Dünya’da yaşam iki kez mi ortaya çıktı? Yeni araştırma LUCA’nın rolünü yeniden tartışmaya açıyor

Çalışmanın en dikkat çekici iddiası ise bakterilerin ve arkelerin, ortak bir genetik mirastan ayrıldıktan sonra bağımsız biçimde özgür yaşayan hücrelere dönüşmüş olabileceği. Araştırmanın kıdemli yazarı William Martin bunu şöyle özetliyor: “Genetik kodun tek bir kökenine, ancak yaşamın iki kökenine bakıyoruz” .

LUCA neden tam anlamıyla canlı olmayabilir?

Geleneksel yaşam ağacı tasvirlerinde LUCA, tüm canlıların kökünde yer alan tek bir organizma olarak gösterilir. Yeni çalışma ise LUCA’yı, modern anlamda kendi kendine yeten bir hücreden ziyade, hidrotermal bacaların zengin kimyasal ortamında varlığını sürdüren daha ilkel bir sistem olarak ele alıyor.

Araştırmacılar, bakterilerin ve arkelerin başlıca gruplarından alınan genomları karşılaştırdı. Amaç, amino asitler, RNA bazları ve yardımcı moleküller üretmek için gereken temel metabolik tepkimeleri katalizleyen enzimlerin ne zaman ortaya çıktığını izlemekti. Bu tepkimeler; hidrojen, karbondioksit, amonyak ve fosfat gibi basit maddelerden daha karmaşık biyolojik yapı taşlarının üretilmesini sağlıyor .

Sonuçlara göre LUCA, incelenen yaklaşık 420 temel metabolik tepkimenin yalnızca yarısını enzimlerle gerçekleştirebiliyordu. Geri kalan tepkimelerde katalizör görevi görenler enzimler değil, hidrotermal baca ortamında doğal olarak bulunan metallerdi .

Bu durum, LUCA’nın metabolizmasını çevresinden bağımsız olarak sürdüremediğini gösteriyor. Başka bir deyişle LUCA, yaşamın genetik altyapısının ortak atası olabilir; ancak kendi başına yaşayan, tamamen özerk bir hücre olmayabilir.

Martin’in Scientific American’a yaptığı açıklamaya göre şaşırtıcı nokta, söz konusu tepkimeleri katalizleyen enzimlerin bakteriler ile arkeleri birbirinden ayıran evrimsel bölünmenin iki tarafında korunmamış olması .

Metabolizma dört aşamada nasıl şekillenmiş olabilir?

Araştırmacılar, cansız kimyadan modern hücresel metabolizmaya geçişi dört aşamalı bir süreç olarak yeniden kurdu :

1. Yalnızca metallerin rol oynadığı dönem: İlk aşamada basit metabolik tepkimeleri tamamen inorganik metaller katalizliyordu.
2. Metal-enzim geçiş dönemi: LUCA, bazı ilkel enzimlere sahipti; ancak temel tepkimelerin önemli bir bölümü için hâlâ çevresindeki metallere ihtiyaç duyuyordu.
3. Soyların ayrışması: Bakterilerin ve arkelerin ataları birbirinden ayrılmaya başladı. Her iki soy, LUCA’nın kısmi enzim setinin bir bölümünü miras aldı.
4. Enzimlerin bağımsız evrimi: Bakteriler ve arkeler, eksik metal katalizörlerin yerini almak üzere yeni ve yapısal olarak farklı enzimler geliştirdi. Böylece iki soy, aynı metabolik sorunları farklı biyokimyasal çözümlerle aşmış oldu.

Bu bulguların kilit noktası burada yatıyor: Bakteriler ve arkeler aynı metabolik görevleri yerine getiren enzimleri ortak bir atadan miras almış görünmüyor. Bunun yerine, benzer işlevleri bağımsız olarak geliştirmiş olabilirler. Bu da iki grubun özgür yaşayan, kendi kendine yeten hücrelere geçişi ayrı ayrı tamamladığı fikrini destekliyor .

ATP’den önce ilk metabolizmaya enerji ne sağladı?

Günümüz hücreleri enerji aktarımında çoğunlukla ATP’yi, yani adenozin trifosfatı kullanır. Ancak ATP karmaşık bir moleküldür ve onu üreten sistemler enzimlere ihtiyaç duyar. Dolayısıyla enzimlerin ve modern hücrelerin henüz bulunmadığı erken Dünya’da ilk metabolik tepkimelerin nasıl enerji kazandığı önemli bir soru olarak kalıyor.

Çalışma, bu noktada fosfit adı verilen bir fosfor bileşiğine işaret ediyor. Hidrotermal bacalarda bulunabilen fosfit, doğal olarak oluşan paladyum metali tarafından katalizlenen tepkimelerde organik bileşiklerle etkileşime girebilir. Bu kimyasal sistem, sulu ortamda fosfor aktarımına dayalı metabolik tepkimeleri harekete geçirmiş olabilir .

Bu model doğruysa, enzimler ve ATP ortaya çıkmadan önce çevresel metaller ile fosfit, erken metabolizmanın enerji ve kataliz ihtiyacını kısmen karşılamış olabilir. Böyle bir süreç, jeokimyadan biyokimyaya geçiş için olası bir ara basamak sunuyor.

Yaşam ağacı tek gövdeli olmayabilir

Klasik yaşam ağacı modelinde LUCA, tüm canlı soylarının ayrıldığı tek gövdenin tabanında yer alır. Yeni araştırmanın önerdiği tablo ise daha çok ortak bir kimyasal temelden yükselen iki gövdeli bir yapıya benziyor .

• Genetik kodun kökeni bir: Bakteriler, arkeler ve diğer canlı grupları aynı temel DNA, RNA ve protein üretim mekanizmasını LUCA’dan miras almış olabilir.
• Özgür yaşayan hücrelerin ortaya çıkışı iki aşamalı: Cansız kimyadan özerk, kendi metabolizmasını sürdürebilen hücrelere geçiş bakterilerde ve arkelerde bağımsız olarak gerçekleşmiş olabilir.

Bu nedenle çalışma, “Dünya’da yaşam kesin olarak iki kez başladı” iddiasından çok, özgür yaşayan hücresel yaşamın iki ayrı evrimsel hatta ortaya çıkmış olabileceğini savunuyor. Araştırmacılar, bakteriyel ve arkeal soyların özgür yaşama bağımsız biçimde geçtiği sonucunun mevcut verilerle en güçlü açıklama olduğunu belirtiyor .

Dünya dışı yaşam arayışı açısından ne anlama geliyor?

Eğer cansız kimyadan özgür yaşayan hücrelere geçiş Dünya’da birden fazla kez gerçekleşebildiyse, bu geçişin sanılandan daha ulaşılabilir bir süreç olduğu düşünülebilir. Bu ihtimal, yaşamın uygun koşullar oluştuğunda tekrar tekrar ortaya çıkabileceği fikrini güçlendirebilir.

Ancak bunun tersi de mümkün. Yaşamın ortaya çıkışı, demir, nikel, kobalt, fosfit ve paladyum gibi maddelerin bir araya geldiği hidrotermal baca ortamları gibi çok özel koşullara bağlı olabilir . Bu nedenle bulgular, başka gezegenlerde yaşam ararken yalnızca suyu değil, belirli jeokimyasal ortamları ve metal bakımından zengin sistemleri de incelemenin önemini gündeme getiriyor.

Çalışmanın sınırları neler?

Araştırma dikkat çekici olsa da sonuçları kesin bir kanıt olarak değerlendirilmemeli. Analiz, bakterilere ait genom verilerine büyük ölçüde dayanıyor; arke genomları ise daha sınırlı ve eksik örneklenmiş durumda. Bu dengesizlik, ulaşılan sonuçları etkileyebilir .

Ayrıca fosfit ve paladyumun erken metabolizmadaki rolü şimdilik makul bir kimyasal model niteliğinde. Bu maddelerin gerçekten milyarlarca yıl önce yaşamın ilk metabolik ağında aynı işlevi gördüğünü gösteren doğrudan bir kanıt bulunmuyor. Metal katalizli tepkimelerden enzim temelli metabolizmaya uzanan sürecin tamamını laboratuvarda sentetik bir sistemle gösteren deneyler de henüz yapılmış değil.

Yine de çalışma, yaşamın en eski metabolik ağının nasıl kurulmuş olabileceğine ilişkin şimdiye kadarki en ayrıntılı modellerden birini sunuyor. Bulgular, yaşamın başlangıcının düz bir çizgiden çok; çevresel metallerin, ilkel kimyanın ve birbirinden bağımsız evrimsel çözümlerin iç içe geçtiği daha karmaşık bir süreç olabileceğini gösteriyor.