Canlılık denince ilk aklımıza gelen yumuşak, süngerimsi ve ıslak şeyler oluyor. Bazen de sonu "om"la biten çeşitli adları çağrıştırıyor: Genetik mirasımızı taşıyan genom, o genlerin kurduğu proteinlerin toplamı olan proteom veya metabolik süreçlerimizi düzenleyen küçük moleküller olan metabolom gibi.

Aklımıza gelmeyen birşey varsa, o da bunların metal meslektaşı olsa gerek: Metallom. Diğer "om"lar karmaşık yapılar ve içsel biyomekanizmalar ile doluyken, metallom çok daha basittir. Metal atomlarının yığınından ibarettir.

Buna rağmen son derece dikkate değer şeyler yapar. Diğer omlar ile değişen çevre koşulları arasında bir arayüz görevi yaparak, onların merkezindeki kimyayı mümkün kılar ve 3 milyar yıldan fazla süredir canlılığın evrimine yardımcı olur. Bu "om" gerçekten de en büyüklerin yanında yer almayı hak eden klasik metaldir.

Metallom metallerinden biri olan demirin tarihini düşünelim. İlkel okyanusta, çift artı yüklü iyonlar (Fe2+) olan demir atomları baskındı. Bunlar suda yüksek çözünürlüğe sahipti ve dolayısıyla okyanus canlıları (örneğin tek hücreli siyanobakteriler) tarafından temel katalitik işlevler için kullanılabilecek bir "besin" olmaya hazırdı.

Demir ve Siyanobakteriler

Demirin birden fazla kullanım alanı vardı. Bu ilkel yaşam formları karbon dioksit ve güneş ışığı kullanarak, karmaşık organik hidrokarbon moleküller ve yan ürün olarak da oksijen üretiyorlardı. Ne yazık ki bu oksijen onlar için zehirliydi. İşte demir iyonlarının kullanışlı olduğu nokta burasıydı: Siyanobakteriler tarafından okyanus suyuna verilen zehirli oksijeni, bir elektron değiş-tokuş süreci (üç artı yüklü demir iyonları ve oksijen içeren kimyasal türleri üreterek) ile uzaklaştırıyorlardı. Tepkime şuna benziyordu:



Demir tarafından yapılan bu kurtarış, hem fedakarca hem de kendine zarar vericiydi. Tepkimede üretilen üç artı yüklü demir iyonları, okyanus suyunda yüksek çözünürlüklü olan demir oksit (Fe2O3) oluşturuyordu. Sonuç olarak demir okyanus suyundan ayrışıp, okyanus tabanına küçük parçacıklar halinde çöküyordu. Dolayısıyla okyanusun demir konsantrasyonu büyük ölçüde düşüyordu. Bu da hücrelerin içsel kimyaları için demirin artık kullanılamaması anlamına geliyordu. Toksik oksijen konsantrasyonları oluşmaya başlıyor ve siyanobakteriler ölüyordu.

Sonuç olarak siyanobakteri popülasyonlarında ani yükseliş ve düşüş çevrimi başladı; tıpkı bir av-avcı çevrimi gibi. Siyanobakteriler ölürken daha az toksik oksijen üretiliyor, okyanussal demir konsantrasyonları iyileşiyor ve ardından siyanobakteri popülasyonları yenileniyordu. Bu çevrimsel sürecin izlerini kırmızı demir oksit katmanlarının arasındaki gri siyabokteri hücre enkazı katmanları olarak, eskiden antik okyanusların çöküntü tabanı olan bölgelerde görebiliyoruz. Bu şeritli demir oluşumları, işbaşındaki metallomun jeolojik kaydı oluyor.

Büyük Oksidasyon

Metallom sadece ilkel yaşamın temel işlevlerini yerine getirmesine yardımcı olmakla kalmayıp, değişen dünyaya uyumlanmasını da destekledi. Yaklaşık 2 milyar yıl önce gezegende bir Büyük Oksidasyon Olayı (GOE ) oldu. Fotosentetik bakteri popülasyonu, okyanussal oksijeni öylesine yükseltmişti ki, atmosfere oksijen kaçıyordu.

Bu öncü bir olaydı: Oksijen düzeyleri neredeyse modern düzeylere çıkarken, atmosferde dramatik değişimler oldu. Bu yüksek düzeyler, çözünebilir Fe2+ oksidasyon (çözünemeyen Fe3+ dönüşüm) oranını azalttı. Fakat aynı zamanda okyanusun çözünemeyen metalik sülfit tuzların (sülfüre bağlı metal) oksidize olarak çözünebilir sülfat tuzları (sülfür ve oksijene bağlı meta) üretimini oranını yükseltti. Canlıların kullanabileceği demir düzeyleri düşerken, tuzları çözünebilir duruma gelen bakır, çinko ve molibden arttı.

Bu durum hücresel kimyada büyük değişikliklere yol açtı. Okyanussal yaşam tarafından oksijen atomu transferi katalizleyicisi olarak tungsten kullanılmaktayken, daha verimli bir katalizleyici olan ama çözünemeyen formda sıkışmış molibden kullanılmaya başlandı. Büyük Oksidasyon ayrıca çözünebilir demiri çözünemeyen demir oksite dönüştürerek, okyanussal demir konsantrasyonlarını azalttı.

Hücreler, demir iyonlarının yüzeyini bir organik molekül ile kaplayarak buna uyumlandı ve onları suya karışıp okyanustan ayrışarak oksit kaya şekline dönüşmekten kurtardı. Bu biyolojik bonibon suda çözünebiliyor ve hücreler tarafından kullanılabiliyordu. Bonibon, siderofor (Yunanca demir anlamındaki "sider" ve taşıyıcı anlamındaki "for") adı verilen organik ayırıcı ajanlarla oluşturulmuştu. Halen de mikroplar tarafından demiri içlerine almada kullanılıyor.

Yaşam Metaller Sayesinde Ortaya Çıkmış Olabilir

Genom ve proteomda, metallom kaynaklı çok fazla başka örnek var. Örneğin deniz fıskiyeleri, bakır içeren bir protein olan hemosiyanin kullanarak oksijene bağlanır ve taşır. Biz insanlar ise demir içeren hemoglobin kullanıyoruz. Bu çeşitlilik, metallomun evrim sürecinde yaşama verdiği esnekliği gösteriyor. Anlaşılamamış bazı durumlar da var. Deniz fıskiyeleri hücrelerinde vanadyumu bin kat fazla konsantre edecek şekilde evrilmiştir ve nedeni henüz anlaşılabilmiş değil. Vanadyumun oksijen taşınımı ve solunumla ilgili olduğunu öne sürenler var fakat hemosiyaninin neden yeterli olmadığı açık değil.

Metallom bugün halen başka gezegenlerdeki yaşama ilişkin düşüncelerimizi değiştiriyor. Kendini çoğaltan çevrimsel kimyasal süreçleri (yani yaşamı) başlatmak için gereken enerji metalik elementlerin tepkimelerinden gelmiş olabilir. Dünyadışı yaşam arayışımızı karmaşık organik moleküllerin kalıntılarını aramakla sınırlandırmamalıyız. Kulağa bilimkurgu gibi gelse de, bir başka açık hedef var: Uzaydaki ağır metaller.