Hücrelerin Kökeni ve Evrimi: İlk Hücre Nereden Geldi? Sonraki Hücreler Nasıl Evrimleşti?

Dünyadaki yaşam ilk olarak, en az 3,8 milyar yıl önce, Yerküre’nin oluşumundan yaklaşık 750 milyon yıl sonra ortaya çıktı. Yaşamın nasıl ortaya çıktığı ve ilk hücrenin nasıl oluştuğu, bu olaylar laboratuvarlarda sıfırdan ve bir bütün olarak tekrarlanamadığı için, hep bir spekülasyon konusu olmuştur. Bununla birlikte, bazı deneysel yöntemler, sürecin bazı aşamalarına ilişkin önemli kanıtlar sunmaktadır.

İlkin Yerküre atmosferinde var olduğu düşünülen koşullarda basit organik moleküllerin oluşabilecekleri ve kendi kendine makro moleküllere polimerize olabilecekleri ilk kez 1920’li yıllarında önerilmiştir. Yaşamın oluşmaya başladığı zamanda, Yerküre atmosferinin çok az veya hiç serbest oksijen içermediğini, esas olarak CO₂ ve N₂’den ibaret olduğu ve daha az miktarlarda H₂, H₂S ve CO gibi gazları içerdiği düşünülmektedir. Böyle bir atmosfer, güneş ışını veya elektrik boşalması gibi bir enerji verildiğinde, organik moleküllerin kendiliğinden oluşabildiği redükleyici bir ortam sağlar.

Organik moleküllerin kendiliğinden oluşumları, deneysel olarak ilk kez 1950’lerde, Stanley Miller’in ( o zamanları lisansüstü öğrencisi) su varlığında H₂,CH₄ ve NH₃’den oluşan bir karışıma elektriksel kıvılcımlar göndererek, bazı amino asitlerde dahil çeşitli organik moleküllerin oluştuğunu göstermesiyle kanıtlamıştır. Her ne kadar Miller’in orijinal deneyleri ilkel Yerküre şartlarını tam olarak karşılamıyor olsa da, ilk canlı organizmaların ortaya çıkışına temel materyal sağlayan organik moleküllerin kendiliğinden sentezlenmesinin mümkün olduğu açıkça ortaya koymuştur.

Makromoleküllerin Evrimi

Evrimde ikinci basamak, makromoleküllerin oluşumudur. Makromoleküllerin monomerik yapı taşlarının makul prebiyotik koşullarda kendi kendilerine polimerleştikleri gösterilmiştir. Örneğin kuru amino asit karışımlarının ısıtılması, polipeptitlere polimerize olmalarına yol açar. Ancak, yaşamın başlangıcını sağlayan makromolekülün en önemli özelliğinin, kendini kopyalama yetisi olması beklenir. Sadece, kendine yeni kopyalarının sentezini yapabilecek bir makromolekül, çoğalabilme ve daha fazla evrimleşme yeteneğine sahip olacaktır.

Günümüz hücrelerinde bulunan en önemli iki önemli bilgi taşıyan makromolekül sınıfından (nükleik asitler ve proteinler) sadece nükleik asitler kendi kendini eşleme yeteneğine sahiptir. Nükleik asitler, tamamlayıcı nükleotitlerin özgül eşleşmesi sayesinde, kendi sentezlerine kalıplık yapabilmektedir.

Moleküler evrimin anlaşılmasında kritik bir aşamaya, 1980’li yılların başında, Sid Altman ve Tom Cech’in laboratuvarlarında RNA’nın, nükleotid polimerleşmesi de dahil bazı kimyasal reaksiyonları katalizleyebildiğinin gösterilmesiyle ulaşıldı. Daha sonraki çalışmalar, RNA’nın bilinen katalitik aktivitelerinin alanını genişletmiş, bir RNA kalıbından yeni bir RNA ipliğinin sentezini yöneten RNA molekülleri tanımlanmıştır. Böylece RNA, benzersiz şekilde, hem kendi replikasyonunu katalizleyip hem de kendi sentezine kalıplık yapabilmektedir.

Sonuç olarak, RNA’nın ilk genetik sistem olduğuna inanılmakta ve kimyasal evrimin erken evrelerinin kendini eşleyen RNA moleküllerinden temel aldığı düşünülmektedir. Evrimin "RNA Dünyası" olarak adlandırılan bir dönem, RNA ile amino asitlerin kurala bağlı etkileşimleri daha sonraları günümüz genetik şifresine gelişmiş, nihayet genetik madde olarak DNA, RNA’nın yerini almıştır.

Günümüz hücreleri, genetik materyal olarak DNA’yı kullanır ve DNA’nın replikasyonu ve genetik bilginin ekspresyonu için aynı temel mekanizmaları işletir. Genler, DNA’nın protein veya RNA kodlayan segmentine karşılık gelen, kalıtımın fonksiyonel birimleridir. Genin nükleotit dizilimi "transkripsiyon" olarak adlandırılan bir işlemle RNA’ya kopyalanmaktadır. Protein kodlayan RNA’ların nükleotid dizilimleri, "translasyon" olarak adlandırılan bir işlemle proteinin amino asit dizilimini belirlemek için kullanılır.

İlk hücrenin kendini eşleyen RNA’nın "fosfolipitlerden" oluşan bir zarla kuşatılmasıyla ortaya çıktığı varsayılmaktadır. Fosfolipitler, prokaryotik ve ökaryotik hücrelerin plazma zarları da dahil olmak üzere, günümüz biyolojik zarlarının temel bileşenidir. Zar oluşturan fosfolipidlerin en önemli özellikleri "amfipatik" moleküller olmalarıdır. Yani molekülün bir kısmı suda çözünebilirken diğer kısmının çözünmemesidir. Fosfolipidlerin, fosfat içeren ve suda çözünen (hidrofilik) baş gruplarıyla bunlara bağlı, suda çözünmeyen (hidrofobik) uzun hidrokarbon zincirleri bulunur. Suya konulduğunda fosfolipitler kendiliğinden, fosfat içeren baş grupları dış suyla temasta, hidrokarbon kuyrukları içeride birbirleriyle temas edecek biçimde bir çift tabaka oluşturmak üzere bir araya toplanırlar. Böyle bir fosfolipid çift tabakası iki uslu bölme arasında dayanıklı bir bariyer oluşturur. Örneğin, hücrenin iç kısmını dış çevresinden ayıran.

Kendini eşleyen RNA’nın ilişkili diğer moleküllerle birlikte fosfolipid zar içerisine alınması, kendini çoğaltabilen ve daha ileri evrimleşebilen bir birim olarak korunmalarını sağlamıştır. Aynı zamanda RNA yönetimli protein sentezi de gelişmiş olabilir ve bu durumda, ilk hücrenin kendini eşleyen RNA ile onun kodladığı proteinlerden oluştuğu söylenebilir.

Metabolizmanın Evrimi

Metabolik yolların ortaya çıkışı ve evrimi, moleküler ve hücresel evrimde çok önemli bir adımı temsil etmektedir. Aslında, amino asitlerin ve muhtemelen ilksel Dünya'da mevcut olan diğer bileşiklerin prebiyotik arzının tükenmesi, bu molekülleri sentezleyebilen ilkel heterotrofik hücreleri destekleyen önemli bir seçici baskı uyguladı. Bu nedenle, metabolik yolların ortaya çıkışı, ilkel organizmaların organik bileşiklerin eksojen kaynaklarına giderek daha az bağımlı hale gelmesine izin verdi. Arkeler, bakteriler ve ökaryotlara ait organizmalardan genlerin ve genomların karşılaştırmalı analizleri, evrim sırasında, farklı kuvvetlerin ve moleküler mekanizmaların genomların şekillenmesine ve yeni metabolik becerilerin ortaya çıkmasına neden olabileceğini ortaya koyuyor. Bu gen uzamaları arasında, gen ve operon kopyaları, yeni genetik materyalin (anında) ortaya çıkmasına yol açabilmeleri ve bu da evrimsel farklılaşmaya uğrayabilmeleri ve yeni metabolik yetenekler için yeni genlerin kodlanmasına yol açabilmeleri nedeniyle çok önemli bir rol oynadılar.

Hücreler, bir organik moleküller denizinden köken aldıkları için, besin ve enerjiyi doğrudan sağlayabiliyorlardı. Bu durum uzun süremezdi ve hücrelerin, enerji elde etmek ve çoğalmak için gerekli molekülleri sentezleyecek mekanizmalar geliştirmelerli gerekliydi. Metabolik enerjinin elde edilmesi ve denetimli kullanımı tüm hücresel aktivitelerin temelidir ve enerji metabolizmasının ana yolları günümüz hücrelerinde büyük oranda korunmuştur. Tüm hücreler, hücresel bileşenlerini sentezlemek ve hareket gibi enerji gerektiren diğer etkinliklerini sürdürmek için, metabolik enerji kaynağı olarak adenozin 5’-trifosfat (ATP) kullanırlar. Hücrelerin ATP üretimi için kullandıkları mekanizmalar; glikoliz, fotosentez ve oksidatif metabolizmanın evrimsel gelişimi şeklinde üç aşama ortaya çıkmıştır. Bu metabolik yolların gelişimi Yerküre atmosferini değiştirmiş ve evrimin yönünü etkilemiştir.

Yerküre’nin başlangıçtaki anaerob atmosferinde, enerji üreten ilk reaksiyonların, organik moleküllerin oksijen yokluğunda parçalanması kapsadığı varsayılıyor. Bu reaksiyonlar olasılıkla, glukozun net iki ATP molekülü kazancıyla laktik asite anaerob yıkımı olan günümüz "glikoliz" reaksiyonlarının bir biçimiydi. Tüm günümüz hücrelerin, hücre içi kimyasal enerji kaynağı olarak ATP kullanmaları ve glikoliz yapıyor olmaları bu reaksiyonların evrim sürecinde oldukça erken ortaya çıktıkları görüşüyle uyuşmaktadır.

Glikoliz, önceden oluşan organik moleküllerin (örneğin glukoz) yapılarındaki enerjinin, daha sonra metabolik reaksiyonların yürütülmesi için enerji kaynağı olarak kullanılacak olan ATP’ye dönüşebilmesi için bir mekanizma sağlamıştır. Hücreleri, önceden yapılmış organik molekülleri kullanma zorunluluğundan kurtararak güneş ışınının enerjisi alabilmelerini sağlayan ‘’fotosentezin’’ ortaya çıkışının evrimde ikinci önemli aşama olduğu kanısı yaygındır. Bundan 3 milyar yıl önce ortaya çıkmış olan ilk fotosentetik bakteri, CO₂'yi organik moleküllere dönüştürmek için olasılıkla H₂S kullanmıştı bu fotosentez yolu bazı bakterilerce halen kullanılmaktadır. CO₂'nin organik bileşiklere dönüştürülmesinde elektron ve hidrojen vericisi olarak H₂O’nun kullanılması evrimde daha sonra ortaya çıkmış ve Yerküre’nin atmosferinde değişimi gibi önemli bir sonuca neden olmuştur. Bugün Yerküre’nin atmosferinde bolca O₂'nin bulunması, 2,4 milyar yıl önce, suyun fotosentetik reaksiyonlarda bol miktarda kullanımı ve yan ürün olarak O₂ üretilmesinin bir sonucudur.

Fotosentezin sonucu olarak serbest kalan O₂’nin hücrelerin evrimleştiği ortamı değiştirdiği ve "oksidatif metabolizmanın" gelişmesine yol açtığı düşünülmektedir. Alternatif olarak, oksidatif metabolizma fotosentezden önce ortaya çıkmış, daha sonra atmosferik O₂'nin artması, enerji üretim reaksiyonlarında O₂ kullanan organizmalara etkin seçici avantaj sağlamıştır. Her iki durumda da, O₂ oldukça reaktif bir moleküldür ve bu reaktiviteyi kullanan oksidatif mekanizma, organik moleküllerden enerji elde edilmesinde glikolizden çok daha etkin bir mekanizmadır. Örneğin; glukozun CO₂ ve H₂O'ya tam oksidatif yıkımı, anaerobik glikolizle üretilen 2 ATP’ye karşın, 36 ile 38 ATP molekülüne eşit enerji sağlar. Günümüz hücreleri, birkaç istisna dışında, temel enerji kaynağı olarak oksidatif reaksiyonları kullanmaktadır.

Günümüz Prokaryotları

Günümüz prokaryotları, evrimin erken aşamalarında birbirinden ayrılan arkebakteriler ve bakteriler olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Bazı arkebakteriler, bugün için alışılmadık olan ancak ilkel Dünya’da yaygınlaşmış olabilecek aşırı ortamlarda yaşarlar. Örneğin; termoasidofiller, pH değeri 2’ye kadar düşen ve sıcaklığı 80°C’ye kadar yükselen sıcak sülfür kaynaklarında yaşarlar. Günümüz genel bakteri formlarını kapsayan prokaryotlar, büyük bir canlı grubu olup, su ve diğer organizmalar gibi çok geniş bir dizi ortamlarda yaşarlar.

Bakteri hücrelerinin çoğu, 1-10 µm çapında küresel, çubuk şeklinde veya spiral şeklindedir. DNA içerikleri 0.6 milyon ile 5 milyon baz çifti arasındadır ve bu büyüklük, 5000 farklı proteini kodlamak için yeterlidir. En büyük ve en gelişmiş prokaryotlar, fotosentez mekanizması gelişmiş olan siyanobakterilerdir.

Tipik bir prokaryot hücre yapısı, insan bağırsak kanalında doğal olarak bulunan Escherichia coli (E. coli) ile simgelenmiştir. Hücre, yaklaşık olarak 1 µm çapında ve 2 µm uzunluğunda bir çubuk şeklindedir. Diğer birçok prokaryot gibi E. coli de, polisakkarid ve peptidlerden oluşan sert bir hücre duvarı ile çevrilidir. Hücre duvarının hemen altında, çift tabakalı fosfolipitlerden oluşan ve bağlı proteinlerden oluşan plazma zarı bulunur. Hücre duvarı gözenekli ve çeşitli moleküller tarafından kolayca geçilebilirken, plazma zarı, hücre içi ile dış ortam arasında fonksiyonel bir engel oluşturur. E. coli DNA’sı nükleotid içerisinde, tek bir çembersel moleküldür ve ökaryotik hücre nukleusunun aksine, etrafını kuşatan bir zarla sitoplazmadan ayrılmamıştır. Sitoplazma, granüler görünümüne neden olan, yaklaşık 30 bin adet ribozom (protein sentez bölgeleri) içerir.

Ökaryot Hücreler

Prokaryot hücrelerde olduğu gibi, tüm ökaryot hücreler de plazma zarı ile çevrilidir ve ribozom içerirler. Ancak, ökaryot hücreler çok daha fazla karmaşıktır ve bir nukleus ve çeşitli sitoplazmik organellere sahiptirler. Ökaryot hücrelerin en büyük ve en çok göze çarpan organeli 5 µm çapındaki çekirdekdir. Çekirdek, ökaryotlarda hücrenin genetik bilgisini taşıyan ve prokaryotlardaki çembersel yapının aksine, doğrusal organize olmuş DNA molekülünü içermektedir. Nükleus, DNA replikasyonunun ve RNA sentezinin olduğu bölgedir. RNA’nın proteinlere translasyonu sitoplazmadaki ribozomlarda gerçekleşir.

Nukleusa ek olarak, ökaryot hücrelerde sitoplazmalarında zarla çevrili çeşitli organeller içerirler. Bu organeller farklı metabolik aktivitelerin yer aldığı bölmeler oluştururlar. Ökaryotik hücreler prokaryot hücrelerden çok daha büyüktürler, genellikle en az bin kat daha büyük hücre hacmine sahiptirler.

Sitoplazmik organeller tarafından oluşturulan bölümleşme, ökaryot hücrelerin etkin bir biçimde görevlerini yerine getirmelerini sağlar. Bu organellerden ikisi, mitokondriler ve kloroplastlar enerji metabolizmasında önemli rol oynarlar. Hemen hemen bütün ökaryotik hücrelerde bulunan mitokondriler oksidatif metabolizmanın gerçekleştiği yerlerdir ve organik moleküllerin parçalanması sonucu ortaya çıkan ATP’nin çoğunun üretilmesinden sorumludurlar. Kloroplastlar, fotosentezin gerçekleştiği bölgelerdir ve sadece bitki hücrelerde ve yeşil alglerde bulunurlar. Lizozomlar ve peroksizomlar da sırasıyla, makromoleküllerin sindirimi ve çeşitli reaksiyonlar için özelleşmiş metabolik bölmeler oluştururlar. Buna ek olarak, bitki hücrelerinin çoğu, makromoleküllerin parçalanması ve hem artık ürünlerin hem de besinlerin depolanması gibi çok çeşitli görevleri yerine getiren vakuolleri içerirler.

Ökaryot hücrelerin büyüklüklerinden ve karmaşıklıklarından dolayı hücre içerisinde proteinlerin doğru hedefe taşınması zorlu bir iştir. İki sitoplazmik organel olan endoplazmik retikulum ve golgi aygıtı özellikle salgılanacak, plazma zarına yerleştirilecek ve lizozomlara alınacak olan proteinlerin sınıflandırılması ve taşınmasında görev alırlar Endoplazmik retikulum, nükleer zardan sitoplazmadan her yanına uzanan kapsamlı bir hücre içi zar ağıdır. Sadece proteinlerin işlenmesinde ve taşınmasında değil, lipitlerin sentezinde de görevlidirler. Proteinler, endoplazmik retikulumdan daha ileri işleme tabi tutuldukları ve gidecekleri yere taşınmak üzere sınıflandırıldıkları golgi aygıtına küçük zar vezikülleri içinde taşınırlar. Proteinlerin taşınmasındaki bu rollerine ek olarak golgi aygıtı, lipit sentezinde ve bitki hücrelerinde hücre duvarını meydana getirecek bazı polisakkardirlerin sentezinde de görevlidir.

Ökaryot hücreler diğer bir iç organizasyon düzeyine daha sahiptirler. Sitoplazmada boydan boya uzanan protein ipliklerinden oluşmuş bir ağ şeklindeki hücre iskeleti, hücrenin şeklini ve sitoplazmanın genel organizasyonunu belirleyerek hücrenin yapısal çatısını oluştururlar. Ayrıca, hücre iskeleti hücrelerin hareketinden (örneğin kas hücrelerinin kasılması) ve hücre bölünmesi sırasında kromozomların hareketi dahil, organellerin ve diğer yapıların hücre içinde taşınmaları ile yerleştirilmelerinden sorumludurlar.

Ökaryotların Kökeni

Ökaryot hücrelerin evriminde en kritik aşama, zarla çevrili organellerin edinilmesi ve böylece bu hücrelerin kompleks yapısının gelişiminin sağlanmasıdır. Ökaryotik organellerin, bir hücrenin başka bir hücre içinde yaşaması ile -endosimbiyoz- geliştiği düşünülmektedir. Özellikle, ökaryotik organellerin, ökaryotların atalarının içinde yaşamış prokaryotik hücrelerden geliştiği düşünülmektedir.

Ökaryot hücrelerin endosimbiyoz ile geliştikleri yönündeki hipotez, özellikle büyük hücrelerin içinde yaşayan bakterilerden oluştuğu düşünülen mitokondri ve kloroplast ile yapılan çalışmalar tarafından desteklenmiştir. Hem mitokondri hem de kloroplastlar büyüklük olarak bekterilere çok benzemektedirler ve aynı bakterilerde olduğu gibi ikiye bölünerek çoğalırlar. En önemlisi, hem mitokondrinin hem de kloroplastın bazı bileşenlerini kodlayan kendi DNA’larına sahiptirler. Mitokondrial ve kloroplast DNA’ları organelin her bölünüşünde kendini replike eder ve kodlayan genlerin organel içinde transkripsiyonu ve organel ribozomlarında translasyonu yapılır. Böylece mitokondri ve kloroplastlar, hücrenin nükleer genomundan ayrı olarak kendi genetik sistemlerine sahiptirler. Ancak evrimsel süreçte mitokondriyal ve kloroplast genomu küçüldü (mitokondrial DNA sadece 37 genini koruyabildi) ve organelin birincil işlevini yerine getirmek için nükleer genoma bağımlı hale geldi. Ayrıca, bu organellerin ribozomlar ıve ribozomal RNA’ları ökaryotların nükleer genomundan kodlananlar ile karşılaştırıldığında, bakterilerinkiyle daha yakından ilişkilidirler.

Bu organellerin endosimbiyotik kökeni bugün genel kabul görmektedir. Buna göre, mitokondrilerin aerobik bakterilerden, kloroplastların da siyanobakteriler gibi fotosentetik bakterilerden evrimleştikleri düşünülmektedir. Aerob bakterilerin kazanılması anaerob hücrelere oksidatif metabolizma gerçekleştirme yeteneği sağlamıştır. Fotosentetik bakterilerin kazanılması ise, fotosentez yapma yeteneğine sayesinde besinsel bağımsızlık sağlamıştır. Bu nedenle, bu endosimbiyotik birliktelikler partnerlerine büyük ölçüde avantaj sağlamış ve evrim sürecinde korunmuşlardır. Başlangıçta bu bakterilerde bulunan genlerin çoğu, zamanla hücrenin nükleer genomuna katılmıştır ve bu nedenle mitokondri ve kloroplastlarının sadece birkaç bileşeni halen organel genomları tarafından kodlanmaktadır.

Ökaryotik hücrelerin kesin kökeni, erken evrim anlayışımıza göre hala tam olarak aydınlatılmamış tartışmalı bir konudur. DNA dizi çalışmalar, arkeabakteri ve bakterilerin, günümüz ökaryotlarındaki gibi birbirinden farklı olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, evrimin çok erken evresindeki bir olayın, ortak bir prokaryotik atadan köken alan iki akraba arasında farklılaşmaya neden olarak günümüz arkeabakteri ve bakterilerin oluşmasına sebep olduğu anlaşılmaktadır. Bununla birlikte, ökaryotların bakteriden mi yoksa arkeabakteriden mi geliştiğinin belirlenmesinin zor olduğu kanıtlamıştır. Şaşırtıcı bir şekilde; bazı ökaryot genleri bakteri genlerine daha çok benzerken, diğerleri arkeabakteri genlerine daha çok benzemektedir. Bu yüzden, ökaryot genomunun tek bir atadan gelen genomu yansıtmadığı, bazı genlerin bakterilerden ve bazı genlerinin ise arkeabakterilerden köken aldığı görülmektedir. İlginçtir ki, bilgi işleme süreci ile ilgili ökaryotik genlerin (DNA replikasyonu, transkripsiyon ve protein sentezi gibi) çoğu arkeabakteri kökenliyken, temel hücre metabolizması ile ilgili ökaryotik genler (glikoliz ve amino asit biyosentezi gibi) bakterilerden köken almaktadır.

Nature

Ökaryot genomlarının mozaik doğasının açıklamak için ileri sürülen bir hipotezde, ökaryotik genomların arkeabakteri ve bakteri genomlarının bir füzyonu sonucunda ortaya çıktığı öne sürülmektedir. Bu öneriye göre, bir bakteri ve bir arkeabakteri arasındaki endosimbiyotik ilişkiyi bu iki prokaryotik genomun füzyonu takip etmiş, bakteri ve arkeabakterinin ikisinin de katkılarıyla atasal ökaryotik genom oluşmuştur. Bu hipotezin en basit versiyonu, başlangıçta arkeabakteri içinde endosimbiyotik olarak yaşayan bir bakterinin, sadece mitokondrileri değil aynı zamanda her iki prokaryot atadan köken alan genleri içeren ökaryot hücrelerini genomunda oluşturmasıdır.