Yaklaşık 4 milyar yıl önce yaşamış olan ve bugün SEOA (Son Evrensel Ortak Ata) adını verdiğimiz mikrop, günümüzde dünya üzerinde yaşayan bütün canlıların ortak atasıdır. Bu canlının, yerin derinliklerindeki demir-sülfür zengini hidrotermal bacalarda yaşamış olabileceği düşünülüyor. Anaerobik ve ototrofik olan SEOA, hava solumuyordu ve besinini çevresindeki karanlık, metalce zengin ortamdan kendisi üretiyordu. Metabolizması hidrojen, karbon dioksit ve azota bağlı olarak işleyerek, bunları amonyak gibi organik bileşenlere çeviriyordu. En ilginci de, bu minik mikrobun, gezegenimizdeki tüm canlılığı kapsayan uzun bir soyun başlangıcı olmasıydı.

Canlılık ağacında çok gerilere bakacak olursak, hepimizin SEOA ile akraba olduğumuzu görürüz. Eğer Mars araştırmalarımızın sloganı "suyu takip et" ise, SEOA araştırmalarımıza da "genleri takip et" sloganı uygun düşer. Genetik yaşam ağacının incelenmesine filogenetik adı verilir ve bu alanda yapılan çalışmalar sayesinde organizmaların evrimsel tarihleri ile genetik akrabalıkları ortaya çıkarılır. Son 20 yılda, genomları tümüyle dizileme ve engin genetik kütüphaneler inşa etme konusundaki teknolojik becerilerimiz, filogenetiğin olgunlaşmasını ve canlılık tarihinin ilk dönemlerine ilişkin derin bilgileri bize sunmasını sağladı.

Uzun süre boyunca canlılık ağacı, kökün SEOA olduğu üç ana kola ayrılmış olarak düşünülmüştü: Bakteriler, arkeler ve ökaryotlar. Prokaryotlar olan bakteriler ile arkelerin ortak yönleri, tek-hücreli olmaları ve hücre çekirdeklerinin olmaması idi; kimyasal ve metabolik olarak ise birbirlerinden biraz farklıydılar. Öte yandan ökaryotlar, karmaşık, çok-hücreli yaşam formları olup, zarla kaplı hücrelerden oluşuyordu. Hücrelerin her birinde genetik kodu içeren bir çekirdeğin yanı sıra, hücre metabolizmasına güç sağlayan mitokondri organelleri vardı. Ökaryotlar, prokaryotlardan öylesine farklı görünüyordu ki, canlılık ağacında ayrı bir kolda olmaları gerektiği kanısına varılmıştı.

Ancak yakın geçmişte, ökaryotları, bakteriler ile arkelerin ortak torunu olacak şekilde ağaca yerleştiren yeni bir tablo belirdi. Bu "iki ana kollu ağaç" hipotezi, ilk olarak 1984 yılında, UCLA'dan evrimsel canlıbilimci Jim Lake tarafından ileri sürülmüştü ama kabul görmesi büyük ölçüde son 10 yılda gerçekleşti. Hipotezin yer edinmesinde, Newcastle Üniversitesi'nden evrimsel moleküler canlıbilimci Martin Embley'in ekibinin ve Düsseldorf Heinrich Heine Üniversitesi'nden evrimsel canlıbilimci William Martin'in çalışmalarının da payı var. Bill Martin ile çalışma arkadaşları Madeline Weiss, Filipa Sousa, Natalia Mrnjavac, Sinje Neukirchen, Mayo Roettger ve Shijulal Nelson-Sathi, 2016 yılında Nature Microbiology  dergisinde, SEOA'ya bu yeni bakış açısını ve iki ana kollu ağacı filogenetik açıdan anlatan bir makale yayımladı.

Antik Genler

SEOA'ya ilişkin daha önce yapılmış olan çalışmalarda, tüm genomlarda bulunan ortak, evrensel genler aranmıştı. Bunun temelindeki varsayım şuydu: Eğer bütün canlılar bu genlere sahipse, o zaman bu genler SEOA'dan geliyor olmalıdır. Bu yaklaşımla SEOA'ya ait yaklaşık 30 gen belirlendi ama bu genler, SEOA'nın nerede ve nasıl yaşamış olduğunu bize anlatmak için yeterli değildi. Bir diğer taktik ise iki prokaryot dalının (arkelerin ve bakterilerin) en az bir üyesinde bulunan genlerin aranması şeklindeydi. Bu yöntemle, SEOA'ya ait olma potansiyeli bulunan 11.000 ortak gen belirlendi ama bu da haddinden fazlaydı: Bu kadar çok geni olsa, SEOA herhangi bir modern hücrenin yapabildiğinden çok daha fazlasını yapabilir olurdu.

Bill Martin ve ekibi, "yatay gen aktarımı" adı verilen bir olayın, söz konusu 11.000 genin çoğunun varlığından sorumlu olması itibariyle suları bulandırdığını fark etti. Yatay gen aktarımı, farklı canlı türleri arasında, hatta farklı canlılık ana dalları arasında gen aktarılması olayıdır. Bu olay, bir hücre stresli koşullarda bulunduğu zaman gerçekleşebilen, homolog rekombinasyon veya virüs yayılması gibi çeşitli süreçler yoluyla oluşabilir.

Çoğalan bakteriler veya arkeler, kendilerini çevreleyen ortamdan gen alıp, DNA ipliklerine yeni genler katabilir yani "rekombinleme" yapabilirler. Çoğu zaman bu yeni edinilen DNA, hâlihazırda varolan DNA'nın yakın akrabası olur ama bazen de yeni DNA çok daha uzak bir akraba kökenli olabilir. 4 milyar yıllık zaman diliminde, genler etrafta epeyce dolaşıp, SEOA'nın orijinal genetik sinyalinin çoğunun üzerine yazmış olabilir. Hem arkelerde hem de bakterilerde bulunan genler, yatay gen aktarımı dolayısıyla paylaşılmakta olabileceğinden, SEOA kökenli olmaları konusunda bir kesinlik yoktur.

Martin'in ekibi bunu akıllarında tutarak, sıradışı ölçüde uzun soylara sahip olan ama yatay gen aktarımıyla etrafa pek yayılmamış gibi görünen, dolayısıyla SEOA'dan geliyor olmaları gerektiği varsayımında bulundukları "antik genler"i aradı. Bir genin SEOA kaynaklı kabul edilebilmesi için gereken koşulları listelediler. Elemeyi geçmesi için antik genin, yatay gen aktarımıyla etrafta dolaşmamış olması ve en az iki arke grubu ile iki bakteri grubunda bulunuyor olması gerekiyordu.

"Verileri incelerken tüylerimiz diken diken oldu çünkü tek bir spesifik yönü işaret ediyordu hepsi de," diyor Martin. Çözümlemeleri bitirir bitirmez, Bill Martin'in ekibinin elinde, başlangıçtaki 11.000 taneden sadece 355 gen kaldı. Bu 355 genin kesinlikle SEOA'da bulunduğunu savundular. Bu genler, SEOA'nın nasıl bir yaşam sürdüğü hakkında bize fikir verebilirdi.

Bu kadar az sayıda gen, elbette bildiğimiz anlamda canlılığı ayakta tutamazdı ve eleştirmenler bu gen kıtlığını derhal anlayarak, örneğin nükleotit ve amino asit biyosentezi yapabilen temel bileşenlerin eksik olduğuna parmak bastılar. "Eksiksiz bir ribozomumuz bile yoktu," itirafında bulunuyor Martin. Bununla birlikte, metodolojileri dolayısıyla yatay gen aktarımı geçirmiş bütün genleri es geçmişlerdi. Yani eğer bir ribozomal protein (SEOA'da mevcut bulunmuşsa bile) geçen süre zarfında yatay gen aktarımı geçirmişse, ekibin elemeleri sonucunda SEOA'nın genleri listesine giremeyecekti.

Araştırmacılar ayrıca SEOA'nın sahip olmadığı genlerin işlevlerinin boşluğunu doldurmak için ortamdaki molekülleri (örneğin amino asitleri sentezleyebilen molekülleri) kullanmış olabileceği tahmininde bulundular. Canlılığın evriminin bu kadar erken bir evresindeki biyokimyanın her hâlükârda iptidai olduğunu söyleyen Martin, yaşamın kökeni ve ilk hücreler hakkındaki tüm kuramların, çevreden kimyasal sentez olasılığını kapsadığını ekliyor.

Saptanan 355 genin bize anlattığı şey şu ki, SEOA hidrotermal bacalarda yaşamıştı. Düsseldorf ekibinin çözümlemesi, SEOA'nın enerji kaynağı olarak moleküler hidrojen kullandığına işaret ediyor. Hidrotermal bacaların içindeki serpantinleşme, bol miktarda moleküler hidrojen üretebilir. Artı, SEOA "ters giraz" adlı enzimi üretmek için bir gene sahipti ki, bu enzim günümüzde hidrotermal bacalar da dahil olmak üzere yüksek sıcaklıklı ortamlarda yaşayan ekstremofillerde bulunuyor.

İki Ana Kollu Ağaç

Ökaryotik evrimin incelenmesinde uzmanlaşan Martin Embley, iki ana kollu ağacın son 10 yılda kabul görmesinin, William Martin'in kuramı ilerleten çalışması da dahil, bir dönüm noktası olduğunu ve canlılığın ilk zamanlarındaki evrime bakış açımız üzerinde geniş kapsamlı etkileri olduğunu söylüyor. "Tabandaki yarılmanın arke ve bakteri dallarını oluşturduğu iki ana kollu canlılık ağacı, şu anda en çok desteklenen hipotez," diyor.

İlk arkelerin ve bakterilerin muhtemelen klostridya (oksşjen tolere etmeyen anaeroblar) and metanojenler oldukları yaygın olarak kabul ediliyor; çünkü günümüz çağdaş versiyonları SEOA'nın özelliklerinin çoğuna sahip. Bu özellikler arasında benzer bir temel fizyoloji ile hidrojen, karbon dioksit, azot ve geçiş metallerine (dolmamış elektron kabuklarını karbon ve azotla hibritleştirerek kataliz sağlayan metallere) bağımlılık sayılabilir. Ama hâlâ başlıca sorulardan biri yanıtlanmayı bekliyor: İlk ökaryotlar neye benziyordu ve canlılık ağacına nasıl yerleştirilmeleri gerekiyor?

Filogenetiğe göre ökaryotlar endosimbiyoz (içte-ortakyaşam) süreci sayesinde evrildi. Yani bir arke konak, bir ortakyaşar (bu vakada, alfaproteobakteri grubundan bir bakteri) ile birleşti. Ökaryotların ortaya çıkmasını sağlayan ortakyaşam (simbiyoz) olayında, bakteriler her nasılsa arke ev sahiplerinin içinde yok edilmek yerine, yaşayıp çoğalabildi. Böylelikle, bakteriler arkelerin içinde varlıklarını sürdürmeyi başarmakla kalmayıp, konaklarının daha da büyümesi ve giderek daha fazla miktarda DNA içerebilmesi için güç sağladı. Uzun yıllar boyu süren evrimin ardından, ortakyaşar bakteriler, bugün mitokondriler olarak bildiğimiz varlıklara evrildi. Mitokondriler, karmaşık ökaryotik hücreler için enerji sağlar. Sonuç olarak ökaryotlar, canlılık ağacının ana kollarından biri olmayıp, ana kolların dallarının birleşiminden oluşan büyük bir daldır.



İsveç Uppsala Üniversitesi'nden Thijs Ettema liderliğinde bir ekip tarafından, bir süre önce Nature dergisinde yayımlanan bir makalede, ökaryotların evrimine daha fazla ışık tutuldu. Ekip Kuzey Atlantik Okyanusu'nda, Grönland, İzlanda ve Norveç'in ortasında yer alan ve Loki'nin Kalesi adıyla anılan hidrotermal bacalarda, yeni bir arke şubesi yani filumu (İng. phylum) buldu. Bu şubeye, Nors tanrılar âlemine ithafen "Asgard" üst-şubesi adı verildi. Üst-şubenin kapsadığı mirkobik türler adlandırılırken de Nors tanrılarının adlarından esinlenildi: Lokiarchaeota, Thorarchaeota, Odinarchaeota ve Heimdallarchaeota. Bu üst-şube, ökaryotların yaşayan en yakın akrabalarını temsil ediyor ve Ettema'nın hipotezine göre, ökaryotlar yaklaşık 2 milyar yıl önce bu arkelerin birinden veya onların henüz keşfedilmemiş bir kardeşinden evrildi.

Üç Yeni Zelandalının 1998'de yayımladıkları akıllıca hazırlanmış dedektiflik çalışması sayesinde, neredeyse her ders kitabında görmeye alıştığımız canlılık ağacının baş aşağı olabileceği olasılığı aniden ortaya çıktı. Bu kitaplarda, ilk varlıklar bakteriler gibi dairesel tek kromozoma sahip basit canlılar olarak gösteriliyordu ve diğer bütün organizmaların, bakterilerin karmaşık hücreler oluşturmak üzere bir araya gelmeleriyle oluştuğundan söz ediliyordu. Tam tersini düşünmek daha makul olabilir.

İlk modern organizmalar bakteri gibi değillerdi; sıcak su kaynaklarında ya da okyanus derinliklerindeki volkan ağızlarında yaşamıyorlardı. Daha çok protozoalar gibiydiler: Tek bir dairesel kromozom yerine birkaç tane çizgisel kromozomdan oluşan genom ve poliploidi vardı, yani çeviri hatalarının düzeltilmesi amacıyla aynı genin birkaç yedek kopyası bulunduruluyordu. Üstelik daha soğuk iklimlerden hoşlanmış olmalıydılar.

Patrick Forterre'nin uzun zaman önce tartışmaya açtığı gibi, SEOA'nın hayli özelleşmiş ve basitleşmiş mirasçısı olan bakteriler, DNA-protein dünyasının icadından uzun süre sonra oluşmuş gözükmektedir. Kurnazlıkları, RNA dünyasının ekipmanlarının çoğunu bırakarak, özellikle sıcak yerlerde yaşayabilecek yeteneği edinmeleridir. Hücrelerinde SEOA'nın ilkel moleküler özelliklerini barındıran bizleriz; bakteriler bizden çok daha fazla "evrimleşmiş"tir.
(...)
Bu tuhaf hikâye, insan hücre çekirdeğinin iç yüzeyine tutunarak asılı duran, kendilerini genlerden ayırmak gibi gereksiz işler yapan küçük RNA parçaları olan "moleküler fosiller"in varlığıyla desteklenir; bunlar rehber RNA, kemer RNA, küçük çekirdeksel RNA, küçük çekirdekçiksel RNA, kendini kırpan intronlardır. Bunlardan hiçbiri bakterilerde yoktur ve bunların bizim tarafımızdan icat edilmesindense, bakteriler tarafından bir kenara atıldıklarını düşünmek daha makuldur.

– Matt Ridley (Genom – ISBN: 9786054238811)

SEOA'yı Kuşatmak

Eğer ökaryotların ortaya çıkışını tarihlendirmek ve hatta evrildikleri arke ve bakteri türlerini belirlemek olanaklıysa, acaba filogenetik SEOA'nın başlangıcını ve iki ana kola ayrılışını da tarihlendirebilir mi? SEOA'nın canlılığın ilk temsilcisi olmadığına dikkat etmek gerekir. Canlılığa ilişkin en eski kanıt 3,7 milyar yıl önceden kalma stromatolitlerdir (mikroplar tarafından bırakılan tortul katmanlardır). Büyük olasılıkla, canlılık bu tarihten daha önce de mevcuttu. Yine de SEOA'nın ortaya çıkışı ve arkeler ile bakterilere evrilişi, 2 ilâ 4 milyar yıl öncesindeki herhangi bir tarihte gerçekleşmiş olabilir.

Filogenetik, bu zaman aralığını küçültmemize yardım ediyor ama Martin Embley, şu anki çözümleme araçlarının tam belirlemek için yeterli olup olmadığından emin değil. "Filogenetiğin sorunu şu ki, filogenetik çözümleme yapmak için yaygın olarak kullanılan araçlar, evrimsel tarihin böylesine büyük zaman aralıklarındaki moleküler evrimin karmaşıklıklarının üstesinden gelebilecek kadar gelişmiş değil," diyor.

Üç kollu ağaç hipotezinin o kadar uzun süre geçerliliğini korumasının nedeninin de bu olduğunu düşünüyor Embley; yanlışlığını kanıtlamaka için gereken araçlara sahip değildik. Bununla birlikte, iki kollu ağacın kabulü, daha iyi teknikklerin geliştirilmekte olduğunun habercisi. Bu teknikler arasında, biyokimyanın (laboratuvarda yapılan "yaşamın kökeni deneyleri"nde olanların) gerçekten de biyolojide gerçekleşenlerle uyuşacağı yolların incelenmesi var.

Bu durum evrimsel biyokimyacı Nick Lane'i düşündürüyor. "Bence denklemde eksik olan, biyolojik bir bakış açısı. Organik yapmak çok basit görünüyor ama onların kendiliğinden organize olmalarını sağlamak çok daha zor. O yüzden kimyacının bakış açısında büyük ölçüde eksik olan yapı soruları var," diyor.

Lane örnek olarak laboratuvar deneylerinde siyanid gibi kimyasallardan rutin olarak yaşamın yapı taşlarının nasıl inşa edildiğini veya morötesi ışığın nasıl ad hoc bir enerji kaynağı olarak kullanıldığını ama yine de canlılığın bunları nasıl kullandığının bilinmediğini vurguluyor. Lane bu durumu laboratuvar biyokimyası ile biyolojinin gerçekleri arasındaki bir kopukluk olarak görmesine rağmen, William (Bill) Martin'in çalışmasının, gerçek dünya biyolojisi ve gerçek hayattaki hidrotermal bacalarda bulunan koşullara karşılık gelerek, boşluğu doldurmaya yardımcı olduğunu belirtiyor. "Bill'in SEOA'yı yeniden inşasının bu denli heyecan verici olma nedeni bu, çünkü gerçek dünya ile bu güzel, bağımsız bağlantıyı kuruyor," diyor Lane.

Biyokimyanın yaşamı inşa etmek için kısmen jeolojiden ve içinde hazır bulunan malzemelerden ileri geldiğini anlatıyor Martin Embley. Yanıtı bulmak için doğru aracın filogenetik olduğunu düşünüyor ve bunun kanıtı olarak Wood–Ljungdahl karbon-sabitleme yolağına atıf yapıyor.

Karbon sabitleme, organik olmayan karbonun alınarak, canlılık için kullanılabilecek organik karbon bileşenlerine dönüşürülmesidir. Bilinen altı tane karbon sabitleme yolağı vardır. Freiburg Üniversitesi'nden mikrobiyolog Georg Fuchs tarafından onlarca yıldır yürütülen çalışmalar sonucunda, tüm yolakların en antik olanının, Wood–Ljungdahl yolağı olduğu gösterilmiştir. Dolayısıyla SEOA'nın kullandığı yolak muhtemelen odur. Bill Martin'in ekibinin bulguları da bunu desteklemiştir.

Basit olarak anlatmak gerekirse, bakteriler ve arkeler tarafından edinilmiş olan Wood–Ljundahl yolağı hidrojen ve karbon dioksit ile başlayıp, canlı tarafından kullanılabilecek formik asit ve karbon monoksitle sonuçlanır. "Wood–Ljundahl yolağı, ona gereken her şeyi sağlayabilecek alkalin bir hidrotermal ortama işaret ediyor; yapı, doğal proton gradyanları, hidrojen ve karbon dioksit. Bu, jeolojik bir bağlamı biyolojik bir senaryo ile harmanlamaktır ve ancak yakın zamanda filogenetik bunu destekleyebilmiştir," diyor Martin.

Astrobiyolojik Sonuçlar

Yaşamın kökenini ve SEOA'nın kimliğini anlamak, sadece Dünya üzerindeki yaşamın varlığını açıklamak için önemli olmakla kalmayıp, muhtemelen başka gezegenlerdekiler için de büyük önem taşıyor. SEOA'nın yuvası olan hidrotermal bacalar, anlaşıldığı kadarıyla güneş sistemimizde oldukça yaygın. Tüm gereken kaya, su ve jeokimyasal ısı. "Bence eğer başka yerde yaşam bulursak, en azından kimyasal olarak modern yaşama çok benzer olacaktır," diyor Martin.

Kalın su buzu katmanı altında küresel su okyanuslarıyla çevrili kaya merkezleri olan uydular, Dış Güneş Sistemi'nde oldukça fazla. Jüpiter'in uydusu Europa ve Satürn'ün uydusu Enceladus belki de en ünlüleri, ama Satürn'ün Titan ve Rhea uydularında, Plüton'da ve çok sayıda başka Güneş Sistemi cisminde de yeraltı okyanusları olduğuna ilişkin işaretler var. Bu yeraltı denizlerinin bazılarının tabanında hidrotermal bacaların olduğunu, uydunun bağlı olduğu gezegenin gel-git etkileşimlerinden gelen enerjiyi hayal etmek hiç de zor değil. Güneşin buz tavanın altına nüfuz etmemesi sorun değil; Martin'in tanımladığı türdeki SEOA'nın günışığına da ihtiyacı yok.

"SEOA makalemizin astrobiyolojik sonuçları arasında, ışığa gerek olmadığı gerçeği var. Yaşamın kökenini çalıştıran kimyasal enerjiydi; ilk hücreleri çalıştıran kimyasal enerji ve günümüzde Enceladus gibi cisimlerde mevcut olan kimyasal enerji," şeklinde açıklıyor Martin.

Yaşamın kökenine ve SEOA'nın varoluşuna ilişkin tablomuzu geliştiren keşifler, canlılığın Europa veya Enceladus gibi uzak ortamlardaki neredeyse aynı ortamlarda kolayca varolabileceğine ilişkin umutları yükseltiyor. Şimdi artık SEOA'nın nasıl yaşadığını bildiğimize göre, bu buzlu uydulara ileride gerçekleştirilecek uçuşlarda arayacağımız yaşam işaretlerini biliyoruz.