Gezegenimizdeki yaşamın evrimini anlamaya ve öğrenmeye başlayan herkes aşağıdaki şekille en az bir kez karşılaşmıştır. "Köklü filogenetik yaşam ağacı" diye adlandırılan ve canlıları Ökaryotlar, Bakteriler ve Arkeler olarak üç ana âleme ayıran bu şekle bakarak gezegenimizdeki canlılar arasındaki evrimsel ilişkileri izleyebiliriz. Bildiğiniz gibi birçok tek hücreli canlı ve bütün çok hücreli canlılar ökaryottur. Dünya’nın en eski sakinlerinden olan bakterilere de aşina olmayan yoktur. Peki, ya şu ilk duyduğunuzda kafanızda soru işareti uyandıran ve pek de popüler sayılmayan grup olan arkeler? Sıklıkla “sadece bir bakteri” oldukları yanılgısıyla onları göz ardı ederiz. Evet, arkeler de bakteriler gibi birer prokaryottur ve gezegenimizin en eski müdavimlerindendir; ama bu şekle bakarak bile bakterilerden çok ayrı bir şey olduklarını fark edebiliriz. Peki ama onları yaşamın üç ana dalından biri haline getirecek kadar farklı ve özel yapan şey nedir? Bunu anlamak için canlıların modern sınıflandırmasının tarihçesine kısaca bir göz atmamız gerekiyor. Ama ondan da önce, biyosferimizin geçmişiyle ilgili kısacık bir hatırlatma yapalım:
Şekil 1: Köklü filogenetik yaşam ağacı
Şimdiye kadar elde edilen verilere göre Dünya’da yaşamın en az 3,5 milyar yıl önce başladığını biliyoruz. Arkeen devrinin başlarına denk gelen bu dönemde gezegenimizin hakimleri prokaryotlar; yani bakteriler ve arkelerdi. Evrimin en erken basamakları bu canlılarda gerçekleşti. Dünya yaklaşık 2.4 milyar yıl önce ilk siyanobakteriler tarafından “oksijenlendi.” 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. Birçok bilim insanı ökaryotların içerdiği organellerin, daha önce bağımsız yaşamlar süren prokaryot organizmalardan köken aldığını düşünmektedir. İlk tek hücreli ökaryotların ortaya çıkışından sonra çok hücreli ökaryotlar evrilmeye başladı; şimdilik bulunan ve bildiğimiz en eski çok hücreli canlı fosili 2,1 milyar yıl yaşındadır.1 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 cinsine bağlı insansı atalarımızın yalnızca 2,5 milyon yıldır var olduğunun bilincinde kalarak ele aldığımızda, gezegenimizde misafir sayılacak kadar yeni olduğumuzu da bir kez daha anımsıyoruz.
Ancak elbette bütün bunları şimdiki bilgilerimizin ışığında söyleyebiliyoruz. Oysa biyologlar 20. yüzyıla kadar canlıları sadece iki gruba ayırarak sınıflandırıyordu: Hayvanlar ve bitkiler. Bu kadar basitti. Fakat 1950’li yıllarda bu sınıflandırmanın eksik kaldığı; mantarları, protistleri ve bakterileri kapsamadığı anlaşıldı. Nihayet 1970’lere gelindiğinde farklı bilim insanları tarafından önerilen düzeltmelerin ışığında taksonomik sınıflandırma şu hale gelerek 5 ana dala ayrılmıştı: Prokaryot bakteriler ve ökaryot canlı grupları (yani bitkiler, hayvanlar, mantarlar ve protistler).
Bu arada bilim insanları prokaryotları sınıflandırmada hala 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 DNA dizilerini kullanarak prokaryot bakteriler arasındaki ilişkileri araştıran Dr. Carl Woese, George Fox ve ekibi, inceledikleri bakteriler arasında diğerlerinden farklı görünen ve davranan 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 -farklı bir isimle- RNA dünyası hipotezini ilk ortaya atan bilim insanı olduğunu vurgulamak isterim.)
Archaea kelimesi Latince’de “antik” veya “çok eski” anlamına gelir. Bu yeni keşfedilen ve sanılanın aksine bir bakteri olmadığı anlaşılan canlı grubu sonradan Arkea (Arkeler, Archaea) ismini alarak, yaşamın üç ana dalından birini tanımlar hale geldi. Woese ve Fox böylece bütün yaşam ağacını değiştirerek canlılar dünyasına dair bakış açımızı genişletmiş ve evrim kuramına önemli bir katkıda bulunmuş oldu.
Şekil 2: Woese’un üzerine notlar düştüğü ve yaşamın üç âleminin keşfini sağlayan bu röntgen filminde parçalanmış küçük altbirim rRNA’ların parmak izleri görülmektedir.
Bütün yaşam formları özünde aynı temel metabolik yolları kullanır; örneğin arkelerde glikoliz işleminin (Glikoliz: glukozun enzimlerle pirüvik asite kadar yıkılması) biraz farklı bir türü ve sitrik asit döngüsünün tam veya kısmi bir çeşidi bulunur. Bu benzerlikler yaşamın başlangıcında evrimin öngördüğü ortak kökene işaret eder. Gezegenimizdeki yaşamın kökenini anlayabilmek için bu üç ana canlı grubunun içerdiği benzerlik ve farklılıkları belirleyerek, aralarındaki ilişkiyi çözmemiz gerekir.
Şekil 3: Karşılaştırma amacıyla prokaryot ve ökaryot hücreler resmedilmiştir
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. Örnek olarak aşağıda gördüğünüz, yassı ve kare formlu Haloquadratum walsbyi isimli arke verilebilir. Bu nedenle bazı kitaplarda hala hatalı bir şekilde “arkebakteriler” olarak isimlendirilseler de aslında apayrı bir canlı âlemini temsil ettikleri unutulmamalıdır. Hatta bakterilerle olan görsel benzerliklerine rağmen genleri ve metabolik yolları bağlamında ökaryotlara çok daha fazla benzedikleri de söyleyenebilir. 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".
Şekil 4: Yassı ve kare biçimli bir arke olan Haloquadratum walsbyi
İlk hücre öncesi yapıların nasıl oluştuğunu anlayabilmek için Dünya’nın 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 arkelerin yaşam alanları, başka hiçbir canlının hayatta kalamayacağı bu ekstrem koşulların hüküm sürdüğü bölgeleri kapsar. Bu anlamda hepsi olmasa da çoğu arke ekstremofildir (ekstremofil: ekstrem koşulları tercih eden canlı). 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 sulara dayanıklıdır; deniz suyu %0,9 oranında tuz içerirken bu arkeler %9’luk tuz oranlarına dayanabilir. Ayrıca oksijenden yoksun çamurlu ortamlarda, bataklıklarda ve okyanus tabanlarında yaşayan; hatta yeraltının derinliklerindeki petrol yataklarında bile hayatta kalmayı başaran arkeler vardır. Ekstremofil arkeler fizyolojik anlamda 4 gruba ayrılarak sınıflandırılır:
Tuzseverler (Halofiller)
Alkaliseverler (Alkalifiller)
Sıcakseverler (Termofiller)
Asitseverler (Asidofiller)
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 işlemlerinin sonucunda metan üretir, yani metanogenez yaparlar) ve bu nedenle sindirime yardımcı olurlar.
Şekil 5: Bazı arkeler volkanik göllerde ve kaplıcalarda yaşar.
Birtakım arkeler zarar görmüş kromozomlarını herhangi bir kayba uğramaksızın hızla tamir edebilir ki bu da hiçbir canlının dayanamayacağı koşullarda hayatta kalmalarını sağlar. Şu anki bilgilerimizin ışığında yaşamın uzun süre devam edip gelişebildiği en yüksek sıcaklık 122 °C’dir ve sıcakta hayatta kalma 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 ama bu alanın rekoru da yine Thermococcus gammatolerans isimli bir arkeye aittir. Bu süper canlı için öldürücü doz 30.000 Gy’dir; onu 15.000 Gy’lik dozla Deinococcus radiodurans isimli bir bakteri izler. Bu sınırın insanlar için 4-10 Gy, fareler için 4,5-12 Gy, Alman hamamböceği için 60-150 Gy, meyve sinekleri için 640 Gy, Braconidae familyası (parazitik eşek arısı türlerini kapsar) için 1800 Gy ve çok dayanıklı bir canlı olan Tardigrad için bile 5000 Gy olduğunu bilmek, arkelere ayrı bir karizma katmıyor mu sizce de? Bütün bu özellikleri, arkeleri uzayda yaşam araştırmalarında da önemli canlı haline getirmiştir.
Woese ve Fox’ın keşfinden önce arkelerin bildiğimiz canlılardan evrilen ekstrem organizmalar olduğuna inanılıyordu; oysa bugün Dünya’da 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.
Şu yazılar da ilginizi çekebilir:
Bu yazım, Ateist Dergi'nin Mayıs 2014 sayısında yayınlanmıştır.
1. Abderrazak El Albani, Stefan Bengtson, Donald E. Canfield vd. Large colonial organisms with coordinated growth in oxygenated environments 2.1 Gyr ago. Nature 466, 100–104 (01 July 2010) doi:10.1038/nature09166
Kaynaklar: