadaki deneylerle, Dünya'nın ilk zamanları hakkında bildiklerimizle, ve yaşamın en eski şekilleri hakkında biyolojinin meydana çıkardıklarıyla. Sonunda, yüzyıl süren inatçı çabadan sonra, bu öykü görünmeye başlıyor.
Bu durum, insanlık tarihindeki en büyük ayrımlardan birine yaklaşıyor olduğumuz anlamına geliyor: yaşamın başlangıç öyküsünü bilenler ile, asla bilemeyecek olanlar arasındaki ayrım.
Darwin'in 1859 yılında Yaşamın Kökeni'ni yayınlamasından ölen her insan, insanlığın kökenlerini bilmiyordu, çünkü evrim hakkında hiçbir şey bilmiyorlardı. Fakat şimdi, soyutlanmış gruplar dışında hayatta olan herkes, diğer hayvanlar ile olan benzerliğimiz hakkındaki gerçeği bilebiliyor.
Benzer şekilde, Yuri Gagarin'in 1961 yılında Dünya'nın yörüngesinde dolaşmasından sonra doğan herkes, diğer dünyalara seyahat edebilen bir toplumda yaşadı. Kendimiz hiç gitmesek bile, uzay yolculuğu bir gerçek.
Bu gerçekler, dünya görüşümüzü incelikli şekillerde değiştiriyor. Bizi daha bilge hale getiriyor. Evrim bize, bizim kuzenlerimiz oldukları için, yaşayan diğer tüm şeylerin değerini bilmeyi öğretiyor. Uzay yolculuğu, dünyamızı uzaktan görmemize olanak sağlayarak, onun ne kadar eşsiz ve narin olduğunu gözler önüne seriyor.
Bugün hayatta olan insanların bazıları, nereden geldiklerini dürüstçe söyleyebilecek olan, tarihteki ilk insanlar olacaklar. Nihai atalarının neye benzediğini ve nerede yaşadığını bilecekler.
Bu bilgi bizi değiştirecek. Tamamen bilimsel bir seviyede, yaşamın Evren'de oluşmasının ne kadar muhtemel olduğunu ve onu nerede arayacağımızı bize söyleyecek. Ayrıca bize, yaşamın vazgeçilmez doğası hakkında bir şey söyleyecek. Fakat bunun ötesinde, yaşamın kökeninin meydana çıkaracağı hikmeti henüz bilemeyiz.
İçeriklerimizin bilimsel gerçekleri doğru bir şekilde yansıtması için en üst düzey çabayı gösteriyoruz. Gözünüze doğru gelmeyen bir şey varsa, mümkünse güvenilir kaynaklarınızla birlikte bize ulaşın!
Bu içeriğimizle ilgili bir sorunuz mu var? Buraya tıklayarak sorabilirsiniz.
Soru & Cevap Platformuna Git-
38
-
20
-
13
-
12
-
8
-
6
-
5
-
0
-
0
-
0
-
0
-
0
- Çeviri Kaynağı: BBC | Arşiv Bağlantısı
Evrim Ağacı'na her ay sadece 1 kahve ısmarlayarak destek olmak ister misiniz?
Şu iki siteden birini kullanarak şimdi destek olabilirsiniz:
kreosus.com/evrimagaci | patreon.com/evrimagaci
Çıktı Bilgisi: Bu sayfa, Evrim Ağacı yazdırma aracı kullanılarak 22/11/2024 18:08:14 tarihinde oluşturulmuştur. Evrim Ağacı'ndaki içeriklerin tamamı, birden fazla editör tarafından, durmaksızın elden geçirilmekte, güncellenmekte ve geliştirilmektedir. Dolayısıyla bu çıktının alındığı tarihten sonra yapılan güncellemeleri görmek ve bu içeriğin en güncel halini okumak için lütfen şu adrese gidiniz: https://evrimagaci.org/s/457
İçerik Kullanım İzinleri: Evrim Ağacı'ndaki yazılı içerikler orijinallerine hiçbir şekilde dokunulmadığı müddetçe izin alınmaksızın paylaşılabilir, kopyalanabilir, yapıştırılabilir, çoğaltılabilir, basılabilir, dağıtılabilir, yayılabilir, alıntılanabilir. Ancak bu içeriklerin hiçbiri izin alınmaksızın değiştirilemez ve değiştirilmiş halleri Evrim Ağacı'na aitmiş gibi sunulamaz. Benzer şekilde, içeriklerin hiçbiri, söz konusu içeriğin açıkça belirtilmiş yazarlarından ve Evrim Ağacı'ndan başkasına aitmiş gibi sunulamaz. Bu sayfa izin alınmaksızın düzenlenemez, Evrim Ağacı logosu, yazar/editör bilgileri ve içeriğin diğer kısımları izin alınmaksızın değiştirilemez veya kaldırılamaz.
This work is an exact translation of the article originally published in BBC. Evrim Ağacı is a popular science organization which seeks to increase scientific awareness and knowledge in Turkey, and this translation is a part of those efforts. If you are the author/owner of this article and if you choose it to be taken down, please contact us and we will immediately remove your content. Thank you for your cooperation and understanding.
