Dünya'da yaşamın nasıl başladığı biyolojinin en büyük gizemlerinden biri olmaya devam ediyor. Şimdi ise Science Advances dergisinde yayımlanan yeni bir araştırma, bu soruya bugüne kadarki en sıra dışı yanıtlardan birini sunuyor. Bilim insanlarına göre yaşam, Dünya’da iki kez ortaya çıktı.
Çalışma, bakteriler ile arkeaların birbirinden bağımsız şekilde oluştuğunu öne sürüyor. Metabolizma yaşamın en önemli ayırt edici özelliği Araştırmanın merkezinde canlılığın temelini oluşturan metabolizmanın nasıl geliştiği yer alıyor. Bilim insanları, bakteri ve arkealarda bulunan en temel metabolik enzimleri inceleyerek bu sistemlerin evrimsel geçmişini yeniden oluşturdu.
Elde edilen bulgular, her iki yaşam kolunun aynı metabolik işlevleri yerine getirmek için farklı enzimler geliştirdiğini gösteriyor. Düsseldorf Heinrich Heine Üniversitesi’nden biyolog William Martin “Yeni veriler tek bir sonuca işaret ediyor. Bakteri ve arkea soyları, serbest yaşam durumuna bağımsız olarak geçiş yaptı.
Bunu açıkça söyleyelim: Karşımızda genetik kodun tek bir kökeni ancak yaşamın iki ayrı kökeni bulunuyor." Bilim insanları için "yaşam" kavramını tanımlamak sanıldığı kadar kolay değil. Genel kabul gören tanıma göre canlılar çevrelerine tepki verir, enerji kullanır, büyür ve çoğalır. Ancak virüsler bu özelliklerin çoğunu taşımasına rağmen geleneksel olarak canlı kabul edilmiyor.
Araştırmacılara göre bunun temel nedeni metabolizma. Metabolizma, canlıların yaşamlarını sürdürebilmek için ihtiyaç duyduğu molekülleri üreten kimyasal reaksiyonların tamamını ifade ediyor. Bu reaksiyonları ise enzim adı verilen proteinler hızlandırıyor.
Burada önemli bir paradoks ortaya çıkıyor. Enzimler de kimyasal süreçlerin ürünü olduğuna göre ilk enzimler henüz yokken metabolizma nasıl başladı? İlk metabolizmayı doğa başlatmış olabilir Bilim insanlarına göre yaşamın ilk örnekleri derin denizlerdeki hidrotermal bacalar gibi kimyasal açıdan son derece aktif ortamlarda ortaya çıktı.
Bu bölgelerde doğal olarak bulunan metallerin, enzimlerden önce kimyasal reaksiyonları hızlandıran ilk katalizörler olduğu tahmin ediliyor. Araştırmacılara göre hidrojen, karbondioksit, amonyak, hidrojen sülfür ve fosfat gibi basit bileşiklerden amino asitler, bazlar ve kofaktörler üreten yaklaşık 400 reaksiyonluk metabolik ağ, tek seferde oluşmuş olamaz. Bunun yerine çevrede kendiliğinden gerçekleşen kimyasal reaksiyonlar üzerinden aşamalı şekilde gelişmiş olmalı.
LUCA'nın metabolizması eksikti Ekip, bakteri ve arkeaların genomlarındaki temel metabolik enzimlerin protein yapılarını inceleyerek bunları karmaşıklık düzeylerine göre sıralayan yeni bir algoritma geliştirdi. Böylece hangi enzimlerin daha önce ortaya çıktığını belirleyerek metabolizmanın evrimsel zaman çizelgesini oluşturdu. Araştırma, tüm günümüz hücrelerinin ortak atası olarak kabul edilen LUCA'nın (Son evrensel ortak ata) metabolik reaksiyonların yalnızca yaklaşık yarısını gerçekleştirebilecek enzimlere sahip olduğunu ortaya koydu.
Geri kalan reaksiyonların ise yaşamın ortaya çıktığı çevrede bulunan metaller tarafından gerçekleştirildiği düşünülüyor. Canlılığa geçiş dört aşamada gerçekleşmiş olabilir Araştırmacılar, kataliz mekanizmasının gelişimini dört temel evrede açıklıyor. İlk aşamada tüm reaksiyonlar çevredeki metaller sayesinde gerçekleşiyordu.
Daha sonra henüz tam anlamıyla canlı sayılmayan proto-hücreler, bu metal katalizörlerin görevini üstlenebilecek ilk enzimleri üretmeye başladı. Zaman içinde daha fazla enzim geliştiren bu yapılar, çevredeki metallere olan bağımlılıklarını giderek azalttı. Ancak tamamen kendi metabolizmasını yürütebilen "serbest yaşayan hücre" aşamasına bakteriler ile arkeaların birbirinden ayrıldıktan sonra ulaşıldığı belirtiliyor.
Araştırmanın ortak yazarlarından biyolog Natalia Mrnjavac, bakteri ve arkeaların atalarının aynı temel metabolik reaksiyonları gerçekleştirmek için birbirinden yapısal olarak farklı enzimleri bağımsız şekilde geliştirdiğini belirtiyor. Araştırmacıya göre bu paralel evrim süreci, her iki yaşam kolunun ayrı ayrı serbest yaşayan canlılara dönüşmesinin önünü açmış olabilir. ATP'den önce enerji nasıl sağlandı?
Çalışma, yaşamın kökenine ilişkin bir başka önemli soruya da yeni bir açıklama getiriyor. Günümüzde metabolizmanın temel enerji kaynağı olan ATP, enzimler tarafından üretiliyor ve prebiyotik kimyada doğal olarak bulunmuyordu. Araştırmacılar bunun yerine hidrotermal bacalarda doğal olarak bulunan fosfit adlı fosfor bileşiğinin önemli bir rol oynayabileceğini belirtiyor.
Organik bileşiklerle birlikte su ortamında reaksiyona sokulan fosfitin, ATP ve enzimler olmadan metabolik reaksiyonları başlatabildiği gösterildi. Çalışmaya göre bu süreçte paladyum da katalizör görevi üstlenerek erken metabolizmanın anlaşılmasını kolaylaştırabilecek yeni bir model sunuyor. Yaşam ağacının yeniden çizilmesi gerekebilir Araştırmanın sonuçları ilerleyen çalışmalarla doğrulanırsa yaşamın evrimini gösteren klasik "yaşam ağacı" modeli de değişebilir.
Günümüzde tüm canlıların ortak atası olan LUCA, ağacın gövdesi olarak kabul ediliyor ve bakterilerden insanlara kadar tüm yaşamın buradan dallandığı düşünülüyor. Ancak yeni çalışma, henüz tam anlamıyla canlı sayılmayan iki ayrı soyun birbirinden bağımsız şekilde serbest yaşayan hücrelere dönüşmüş olabileceğini öne sürüyor. Bu senaryoda yaşam ağacının tek bir gövdesi yerine kök seviyesinde birbirinden ayrılan iki bağımsız gövdesi bulunuyor olabilir.
