ARKELER: Takdir edilesi şampiyonlar

YAZAR:felis agnosticus

(Son güncelleme 2026)

Gezegenimizdeki yaşamın evrimini öğrenmeye başlayan herkes aşağıdaki şekille en az bir kez karşılaşmıştır. Canlıları Ökaryotlar, Bakteriler ve Arkeler olarak 3 üst âleme ayıran köklü filogenetik yaşam ağacına bakarak gezegenimizdeki canlılar arasındaki evrimsel ilişkileri izleyebiliriz. Ancak yeni bulguların ışığında yaşam ağacı da güncellenmiş, ökaryotları arke soyunun içinde gösteren 2 temel dallı model güçlü destek kazanmıştır.

Resim: 3 üst âlem modelini gösteren köklü filogenetik yaşam ağacı

Resim: Güncel bulguların desteklediği 2 temel dallı yaşam ağacı ve ökaryotların kökenindeki ortak yaşam ilişkisi. LECA (Son Ökaryotik Ortak Ata), günümüzde yaşayan tüm ökaryotların ortak atası kabul edilir. Ökaryotlar, arke soyunun içinde gösterilmiştir. Asgard grubundan bir arke ile mitokondrinin atasını oluşturan bir bakteri arasındaki ortak yaşam ilişkisi de şemada görülmektedir. (Kaynak)

Bildiğiniz gibi birçok tek hücreli canlı ve çok hücreli canlı grupları (hayvanlar, bitkiler, mantarlar gibi) ökaryottur (Eukaryota). Dünyanın en eski sakinlerinden olan bakterilere de aşina olmayan yoktur ve bazı siyanobakterilerde çok hücrelilik görülür. Peki, ya ilk duyduğunuzda kafanızda soru işareti uyandıran ve pek de popüler sayılmayan arkeler? Onları çoğu zaman “sadece bir bakteri” oldukları yanılgısıyla göz ardı ederiz. Evet, arkeler de bakteriler gibi birer prokaryottur (Prokaryota) ve gezegenimizin en eski müdavimlerindendir; ama filogenetik ağaca bakarak bile bakterilerden çok ayrı bir canlı grubu olduklarını anlayabiliriz.

Resim: Ökaryot, bakteri ve arke hücrelerinin temel yapısal özelliklerinin karşılaştırılması

Arkeleri yaşamın ana dallarından biri yapacak kadar özel kılan nedir? Bunu anlamak için canlıların modern sınıflandırmasının tarihçesine kısaca bir göz atmamız gerekiyor. Ama ondan da önce, biyosferimizin geçmişiyle ilgili kısacık bir hatırlatma yapalım:

Şimdiye kadar elde edilen verilere göre Dünyada yaşamın en az 3,5 milyar yıl önce var olduğunu biliyoruz ve bu tarihi daha da geriye çekebilecek bulgular kaydedilmiştir. Arkeen devrinin  başlarına denk gelen bu dönemde gezegenimizin hâkimleri prokaryotlar; yani bakteriler ve arkelerdi. Evrimin en erken basamakları bu canlılarda gerçekleşti. Dünyanın atmosferinde yaklaşık 2,4 milyar yıl önce, daha önce evrilmiş olan siyanobakterilerin ürettiği oksijen birikmeye başladı; bu süreç Büyük Oksidasyon Olayı olarak bilinir. 1,6-2,1 milyar yıl önce (Proterozoyik devirde) de karmaşık hücre içi işlevlere sahip olan ökaryotlar evrildi. Ökaryotlar prokaryotların aksine, genetik materyallerini taşıyan zarla çevrili bir çekirdeğe ve hücre organellerine sahipti. Ökaryotların mitokondrileri ve fotosentez yapan ökaryotların kloroplastları, daha önce bağımsız yaşamlar süren bakterilerden köken almıştır. İlk tek hücreli ökaryotların ortaya çıkışından sonra çok hücreli ökaryotlar evrilmeye başladı; Gabon’da bulunan 2,1 milyar yıllık bazı yapılar da erken çok hücreli yaşamın olası örnekleri olarak yorumlanmaktadır. Çok hücreli canlıların evrilerek yoğun bir şekilde çeşitlendiği ve yayıldığı meşhur Kambriyen Dönemi ise bundan yaklaşık 1,5 milyar yıl sonra yaşanmıştır. Bütün bu verileri, Homo cinsinin bilinen en eski fosillerinin yaklaşık 2,8 milyon yıl öncesine tarihlendiği bilgisiyle birlikte değerlendirdiğimizde, gezegenimizde misafir sayılacak kadar yeni olduğumuzu bir kez daha anımsıyoruz.

Canlıların sınıflandırılmasında arkelerin yeri:

Fakat tüm bunları şimdiki bilgilerimizin ışığında söyleyebiliyoruz. Oysa geleneksel sınıflandırmada canlılar sadece iki gruba ayrılıyordu: hayvanlar ve bitkiler. Bu kadar basitti. Fakat mantarların, protistlerin ve bakterilerin bu iki gruba yerleştirilmesindeki sorunlar nedeniyle 19. yüzyıldan itibaren farklı sınıflandırmalar önerilmeye başlandı. Nihayet 1970’lere gelindiğinde farklı bilim insanları tarafından önerilen düzeltmelerin ışığında taksonomik sınıflandırma şu hâle gelerek 5 ana dala ayrılmıştı: Prokaryot bakteriler ve ökaryot canlı grupları (yani bitkiler, hayvanlar, mantarlar ve protistler). 

Bu arada bilim insanları prokaryotları sınıflandırmada hâlen zorluk çekiyor, daha tutarlı ve köklü bir yöntem arıyordu. Bu sorun, bakterilerin genetik dizilim kayıtlarının karşılaştırılabildiği filogenetik yaklaşımın benimsenmesiyle ortadan kalktı. (Filogenetik, biyolojide canlı grupları arasındaki evrimsel ilişkileri moleküler dizileme verileri ve morfolojik verilerin ışığında inceleyen bilim dalıdır.) 1977’de filogenetik çalışmaların ışığında yapılan ve bilim dünyasında şaşkınlık yaratan bir keşif, canlılara ilişkin sınıflandırmayı baştan aşağı değiştirdi. 

O sıralar ribozomal RNA dizilerini karşılaştırarak prokaryotlar arasındaki ilişkileri araştıran Dr. Carl Woese, George Fox ve ekibi, inceledikleri mikroorganizmalar arasında diğerlerinden genetik olarak belirgin biçimde ayrılan bir grup “bakteri” olduğunu fark etti. Yüksek sıcaklıklarda yaşayan veya metan üreten bu marjinal gruplar, rRNA ile yapılan filogenetik testlerde normal bakteri ve ökaryotlardan ayrı bölgelerde kümeleniyordu. Gözlemlenen bu büyük genetik farklara bakarak bu mikropların bakterilerden farklı bir canlı grubu olduğunu anlayan Woese ve ekibi, PNAS’te konuyla ilgili çığır açıcı (ve mikrobiyoloji tarihinin en devrimsel makaleleri arasında yer alan) bir çalışma yayımladı ve bu mikropları Arkebakteriler (Archaebacteria) olarak tanımladı. Burada bir parantez açarak, Woese’un 1967 yılında, sonradan RNA dünyası hipotezi olarak adlandırılacak fikrin öncülerinden biri olduğunu belirtmek isterim. Bkz. Abiyogenez kuramı ve hipotezleri

Archaea ismi, Eski Yunancada “antik” veya “çok eski” anlamına gelen archaios kelimesinden türetilmiştir. Bu yeni keşfedilen ve sanılanın aksine bir bakteri olmadığı anlaşılan canlı grubu sonradan Arkea (Arkeler, Archaea) ismini alarak, yaşamın 3 ana dalından birini tanımlar hâle geldi. Woese ve Fox böylece bütün yaşam ağacını değiştirerek canlılar dünyasına dair bakış açımızı genişletmiş ve evrim kuramına önemli bir katkıda bulunmuş oldu. 

Resim: Woese’un üzerine notlar düştüğü ve yaşamın üç âleminin keşfini sağlayan bu röntgen filminde parçalanmış küçük altbirim rRNA’ların parmak izleri görülmektedir. 

Farklı canlı gruplarında birçok temel metabolik yol ortaktır; örneğin bazı arkelerde glikoliz işleminin (glukozun enzimlerle pirüvik aside kadar yıkılması) farklı çeşitleri ve sitrik asit döngüsünün tam veya kısmi biçimleri bulunur. Bu benzerlikler yaşamın başlangıcında evrim kuramının öngördüğü ortak kökene işaret eder. Gezegenimizdeki yaşamın kökenini anlayabilmek için bu üç ana canlı grubunun içerdiği benzerlikleri ve farklılıkları belirleyerek, aralarındaki ilişkiyi çözmemiz gerekir.

Arkeleri farklı kılan nedir?

Zamanında filogenetik yöntemlerden yoksun olan bilim insanları arkeleri “sadece bir bakteri” sanmakta pek de haksız değildi. Arkeler mikroskop altında boyut ve şekil olarak bakterilere çok benzer; sonuçta onlar da bakteriler gibi birer prokaryottur. Fakat arkeler biyokimyasal ve genetik olarak bakterilerden en az bizim kadar farklıdır. Arkelerin hücre duvarları bakterilerinkinden farklı yapı taşları içerir, buna ek olarak hücre zarları da lipid yapısı ve kimyasal bağları bakımından farklıdır. Ayrıca bazı arkelerin oldukça ilginç şekilleri vardır: aşağıda gördüğünüz yassı ve kare biçimli Haloquadratum walsbyi bunun örneğidir. Bu nedenle bazı kitaplarda hâlâ hatalı bir şekilde “arkebakteriler” olarak isimlendirilseler de aslında apayrı bir üst âlemi temsil ettikleri unutulmamalıdır. Hatta bakterilerle olan görsel benzerliklerine rağmen DNA’nın kopyalanması, RNA sentezi ve protein sentezi gibi süreçler bakımından ökaryotlara daha fazla benzedikleri de söylenebilir. Bununla birlikte enerji elde etmek için kullandıkları kaynaklar, ökaryotlarınkilere kıyasla çok daha uzun bir liste oluşturur. Bu listede organik bileşikler haricinde hidrojen gazı, amonyak, sülfür ve metal iyonları gibi birçok ilginç enerji kaynağı bulunur. Ayrıca güneş ışığını kullanarak enerji elde eden (fototrof) arkeler de vardır, fakat bu yöntem siyanobakterilerin ve ökaryotların klorofil kullanarak yaptığı fotosentez işleminden farklıdır. Kısacası, arkeler her iki anlamda da “bir âlemdir”. 

Resim: Yassı ve kare biçimli bir arke olan Haloquadratum walsbyi

İlk hücre öncesi yapıların nasıl oluştuğunu anlayabilmek için Dünyanın o zamanki koşullarına benzeyen yerlere ve buralarda ne tür canlıların yaşadığına bakmak akla yatkın bir yaklaşım olur: düşük oksijenli, çözünmüş minerallerce zengin, sıcak yerler. İşte bazı arkelerin yaşam alanları, pek çok canlının hayatta kalamayacağı bu ekstrem koşulların hüküm sürdüğü bölgeleri kapsar; ancak bu ortamlarda yaşayabilen bakteriler ve ökaryotlar da vardır. Bazı arkeler ekstremofildir (ekstrem koşulları tercih eden canlı), fakat arkeler ılımlı koşullardaki ortamlarda da yaygın ve bol miktarda bulunur. Kimisi sıcaklığın 100 °C’nin üzerine çıktığı okyanus diplerindeki hidrotermal baca ağızlarında, gayzerlerde veya volkanik kaplıcalarda; kimisi de aşırı asitli, aşırı alkali veya sülfürlü sularda yaşar. Bazıları başka canlıları kurutup yok edecek kadar tuzlu olan sulara dayanıklıdır; deniz suyu ortalama %3,5 oranında tuz içerirken, tuzsever arkeler çok daha yüksek tuzluluk oranlarında yaşayabilir. Ayrıca oksijenden yoksun çamurlu ortamlarda, bataklıklarda ve okyanus tabanlarında yaşayan; hatta yeraltının derinliklerindeki petrol yataklarında bile hayatta kalmayı başaran arkeler vardır. Ekstremofil arkeler, yaşam koşulları bakımından başlıca 6 grupta toplanabilir; ancak bu gruplar birbirini dışlamaz, yani bir arke birden fazla ekstrem koşula uyum sağlamış olabilir.

1. Tuzseverler (Halofiller)
2. Alkaliseverler (Alkalifiller)
3. Sıcakseverler (Termofiller ve çok yüksek sıcaklıklarda yaşayanlar Hipertermofiller)
4. Asitseverler (Asidofiller)
5. Soğukseverler (Psikrofiller)
6. Yüksek basınçseverler (Piezofiller veya Barofiller)

Fakat arkelerin yaşam alanı sadece bu ekstrem ortamlarla sınırlı değildir; yeni yapılan çalışmalar toprakta, plankton olarak açık denizde ve hatta insan vücudunda (kolon ve göbek deliğinde) bile yaşadıklarını ortaya koymuştur. Geviş getiren hayvanların, termitlerin ve insanların sindirim kanallarında yaşayan ve burada metan üreten arkeler vardır. Kalın bağırsakta bulunan bu arkeler metanojendir (metabolik işlemler sonucunda metan üretir, yani metanogenez yaparlar) ve bu nedenle sindirime yardımcı olurlar. 

Resim: Bazı arkeler volkanik göllerde ve kaplıcalarda yaşar. 

Bazı arkeler zarar görmüş kromozomlarını etkili biçimde tamir edebilir, ki bu da pek çok canlının dayanamayacağı koşullarda hayatta kalmalarına yardımcı olur. Şu anki bilgilerimizin ışığında yaşamın uzun süre devam edip gelişebildiği en yüksek sıcaklık 122 °C’dir ve en yüksek sıcaklıkta çoğalma rekoru da Methanopyrus kandleri (Strain 116) isimli bir arkeye aittir. Hemen arkasından da Geogemma barossii (Strain 121) isimli bir diğer arke gelir. Hidrotermal bacalarda keşfedilen bu tek hücreli mikroplardan G. barossii’nin 130°C’de ölmese de üremesinin durduğu, sıcaklık normal değerlere getirildiğinde de yeniden üremeye devam ettiği saptanmıştır. Canlılar için bir diğer zorlayıcı koşul da radyasyondur. Radyasyon direnci, yüksek oranda iyonlaştırıcı radyasyon (ışınım) varlığında yaşayabilen canlılara ait bir özelliktir. Yapılan çalışmalar çok sayıda böcek, bitki ve solucan türünün radyasyona dirençli olduğunu göstermiştir; Thermococcus gammatolerans isimli arke de bilinen en dirençli canlılardan biridir. Bu süper canlının 30.000 Gy’lik gama radyasyonu dozundan sonra bile hayatta kalabildiği gösterilmiştir. Deinococcus radiodurans adlı bakteri de radyasyona olağanüstü dirençlidir; ancak bu canlıları tek bir öldürücü doz üzerinden sıralamak doğru değildir. Radyasyon direnci türe, yaşam evresine, radyasyonun türüne ve deney koşullarına göre değişir; hayatta kalma ve üreme yeteneğini koruma da farklı ölçütlerdir. Böylesine yüksek dozlara dayanabilmek, arkelere ayrı bir karizma katmıyor mu sizce de? Bütün bu özellikleri, arkeleri uzayda yaşam araştırmalarında da önemli canlı hâline getirmiştir. 

Woese ve Fox’ın keşfinden önce arkelerin bildiğimiz canlılardan evrilen ekstrem organizmalar olduğuna inanılıyordu; oysa bugün Dünyada oluşmuş olan ilk canlılarla önemli bir bağları olduğu düşünülmektedir. Woese bakteri, arke ve ökaryotların farklı soy hatlarından geldiğini ve bunların, geçmişte yaşamış olan canlıların atasal kolonilerinden köken aldığını ileri sürmüştü. Bu olayın hücrelerin evriminden önce meydana gelmiş olması da akla yatkın bir olasılıktır. Bakterilerle arkelerin son ortak atasının bir termofil (sıcaksever) olması da muhtemeldir. Sonuçta bu mikroplar hakkında daha öğreneceğimiz çok şey vardır ve arkeler üzerinde bugüne kadar yapılan çalışmalar yalnızca yaşamın kökenine ışık tutmakla kalmamış, birçok şaşırtıcı keşfi de mümkün kılmıştır. Bunlar arasında metanogeneziste kullanılan yeni koenzimlerin keşfi, yeni enerji koruyucu metabolik yolların keşfi ve arkelerin solunum komplekslerinin ilginç yapısının sunduğu bilgiler sayılabilir. Arkelerin incelenmesi bize genel anlamda mikrobiyal evrim, protein filojenisi ve biyoenerji mekanizmaları hakkında ciddi bir aydınlanma sağlamış ve sağlamaya da devam etmektedir.

Bu yazım, Ateist Dergi’nin Mayıs 2014 sayısında yayımlanmıştır.

Kaynaklar: 

PAYLAŞ
Keşfet