Hydrothermal vents spewing white clouds of hydrothermal fluids in a sulfur- encrusted area. Bubbles of CO2 can be seen in the image. Near NW Eifuku volcano. 2006 NOAA Ring of Fire Expedition.
İlk yaşam formunun besin kaynağının ne olduğu, bilim insanlarının uzun süredir merak ettiği bir soruydu. Cevaba dair bir kanıt bulunmuş olabilir.
Yaşamın kökeniyle ilgilenen araştırmacılar, birtakım paradokslarla karşılaşır. Bir örnek verelim: Bilinen her organizma, hücrelerimizin yapı taşlarını inşa etmek için bir dizi protein ve onu inşa etmeye yardımcı olan DNA’yı kullanır. Ancak DNA ve proteinleri oluşturmak için de hücrenin yapı taşlarına ihtiyaç vardır. Buna bir çeşit “yumurta mı tavuktan yoksa tavuk mu yumurtadan çıkar?” paradoksu diyebiliriz.
Araştırmacılar, söz konusu “tavuk-yumurta” paradoksunun çözümünün, hidrotermal menfezlerde, yani deniz tabanındaki sıcak suyu yayan ve diğer birçok kimyasal maddeyi parçalayan çatlaklarda yattığını bildiriyor.
Bilim insanları, bu menfezlerdeki çatlakların etrafında bol miktarda bulunan üç metal bileşiğinin, hidrojen gazı ve karbondioksitle (CO2) reaksiyona girmiş olabileceğini söylüyor. Bu etkileşimin nedeni ise hücre büyümesi için kritik olan enerji açısından zengin organik bileşikleri bir araya getirmek. Ekip, hava deliklerinin etrafındaki yüksek sıcaklık ve basıncın, gezegenimizdeki yaşamı başlatmış olabileceğini savunuyor.
Çalışmaya dahil olmayan Münih’teki Ludwig Maximilian Üniversitesi’nden yaşam bilimci kimyager Thomas Carell, yeni çalışmayı “heyecan verici” bulduğunu söylüyor. Zira çalışmanın ortaya çıkardığı organik moleküller arasında Carell’ın “enerji metabolizmasının en temel molekülleri” olarak adlandırdığı asetat ve piruvat da bulunuyor; bunlar besin maddelerini hücre büyümesine dönüştürme sürecini oluşturan etkenler olarak biliniyor.
İlk metabolizma nasıl oluştu?
Yeni sonuçlar, “ilk metabolizma hipotezi” olarak bilinen, yaşamın kökeni hakkında uzun zamandır devam eden bir fikri destekliyor. Bu görüş, yaşamın erken evrelerindeki jeokimyasal süreçlerin, karmaşık moleküllerin sentezini sağlayan, “basit enerji açısından zengin bileşikleri yarattığını” öne sürüyor ki bu sürecin sonunda Darwinci evrim ve yaşam için gerekli materyaller sağlanmış oluyor.
Bu ilkel metabolizmaya dair başka bir ipucu ise 2016’da gelmişti. Düsseldorf’daki Heinrich Heine Üniversitesi’nden evrimsel biyolog William Martin liderliğindeki araştırmacılar, binlerce bakteri ve arkanın genomlarını taramış ve muhtemelen bir mikrobik ataya ait paylaşılan genlerin kodlandığı 355 proteini tespit etmişti. Bu proteinler de kaynama sıcaklıklarında gelişen ve hidrojen gazı “yiyen” bu ilkel mikrobun, okyanusta çözünen inorganik karbondioksiti, enerji açısından zengin organik bileşiklere dönüştürmek için elektronlarını kullanarak çoğaldığını gösteriyor. Bu da mikropların, bu koşulların mevcut olduğu hidrotermal menfezlerin yakınında yaşamış olabileceği fikrini destekliyor.
Bu fikir, modern organizmaların hidrojen ve karbondioksiti, “asetil-koenzim A (asetil-CoA) yolu” olarak bilinen bir işlem sayesinde organik moleküller oluşturmak için birleştirmesi gerçeğiyle destekleniyor. Bu işlem, temel organik molekülleri, hücrelerdeki enerji metabolizmasının merkezinde yer alan protein, karbonhidrat ve lipitlerin üretimini sağlayan biyokimyasal süreçlerle besliyor. Ancak ortada bir sorun var; modern organizmalar, asetil-CoA yolunu, çok iyi bir biçimde konumlandırılmış 15.000 amino asitten oluşan 11 enzim kullanarak çalıştırıyor. Duruma açıklık getiren Martin, “doğru protein mekanizmaları veya katalizör olmadan hidrojen ve karbondioksiti bir araya getirirseniz hiçbir şey olmaz,” diyor.
Peki o halde organizmalar, asetil-CoA yolunu sürdürme konusundaki yeteneklerini kendiliğinden nasıl geliştirebildi? İki yıl önce, Strazburg Üniversitesi’nden kimyager Joseph Moran liderliğindeki araştırmacılar, en azından kısmi bir cevap önermişti: Demir, nikel ve kobalt dahil saf metallerin, asetil-CoA yolunun kilit üyeleri olan asetat ve piruvat oluşturmak için su (su molekülleri hidrojen içerir) ve karbondioksit reaksiyonunu katalize edebileceğini bildirmişti. Bu bulgu, en erken yaşamın, bir organik madde elde etmek için organik bileşiklerden beslenebileceğini ve zamanla reaksiyonları daha da verimli hale getirmek için bir dizi protein geliştirdiğini gösteriyor.
O ve meslektaşları, su ve Dünya’nın kabuğunun derinliklerindeki metaller arasındaki reaksiyonların sonucu olarak hidrotermal menfezlerin sürekli hidrojen gazı yaydığını biliyorlardı. Araştırmacılar daha önce, erken Dünya okyanuslarında bulunan karbondioksitin bugünkünden yaklaşık 1000 kat daha fazla olduğunu da belirlemişti. Ardından Martin ve ekibi, hidrotermal menfezlerin çevresinde yaygın olan metal açısından zengin minerallerin, hidrojen ve karbondioksitle reaksiyona girmesine neden olup olamayacağını merak etti.
İki ekip güçlerini birleştirdi
Öğrenmek için Martin’in ve Moran’ın ekipleri menfezlerdeki deliklerin yakınında bulunan demir açısından zengin üç minerali araştırmak için güçlerini birleştirdi. Bunları bir su çözeltisine eklediler, ardından 100° C ve 25 bar basınçta hidrojen ve karbondioksit içinde kaynattılar ki bu, derin deniz menfezleri çevresinde yaygın koşullar anlamına geliyordu.
Her üç mineral de hidrojen ve karbondioksit reaksiyonunu katalize ederek format, asetat ve piruvat gibi organik maddelerin bir karışımını oluşturuyordu. Grup, bu bulguyu Nature Ecology & Evolution’da yayımladı. Martin, bu çalışmada öğrendikleri şeyin, sürekli bir kimyasal enerji kaynağı olduğunu ve bunun, metabolizmada kullanılan enerji açısından zengin molekülleri ürettiğini belirtiyor.
Öyleyse, organik yaşamın ilk “yemeği” budur diyebilir miyiz? Uygulamalı Moleküler Evrim Birliği’nden kimyager Steven Benner, bunun mümkün olduğunu söylüyor. Yaşam, evrimin başlaması için bir organizmanın ardıllarına bilgi aktarmak için hem bir gıda kaynağına hem de bir çeşit protojen molekülüne ihtiyaç duyacaktı. Nasıl bir araya geldikleri ise halen belirsiz. Ancak, erken dönemdeki herhangi bir Darwinci sistemin beslenmesi gerekiyordu. Ve Benner şöyle diyor: “Martin’in ve Moran’ın ekipleri tarafından tanımlanan süreç kesinlikle besinlerinin bir kısmı olabilir.”
