·

Abiyogenez kuramı ve hipotezleri

YAZAR:felis agnosticus


Abiyogenez, yaşamın cansız maddelerden doğal fiziksel ve kimyasal süreçlerle nasıl ortaya çıktığını araştıran bilimsel çalışma alanıdır. Bu araştırmalar, erken Dünya koşullarında basit kimyasal bileşiklerden ilk canlı sistemlere uzanan süreçleri anlamaya çalışır. Bu süreçler genel olarak kimyasal evrim kapsamında incelenir.

Abiyogenez, sıklıkla biyolojik evrim teorisi ile karıştırılır. Oysa abiyogenez, cansız maddelerden yaşamın nasıl ortaya çıktığını araştırırken, biyolojik evrim teorisi canlı popülasyonlarının nesiller boyunca nasıl değiştiğini, çeşitlendiğini ve yeni türlerin nasıl oluştuğunu açıklar. Bununla birlikte kendini kopyalayabilen ve kalıtsal farklılıklar gösterebilen kimyasal sistemlerin doğal seçilime uğraması, bu iki alan arasında bir geçiş oluşturur.

Günümüzde yapılan deneyler, yaşamın yapı taşlarını oluşturan çeşitli organik moleküllerin biyolojik süreçler olmadan sentezlenebildiğini ve hücre zarlarına benzeyen yapıların kendiliğinden oluşabildiğini göstermiştir. Ancak cansız maddelerden ilk canlı sistemlere uzanan sürecin bütün aşamaları henüz açıklanamamıştır. Yaşamın ne zaman, nerede ve hangi aşamalardan geçerek ortaya çıktığı konusunda farklı bilimsel hipotezler bulunmaktadır. Bunların bazıları organik moleküllerin oluşumuna, bazıları metabolizmanın veya kendini kopyalayabilen moleküllerin kökenine, bazıları da ilk hücresel yapıların ortaya çıkışına odaklanır.

Konuyla ilgili kısa bir videolu anlatıma ulaşmak için bkz. Yeni Başlayanlar İçin Yaşamın Kökeni

Spontan jenerasyondan abiyogeneze:

Bazı canlıların cansız maddelerden kendiliğinden oluştuğunu savunan spontan jenerasyon (kendiliğinden oluşum) görüşü, özellikle Aristoteles’in düşünceleriyle yüzyıllar boyunca yaygınlığını korudu. Örneğin sineklerin çürüyen etten, farelerin ise kirli saman ve tahıldan oluşabildiği düşünülüyordu. Bu görüş, günümüzdeki abiyogenez hipotezlerinden farklı olarak, karmaşık canlıların uygun koşullarda doğrudan cansız maddelerden oluşabileceğini savunuyordu.

17. yüzyılda yapılan deneyler bu düşünceyi sorgulamaya başladı. Francesco Redi, 1668’de gerçekleştirdiği deneyde, sineklerin ulaşamadığı etlerde kurtçuk oluşmadığını gösterdi. Mikroskobun gelişmesiyle mikroorganizmaların keşfedilmesi, tartışmaya yeni bir boyut kazandırdı. Lazzaro Spallanzani, 18. yüzyılda kaynatılarak sterilize edilen besleyici sıvılarda, dışarıdan mikroorganizma bulaşması engellendiğinde mikrobiyal çoğalma görülmediğini ortaya koydu.

Resim: Francesco Redi’nin yürüttüğü deney

Spontan jenerasyon düşüncesine en güçlü darbeyi Louis Pasteur indirdi. 1861’de yayımladığı çalışmalarıyla, mikroorganizmaların besin içeren steril sıvılarda kendiliğinden oluşmadığını gösterdi. Deneylerde kullandığı kuğu boyunlu şişeler havanın girişine izin verirken, havada taşınan mikroorganizmaların sıvıya ulaşmasını engelliyordu. Bu deneyler sonucunda, canlıların mevcut koşullarda kendiliğinden oluştuğu görüşü bilimsel dayanağını kaybetti ve canlıların önceden var olan canlılardan türediğini öngören biyogenez ilkesi güç kazandı. Ancak bu deneyler, milyarlarca yıl önceki Dünya koşullarında ilk yaşamın nasıl ortaya çıktığı sorusunu yanıtlamıyordu.

Darwin’den modern abiyogenez araştırmalarına:

Charles Darwin, 1871’de J. D. Hooker’a yazdığı mektupta, yaşamın kökenine ilişkin önemli bir düşünce ortaya attı. Amonyak, fosfat tuzları ve çeşitli enerji kaynaklarının bulunduğu ılık bir su birikintisinde, basit maddelerden daha karmaşık organik bileşiklerin oluşmuş olabileceğini öne sürdü. Darwin’e göre günümüzde böyle bir bileşik oluşsa bile mevcut canlılar tarafından tüketilebilir veya parçalanabilirdi. Ancak yaşamın henüz bulunmadığı erken Dünya koşullarında bu bileşikler birikerek daha karmaşık yapılara dönüşebilirdi.

20. yüzyılda Aleksandr Oparin (1924) ve J. B. S. Haldane (1929), birbirlerinden bağımsız olarak yaşamın kimyasal evrim sonucunda ortaya çıkmış olabileceğini savundular. Bu yaklaşım, ilkel çorba hipotezinin temelini oluşturdu.

Yaşam ne zaman ve hangi koşullarda ortaya çıktı?

Gezegenimiz yaklaşık 4,54 milyar yıl (Ga) önce oluştu. Bkz. Yeni başlayanlar için Dünyanın yaşı. İlk dönemlerinde yüksek sıcaklıklar, yoğun volkanik faaliyetler ve gök cisimlerinin çarpışmaları gezegenin yüzey koşullarını etkiliyordu. Zamanla yüzeyin soğumasıyla yer kabuğu ve sıvı suyun bulunabildiği ortamlar oluşmaya başladı. Avustralya’da keşfedilen eski zirkon kristalleri, Dünyada 4,4 Ga önce bile sıvı su bulunmuş olabileceğine işaret etmektedir.

Erken Dünya atmosferi günümüzdekinden oldukça farklıydı. Atmosferin büyük ölçüde karbondioksit, azot ve su buharı içerdiği, serbest oksijenin ise çok düşük düzeylerde bulunduğu düşünülmektedir. Volkanik gazlar, yıldırımlar, Güneşten gelen morötesi ışınlar ve hidrotermal sistemler, organik moleküllerin oluşmasını sağlayabilecek enerji ve kimyasal maddeler sunuyordu.

Bu koşullarda yaşamın tam olarak ne zaman ortaya çıktığı bilinmemektedir. En eski yaşam kanıtlarından bazıları yaklaşık 3,5 Ga öncesine tarihlendirilmektedir. Avustralya’daki Pilbara bölgesinde bulunan 3,48 Ga yaşındaki kayaçlarda, mikrobiyal faaliyetlerle ilişkilendirilen stromatolitler ve başka biyolojik izler belirlenmiştir. Grönland’daki yaklaşık 3,7 Ga yaşındaki kayaçlarda ve daha eski bazı oluşumlarda da yaşamın izleri olabileceği öne sürülmüştür. Kanada’daki eski hidrotermal baca kalıntılarında keşfedilen ve 3,77–4,28 Ga yaşında olduğu öne sürülen mikrofosiller de yaşamın çok daha eskiye uzanabileceğine işaret etmektedir. Ancak daha eski tarihlere işaret eden bu bulguların bir kısmının biyolojik kökeni tartışmalıdır.

İlk canlı ve LUCA:

Yaşamın kökeni araştırmalarında önemli bir kavram da, günümüzde yaşayan bütün hücresel canlıların Son Evrensel Ortak Atasını simgeleyen LUCA’dır (Last Universal Common Ancestor). Ancak LUCA ilk canlı değildir; yaşamın ortaya çıkışından sonra gerçekleşen evrimsel süreçlerin bir ürünüdür.

Resim: Güncel bulguların desteklediği 2 dallı yaşam ağacı. LUCA, bakterilerle arkelerin ayrıldığı kökte yer alırken, ökaryotlar arke soyunun içinde gösterilmiştir.

2024’te yayımlanan bir araştırmada, genetik veriler ve moleküler saat analizleri kullanılarak LUCA’nın yaklaşık 4,2 Ga önce yaşamış olabileceği hesaplanmıştır. Kesin olmayan bu tarih, kullanılan yöntemlere ve varsayımlara bağlı bir tahmindir. Araştırma ayrıca LUCA’nın sanılandan daha karmaşık bir hücresel organizma olabileceğini ve başka mikroorganizmaların da bulunduğu bir ekosistemde yaşamış olabileceğini öne sürmektedir. Dolayısıyla yaşamın ortaya çıkışı, elimizdeki en eski fosillerden ve LUCA’dan daha eskiye uzanıyor olabilir.

Cansız maddelerden organik moleküllere:

Prebiyotik kimya, yaşamın ortaya çıkmasından önce gerçekleşmiş olabilecek kimyasal süreçleri araştırır. Bu alandaki deneyler, amino asitler ve nükleotitler gibi yaşamın temel yapı taşlarının biyolojik süreçler olmadan nasıl oluşabileceğine ışık tutmaktadır.

Miller-Urey deneyi:

Bu konudaki en önemli çalışmalardan biri, 1953’te Stanley Miller tarafından, Harold Urey’in danışmanlığında gerçekleştirilen Miller-Urey deneyidir. Miller, erken Dünya atmosferini temsil ettiği düşünülen metan, amonyak, hidrojen ve su buharından oluşan bir gaz karışımına elektrik kıvılcımları uyguladı. Deney sonucunda, aralarında glisin ve alaninin de bulunduğu çeşitli amino asitler oluştu.

Bu sonuç, organik moleküllerin biyolojik süreçler olmadan oluşabileceğini gösterdi. Ancak günümüzde erken Dünya atmosferinin Miller’ın kullandığı gaz karışımından farklı olduğu düşünülmektedir. Buna rağmen sonraki araştırmalar, farklı atmosfer koşullarında ve özellikle volkanik ortamlarda da organik moleküllerin sentezlenebildiğini göstermiştir. Deneyin ayrıntıları ve bilimsel önemi hakkında bilgi almak için tıklayın.

Resim: Miller-Urey deneyinin düzeneği. Erken Dünya koşullarını taklit eden kapalı sistemde, gaz karışımına uygulanan elektrik boşalmaları sonucunda amino asitler gibi organik bileşiklerin oluşumu gösterilmiştir.

Diğer önemli deneyler:

Miller’ın çalışmalarını izleyen yıllarda, yaşamın diğer yapı taşlarının da cansız maddelerden sentezlenip sentezlenemeyeceği araştırıldı.

Juan Oró, 1960’ta hidrojen siyanür ve amonyak içeren çözeltilerden, DNA ve RNA’nın yapısında bulunan nükleobazlardan biri olan adenini sentezledi. Bu çalışma, yalnızca amino asitlerin değil, genetik materyalin bileşenlerinin de biyolojik süreçler olmadan oluşabileceğini gösterdi.

Sidney Fox, amino asitleri yüksek sıcaklıklarda ısıtarak peptit bağları içeren ve proteinoit adı verilen polimerler elde etti. Bu maddeler suyla temas ettiklerinde mikroküreler oluşturabiliyordu. Fox’un deneyleri, basit organik moleküllerin daha karmaşık yapılara dönüşebileceğini göstermesi bakımından önemliydi. Ancak bu mikroküreler canlı hücreler değildi.

Yaşam nerede ve nasıl ortaya çıktı?

İlk yaşamın oluşabileceği ortamlar arasında sığ su birikintileri, volkanik sıcak su kaynakları ve okyanus tabanındaki hidrotermal bacalar bulunmaktadır. Bu ortamların ve ilk biyokimyasal süreçlerin yaşamın kökenindeki olası rollerini açıklayan başlıca hipotezleri iki grupta inceleyebiliriz.

A) Yaşamın oluşabileceği ortamlar:

1. İlkel çorba hipotezi
2. Hidrotermal baca hipotezi
3. Sığ su birikintileri ve ıslanma-kuruma döngüleri
4. Buzlu ortam modelleri

B) İlk biyokimyasal sistemlerin kökeni:

1. RNA dünyası hipotezi
2. Önce metabolizma ve demir-kükürt dünyası hipotezi
3. Lipit dünyası ve protosel modelleri
4. Otokatalitik ağlar
5. Kil ve diğer mineral temelli modeller

Bu yaklaşımlar birbirini dışlamak zorunda değildir; yaşamın ortaya çıkışındaki farklı aşamaları açıklayarak birbirini tamamlayabilir.

1. İlkel çorba hipotezi:

Oparin ve Haldane tarafından geliştirilen bu hipoteze göre, erken Dünya atmosferindeki basit maddelerden çeşitli enerji kaynaklarının etkisiyle organik moleküller oluşmuş ve bunlar okyanuslarda birikerek ilkel çorba adı verilen kimyasal karışımı meydana getirmiş olabilir. Zamanla bu moleküllerin birbirleriyle tepkimeye girerek daha karmaşık yapılara ve ilk canlı sistemlerin öncüllerine dönüşmüş olabileceği öne sürülmektedir. Ancak organik moleküllerin geniş su kütlelerinde seyrelmesi, hipotezin önemli sorunlarından biridir.

Resim: Erken Dünya koşullarında organik moleküllerin oluşumunu ve ilkel çorbanın ortaya çıkışını gösteren temsili görsel

2. Hidrotermal baca hipotezi:

Okyanus tabanındaki hidrotermal bacalar, mineral bakımından zengin ve sürekli kimyasal enerji sağlayan ortamlardır. Özellikle alkali hidrotermal bacalar, yaşamın kökeni açısından önemlidir. Bu ortamlarda suyun kayaçlarla tepkimeye girmesiyle gerçekleşen serpantinleşme, hidrojen açığa çıkararak organik moleküllerin oluşumuna katkıda bulunabilir. Bacaların gözenekli mineral yapıları moleküllerin birikmesini sağlarken, alkali sıvılarla deniz suyu arasındaki proton gradyanları da ilk metabolik süreçler için enerji kaynağı oluşturmuş olabilir.

Resim: Atlas Okyanusundaki Lost City hidrotermal alanında bulunan Poseidon adı verilen alkali hidrotermal bacanın aktif karbonat yapıları. Kaynak: NOAA Photo Library, 2005 (CC BY 2.0).

3. Sığ su birikintileri ve ıslanma-kuruma döngüleri:

Sığ su birikintilerinde tekrarlanan buharlaşma ve yeniden suyla dolma süreçleri, organik moleküllerin yoğunlaşmasını ve birleşerek daha uzun zincirler oluşturmasını kolaylaştırmış olabilir. Bu tür polimerleşme tepkimeleri deneysel olarak gösterilmiştir.

4. Buzlu ortam modelleri:

Buz oluşurken çözünmüş organik maddeler, donmamış küçük sıvı bölgelerde yoğunlaşabilir. Düşük sıcaklıklar bazı moleküllerin parçalanmasını da yavaşlatabilir. Deneyler, bu koşullarda belirli RNA tepkimelerinin gerçekleşebildiğini göstermiştir.

1. RNA dünyası hipotezi:

Bu hipoteze göre, DNA ve proteinlerden önce RNA hem genetik bilgiyi taşıyan hem de kimyasal tepkimeleri katalize eden temel molekül olmuş olabilir. Hipotezin en güçlü dayanaklarından biri, ribozim adı verilen katalitik RNA moleküllerinin varlığıdır. Günümüzde ribozomlarda protein sentezi sırasında peptit bağlarının oluşmasını da RNA katalize eder. 2024’te yapılan bir deneyde, laboratuvarda geliştirilmiş bir RNA riboziminin başka bir işlevsel RNA’yı kopyalayabildiği ve onun evrimleşmesini sağlayabildiği gösterilmiştir. Ancak ilk RNA moleküllerinin nasıl oluştuğu ve protein enzimleri olmadan sürdürülebilir biçimde nasıl çoğaldıkları henüz açıklanamamıştır.

2. Önce metabolizma ve demir-kükürt dünyası hipotezi:

Bu hipotez, kendini kopyalayabilen genetik moleküllerden önce basit metabolik tepkime ağlarının oluştuğunu öne sürmektedir. Bu yaklaşımı geliştiren Günter Wächtershäuser’a göre, hidrotermal ortamlardaki demir ve nikel sülfür mineralleri, karbondioksitten organik bileşiklerin oluşumunu katalize etmiş olabilir. Bu tür tepkimeler deneysel olarak gösterilmiştir. Günümüzde bazı temel metabolik enzimlerin demir-kükürt kümeleri içermesi de bu hipotezi desteklemektedir. Ancak bu tepkimelerin, kendi kendini sürdürebilen ve kalıtsal özellikler kazanabilen sistemlere nasıl dönüştüğü henüz açıklanamamıştır.

3. Lipit dünyası ve protosel modelleri:

Bu hipoteze göre, yağ asitleri gibi basit lipitlerin sulu ortamlarda kendiliğinden bir araya gelerek oluşturduğu zar yapıları, ilk hücresel sistemlerin temelini oluşturmuş olabilir. Protosel adı verilen bu ilkel hücre benzeri yapılar, organik molekülleri içlerinde tutarak kimyasal tepkimelerin gerçekleşmesine uygun ortamlar sağlayabilir.

Resim: Yağ asidi moleküllerinden protosel oluşumunu, büyümesini ve bölünmesini gösteren temsili görsel

2003’te yapılan laboratuvar deneylerinde, yağ asitlerinden oluşan keseciklerin organik molekülleri içlerinde tutabildiği, büyüyebildiği ve bölünebildiği gösterildi. 2009’da yapılan başka bir araştırmada, bu keseciklerin yağ asidi eklenmesiyle büyüyebildiği ve hafif mekanik kuvvetlerin etkisiyle bölünerek içlerindeki RNA moleküllerini yeni keseciklere aktarabildiği ortaya kondu.

4. Otokatalitik ağlar:

Bu hipoteze göre, bazı moleküllerin birbirlerinin oluşumunu hızlandırdığı kimyasal tepkime ağları, yaşamın başlangıcında önemli bir rol oynamış olabilir. Otokatalitik ağlar adı verilen bu sistemlerde, tepkimelerin ürünleri başka tepkimeleri katalize ederek ağın devamlılığını sağlar. Laboratuvar deneylerinde, biyolojik enzimler olmadan işleyebilen otokatalitik sistemler oluşturulmuştur. Ancak bu sistemlerin nasıl kalıtım ve doğal seçilim özellikleri kazandığı henüz tam olarak açıklanamamıştır.

5. Kil ve diğer mineral temelli modeller:

Kil ve diğer mineral yüzeyleri, organik moleküllerin birikmesini, birleşmesini ve daha karmaşık yapılara dönüşmesini kolaylaştırmış olabilir. Bu yaklaşımlardan biri olan Graham Cairns-Smith’in kil hipotezine göre, yapısal özelliklerini yeni kristallere aktararak çoğalabilen kil mineralleri, RNA gibi genetik moleküllerden önce ilkel bir kalıtım sistemi oluşturmuş olabilir. Diğer mineral temelli modellerde, özellikle metal sülfür ve çinko sülfür gibi minerallerin kimyasal tepkimeleri katalize edebileceği üzerinde durulmaktadır. Deneyler, bazı kil minerallerinin RNA zincirlerinin oluşumunu kolaylaştırabildiğini göstermiştir. Ancak mineral temelli sistemlerden genetik kalıtıma geçiş henüz açıklanamamıştır.

Dünya dışı organik moleküller ve panspermi hipotezi:

Yaşamın yapı taşlarının tamamının Dünya üzerinde oluşmuş olması gerekmeyebilir. Göktaşları, kuyruklu yıldızlar ve gezegenler arası toz parçacıkları, gezegenimize organik maddeler taşımış olabilir. Nitekim bu moleküllerin uzayda da oluşabildiği çeşitli araştırmalarla gösterilmiştir. Örneğin 1969’da Avustralya’ya düşen Murchison göktaşında çok sayıda amino asit ve başka organik bileşik keşfedilmiştir. Bkz. Canlı moleküllerin cansız süreçlerle üremesi. NASA’nın OSIRIS-REx göreviyle Bennu asteroidinden getirilen örneklerde de amino asitlerin yanı sıra DNA ve RNA’da bulunan beş nükleobazın tamamı tespit edilmiştir.

Panspermi (panspermia) hipotezi, organik moleküllerin değil, yaşamın bizzat kendisinin Dünya dışında ortaya çıkarak gök cisimleri aracılığıyla gezegenimize taşınmış olabileceğini öne sürer. Bu olasılığı araştıran deneylerde, bazı mikroorganizmaların ve sporların uzay koşullarına belirli sürelerle dayanabildiği gösterilmiştir. Bkz. Kıyametin süper canlıları.

Ancak organik moleküllerin uzayda bulunması ve bazı mikroorganizmaların bu koşullara dayanabilmesi, Dünya dışında yaşamın var olduğunu veya canlıların gezegenimize uzaydan geldiğini kanıtlamaz. Bkz. Yaşam kaçınılmaz mı, yoksa sadece bir tesadüf mü? Dahası böyle bir taşınma gerçekleşmiş olsa bile yaşamın ilk kez nasıl ortaya çıktığı sorusu yanıtsız kalır.

Yanıt bekleyen sorular:

Yaşamın kökenine ilişkin araştırmalarda önemli ilerlemeler kaydedilmesine rağmen, bazı temel sorular henüz yanıtlanamamıştır: İlk genetik moleküller nasıl oluşmuş ve kendilerini nasıl kopyalamaya başlamıştır? Basit kimyasal tepkimeler, kendi kendini sürdürebilen metabolik sistemlere nasıl dönüşmüştür? Kalıtım, metabolizma ve hücresel bölünme özellikleri ilk kez nasıl bir araya gelmiştir? Bir başka önemli soru da, kimyasal evrimden biyolojik evrime geçişin hangi aşamada gerçekleştiğidir. İlk sistemlerin ne zaman doğal seçilime uğrayabilecek özellikler kazandığı ve bu süreçlerin aynı ortamda mı, yoksa farklı koşullarda mı gerçekleştiği araştırılmaktadır.

Farklı hipotezleri bir araya getiren güncel araştırmalar, bu soruların yanıtlarına ulaşmak için yeni olanaklar sunmaktadır. Henüz yaşamın kökenini bütün aşamalarıyla açıklayan bir model bulunmasa da deneysel gelişmeler, cansız maddelerden canlı sistemlere geçişin giderek daha iyi anlaşılmasını sağlamaktadır.

Kaynaklar:

PAYLAŞ
Keşfet