Dairesel Polarizasyon: Sol Elli Aminoasitler Güneş Sistemi'nde ve Dünya'da Neden Daha Yaygın?

Proteinler, saç gibi yapılardan enzimlere, kimyasal reaksiyonları hızlandıran ya da düzenleyen katalizörlere kadar her şeyde kullanılan, yaşamın iş gücü molekülleridir. Alfabenin 29 harfi, kelimeler oluşturabilmek için sınırsız kombinasyonlar halinde düzenlenir, hayat ise milyonlarca farklı protein oluşturmak için çok çeşitli düzenlemelerle 20 farklı amino asit kullanır.

Proteinler, aminoasitler denen daha küçük yapıtaşlarından oluşur. Bilim insanları, bu yapıları incelemeye başladıklarından beri "ellerinde bir gizem" olduğunu bilmektedirler. Gizem, şudur: Dünya'daki yaşamın kelimenin tam anlamıyla tamamı "sol elli aminoasitler" üzerine kuruludur. Burada "sol el"den kastımız yazı yazmak için kullanılan eliniz değildir.

Yaşamın oluşmasını sağlayan amino asit molekülleri, elleriniz gibi birbirlerinin ayna görüntüleri olan iki şekilde oluşturulabilir. Bu özelliğe kiralite, bu tarz moleküllere ise kiral moleküller adı verilir. Bu, basit olarak, her bir molekülün 2 farklı yapıda oluşması anlamına gelir ve bu 2 yapı birbirinin ayna görüntüsü gibidir. Yapılarına bağlı olarak bilim insanları bu moleküllerden birini "sol elli", diğerini "sağ elli" olarak isimlendirirler. Bu farklı formlar arasında kimyasal açıdan hiçbir farklılık bulunmaz; ancak fiziksel olarak birbirlerinin tam tersi görünümdedirler. Yukarıdaki görselde bu durum gösterilmektedir. Bir aynaya baktıysanız, görüntünüzün zıt olduğunu görmüşsünüzdür. İşte bu moleküller de böyledir.

Teorik olarak bir sağ elli aminoasit ile sol elli aminoasidi oluşturmak kimyasal anlamda eşit derecede kolaydır; dolayısıyla bu ikisi, en azından teoride, varlıklarda eşit oranda bulunmalıdır. Ancak canlılığa baktığımızda, tamamen sol elli aminoasitler üzerine kurulu olduğunu görmekteyiz. Sağ elli aminoasitler yok denecek kadar azdır!

Yapılan tüm biyokimya ve abiyogenez (canlılığın cansızlıktan evrimi) deneylerinde de, Dünya'nın ilkel koşulları modellenmiş ve her seferinde neredeyse eşit miktarlarda sağ ve sol elli aminoasitler üretilmiştir. İşte burada, şu soru devreye girer: Dünya'da sol-elli aminoasitler neden ve nasıl baskın geldi?

Deneylerde üretilen aminoasitler ile etrafımızda "canlı" adını verdiğimiz yapılardaki aminoasitlerin aynı el düzeninde olmayışı, yaşamın tam olarak nasıl başladığını anlamamızı zorlaştıran engellerden birisidir. Dolayısıyla bu soru işaretini çözmek, yaşamın başlangıcına da güçlü bir ışık tutacaktır.

Meteoritler üzerinde yapılan araştırmalar, uzayda süzülen bu kayalar içinde sol elli aminoasitlerin de, sağ elli aminoasitlerin de bulunduğunu göstermektedir. Bu gerçek, yaşamın (ya da en azından yaşama sebep olacak kimyasalların) Evren içinde doğal yollarla oluştuğu ve sonrasında Dünya'ya (ve belki de başka gezegenlere de) meteor ve kuyrukluyıldız bombardımanları yoluyla taşındığına yönelik teoriyi desteklemektedir. Ancak yine aynı önemdeki soruya geliriz: Neden sol elli aminoasitler daha yaygındır? Sağ elli aminoasitlere karşı bu "doğal önyargı" nereden gelmektedir?

Sol Elli Aminoasitler Neden Daha Yaygın?

Araştırmacılar bu sorunun bir cevabının, bu yapıların ışık ile olan etkileşimine bağlı olduğunu düşünmektedirler. Bunu anlamak için, dairesel polarizasyon (kutuplanma) konusunu öğrenmemiz gerekir.

Elektriksel polarizasyon, yön bakımından dairesel olarak değişip, şiddet bakımından hiç değişmeyen elektromanyetik alanları tanımlamak için kullanılır. İşte belli bir zaman diliminde bulunan dairesel rotasyonun yönüne bağlı olarak ışık, kimyasal moleküllerin sağ elli ve sol elli formlarından sadece birinin varlığını korumasını sağlamış olabilir. Dünya'da o form, tamamen şans eseri sol elli aminoasitler olmuş olabilir.

Bu tip bir polarizasyon Akrep takımyıldızının içerisinde bulunan ve 5500 ışık yılı uzaklıktaki Kedi Patisi Nebulası'nda da gözlenmiştir. Japonya'da bulunan Ulusal Astronomi Gözlemevi'nden araştırmacılar, bu nebulanın yüzde 22'sinin dairesel polarizasyona uğradığını tespit etmiştir. Bu da, dairesel polarizasyonun yıldız oluşumunda önemli bir rolü olduğunu ve bunun sonucunda belli tip bir aminoasit formasyonunun desteklenmesinde önem arz ettiğini düşündürmektedir.

Bu bulgularla uyumlu olarak araştırmacılar, aminoasitlerin oluşumuna neden olan tepkimelerin uzayda da meydana gelebileceğini göstermişlerdir. Eğer aminoasitler bu dairesel polarizasyonun merkezinde oluşuyorlarsa, kesinlikle bu polarizasyon tarafından desteklenen kiralite (el yapısı) da, diğer forma göre çok daha fazla miktarda ve sıklıkta oluşacaktır.

Bu da bizi bariz olan sonuca götürür: Işığın dairesel polarizasyonu, Güneş Sistemi'nin oluşumu sırasında sol elli aminoasitlerin varlığını desteklemiştir. Bu sistem içerisinde oluşan nesneler, içeriklerindeki değerli sol elli aminoasitleri Dünya'ya taşıdıkça, Dünya'da oluşacak olan canlılık da ister istemez sol elli aminoasitler üzerine kurulmuştur. Bu da, canlılar olarak bizlerin neden "sol elli" olduğumuz gerçeğine ışık tutmaktadır. En azından bu, güçlü bir hipotez olarak karşımıza çıkmaktadır.

Burada ufak bir noktanın da altını çizelim: Sol elli aminoasitlerin yaşam için herhangi bir önemi bulunmamaktadır. Yaşam, pek tabii sağ elli aminoasitlerle de başlayabilirdi. Gerçekten de NASA'dan araştırmacılar, canlılığın sağ elli aminoasitler üzerine kurulacak olsaydı da normal şekilde çalışacağını gösteren teorik çalışmalar yapmışlardır (buradan okunabilir).

Bu araştırmaların ilginç bulgularından birisi, sağ elli aminoasitlerin sonradan ve tamamen şans eseri olarak sol elli aminoasitlere dönüşüyor olabileceğidir. Bu kimyasal olayı tetikleyenin meteor çarpmaları olduğu düşünülmektedir. Bunun mümkün olduğu, deneysel olarak da gösterilmiştir. Şimdi gelin aminoasitlerde kiralitenin nasıl dönüştüğünü gösteren NASA araştırmasına biraz daha yakından bakalım:

Sol Elli Aminoasit Baskınlığına Deneysel Kanıt!

2000 yılının Ocak ayında Kanada'daki Britanya Kolombiyası kuzeyinde, atmosferde büyük bir göktaşı patladı ve parçaları Tagish Gölü'nün donmuş yüzeyine yağmur gibi yağdı. Birçok insan bu alev topuna şahit oldu ve uzmanları uyarmaları sayesinde parçalar sadece birkaç gün içinde toplandı. Böylece, Dünya'da kontamine olmadan önce, donmuş halleriyle muhafaza edilebildiler.

Bu meteorit parçalarını analiz eden araştırmacılar, yaşamın temelinde yer alan moleküllerin yönelimlerine (oryantasyonlarına), bu yönelimlerin kökenlerine ve canlıların neden sadece belirli yönleri olan molekülleri kullandığına dair bir açıklama getirmeyi başarmıştır. NASA'nın Greenbelt'teki Goddard Uzay Uçuş Merkezi'nden Dr. Daniel Glavin bulguyla ilgili şöyle diyor:

Tagish Gölü'ndeki kırılmış meteorit parçalarındaki amino asitleri analizimiz, bilinen tüm yaşamın proteinleri üretmek için neden yalnızca sol elli amino asitlerin kullandığı konusunda bize muhtemel bir açıklama yapmış oldu.

Bu çalışma, aynı zamanda bir asteroitin içindeki sıvı suyun meteorlardaki bazı yaygın protein amino asitlerinin sol-elli formlarının sağ-elli formlara tercih etmesine yol açtığını gösteren en sağlam kanıtı vermiştir. Sonuç, ne yazık ki Dünya dışı yaşam arayışını daha da zorlaştırıyor. Kanada, Edmonton'daki Alberta Üniversitesi'nden Dr. Christopher Herd şöyle diyor:

Tagish Gölü göktaşı, Güneş Sistemi’nin ilk zamanları hakkında daha fazla sırrı açığa çıkarmaya devam ediyor. Bu son çalışma bize, asteroitlerden süzülen suyun, dünyadaki tüm yaşamın karakteristik özelliği olan sol elli amino asitlerin yapımındaki rolü hakkında fikir veriyor.

Şunu belirtmekte fayda var: Her ne kadar canlılık her iki kiraliteyle de var olabilecek olsa da, sağ elli ve sol elli aminoasitler birbirine karışmış halde bulunmamalıdır. Çalışmanın yazarlarından ve Goddard Astrobiyoloji Analitik Laboratuvarı başkanı Dr. Jason Dworkin şöyle diyor:

Sol-elli ve sağ-elli amino asitleri karışımı kullanılarak oluşturulan sentetik proteinler işe yaramazdır.

Yaşam, sol-elli ve sağ-elli amino asitlerin karışımıyla işlev göremediğinden, araştırmacılar yaşamın (en azından Dünya'daki yaşamın) nasıl sol-elli dizilimlerle oluşabildiğini bilmek istiyor. Dworkin şöyle diyor:

Biyolojik moleküllerde gözlemlenen belirli yönelim, örneğin amino asitlerdeki sol-ellilik veya şekerlerde görülen sağ-ellilik, moleküler tanıma işlemleri için önemli bir özelliktir ve yaşam için bir ön koşul olduğu düşünülmektedir.

Az önce de belirttiğimiz gibi, amino asit üretmek için başvurulan sıradan sentetik yöntemlerin tümünde, sol-elli ve sağ-elli amino asitlerin eşit olarak üretilir. Bu nedenle, bu tür moleküllerin yöneliminin neredeyse tamamen tek tip olmasının nedenleri ve yaşam-öncesi dünyada sol ve sağ elli moleküllerin karışık olarak oluşup oluşmadığı, eğer böyleyse bunların nasıl tek bir türe evrimleştiği yoğun bir araştırma sahasıdır. Tagish Gölü, bu konudaki sır perdesini aralayabilir.

Ekip, önce Tagish Gölü meteorlarının örneklerini topladı, daha sonra sıcak su çözeltisine karıştırdı, son olarak da bir sıvı kromatografi kütle spektrometresi kullanarak içindeki molekülleri ayırdı ve tanımladı. Glavin şöyle açıklıyor:

İncelediğimiz numuneler içinde, aspartik asit isimli aminoasidin sol-elli versiyonlarının, sağ-elli versiyonlardan yaklaşık dört kat fazla olduğunu keşfettik.

Aspartik asit, insan vücudundaki her enzimde kullanılan bir amino asittir. Ayrıca tatlandırıcı yapımında da, aspartik asidin metil ester formu olan aspartam kullanılır. Glavin şöyle devam ediyor:

İlginçtir ki aynı göktaşı örneği, yaşam tarafından kullanılan başka bir amino asit olan alanin için sadece hafif (yüzde sekizden fazla olmayan) bir sol-ellilik fazlalığı olduğunu gösterdi. İlk önce, bu hiçbir anlam ifade etmedi; çünkü eğer bu amino asitler Dünya'daki yaşamdan meteor parçalarına karıştıysa (kirlenme olduysa), her iki amino asit de büyük miktarda sol-ellilik aşırılıklarına sahip olmalıydılar, çünkü her ikisi de biyolojide sıradan olarak kullanılan aminoasitlerdir. Ama birinde olup, diğerinde olmayan bu büyük sol ellilik fazlalığı, bize bunların Dünya'daki yaşam tarafından üretilmediklerini ve Tagish Gölü asteroidinin içinde oluştuklarını söylüyor.

Ekip, izotop analizi kullanılarak amino asitlerin muhtemelen uzayda oluştuğunu doğruladı. İzotoplar, farklı kütlelere sahip bir elementin çeşitleridir. Örneğin, karbon-13 isimli izotop, doğada yaygın olarak bulunan karbon-12 izotopuna göre daha ağır ve daha az yaygın olan bir karbon çeşididir. Yaşamın kimyası daha hafif izotopları tercih ettiğinden, daha ağır olan karbon-13 ile zenginleştirilmiş amino asitlerin uzayda oluşmuş olması muhtemeldir. Dr. Jamie Elsila şöyle diyor:

Tagish Gölü numunelerimizdeki alanin ve aspartik asitin, karbon-13 açısından oldukça zengin olduğunu bulduk. Bu da, muhtemelen, asteroitte bunların biyolojik olmayan süreçlerle oluştuğunu göstermiş oldu.

Bu çalışma ile, Tagish Gölü'ndeki bu amino asitler için karbon izotop ölçümleri ilk kez raporlanmış oldu. Aspartik asitte görülen ama alaninde görülmeyen yüksek sol-elli aminoasit fazlalılığı, karbon-13 zenginliği verisi ile birleştirildiğinde, karşımıza net bir tablo çıkıyor: Bazı sol elli proteinogenik aminoasitler, yani yaşamın yapısında kullanılan proteinler, asteroitlerde bol miktarda üretilebilmektedir!

Bazı araştırmacılar, meteorlarda sol-elli amino asit fazlalığının, solar nebulada (Güneş Sistemi ve asteroitlerin oluştuğu gaz ve toz bulutunda) polarize radyasyona maruz kalmasıyla oluştuğu görüşünde... Ama, sol elli aspartik asit fazlalığı, sadece polarize radyasyonla açıklanamayacak kadar büyük. Araştırma ekibine göre bunu izah etmek için başka bir süreç olması gerekiyor.

Ek olarak, aspartik asitte olup, alaninde olmayan büyük sol ellilik fazlalığı, ekibe asteroit içinde bu amino asitlerin nasıl üretilebileceği ve dolayısıyla Dünya'da yaşamdan önce büyük bir sol ellilik fazlalığının nasıl ortaya çıkabileceği konusunda önemli bir ipucu veriyor. NASA’da yürütülen çalışmanın yardımcı yazarlarından Aaron Burton şöyle diyor:

Aklıma aniden gelen bir şey, hem sol elli hem de sağ elli moleküllerin karışımları olduğunda, alanin ve aspartik asidin farklı kristalleşebilmesiydi. Bu, araştırmacıların sol elli veya sağ elli aşırılıkları aşmak için aspartik asit gibi moleküllerin kristalleşme davranışlarından yararlandığı çeşitli çalışmaları bulmamıza neden oldu. Alanin, farklı tür kristaller oluşturduğundan, bu aynı işlemler eşit miktarda sağ ve sol elli alanin üretir. Biraz daha deney yapmamız gerekiyor, ancak bu açıklama Tagish Gölü meteorunda ve diğer meteorlarda gördüklerimizi açıklama potansiyeline sahip.

Ekip, başlangıçtaki küçücük bir sol el fazlalığının, kristalizasyon ve doymuş bir çözeltiden sıvı su ile çözünerek çoğaltılabileceğini düşünüyor. Aspartik asit gibi bazı amino asitler, yalnızca sağ elli veya sol elli moleküllerden oluşan saf bir kristalde bir araya gelmelerini sağlayan bir şekle sahiptir. Bu amino asitler için, küçük bir sol elli veya sağ elli fazlalığı, büyük bir kartopunun daha fazla kar toplaması ve yokuş aşağı yuvarlandığında daha hızlı bir şekilde kar elde edilmesine benzer şekilde çoğalmış olabilir.

Alanin gibi diğer amino asitler, bir kristal yapmak için ayna görüntüleriyle bir araya gelmeyi tercih eden bir şekle sahiptir, bu yüzden bu kristaller eşit sayıda sol ve sağ-elli molekülünden oluşur. Bu "hibrit" kristaller çoğaldıkça, başlangıçtaki ufacık bir miktar farklılığının bile bu amino asitler için etkisi büyük olacaktır. Bu işlemlerin her ikisi için de bir gereksinim, sol-elli moleküllerin sağ-elli moleküllere dönüştürmektir, çözelti içinde çözülürken de bunun tersi geçerlidir.

Bu işlem sadece, halihazırda var olan küçük bir fazlalığı katlayarak artırır. Belki de sol elliliğin fazlalığı solar nebuladaki koşullar tarafından küçük bir başlangıçla oluştu. Örneğin, polarize ultraviyole ışığı veya yakındaki yıldızlardan yayılan diğer radyasyon türleri, takıma göre sol elli amino asitlerin oluşturulmasını veya sağ-elli olanların yok edilmesini destekleyebilir. Bu ilk sol el fazlalığı, daha sonra kristalleşme gibi işlemlerle asteroitlerde çoğalabilir. Asteroitlerden ve meteoritlerden gelen etkiler bu materyali Dünya'ya getirebilir ve ekibe göre, bolluğu nedeniyle sol-elli amino asitler ortaya çıkan hayata dahil olmuş olabilir. Ekip ayrıca, nehirlerin, göllerin veya denizlerin dipleri gibi içlerinde akan suyun olduğu, eski sedimanlarda, kristalleşmeyle benzer sol-elli amino asit zenginleşmelerinin Dünya üzerinde olmuş olabiliceği görüşünde...

Bu sonuç, Mars yüzeyinin altında varsayılan mikrobiyal yaşam gibi dünya dışı yaşam bulma ihtimalini düşürüyor. Ama Glavin şöyle diyor:

Biyolojik olmayan bir işlem, bazı amino asit türlerinde sol-ellilik fazlalığı yaratabildiği için, kanıtı olarak böyle bir fazlalığı biyolojik aktivitenin tek başına kanıtı olarak kullanamayız.

Sonuç

Yani bilim insanlarının yapmaya çalıştığı, sol elli aminoasitlerin neden bu kadar ciddi anlamda baskın olduğunu açıklamaktır. Yoksa sol elli aminoasitler ile sağ elli aminoasitler, canlılığı oluşturmak açısından özlerinde önemli bir farklılık göstermemektedirler.

NASA'da araştırmalar yürüten bilim insanları, sağ elli aminoasitler üzerine kurulu bir yaşamın da kolaylıkla varlığını sürdürebileceğini söylemekte; ancak iki formun bir arada bulunamayacağının altını çizmektedirler. Dolayısıyla belki de moleküler seçilim yasaları, ikisini bir arada bulunduranları elemiş olabilir ve dairesel polarizasyondan ötürü daha yoğun olarak bulunan sol elli aminoasitler, yaşamın başlangıcındaki ana form haline gelmiş olabilir.

Bu soru işaretlerinin cevabını gelecekte yapılacak araştırmalar netleştirecektir.