Tüm canlılar hücrelerden oluşur. Gezegenimizde milyonlarca farklı yaşam biçimi olsa da, sahip oldukları hücre tipine göre hepsini iki temel sınıfa ayırabiliyoruz: Prokaryotlar ve ökaryotlar. Prokaryotlar küçük ve basit canlılar olup, hücre çekirdekleri bulunmaz. Genetik malzemeleri yani DNA'ları halka biçimindedir ve hücrenin içinde serbestçe gezinir. Ökaryotların ise hücrelerinde çekirdek vardır ve genetik malzemeleri bu çekirdeğin içinde yer alır. Ayrıca DNA'ları halka biçiminde değil, çizgisel biçimdedir.

Prokaryotik hücreler, dünyadaki ilk yaşam biçimlerindendir. Fosil kayıtlarında belirişleri, 4 milyar yıl kadar geriye gider. Ökaryotik hücreler ise 1,8 milyar yıl öncesine ait kayıtlardan itibaren görülürler. Dolayısıyla ökaryotik hücrelerin, prokaryotlardan türediği düşünülür.

Prokaryotik bir hücrenin, ökaryotik bir hücreye dönüşmesi için edinmesi gereken bazı özellikler vardır. Ökaryotların hücrelerinde özelleşmiş organeller vardır. Örneğin tüm ökaryotlarda bir tür pil görevi görerek, enerji sağlayan mitokondri organelleri bulunur. Mitokondri oksijen tüketerek, glukoz gibi karbon kaynaklarından enerji elde eder ve bu süreçte karbon dioksit ile su üretir. Bitki hücrelerinde ayrıca güneş ışığından enerji elde edebilen plastid organelleri de mevcuttur; örneğin kloroplast gibi. Kloroplast, su ve karbon dioksit tüketerek, ışıktan enerji elde edip kimyasal glukoz enerjisine çevirirken, oksijen üretir. Bunlara ek olarak hücrelerde ribozom, lizozom, endoplazmik retikulum gibi farklı görevlere sahip başka organeller de yer alır. Fakat hepsinin içinde iki tanesi, çok önemli bir farkla diğerlerinden ayrılır: Mitokondri ve kloroplast, kendi DNA'larına sahiptir.

Ortaklık Kuran Mikroplar

1963’te iki ayrı ekip tarafından eşzamanlı olarak, mitokondrinin kendi DNA’sı olduğu keşfedildi. O yıllarda pek çok bilimci, mtDNA’nın kaynağını epey sıkıcı bir biçimde açıklıyor, hücrelerin bir kereye mahsus olmak üzere dışarıya ödünç DNA verdiğini ve bir daha da geri almadığını öne sürüyordu. Ancak Lynn Margulis, 1965’teki doktora tezinden başlayarak 20 yıl boyunca, mtDNA’nın çok daha büyük bir şeyin kanıtı olduğunu göstermeye çalıştı: Yaşamın, geleneksel biyologların hayal bile edemeyeceği kadar çok karıştırma ve evrimleşme yollarına sahip olduğunu.

Margulis’in Endosimbiyotik Kuram adını verdiği düşüncesi şöyleydi: Hepimiz çok uzun zaman önce yeryüzünde bulunmuş olan ilk mikroplardan geldik. Bugün tüm canlı organizmalar, bu mirasın bir parçası olarak, yaklaşık 100 kadar geni paylaşır. İlk mikroplar kısa süre içinde birbirlerinden farklılaşmıştır. Kimi devasa kitlelere dönüşmüş, kimi de küçülerek zerre hâline gelmiştir. Aradaki bu büyüklük farkı, çeşitli fırsatlar yaratmıştır. Bazı mikroplar diğerlerini yutup sindirirken, bazıları da büyük ve dikkatsiz olanları enfekte edip öldürmüştür.

Margulis’in iddiasına göre, çok uzun zaman önce büyük bir mikrop, küçük bir mikrobu içine almış ama beklenmeyen bir şey olmuştu: Hiçbir şey. Ya küçük mikrop sindirilmeye direnç göstermiş ya da büyük mikrop enfeksiyonu bertaraf etmişti. Ardından bir beraberlik dönemi geldi; savaşmaya devam etseler de birbirlerinin üstesinden gelemiyorlardı. Baştaki düşmanca karşılaşma, sayısız kuşak sonunda ortak bir girişime dönüştü. Küçük mikrop oksijenden gelen yüksek oktanlı yakıtı sentezlemede giderek ustalaşırken, büyük hücre de güç üretme becerilerini yitirdi ve bunun yerine ham besinleri sığınağı sağlama görevini üstlendi. Bu işbölümü iki tarafa da yarar sağladı ve sonunda iki tarafı da birbirleri olmadan yaşam sürdüremeyecek denli değiştirdi.

Organele Dönüşen Bakteriler

Kloroplast da tıpkı mitokondri gibi kendi genetik malzemesine sahiptir ve parçası olduğu organizmanın içinde o da üreyerek, kendi DNA'sını yeni nesile aktarır. Buna ilişkin ilk bulguları elde eden kişi, 1883 yılında mikroskop ile bitki hücrelerine bakan bitkibilimci Andreas Schimper idi. Plastidlerin bölünüşünü izleyen bilimci, sürecin serbest yaşayan bakterilerin çoğalmasına ne kadar benzediğini hemen fark etti. Kendi DNA'larına sahip olduklarının netleşmesi ise 1960'larda gerçekleşti.

Kloroplast ve mitokondri bir zamanlar bağımsız yaşayan bakterilerdi; tıpkı bugün hâlâ bağımsız hayatlarını sürdüren milyonlarca yakın akrabaları gibi. Fakat uzun zamandır yaşamakta oldukları ortama, yani ökaryotik hücrenin içine uyum sağlamış durumdalar artık. Genetik malzemeleri, tıpkı diğer prokaryotlar gibi halka biçiminde bulunuyor. Ayrıca yapılan genomik çalışmaları sonucunda, mitokondrinin bugün yaşayan en yakın akrabasının, tifüse neden olan Rickettsia bakterisi olduğu belirlendi. Kloroplast ise görünüşe bakılırsa siyanobakterilerin oldukça yakın bir akrabası.

Neredeyse tüm ökaryotlar mitokondriye sahipken, sadece fotosentez yapan ökaryotların kloroplasta sahip olmasından dolayı, endosimbiyoz olayının iki kez gerçekleştiği düşünülüyor. Büyük olasılıkla ilk olarak oksijen kullanan (aerobik) heterotrof bir prokaryot, daha iri bir konak tarafından kabul edildi. Zamanla birlikte evrildiler ve küçük olan mitokondri oldu. Bunun ardından ise fotosentetik bir prokaryot, mitokondri içeren bir büyük hücre tarafından içeri alındı ve ortama uyum sağlayarak kloroplast organeli hâline geldi.

Evrime İtici Gücü Sağlayan Enerji

Mitokondriyi açıklamanın dışında, Margulis’in kuramı daha sonra yeryüzündeki yaşamın derin bir gizemini aydınlatmaya da yardım etti: Umut vaad edici bir başlangıçtan sonra evrimin neredeyse durma noktasına gelmesinin nedenini. Mitokondri başlangıç vuruşunu yapmasa, ilkel yaşam zeka sahibi olmak şöyle dursun, biraz daha donanımlı canlı türlerine bile evrilemezdi.

Yalnızca bir milyar yıl içinde, ilk zamanların kaynayan organik çorbasının içinden, gelişmiş zarları ve değiştirilebilir hareketli parçaları olan özerk mikroorganizmalar ortaya çıkmıştı. Bu ortak başlangıçtan kısa süre sonra çok sayıda farklı tür meydana gelmişti. Ama bu mucizeden sonra, evrimin seyri düz bir çizgiye dönüşmüştü: Yaşayan pek çok tür canlı olsa da, bu mikroplar bir milyar yılı aşkın süre boyunca fazla evrilmediler. Bunun nedeni “enerji tüketimi” meselesi idi.

İlkel mikroplar, tüm enerjilerinin %2’sini DNA kopyalama devamlılığı için, %75’ini ise DNA’dan protein yapmak için harcar. Bu nedenle bir mikrop avantajlı ve evrimsel açıdan ileri bir özelliğin DNA’sını geliştirse bile (kapalı bir çekirdek, başka mikropları sindirecek bir mide veya diğer mikroplarla iletişim kurmasını sağlayacak bir araç gibi), bu gelişmiş özelliği oluşturmak onu tüketir. İki tane eklemek söz konusu bile değildir. Bu koşullar altında evrim atıl hâle gelir ve hücreler ancak bir yere kadar gelişebilir.

Ucuz mitokondri enerjisi, bu sınırlamaları kaldırdı. Atalarımızın aynı anda pek çok üstün özelliği eklemesine ve onların karmaşık organlar hâline gelmesine izin verdi. Hatta mitokondri, hücrelerin DNA dağarcığını 200.000 kat genişletmesini sağladı; yalnızca yeni genler keşfetmelerine izin vermekle kalmadı, aynı zamanda tonlarca düzenleyici DNA ekleyip, genleri kullanırken çok daha esnek olmalarını da sağladı. Bütün bunlar, mitokondri olmadan olmazdı.

Son olarak, şunu da ekleyelim: İnsan da dahil olmak üzere tüm ökaryotik canlılar, kendi DNA'larından ayrı bir DNA taşıyan bu küçük böcekleri, yani mitokondrileri (ve eğer bitki ise plastidleri) hazır olarak ebeveynden almak zorundadır. Bu işlem, dişi üreme hücresi olan yumurta hücresinde yer alan mitokondrilerin de, zigot embriyoya dönüşürken her bölünmede üreyerek, yeni hücrelere kendi yavrularını aktarması ile gerçekleşir. Eğer ökaryotik bir hücre organel kaybederse, kendi başına yenisini yapamaz. Çünkü organel oluşturmak için gereken bilgi, ökaryot DNA'sında yoktur. Her ökaryotik hücrenin, kendi ebeveyn hücresinden en az bir adet organel alması gerekir ki, o da kendi genetik malzemesi ile çoğalsın. Tüm bunlar, endosimbiyotik kuramı destekleyen olgulardır.