Dünya üzerindeki bütün canlıların ortak bir atadan geldiği düşüncesi, yaşamın kökenine ilişkin en temel kabullerden biri. Ancak yeni bir araştırma bu hikâyeye şaşırtıcı bir ayrıntı ekliyor: Yaşamın temel gerekliliklerinden biri olan bağımsız metabolizma, Dünya'nın erken dönemlerinde bir kez değil, iki ayrı kez ortaya çıkmış olabilir.Hakemli biimsel dergi Science Advances'ta yayımlanan araştırmaya göre, yaşamın en eski iki büyük kolu olan bakteriler ve arkeler (hücre çekirdeği veya zarlı organeli olmayan, tek hücreli mikroskobik canlılar), çevrelerinden bağımsız biçimde yaşayabilmelerini sağlayan metabolik sistemi birbirlerinden ayrı olarak geliştirmiş olabilir.Araştırmanın yazarlarından Heinrich Heine Üniversitesi biyoloğu William Martin, sonucu çarpıcı bir ifadeyle özetliyor: "Genetik kodun kökeni ortak olabilir ancak bulgular 'yaşamın iki kökenine' işaret ediyor."Bu iddia, bakteriler ile arkelerin tamamen birbirinden bağımsız olarak sıfırdan ortaya çıktığı anlamına gelmiyor. Araştırmanın önerdiği senaryo daha incelikli: İki grubun ortak ataları ve ortak bir genetik sistemleri vardı ancak bu ortak ata henüz modern anlamıyla çevresinden bağımsız yaşayabilen tam teşekküllü bir hücre değildi.
Bakteriler ve arkeler ayrıldıktan sonra, bağımsız yaşam için gereken metabolik mekanizmaların kalan kısmını ayrı ayrı geliştirmiş olabilir.Yaşamı 'canlı' yapan şey ne?Yaşamın nerede başladığını tartışmanın önündeki temel sorunlardan biri, “canlılığın” kendisinin kesin bir tanımının bulunmaması.Genellikle canlıların çevrelerine tepki verdiği, enerji kullandığı, büyüdüğü ve çoğaldığı kabul ediliyor. Ancak virüsler gibi sınırda bulunan örnekler bu tanımı karmaşıklaştırıyor.Araştırmacıların odaklandığı özellik ise metabolizma. Metabolizma, canlıların yaşamlarını sürdürebilmek için gerekli molekülleri üretmelerini ve enerjiyi kullanmalarını sağlayan kimyasal reaksiyonların bütünü.Bugünkü hücrelerde bu reaksiyonların büyük bölümü enzim adı verilen proteinler tarafından hızlandırılıyor.
Ancak bu durum yaşamın başlangıcına ilişkin bir “tavuk-yumurta” problemi yaratıyor.Enzimler de hücresel kimyasal reaksiyonların ürünüyse, ilk canlılar henüz enzimlere sahip değilken metabolizmayı nasıl gerçekleştirdi?Yeni araştırmanın merkezinde bu soru var.İlk 'enzimler' aslında metaller mi?Yaşamın hidrotermal bacalar gibi kimyasal açıdan son derece aktif ortamlarda ortaya çıkmış olabileceği uzun süredir tartışılıyor.Bu ortamlarda doğal olarak bulunan metaller, araştırmacılara göre biyolojik enzimler ortaya çıkmadan önce katalizör görevi görmüş olabilir. Hidrojen, karbondioksit, amonyak ve hidrojen sülfür gibi basit maddeler böylece aminoasitler, nükleik asit bazları ve metabolik kofaktörler gibi yaşam için gerekli daha karmaşık moleküllere dönüştürülebilmiş olabilir.Ancak burada başka bir sorun ortaya çıkıyor.Bugünkü temel metabolizmanın merkezinde yaklaşık 400 reaksiyondan oluşan karmaşık bir kimyasal ağ var. Bu sistemin bir anda ortaya çıkmış olması mümkün görünmüyor.
Dolayısıyla cansız jeokimyadan modern biyokimyaya geçiş sırasında çok sayıda ara aşamanın bulunması gerekiyor.Araştırmacılar da tam olarak bu kayıp aşamaları yeniden oluşturmaya çalıştı.LUCA sandığımız kadar bağımsız olmayabilirEkip, bakteriler ve arkelerin genomlarında bulunan temel metabolik enzimlerin protein yapılarını inceledi. Daha sonra bu enzimleri yapısal karmaşıklıklarına göre sıralayabilen bir yöntem geliştirerek hangi enzimlerin evrimsel süreçte daha önce, hangilerinin daha sonra ortaya çıkmış olabileceğini araştırdı.Ortaya çıkan tabloya göre, Dünya'daki günümüz hücrelerinin son evrensel ortak atası olarak kabul edilen LUCA, metabolik reaksiyonların yalnızca yaklaşık yarısını gerçekleştirecek enzimlere sahipti.Diğer yarısında ise çevredeki metaller katalizör görevi görmüş olabilir.Bu sonuç doğruysa LUCA, genetik açıdan son derece gelişmiş olmasına rağmen modern hücreler gibi tamamen kendi başına yaşayabilen bir organizma değildi. Metabolizmasının önemli bir bölümü yaşadığı çevrenin kimyasına bağımlıydı.Cansız kimyadan yaşama dört aşamada geçilmiş olabilirAraştırmacılar metabolizmanın gelişimini dört genel evreye ayırıyor.İlk aşamada biyolojik enzimler yoktu ve gerekli reaksiyonlar çevrede bulunan metaller tarafından katalizleniyordu.Bu reaksiyonlar yeterince organik molekül oluşturduğunda, henüz tam anlamıyla bağımsız canlılar sayılamayacak proto-hücreler kendi enzimlerini geliştirmeye başladı.
İlk enzimler çevredeki metallerin gerçekleştirdiği reaksiyonların bazılarını üstlendi.Zaman içinde daha fazla enzim ortaya çıktı ve proto-hücrelerin çevredeki metal katalizörlere bağımlılığı giderek azaldı.Son aşamada ise hücreler metabolizmaları için gerekli reaksiyonları kendi biyolojik sistemleriyle gerçekleştirebilir hale geldi. Araştırmacılar bu aşamayı “serbest yaşayan hücrelerin” ortaya çıkışı olarak değerlendiriyor.Ve araştırmanın en tartışmalı sonucu tam burada ortaya çıkıyor: Bilim insanlarına göre bu son aşama, bakteriler ve arkeler birbirinden ayrıldıktan sonra gerçekleşti.Bakteriler ve arkeler aynı problemi ayrı ayrı çözmüş olabilirAraştırmacılar, bakteriler ile arkelerin bazı temel metabolik reaksiyonlarda aynı işi yapan fakat yapısal açıdan birbirinden farklı enzimlere sahip olduğunu belirledi.Çalışmanın yazarlarından Natalia Mrnjavac'a göre, bakterilerin ve arkelerin ataları, aynı temel metabolik reaksiyonları gerçekleştirmek için birbirinden yapısal olarak farklı enzimleri bağımsız biçimde geliştirmiş olabilir.Bu paralel “icatlar”, iki grubun çevrelerindeki kimyasal katalizörlerden bağımsız hale gelmelerini sağlamış olabilir.Dolayısıyla ortaya çıkan senaryo, yaşamın iki kez tamamen sıfırdan başlamasından ziyade şu adımları izliyor:1. Ortak bir erken biyolojik sistem 2.
Bakteriler ve arkelerin ayrılması3. İki soyun birbirinden bağımsız biçimde tam metabolik özerklik kazanması.Araştırmacılar, “Genetik kodun bir, yaşamın ise iki kökeni olabilir,” diyor.ATP'den önce enerji nasıl kullanılıyordu?Çalışma yaşamın kökenindeki başka bir “tavuk-yumurta” probleminin çözümüne de aday sunuyor.Bugün neredeyse bütün canlılar metabolik faaliyetlerini yürütmek için ATP'yi temel enerji taşıyıcısı olarak kullanıyor. Bu nedenle ATP sık sık hücrenin “enerji para birimi” olarak tanımlanıyor.Ancak ATP'nin üretimi de enzimlere bağlı.
Dolayısıyla enzimlerin ve gelişmiş metabolizmanın henüz bulunmadığı Dünya'da ATP'ye dayalı bir sistemin nasıl başlamış olabileceği önemli bir soru.Araştırmacılar bunun için fosfit adı verilen bir fosfor bileşiğini inceledi.Hidrotermal bacalarda doğal olarak bulunabilen fosfit organik bileşiklerle reaksiyona sokulduğunda, suda yalnızca bir gecede metabolik fosforilasyon reaksiyonlarının gerçekleşebildiği görüldü.Araştırmacılara göre deneylerde fosfit ve paladyum, modern hücrelerde ATP ve enzimlerin üstlendiği bazı rolleri yerine getirebildi.Bu da karmaşık biyolojik enerji sistemleri ortaya çıkmadan önce metabolizmaya benzeyen reaksiyonların tamamen jeokimyasal süreçlerle gerçekleşmiş olabileceğine dair deneysel bir mekanizma sunuyor.Yaşam ağacının kökleri yeniden çizilebilirBulgular doğrulanırsa yaşamın evrimine ilişkin klasik “ağaç” benzetmesinin de yeniden düşünülmesi gerekebilir.Zira genellikle LUCA ağacın gövdesi olarak düşünülüyor: Tek bir ortak atadan bakteriler ve arkeler ayrılıyor, daha sonra ökaryotlar ve günümüzdeki muazzam biyolojik çeşitlilik ortaya çıkıyor.Yeni çalışma ise daha karmaşık bir başlangıç öneriyor. LUCA, modern anlamda tamamen bağımsız yaşayan hücresel bir organizmadan ziyade çevresindeki jeokimyasal reaksiyonlara hâlâ bağımlı bir ara aşamayı temsil etmiş olabilir.Bakteriler ve arkeler bu ortak erken sistemden ayrıldıktan sonra metabolik bağımsızlıklarını farklı enzimler geliştirerek ayrı ayrı kazanmış olabilir.
