Demo v1.0

16 Temmuz 2024, Salı

Beta v1.0

Yaşam nasıl başladı? DNA’nın Keşfi, RNA Dünyası Hipotezi ve Hidrotermal Bacalar

Miller, Watson ve Crick'in keşiflerinden sonraki birkaç on yıl boyunca yaşamın kökeni sorusu, hangisinin önce geldiği konusunda dönüp durdu, DNA'nın mı yoksa proteinin mi?
Çeviren:
Kuzey Verim
Kaynak:
Orbiter

Oparin ve Haldane

Alexander Oparin Rusya’da genç bir öğrenciyken, Darwin’in doğal seçilim yoluyla evrim teorisini öğrendi. Her ne kadar dünyadaki yaşamın nasıl evrimleştiğine dair ikna edici bir teori olsa da, yaşamın nasıl başladığı konusunda söyleyecek bir şeyi yoktu.

Oparin bilimsel kariyerini bu önemli soruna adamaya karar verdi. 1924’de, Yaşamın Kökeni adında (Rusça) kısa bir kitap yayımladı. Darwin’den esinlenen Oparin, temel olarak bir kimyasal evrim teorisinin ana hatlarını çizdi.

Oparin ilk olarak canlı organizmaların çoğunlukla evrendeki en yaygın elementlerin bazılarından oluştuğunu gözlemledi: karbon, hidrojen, oksijen ve nitrojen. Ayrıca eski Dünya’nın bugünkünden çok daha farklı bir ortama sahip olduğunu öne sürdü. Özellikle atmosferin temelde metan, amonyak, hidrojen ve su buharından oluştuğunu varsaydı. Bu, o zaman için bütünüyle yeni bir fikirdi. Son olarak da, bu çeşitli elementlerin, Dünya’ya o zamanlar ulaşan daha yüksek dozdaki ultraviyole radyasyonun etkisiyle nasıl kimyasal reaksiyonlara girmiş olabileceğini tartıştı.

Bu kimyasal reaksiyonlar yeni bileşikler oluşturabilir, bunlar da başka ve daha karmaşık bileşikleri meydana getirebilir ve bu böyle devam edebilirdi. Neticede bu olay, bu çeşitli bileşikler arasında bir tür rekabete ve seçilime yol açarak, en hızlı (üreyen) üretilen veya en kararlı moleküler düzeneklerle sonuçlanabilirdi. Sahiden de, ilk canlı benzeri varlıklara yol açan gerçek bir kimyasal evrim süreci.

Oparin’in kitabı Rusça yayımlandığından, teorisi başta Batı dünyasında bilinmiyordu. Ancak, dikkat çekici bir benzerlik taşıyan bir başka teori, İngiliz bilim insanı J. B. S. Haldane tarafından bağımsız olarak geliştirildi. Haldane kendi teorisini 1929’da, yine “Yaşamın Kökeni” başlıklı bir makalede yayımladı. Daha sonra Haldane, hayatını yaşamın kökeni sorununa adamış Oparin’e hakkını teslim edecekti; Haldane içinse bu, onun birçok araştırma alanından yalnızca biriydi. Yaşamın kökeni için ilk gerçek bilimsel teoriyi bağımsız olarak tanıtmakla kalmayıp, aynı zamanda matematiksel popülasyon genetiği alanının da kurucularından biri oldu.

Oparin ve Haldane

Nihayetinde Oparin ve Haldane’ın birleştirilmiş teorileri yaygın olarak Oparin-Haldane hipotezi, veya daha sevecen bir ifadeyle “ilkel çorba teorisi” olarak bilinir hale geldi. Oysa bu fikirlerden bazılarının deneysel olarak test edilebilmesi için birkaç on yılın daha geçmesi gerekiyordu.

1953 yılında, 23 yaşındaki Amerikalı yüksek lisans öğrencisi Stanley Miller, prestijli Science dergisinde yaptığı deneyi rapor eden bir makale yayımladı. Miller, Nobel ödüllü danışmanı Harold Urey’le birlikte, eski Dünya’nın okyanus-atmosfer ortamını simüle ettiğine inanılan bir düzenek tasarlamıştı. Metan, amonyak ve hidrojen karışımından buhar geçirilirken, kimyasal reaksiyonları başlatmak için (şimşeği simüle eden) elektrik kıvılcımları kullanıldı. Deneyini yaklaşık bir hafta boyunca sürdüren Miller, ortaya çıkan karışımda birkaç amino asit buldu. Amino asitler, canlı organizmalardaki temel moleküller olan proteinlerin temel yapı taşlarıdır.

Miller’ın ulaştığı sonuçlar Oparin-Haldane hipotezi için deneysel bir kanıt olarak kabul edildiğinden bilim camiası üzerinde büyük bir etki yarattı. Miller yıllar boyunca deneyi üzerinde çalışmaya, düzeneğini geliştirmeye, yöntemlerini iyileştirmeye devam etti. Aynı deneyi bağımsız bir şekilde tekrarlayan diğer bilim insanları da Miller’ın vardığı sonuçları doğrulandı. İlk yayınından elli yıl sonra 1983 yılında Miller, Uluslararası Yaşamın Kökeni Araştırma Derneği (ISSOL) tarafından Oparin madalyasıyla ödüllendirildi.

Stanley Miller

Miller’ın deneyleri, eski Dünya’daki koşulların gerçekten nasıl olduğu sorusunu da gündeme getirdi. Miller’ın başlangıç karışımı doğru olmaya yakın mıydı, yoksa tam olarak doğru muydu? Dünyanın yaklaşık 4,6 milyar yıl önce oluştuğu artık gayet iyi bilinmektedir. Yaklaşık 4 milyar yıl önce, Archean Eon adı verilen jeolojik dönemin başında, Dünya, kıtaların oluşmasına yetecek kadar soğumuştu. Yaşamın en erken kanıtları 3,5 ila 3,7 milyar yıl öncesine dayanmaktadır. Halihazırda pek çok şey biliniyor olsa da, özellikle okyanuslar ve atmosfer olmak üzere erken Archean’daki kesin koşullar, hâlâ yaşamın kökeni alanındaki aktif bir araştırma konusudur. Ancak ilginçtir ki, Miller’ın orijinal sonuçlarına benzeyen sonuçlar, farklı başlangıç karışımlarından da elde edilmiştir.

Watson ve Crick

Miller’ın sonuçlarını yayımladığı yıl, James Watson ve Francis Crick adındaki araştırmacılar bir başka prestijli dergi olan Nature‘da kısa bir makale yayımladılar. Watson ve Crick, deoksiribonükleik asit veya DNA adı verilen molekül için özel bir yapı önerdiler. DNA moleküllerinin, bir organizmanın nesilden nesile aktarılan genetik bilgisini içerdiği zaten varsayılıyordu. Ama bu molekülün yapısı veya genetik bilgiyi nasıl depolayabildiği henüz bilinmiyordu.

Watson ve Crick’in 1953’te inşa ettikleri DNA’nın çift sarmal modelinin rekonstrüksiyonu

Watson ve Crick, DNA’nın çift sarmal bir yapı oluşturan iki tamamlayıcı nükleotid ipliğinden oluştuğunu öne sürmüştü. Yani nasıl amino asitler proteinlerin temel yapı taşlarıysa, nükleotidler de DNA’nın temel yapı taşlarıydı. Öne sürülen yapı, meslektaşları Rosalind Franklin ve Maurice Wilkins’in DNA’nın X-ışını kristalografik görüntüsüne ciddi bir biçimde dayanıyordu. 1962 yılında Watson, Crick ve Wilkins, keşifleri için Nobel ödülü aldılar. (1958 yılında ölen Franklin’in neden burada yer almadığı hâlâ tartışılmaktadır.)

DNA’nın yapısı artık bilindiği için, bilim insanlarının genetik bilgiyi nasıl kodladığını anlamaları çok zaman almadı. Görünüşe bakılırsa, DNA karmaşık bir moleküler mekanizma sayesinde proteinlere çevriliyordu. Özellikle, bir gendeki (DNA’nın bir parçası) belirli bir nükleotid dizisi, bir proteindeki amino asitleri belirliyordu. Ve bir proteindeki amino asitleri belirli dizilimi de onun kimyasal işlevini ortaya koyuyordu. Örneğin, bir protein kas hücresinin parçası olabilirken, bir başkası yediklerinizi sindirmenize yardımcı oluyordu ve bu böyle devam ediyordu.

Dahası, bazı proteinler bu DNA-protein dönüşümünde kullanılmak üzere aynı moleküler mekanizmanın bir parçası olabilirdi. Diğer bir deyişle, DNA ve proteinler arasında döngüsel bir bağımlılık söz konusuydu. Her ikisi de canlı bir hücre oluşturmak için birbirlerine ihtiyaç duyuyorlardı. Bu nedenle Miller, Watson ve Crick’in keşiflerinden sonraki birkaç on yıl boyunca yaşamın kökeni sorusu, hangisinin önce geldiği konusunda dönüp durdu, DNA’nın mı yoksa proteinin mi?

Sonunda cevabın muhtemelen “hiçbiri” olduğu genel anlamda kabul edildi. Anlaşıldığı üzere, DNA-protein dönüşüm mekanizmasına dahil olan bir başka önemli molekül daha vardı: ribonükleik asit veya RNA. DNA gibi RNA da nükleotidlerden oluşuyordu. Fakat DNA’nın aksine, RNA yalnızca tek bir iplikten oluşmaktaydı. Bu da DNA’ya nazaran kimyasal olarak daha aktif olmasını sağlıyordu.

Tek iplikli bir RNA molekülü ve çift sarmal iplikli bir DNA molekülünün eşleşen nükleotidlerle karşılaştırılması.

Benzer yapısı sayesinde RNA da DNA gibi genetik bilgi depolayabiliyordu. Ve kimyasal olarak daha aktif olması RNA’nın proteinler gibi birtakım kimyasal fonksiyonları yapabilmesine imkan tanıyordu. Bu durumdan ötürü belki de RNA’nın DNA ve proteinlerden önce geldiğini, ancak her ikisinin de rolünü üstlendiğini öne sürmek mantıksız değildi. Bu öneri, Nobel ödüllü Walter Gilbert tarafından 1986 yılında yayımlanan Nature dergisindeki bir sayfalık makalede ortaya atılmış bir terim olan RNA dünyası hipotezi olarak bilinir hale geldi.

Bu RNA dünyası hipotezi kısa sürede yaşamın kökeni araştırmasında baskın hâle geldi. Kendini kopyalayan bir RNA molekülü (her nükleotidinin kopyasını kendi başına yapabilen bir RNA molekülü) bulmak ya da inşa etmek için yarış başladı. Bu araştırma programından birçok ilgi çekici bilimsel çıktı elde edilmiş olsa da, aradan geçen 30 yılın ardından hala kendini kopyalayan bir RNA molekülü bulunamadı.

Gelişen Diğer Teoriler

RNA dünyası görüşünün hakimiyetine rağmen, yıllar içinde diğer hipotezler ve teoriler de geliştirildi. Belki de en akla yatkın olanı yaşamın hidrotermal bacalarda başladığıydı. Hidrotermal bacalar okyanus tabanında, genellikle tektonik plakaların sınırlarına yakın bir yerde, jeotermal olarak ısınmış suyun çevredeki soğuk suya doğru yükseldiği çatlaklardı. Bu sıcak su aynı zamanda aşağıdaki kabuktaki kayalardan ve jeotermal faaliyetlerden elde edilmiş her çeşit kimyasal madde açısından zengindi. Sürekli bir enerji ve kimyasal akışının bu kombinasyonu, tıpkı nükleotidler ve amino asitler gibi yaşamın yapı taşlarına doğru gerçekleşen bir kimyasal evrim süreci için doğru şartları sağlamış olabilirdi.

2008 yılında Nature’da, teorinin en eski ve en önde gelen araştırmacılarının bazılarının inceleme makalesi yayımlandı. Daha yakın bir zamanda, yaşamın yeryüzeyindeki hidrotermal kaya havuzlarından ortaya çıktığına dair alternatif bir teori daha ortaya atıldı. Bu senaryoda, ıslak-kuru döngüler (gelgit ve yağmur-buharlaşma döngüleri gibi) RNA ve protein gibi moleküllerin oluşumu için önemli bir itici güç sağlıyordu.

Bir diğer aktif araştırma alanı da zarlara odaklanmaktaydı. Dünya’daki tüm yaşam, zar şeklinde açıkça görülen bir sınıra sahip olan hücrelerden oluşuyordu. Bu zarların temel yapı taşları yağ asitleri gibi lipitlerdi. Görünüşe göre lipitler, uygun koşullar altında kendiliğinden katmanlar halinde toplanıp kendi içlerine kapanarak bölmeler oluşturuyordu. Daha sonra, bu lipit bölmeler büyüyebilir ve hatta kendiliğinden bölünebilirdi. Bu da (hücresel) yaşamın başlangıcı olarak bir lipit dünyası fikrini doğurdu. RNA dünyası ve lipit dünyası fikirlerinin her ikisi de öncelikle tek bir tür moleküle odaklanıyordu. Oysa, her çeşit molekülü içeren prebiyotik kimya “dağınık” bir yapıya sahipti.