Tek Hücreli Canlılar, Sadece 2 Yıl İçinde Çok Hücreli Yaşam Formlarına Evrimleşebiliyor!

Bizim gözümüzden bakıldığında çok hücreli hayat, Dünya'da baskın haldedir. Etten, selülozdan veya kitinden oluşan bu yapılar, karmaşık bir gelişim planına göre oluşur: Tek bir mikroskobik hücre bölünür, tekrar bölünür, tekrar ve tekrar bölünür, her yeni hücre oluşan dokuda yerini alır, ta ki daha önce var olmayan bir fil veya kızılçam ortaya çıkana kadar...

Canlılık tarihinde en az 20, belki de bundan kat kat fazla defa tek hücreliler, çok hücreliliğe geçerek, atalarından daha büyük formlara ulaşmak üzere evrimleştiler. Bazılarında çok hücrelilik oldukça hızlı ilerledi ve mantar, bitki, hayvan ve bazı alg türleri gibi karmaşık organizmalar oluştu. Bu canlılarda hücreler farklılaşarak farklı işlevleri olan dokuları meydana getirdiler: kalp kası hücreleri, kan hücreleri, buğdayın toprağa tutunmasını sağlayan hücreler, fotosentetik hücreler gibi. Yumurta ve sperm gibi bazı germ hattı hücreleri genlerini sonraki nesle aktaran, kalanlar ise germ hattına üreme amacında destek olan somatik hücrelerdir.

Ancak "Ye, bölün, tekrarla." düsturuyla hareket eden tek hücrelilerin son derece başarılı basitliğine karşın, çok hücrelilik, oldukça karmaşık ve riskli görünüyor. Hangi şartların milyonlarca yıl önce canlılığı bu yöne çektiği ile ilgili sorular, bir değil birden çok kez yaşandığından oyun teorisyenlerinden paleontologlara kadar birçok bilim insanını heyecanlandırıyor.

Georgia Teknoloji Enstitüsü'nden William Ratcliff ve meslektaşları, yaklaşık iki yıllık süreçte mayaları mikroskobik tek hücreli yapılardan gözle görülebilecek kadar büyük kümeler oluşturacak çok hücreli yapılara dönüştürmeyi başardıklarını bildirdiler.^[1] Bulgular, geçişin nasıl yaşanmış olabileceğine dair bir fikir veriyor ve hücrelerin farklılaşma gösterip göstermediği, yani birlikte yaşadıkları hayatta özel görevler alıp almadıklarını araştıracak çalışmalara yol açıyor.

Kar Tanesi Oluşturmak İçin Nedenler

Yaklaşık 10 yıl önce Minesota Üniversitesi'nde çok hücrelilik üzerine çalışan bilim insanları Ratcliff, Michael Travisano ve meslektaşlarının yaptığı bir deney, ortalığı karıştırdı. Mayalarda iş birliği ve simbiyotizm üzerine doktora tezi yazdığı sıralarda Ratcliff, Travisano ile çok hücrelilik üzerine konuşurken, iki bilim insanı, mayaları çok hücreliliğe evrimleştirmenin mümkün olup olmadığını merak ettiler. Hevesle, 60 gün boyunca kültürde büyüyen mayaları sallayıp en hızlı dibe çökenleri seçerek yeni kültürlere aldılar.

Quanta Magazine

Daha sonra Proceedings of the National Academy of Sciences dergisinde açıkladıkları bu basit yöntem, küçük kümelerin hızla evrimleşmesine yol açtı; çünkü uygulanan yöntemde birlikte yaşayacak şekilde evrimleşen maya hücrelerinin hayatta kalma şansı daha yüksekti.^[2] Sonrasında araştırmacılar, bir transkripsion enzimi olan ACE2'deki tek bir mutasyon sebebiyle bölünen bazı hücrelerin birbirinden ayrılmadığını ve böylece diğer hücrelerden daha ağır olduklarından daha hızlı dibe çöktüklerini keşfettiler.^[3]

Hücrelerdeki bu mutasyon hızlıydı ve tekrar tekrar gözlendi. Yaklaşık 30 transfer yapıldığında tüplerden birinde, 60 transfer sonunda ise tüm tüplerde kümelenme görülüyordu. Araştırmacılar mikroskop altındaki görüntülerine dayanarak bu hücrelere Kar Tanesi Mayası adını verdiler.

Kar Tanesi Mayası, başlangıçta çalışmanın asıl amacı değildi; ancak keşfetmeye değecek umut verici bir projeydi. Ratcliff, "O zamandan beri, yani son 10 yıldır bu proje, benim hayatım oldu." diyor. Çalışmaya sonradan Umeå Üniversitesinden matematiksel biyolog Eric Libby ve Ratcliff'in şu anda profesörlük yaptığı Georgia Teknoloji Enstitüsü'nden araştırmacı bilim insanı Matthew Herron gibi başkaları da katıldı.

Hücreleri karmaşık mimarilerinden oluşan bizler için "çok hücrelilik"; alıştığımız, sıradan bir özellik gibi gelebilir. Ancak fosillerden anlıyoruz ki hayat, ilk 1 milyar yıl boyunca tek hücreliydi. Bugün bile Dünya'da tek hücreli sayısı, çok hücreli sayısından çok daha fazladır. Çünkü hücrelerin birlikte kalmasının önemli olumsuz sonuçları var. Çok hücreli yapılarda bir hücrenin kaderi, diğer hücrelerinkine bağlıdır; etrafındaki hücreler ölürse bu hücre de ölebilir. Ayrıca çok hücreli bir yapıya katılan hücrenin germ hattı değil de somatik hücre olarak görev alması gerekebilir, bu da genlerini üreme yoluyla aktarma şansını kaybetmek demektir.

Rekabetle ilgili de merak edilenler var. Oxford Üniversitesinden Teorisyen Guy Cooper, şöyle anlatıyor:

Aynı türden hücreler, kaynaklar için rekabet eder. Bu hücrelerin bir kısmını bir araya getirirseniz rekabet daha güçlü olacaktır. Bu büyük bir bedel... yani çok hücreliliğin evrimleşebilmesi için bu bedele değecek bir avantaj olmalı.

Avantajlardan biri, çok hücreli yapıların avcılara yem olmasının daha zor olması olabilir. Amsterdam Vrije Üniversitesinden Roberta Fisher'ın 2015'te ve Oxford'dan Stefania Kapsetaki'nin 2019'da yaptığı çalışmalar, bakteri ve alglerin mikroskobik avcılara karşı gruplaştıklarını gösteriyor.^{[4], [5]} 2019'da Herron ve meslektaşları alglerdeki bu adaptif çok hücreliliğin atalarından miras kalmadığını gösterdiler, bu tamamen orijinal, evrimleşmiş bir adaptasyondu.^[6]

Başka bir olası avantaj, çok hücrelilerin belirli koşullar altında daha hızlı hareket etmeleri ve daha kolay yiyecek bulmaları olabilir. Durum buysa, Cooper şöyle diyor:

Bu durum, canlılık ile doğurganlığı takas etmeye sebep olur, daha az üreme karşılığında daha yüksek hayatta kalma şansı elde edersiniz, çünkü kaynaklar için rekabet mevcuttur.

Bazı algler çevresel koşullara göre çok hücreli gruplardan tek hücreliliğe geçebiliyor. Hayvanların tek hücreli en yakın akrabaları olan Yakalı Kamçılılar bazen çok hücreli gibi görünecek şekilde hareket edebiliyor. Pasteur Enstitüsünden evrimsel biyolog Thibaut Brunet ve meslektaşları, Curaçao'da su kenarından topladıkları yakalı kamçılı (koanoflagellat) örneklerinde, bir şeyin gece saatlerinde hareketlendiğini söylüyor. Bu hareketli şey, fincana benzer bir şekilde birbirine yapışmış hücrelerden oluşan yeni bir tür yakalı kamçılıydı; kendisini içten dışa doğru çevirerek hareket ediyordu.^[7] Brunet şöyle diyor:

Bu şeyin deforme olmasını izlemek büyüleyiciydi. Onu neredeyse bir hayvansı yapan bu karmaşık kolektif hareketi yapıyordu. Mikrobiyal alemden hayvanlar alemine geçişi görmek gibiydi.

Ancak çok hücreli canlıların hücreleri için sadece iki seçenek var: çok hücrelilik ya da ölüm. Cooper, şöyle diyor:

Bir şekilde başka yolları kalmıyor. Tek hücrelilikten çok hücreliliğe geçişte iş bölümünün çok etkili olduğu tahmin ediliyor.

Rekabetçi modellere göre bazı hücreler belirli bir görevi üstlendiğinde, komşularının üreme şansını artırmak için kendilerininkini feda ettiğinde, çok hücreli bir grup içinde bulunmak hayatta kalma şansınızı artırıyor. Çok hücreliliğin başarı sayılması için gerekli koşullar geçmişte sağlanmış olmalı, ama nasıl?

Ratcliff uzun soluklu evrimsel deneyini başlattığında bir teorisyenin düşük olasılıkla yaşanabilecek olaylara olan ilgisiyle bir biyologun sınırları zorlandığında bir organizmanın neler yapabileceğine duyduğu merakı birleştirdi. Aynı zamanda 30 yıl önce Richard Lenski'nin başlattığı ünlü evrimsel deneyleri de düşünüyordu: Lenski'nin laboratuvarında 1988'den beri 12 E. coli kolonisi yaşıyor. Yıllar içinde şaşırtıcı şekilde değiştiler. Örneğin Lenski ve meslektaşları, bir koloninin sitrat sindirme özelliği kazandığını fark ettiler. Daha önce bunu yapan bir E. coli görülmemişti.

Ratcliff bu kadar uzun süre beklerse Kar Tanesi Mayasına ne olacağını merak etti. Eninde sonunda büyük boyutlara ulaşacaklar mıydı? Bu farklılaşmaya yol açacak mıydı?

Kar Tanesi Mayası zaten çok hücreliliğe geçmişti, ancak Ratcliff' in tüm uğraşlarına rağmen kümeler, hala mikroskobik boyutlardaydı. Ratcliff yıllarca ilerleme kaydedemedi, sonunda bu engeli aştıklarında başarıyı Ratcliff'in Georgia Teknoloji Enstitüsündeki laboratuvarında çalışan doktora sonrası araştırmacı Ozan Bozdağ'a atfetti.

Oksijensiz Yaşam

Kritik meselenin, oksijen olduğu ortaya çıktı. Daha doğrusu, oksijen yokluğu.

Oksijen, canlılar için oldukça yararlı olabilir; çünkü hücrenin şekeri yıkarak muazzam büyüklükte enerjiye ulaşmasını sağlar. Oksijen yokluğunda, hücreler şekeri fermente etmek zorunda kalır ki bu çok daha az verimlidir. Ratcliff, mayaları başından beri oksijenle büyütüyordu. Bozdağ ise bazı kültürleri oksijensiz büyütmeyi teklif etti.

Bozdağ, deneylerine 3 grupla başladı. İki grup oksijeni kullanabilirken bir grup bir mutasyon nedeniyle oksijen kullanamıyordu. Her grup bir çalkalama makinesine koyulmuş birbirinin aynısı 5 tüpten oluşuyordu. Mayalar, gün boyunca dakikada 225 devirde çalkalandı. Bozdağ, günde bir kere 3 dakikalığına makineyi durdurup dinlenmelerine izin veriyor, sonrasında her tüpün dibine çöken mayalarla yeni bir kültür oluşturuyordu. Sonra tüpler tekrar makineye giriyordu. 2020 boyunca ve 2021'in başlarında her gün, Covid-19 pandemisi nedeniyle laboratuvarlar kapandığında bile Bozdağ oradaydı. Üniversitenin verdiği özel bir izinle mayaları seçmeye devam ediyordu.

Quanta Magazine

İlk 100 gün içinde 15 tüpün her birindeki kümeler boyutlarını ikiye katladı. Daha sonra oksijen kullanmayan iki tüpteki kümelerin tekrar büyümeye başladığı 250. güne kadar çoğunlukla büyüme göstermediler. Yaklaşık 350. günde Bozdağ bu iki tüpten birinde bir şey fark etti: Çıplak gözle görülebilen kümeler oluşmuştu:

Bir evrimsel biyolog olarak bunun şans eseri olduğunu, bir şekilde büyüdüklerini ancak uzun vadede küçük olanlara karşı şansları olmadığını düşündüm. O zamanlar, bundan Will'e bahsetmedim.

Ancak bir süre sonra, ikinci tüpte de kümeler oluştu. 400. gün civarında oksijen kullanamayan mutant tüplerden üçü daha kafileye katıldı. Kısa süre sonra 5 tüpte de hücrelerinin 20.000 katı büyüklüğe ulaşan devasa kümeler vardı. Bozdağ telefonuyla bu kümelerin fotoğraflarını çekmeye başladı, artık mikroskoba gerek kalmamıştı.

Oksijen varlığına güvenmek mayaların gelişmesini neden engelledi? Oksijen, hücrelere belli bir hızla difüze olur. Yani kümeler büyüdükçe içerideki hücrelere oksijen ulaşabilse bile çok yavaş ulaşıyordu. Bu deneyde daha büyük kümeler daha avantajlı olsa da, oksijen mayalar için o kadar cazipti ki oksijenden vazgeçmemek için kümelerin boyutunu sınırlandırmayı tercih ettiler. Oksijen kullanmak yerine fermantasyon yapan mutant kümeleri içinse daha fazla büyümemeleri için bir sebep yoktu.

Ancak kümelerdeki tek farklılık büyüklükleri değildi. Büyük kümeler mikroskopla incelendiğinde hücrelerin de değiştiği görülüyordu. Hücreler daha uzundu ve birbirinden kolayca ayrılan, jelatinin %1'i kadar kohezyona sahip ilk Kar Tanesi Mayasına göre çok daha fazla kenetlenmişlerdi. Ratcliff, bu konuda "Kırılgan bir maddeden ahşap sertliğinde bir maddeye evrimleştiler. En az 10.000 kat sertleştiler." yorumunu yaptı. Kar Tanesinin kolları birbirine öyle sarılmıştı ki çalkalanmalarda bağlar kopsa bile hücreler beraber yaşadıkları kardeşleriyle bir arada kaldı. Bu, biyofiziksel anlamda tek hücreli bir organizmanın daha büyük bir boyuta uyum sağlayacak şekilde evrimleşebileceği anlamına geliyordu.

Cooper, bu durumun ilginç olduğunu belirtti çünkü teoride daha büyük boyut farklılaşmayı beraberinde getirmeliydi. 14 yıl önce evrimsel biyolog J. T. Bonner çok hücreli bir organizmanın vücudu büyüdükçe organizmadaki hücre tipi sayısının arttığını gözlemledi. Daha büyük boyutların daha karmaşık bir yapı gerektirdiği hipotezini öne sürdü.^[8] Yani, organizmalar büyüdükçe karşılamaları gereken ihtiyaçları artıyordu. Cooper, "Bu, iş bölümü yapmak için iyi bir sebep olabilir." deiyor, ancak durumun her zaman böyle gelişmeyebileceğini de ekliyor.

Daha büyük boyutların nasıl değişikliklere neden olduğunu görüyorsunuz. Her hücre bölünmesiyle daha da büyüyen bir Kar Tanesi Mayası grubu hayal edin. Dış taraftaki hücreler besinlere ve dış dünyanın tehlikelerine daha yakınken içeride kalan hücreler için durum farklı. İçeridekiler için besin daha az ve basınç daha fazla. Peki ya içerideki hücreler dışarıdakilerden farklı davranmaya başlarsa? Daha azla daha çok iş yapmak için metabolizmalarını düzenleyebilirler. Ratcliff'in laboratuvarındaki hücrelerin yaptığı gibi basınca dayanmak için daha güçlü hücre duvarları inşa edebilirler. Mayalar besinleri içeridekilere taşıyacak dallanmış kanallar geliştirerek ilkel bir dolaşım sistemi kurabilirler. Büyük bir kümenin birbirinden uzak hücrelerinde farklı davranışlar ve farklı özellikler gözlenebilir.

O halde, her bir küme oluştuğunda bu sürecin tekrarlandığını, iç ve dışarıdaki hücrelerin aynı tepkileri verip aynı farklılaşmaları gösterdiğini hayal edin. Böylece bir tek hücrelinin nasıl değiştiğini anlatan hikayeyi görmeye başlıyorsunuz, hayatta kalmak için yaptığı her değişiklik bedeninde açıkça görülüyor.

Çok Hücrelilikten Farklılaşmaya

Şimdiye kadar, hem çok hücreliliğe hem de farklılaşma göstermeye evrimleşen bir canlıyı laboratuvarlarda gözlemleyemedik. Elimizdeki en yakın örnek, Ratcliff ve meslektaşlarının 2012'de yayınladığı makalede bahsettikleri Kar Tanesinin dallarının birleşme yerlerindeki hücrelerin kendilerini öldürmeleri olabilir. Bu ölümlerle kar tanesinin bazı dalları kopuyor ve yeni kümeler oluşturuyorlardı. Araştırmacılar, bunun bir tür farklılışma sayılabileceğini düşündü çünkü hayatlarından vazgeçen bu hücreler geride kalan maya grubuna fayda sağlıyorlardı. Bu fenomeni modellemek için Ratcliff'le birlikte çalışan Libby, şöyle diyor:

Besin tükenmeden önce kümeleri bölüyorsa hücre ölümleri yararlı olabilir.

Max Planck Evrimsel Biyoloji Enstitüsünden Paul Rauney ve meslektaşlarının psödomonas bakterilerinin, hücrelerin aynı ortak amaca hizmet ederken farklı biçimler alabildiği çok hücreli gruplar oluşturabildiğini göstermişti.^[9] Bu vakalarda farklılaşmayı görmek ilham verici olabilir. Libby, şöyle anlatıyor:

Dürüst olmak gerekirse bu sonuçlar tartışılabilir çünkü ilkel çok hücreli davranışları tek hücreli davranışlarına çok benzerdir. Bu bir tesadüf değil, çok hücrelilik bir yerden evrimleşmek zorundaydı.

Gelecek deneylerin büyük Kar Tanesi Mayalarının dokularında farklılaşma olduğunu gösterip gösteremeyeceğini bilmiyoruz. Ancak araştırmacılar mayayı evrimleştirmeye devam ettiği sürece birçok ilginç şey yaşanabilir.

Bozdağ, Ratcliff'e mayaların büyük boyutlara evrimleştiğini söylediğinde Ratcliff'in "Dostum, bu deneyi 20, 30 yıl daha sürdürmelisin!" dediğini hatırlıyor. Yıllar süren başarısızlıklardan sonra Ratcliff, mayaların büyük boyutlara ulaşabilmesine, daha doğrusu vücut gibi bir yapı oluşturmalarına çok şaşırmıştı. Ratcliff, sözlerini şöyle bitiriyor:

Bu sistemin 1.000 kadar hücreyi doyurmaya yeteceğinden emin değildim. Onları evrimleştirmeye ve neler yapabileceklerini görmeye devam etmeliyiz. Bu hücreleri onlarca yıl, on binlerce nesil boyunca elimizden geldiğince ilerletip neler olacağını görmeliyiz.

Bunları yapmazsak fırsatı değerlendirmediğimiz için hep pişmanlık duyacağım. Yeni oluşan bir çok hücreliyi daha karmaşık yapılar oluşturmaya itmek, nereye kadar gidebileceğini görmek hayatta bir kez ele geçecek bir fırsat.