İlkin Canlılığın Enerji Kaynakları: Ototrof, Heterotrof ve Kemotrof Hipotezleri

Canlılığın cansızlıktan evrimleştiği (abiyogenez) bugün neredeyse emin olduğumuz bir konu. Çünkü diğer tek opsiyon yaşamın göktaşlarıyla Dünya'ya taşınmış olması; ancak bu durumda da yaşamın taşındığı gezegende yaşamın nasıl başladığının açıklanması gerekiyor. Belki uzaydaki yaşam Dünya'dakinden tamamen farklı şartlar altında başlamış olabilir; ancak yine de bir yerden başlaması gerekiyor. O yer de, Büyük Patlama'dan beri evreni dolduran cansız ve inorganik kimyasallar. Dolayısıyla yaşam nerede ve nasıl başlamış olursa olsun, Dünya'ya nasıl ulaşmış olursa olsun, cansızlıktan evrimleşmek zorundadır. Gerçekten de, yapılan tüm araştırmalar bunun mümkün olduğunu gösteriyor. Bugüne kadar yaşamın cansızlıktan başlamasını imkansız kılacak hiçbir sorun tespit edilemedi. Onlarca yıldır süren abiyogenez araştırmalarında tabii ki sayısız engelle karşılaşıldı; ancak bunların büyük bir kısmı çoktan aşıldı, geri kalan kısmı ise aşılamayacak sorunlar değil. Daha fazla araştırma ve gezegenlerin geçmişine dair daha fazla bilgi, bu sorunların üstesinden gelmemize yetecektir. Elbette abiyogenez ile ilgili henüz öğrenmemiz gereken çok fazla konu var. Abiyogenez Teorisi, biyokimyanın giderek parıldayan ve ilgi çekici hale gelen bir alanı olarak güçlenmeyi sürdürüyor.

Canlılığın cansızlıktan nasıl evrimleştiğini anlamanın temeli, ilkin canlı benzeri yapılarda süregelen kimyasal tepkimelerin nasıl enerji ürettiğini anlamaktan geçiyor. Çünkü canlılık, cansızlıktan sanıldığı kadar farklı bir yapı türü değil. Canlıların cansızlardan farklı olarak yapabildikleri tek şey, bünyelerinde ürettikleri enerji sayesinde geçici de olsa entropi artışına (düzensizliğe) aktif olarak karşı koyabiliyor olmaları. Yani canlıları "canlı" yapan şey olan enerji üretimi ve bu enerjinin yapısal bütünlüğü korumaya yönelik harcanabilmesidir. Bu, canlıları cansızlardan ayırıyor. Dolayısıyla bu enerji üretim yolaklarının evrimini anlamak, cansızlıktan canlılığın doğumunu anlamanın anahtarı konumunda.

İlk Canlılar Nasıl Besin Buldu?

Canlıların besin edinmek, dolayısıyla enerji üretebilmek için bildiğimiz 3 temel yöntemi bulunuyor: ototrofi (fotosentez gibi yöntemlerle kendi besinini üretebilme), heterotrofi (avlanarak beslenme) ve kemotrofi (etraftaki kimyasal tepkimelerden faydalanarak enerji üretme). Genellikle okullarda, ilk canlıların heterotrof oldukları öğretilmektedir. Ancak liselerde öğretildiğinin aksine, günümüzde Heterotrof Hipotezi de geçerli kabul edilmemekte; en azından öğretildiği şekliyle kabul edilmemektedir. Okullarda genelde Ototrof Hipotezi'nin ilk olarak ileri sürüldüğü, sonrasında ise yanlışlanarak Heterotrof Hipotezi'nin kabul ediliği öğretilir. Bu tam olarak doğru değildir. Üstelik bu hipotezler, aslında Abiyogenez Teorisi'nin alt başlıklarıdır; ancak öyle oldukları asla öğrencilere söylenmez. Sanki öylesine konularmış gibi geçiştirilir. Halbuki bunlar, cansızlıktan ilk olarak evrimleşen canlılığın nasıl enerji ürettiğine yönelik modern bilimin yaklaşımlarıdır. 

Ototrof Hipotezi

Ototrof Hipotezi, ilk canlıların fotosentez ile enerji ürettiklerini ileri sürer. Ancak bu (okullarda da öğretildiği gibi) pek makul değildir; çünkü yaşamın temellerinin okyanus temellerindeki volkanik bacalarda ve bu bacaların içerisindeki kimyasalca zengin, sıvı açısından seyreltik mikroodacıklarda oluştuğunu bugün biliyoruz. Muhtemelen yaşamın başladığı bu okyanus tabanları, günümüzdeki kadar olmasa da yine de yüzlerce metre derinliğe sahipti ve dolayısıyla Güneş ışınları buraya ulaşamıyordu. Bu sebeple fotosentez (ışıktan enerji üretimi) yönteminin ilk olarak evrimleşmesi mümkün değildi. Bu hipotez, yaşamın atmosferde veya karalarda değil, okyanus tabanlarında başladığını keşfetmemizle birlikte terk edildi.

Heterotrof Hipotezi

Bunun üzerine bilim insanları Heterotrof Hipotezi üzerinde durdular: ilk canlıların birbirlerini yiyerek enerji ürettikleri fikri. Bu, Ototrof Hipotezi'ne göre çok daha makul bir yaklaşımdır. Çünkü gerçekten de ilkin hücreler birbirleriyle kimyasal olarak etkileşebilirler; hatta basit seviyeli bir fagositoz (cisimleri hücre içine alarak "yemek") bile muhtemelen yapabiliyorlardı. Ancak kısaca "avlanarak beslenme" diyebileceğimiz heterotrofi de muhtemelen canlılığın ilk enerji bulma yöntemi değildi. İlkin canlıların çok erken dönemde etraflarındaki büyük molekülleri "yiyerek" enerji sağlamaya başladıkları doğrudur; ancak bu, çok büyük ihtimalle "ilk yöntem" değildir.

Kemotrof Hipotezi

Bu da bizi son ve en muhtemel seçeneğe götürüyor: Kemotrof Hipotezi. Abiyogenez yazı dizimizden okuyabileceğiniz gibi, canlılığın tamamen doğal ve kimyasal süreçlerle cansızlıktan evrimleştiği düşünülmektedir. Dolayısıyla canlılığı "canlı" yapan enerji üretimi ve bunun düzensizliğe karşı koymak için kullanımı da kimyasal tepkimelerle mümkün olmaktaydı. İlk canlıların enerjilerini etraflarındaki kimyasalları ve bunların doğal olarak girdikleri kimyasal tepkimeleri kullanarak, herhangi bir avlanma veya ışığa muhtaçlık olmaksızın üretebildikleri düşünülmektedir. Buna yönelik her geçen gün önemli verilere ulaşılmaktadır.

Günümüzde iki temel kemotrofi türü vardır: organik kemotrofi (kemoorganotrofi) ile inorganik kemotrofi (kemolitotrofi). Aslında kemotrofi, enerji üretilen kimyasalların vücuda göre konumuna bağlı olarak heterotrofinin ya da ototrofinin bir alt başlığı olabilir. Bazı kemotroflar dış tepkimelerden enerji üretirken (yani bir nevi dışarıda üretilen enerjiyi "yiyerek" kullanırken), bazıları vücutlarının içerisinde bu kimyasal tepkimelerin ürünü olan enerjiyi tüketirler (yani bir nevi kendileri üretirler). Dolayısıyla kemotroflar, heterotrof ya da ototrof olabilirler. Ancak ilk canlıların, heterotrofik kemotrof oldukları düşünülmektedir: yani kendi vücutları dışarısındaki kimyasal tepkimelerden üretilen enerjiyi tüketen yapılar... Bu sebeple okullarda "Heterotrof Hipotezi kabul edilmektedir." şeklinde öğretilir.

Cansızlıktan Canlılığa Geçiş, Kimya ile Oldu!

Mart 2013'te Science dergisinde yayımlanan bir makale, Dünya'nın karanlık okyanus tabanlarında yaşayan mikropların, etraflarındaki kayalarda meydana gelen kimyasal tepkimelerden faydalanarak, tamamen kemosentez (kimyasal sentezleme) yöntemiyle enerji üreterek hayatta kalabildiklerini göstermektedir. Tam da beklendiği gibi, bu mikroorganizmalar da volkanik bacaların etrafında ve bu bacalar içerisindeki odacıklarda yaşamaktadırlar. Bu canlılar, ne Güneş ışığına ihtiyaç duyarlar, ne oksijene, ne de avlanmaya... Gezegenimizin %60 civarını kapsayak okyanus tabanlarında yaşayan bu canlılar, muhtemelen gezegenimizin en büyük ekosistemini oluşturmaktadırlar. Bu, şu anlama gelir: Dünya gezegeninin en büyük ekosistemi, bizlerin hiç de alışık olmadığı bir şekilde enerji üretmekte ve hayatta kalmaktadır.

Eğer ki gezegenimizin en büyük ekosistemi sadece kimyasal tepkimelerle hayatta kalabiliyorsa ve eğer ki gerçekten de canlılık bu ortamda, kimyasal süreçlerle başladıysa, diğer gezegenlerin derinliklerinde de yaşam çoktan başlamış olabilir. Makalenin baş yazarı mikrobiyolog Dr. Mark Lever şöyle söylüyor:

Diğer gezegenlerde de benzer yaşam formlarının olmasını çok muhtemel görüyorum. Her ne kadar üzerinde oksijen olmasa da, Mars'ta da demirce zengin kayaçlar var. Gezegenimizdekine benzer reaksiyonların diğer gezegenlerde de olduğunu ve hatta bu gezegenlerin derinliklerinde yaşamın temellerinin atıldığını düşünmek oldukça makul geliyor.

Eğer ki bu sonuçlar diğer araştırmacılar tarafından da doğrulanırsa, eskiden "yaşama elverişi olmadığını" düşündüğümüz metan ve sülfür açısından zengin gezegenlerde yaşamın varlığını tekrar gözden geçirmemiz gerekebilir. Çünkü oksijen veya Güneş ışınlarının varlığı, yaşamın cansızlıktan evrimi için temel gereksinimler değildir. Aradığımız gezegenlere sadece yerleşebilmek gözüyle değil, bizden farklı yaşam formlarının var olabilmesi ihtimali çerçevesinde de bakmayı öğrenmemiz gerekiyor.