Yaratılışın Kozmik Nefesi: Yaşamın Kaynağına Yolculuk

Klasik 1952 Miller-Urey deneyi, proteinlerin kimyasal bileşenleri olan amino asitlerin çoğunun, Dünya'nın ilk zamanlarını taklit etmeye yönelik koşullar altında inorganik bileşiklerden sentezlenebileceğini göstermiştir. Yıldırım, radyasyon, mikro meteorların atmosferik girişleri ve deniz ve okyanus dalgalarındaki kabarcıkların patlaması gibi dış enerji kaynakları bu reaksiyonları tetiklemiş olabilir. Diğer yaklaşımlar ("önce metabolizma" hipotezleri) Dünya'nın ilk zamanlarındaki kimyasal sistemlerdeki katalizin kendi kendini kopyalamak için gerekli öncü molekülleri nasıl sağlamış olabileceğini anlamaya odaklanmaktadır.

Genomik bir yaklaşım, yaşamın iki ana dalının üyeleri olan arkea ve bakteriler tarafından paylaşılan genleri tanımlayarak modern organizmaların son evrensel ortak atasını (LUCA) karakterize etmeye çalışmıştır (burada ökaryotlar iki üst âlemli sistemdeki arkea dalına aittir). 355 genin tüm yaşam için ortak olduğu görülmektedir; bu genlerin doğası, LUCA'nın Wood-Ljungdahl yolu ile anaerobik olduğunu, kemiosmoz ile enerji elde ettiğini ve DNA, genetik kod ve ribozomlar ile kalıtsal materyalini koruduğunu ima etmektedir. LUCA 4 milyar yıl (4 Gya) önce yaşamış olmasına rağmen, araştırmacılar onun yaşamın ilk formu olduğuna inanmamaktadırlar. Daha önceki hücreler sızdıran bir zara sahip olabilir ve derin denizlerdeki beyaz dumanlı bir hidrotermal bacanın yakınında doğal olarak oluşan bir proton gradyanından güç almış olabilir.

Dünya, evrende yaşam barındırdığı bilinen tek yer olmaya devam etmektedir ve Dünya'dan elde edilen fosil kanıtlar, abiyogenez çalışmalarının çoğunu bilgilendirmektedir. Dünya 4,54 milyar yılda oluşmuştur; Dünya'daki yaşamın tartışmasız en eski kanıtı en az 3,5 milyar yıldan kalmadır. Fosil mikroorganizmaların, Hadeen sırasında 4.4 milyar yıl önce, okyanus oluşumundan kısa bir süre sonra, Quebec'ten 3.77 milyar yıl ile 4.28 milyar yıla tarihlenen hidrotermal havalandırma çökeltileri içinde yaşadığı görülmektedir.

NASA'nın 2015 astrobiyoloji stratejisi, hem uzayda hem de gezegenlerde yaşamın kimyasallarının prebiyotik kökeninin yanı sıra reaksiyonları katalize etmek ve kalıtımı desteklemek için erken biyomoleküllerin işleyişi üzerine araştırmalar yoluyla yaşamın kökeni bulmacasını (tam işlevli bir canlı sistemin cansız bileşenlerden nasıl ortaya çıkabileceği) çözmeyi amaçlıyordu.

Yaşam (kalıtsal) varyasyonlarla üremeden oluşur. NASA yaşamı "Darwinci [yani biyolojik] evrim geçirebilen, kendi kendini idame ettiren kimyasal bir sistem" olarak tanımlamaktadır. Böyle bir sistem karmaşıktır; muhtemelen yaklaşık 4 milyar yıl önce yaşamış tek hücreli bir organizma olan son evrensel ortak ata (LUCA), bugün evrensel olan DNA genetik kodunda kodlanmış yüzlerce gene zaten sahipti. Bu da mesajcı mRNA, taşıyıcı tRNA ve kodu proteinlere çevirmek için ribozomları içeren bir dizi hücresel mekanizma anlamına gelmektedir. Bu proteinler, Wood-Ljungdahl metabolik yolu aracılığıyla anaerobik solunumunu çalıştıracak enzimleri ve genetik materyalini çoğaltacak bir DNA polimeraz enzimini içeriyordu.

Abiyogenez (yaşamın kökeni) araştırmacılarının önündeki zorluk, ilk bakışta tüm parçaları işlevini yerine getirebilmesi için gerekli olan böylesine karmaşık ve birbirine sıkı sıkıya bağlı bir sistemin evrimsel adımlarla nasıl gelişebildiğini açıklamaktır. Örneğin, ister LUCA ister modern bir organizma olsun, bir hücre DNA'sını DNA polimeraz enzimi ile kopyalar ve bu enzim de DNA'daki DNA polimeraz geninin transle edilmesiyle üretilir. Biri olmadan ne enzim ne de DNA üretilebilir. Evrimsel süreç, moleküler kendi kendini kopyalama, hücre zarları gibi kendini birleştirme ve otokatalizi içermiş olabilir.

LUCA gibi canlı bir hücrenin gelişiminin öncülleri, ayrıntıları tartışmalı olsa da yeterince açıktır: mineral ve sıvı su kaynağı ile yaşanabilir bir dünya oluşur. Prebiyotik sentez, proteinler ve RNA gibi polimerler halinde bir araya getirilen bir dizi basit organik bileşik yaratır. LUCA'dan sonraki süreç de kolayca anlaşılabilir: biyolojik evrim, çeşitli formlara ve biyokimyasal yeteneklere sahip çok çeşitli türlerin gelişmesine neden olmuştur. Bununla birlikte, LUCA gibi canlıların basit bileşenlerden türetilmesi anlaşılmaktan uzaktır.

Dünya yaşamın bilindiği tek yer olmaya devam etse de astrobiyoloji bilimi diğer gezegenlerde yaşam olduğuna dair kanıtlar aramaktadır. NASA'nın yaşamın kökenine ilişkin 2015 stratejisi, evrimleşebilen makromoleküler sistemlerin çeşitliliğine, seçilimine ve çoğalmasına katkıda bulunan etkileşimleri, aracı yapıları ve işlevleri, enerji kaynaklarını ve çevresel faktörleri belirleyerek ve potansiyel ilkel bilgi polimerlerinin kimyasal manzarasını haritalandırarak bulmacayı çözmeyi amaçlamıştır. Çoğalabilen, genetik bilgi depolayabilen ve seçilime tabi özellikler sergileyebilen polimerlerin ortaya çıkışının, büyük olasılıkla prebiyotik kimyasal evrimin ortaya çıkışında kritik bir adım olduğu öne sürülmüştür. Bu polimerler de çevredeki reaksiyonlarla oluşmuş olabilecek nükleobazlar, amino asitler ve şekerler gibi basit organik bileşiklerden türemiştir.Yaşamın kökenine ilişkin başarılı bir teori, tüm bu kimyasalların nasıl ortaya çıktığını açıklamalıdır.

Aristoteles'ten 19. yüzyıla kadar yaşamın kökenine ilişkin eski görüşlerden biri kendiliğinden oluşumdur. Bu teori, "aşağı" hayvanların çürüyen organik maddeler tarafından üretildiğini ve yaşamın tesadüfen ortaya çıktığını savunuyordu. Bu teori 17. yüzyıldan itibaren Thomas Browne'un Pseudodoxia Epidemica'sı gibi eserlerde sorgulanmıştır. 1665 yılında Robert Hooke bir mikroorganizmanın ilk çizimlerini yayınladı. 1676'da Antonie van Leeuwenhoek, muhtemelen protozoa ve bakteri olan mikroorganizmaları çizdi ve tanımladı. Van Leeuwenhoek kendiliğinden oluşuma karşı çıktı ve 1680'lerde kapalı ve açık et inkübasyonundan böcek üremesinin yakından incelenmesine kadar çeşitli deneyler kullanarak teorinin yanlış olduğuna kendini ikna etti. 1668 yılında Francesco Redi, sineklerin yumurtlaması engellendiğinde ette kurtçuk oluşmadığını göstermiştir. 19. yüzyılın ortalarına gelindiğinde, kendiliğinden oluşumun kanıtlanmadığı düşünülüyordu.

MÖ 5. yüzyılda Anaksagoras'a kadar uzanan bir başka eski fikir de panspermia, yani yaşamın meteoroitler, asteroitler, kuyruklu yıldızlar ve gezegenimsiler tarafından dağıtılmış olarak evrenin her yerinde var olduğu fikridir. Yaşamın kendi içinde nasıl ortaya çıktığını açıklamaya çalışmaz, ancak Dünya'daki yaşamın kökenini başka bir gök cismine kaydırır. Bunun avantajı, yaşamın oluştuğu her bir gezegende değil, daha sınırlı bir dizi yerde (hatta potansiyel olarak tek bir yerde) oluşmuş olması ve daha sonra kuyruklu yıldız veya meteor çarpması yoluyla galaksideki diğer yıldız sistemlerine yayılmış olmasıdır.

1864 yılında Louis Pasteur, mikrobiyal yaşamın, önceden var olan yaşamın yokluğunda kendiliğinden ortaya çıkamayacağını gösteren deneylerini açıklamıştı. Bu çalışma, modern bilimde bir dönüm noktası olarak kabul ediliyor çünkü kendiliğinden oluşan nesille ilgili uzun süredir devam eden bir tartışmayı çözüme kavuşturuyordu.

Kendiliğinden nesil, organizmaların cansız maddelerden mucizevi bir şekilde oluşabileceği fikridir.

Ancak Pasteur'ün sonuçları evrimci biyologlar için yeni bir bilmeceyi ortaya çıkardı:

Eğer yaşam yalnızca yaşamdan ortaya çıkabiliyorsa, gezegende yaşayan organizmalar başlangıçta nasıl ortaya çıktı?

Cevap 1920'lerde Rusya'dan A.I. Oparin ve İngiltere'den J.B.S. Haldane, birbirlerinden bağımsız olarak, yaşamın kökeninin, tüm organizmaların birkaç hafta içinde kendiliğinden hızlı bir şekilde oluşmasının sonucu olarak değil, uzun ve kademeli bir kimyasal evrim süreciyle açıklanabileceğine dair ikna edici argümanlar sundu.

Alexander Oparin biyokimya alanındaki çalışmalarını yürütmüştür. Bunu yapabilmesinin nedeni sadık bir komünist olmasıdır.

Sovyetler Birliği Lysenko'nun fikirlerini de desteklemiştir ve hatta Lenin Nişanı’na layık görülmüştür. Bu nişan, Sovyetler Birliği'nde yaşayan birinin erişebileceği en üst düzey madalyadır. 1924 yılında Oparin Yaşamın Kökeni isimli bir kitap yayınlamıştır. Bu kitap içerisinde, Darwin'in "ufak su birikintisine" dikkate değer miktarda benzer olan bir fikri savunmuştur.

Dünya yüzeyi soğudukça ilk okyanuslar oluşmaya başlamıştır.

Oparin, Dünya'nın yeni oluştuğu zamanları hayal etmiştir. Yüzey sıcaklıkları aşırı yüksektir, uzaydan gezegene kayalar yağmaktadır ve yüksek basınç altında gezegeni dövmektedir. Gezegen, içlerinde bolca kimyasal bulunan yarı erimiş kayalardan oluşan bir yapıdır. Bu kimyasalların başında da karbon gelmektedir.

Nihayetinde Dünya yeterince soğuduğunda, su buharı da yoğunlaşarak sıvı suya dönüşmüştür ve ilk yağmurlar gezegen üzerine düşmüştür. Kısa bir süre sonra ilk okyanuslar oluşmaya başlamıştır. Bunlar, sıcak ve karbon-temelli kimyasallarca zengin su birikintileridir.

Bu noktada, şu iki şeyden biri olabilir:

İlki, çeşitli kimyasallar birbiriyle etkileşerek birçok yeni bileşik oluşturabilirler. Bunlardan bazıları, diğerlerine göre daha karmaşık yapılı olabilir. Oparin, yaşamın merkezinde yer alan kimyasalların (örneğin şekerler ve aminoasitlerin) Dünya okyanuslarında oluşabileceğini varsaymıştır.

İkincisi, bu kimyasallardan bazıları mikroskobik yapılar oluşturmaya başlayabilir. Birçok organik kimyasal su içerisinde çözünmez. Örneğin yağ, suyun üzerinde bir tabaka oluşturur. Ancak bu kimyasalların bazıları suyla temas ettiklerinde, "koaservatlar" adı verilen küresel yapılar oluştururlar. Bu koaservatların boyutları kabaca 0.01 santimetre düzeyindedir.

Eğer ki koaservatları mikroskop altında inceleyecek olursanız, neredeyse "rahatsız edici şekilde" hücreler gibi davranırlar. Büyürler, şekil değiştirirler ve hatta bazen ikiye bölünürler. Ayrıca etraflarındaki su birikintisinden maddeler alabilirler, böylece yaşam için gerekli olan kimyasallar bu koaservatlar içerisinde hapsolabilir. Oparin, koaservatların modern hücrelerin atası olduğunu ileri sürmüştür.

Ondan 5 yıl sonra İngiliz biyolog J. B. S. Haldane, Oparin'den tamamen bağımsız bir şekilde çok benzer fikirleri, Rationalist Annual isimli dergide kısa bir makale olarak yayınlamıştır. Haldane, çoktan evrimsel teoriye epey katkı sağlamış bir bilim insanıdır. Darwin'in fikirlerini, yeni yükselen bir bilim dalı olan genetik ile birleştirmeyi başarmıştır. Ayrıca kişilik olarak da destansı ve epik bir karakterdir. Örneğin bir keresinde, basınç odası içerisinde yaptığı deneyler sebebiyle kulak zarını delmeyi başarmıştır; ancak sonrasında şöyle yazmıştır:

Kulak zarı genellikle iyileşir; ancak içerisindeki delik bazen orada kalabilir. Bu durumda kişi işitme kaybı yaşasa da, en azından kulağından sigara dumanı üfleyebilir! Bu da sosyal bir beceri olarak görülmelidir.Oparin gibi Haldane de organik kimyasalların su içerisinde nasıl birikebileceğini izah etmiştir:

Böylece ilk okyanuslar, seyreltilmiş ve sıcak bir çorba kıvamına ulaşmıştır. Bu noktada 'ilk yaşam' ya da 'ilk yarı-yaşam' formları oluşmuştur. Bunların her biri, yağsı bir film tabakası içerisinde meydana gelmiştir.

Dünyadaki bütün biyologlar arasından Oparin ve Haldane’in bunu önermesi çarpıcıdır. Canlı organizmaların bir tanrı veya “yaratıcı kuvvet” olmadan, tamamen kimyasal yollarla oluştuğu düşüncesi, her şeyi kökünden değiştirmiştir. Daha önceki Darwin’in Evrim Teorisi gibi bu düşünce de Hristiyanlığa ters düşmüştür.

Bu durum, Sovyetler Birliği açısından bir sıkıntı yaratmamıştır. O zamanki Sovyet rejimi resmî olarak ateist olduğundan ülkenin liderleri de yaşam gibi temel bir olayda materyalist bir bakış açısını desteklemişlerdir. Haldane de ateistti, üstüne üstlük sadık bir komünistti.

1920'lerden bu yana çok ilerleme kaydedildi, ancak çoğu karmaşık bilimsel soruda olduğu gibi, birçok belirsizlik devam ediyor ve birçok yeni araştırma yolu ortaya çıkarıldı.

YAŞAM NASIL OLUŞTU?

Yaşamın kökeni hakkında ne biliyoruz, neler bilmiyoruz. Cevapların kolay bulunamayacağı zor bir soru bu. Fakat Jeolog, biyolog, tıp doktoru birçok mesleki durumu ilgilendiren bir konu. Bu konuda tartışmaya açık olmayan, fikrini sorgulatmayan kesim ise teoloji, din ile ilgili olanlar. Onların kutsal saydıkları kitaplarında yaratılışı allah (tanrı kavramıyla) özdeşleştirdikleri, insanın adem ve havadan türediğine dair sabit değişmez bir iddia var. Biz bu kitaplara değil kendi kutsal kitaplarımıza, biyolojiye, matematiğe, fizik ve kimyaya bakıyoruz, oradan cevap arıyoruz.

Evrimsel biyolojideki bulgulara göre evren, dünya ve canlı çeşitleri evrimin sonuçlarıdır.

Evrim Nedir?..

Evrim esas olarak dünyadaki yaşamın kökeniyle ilgilenir. Dünyadaki yaşam koşulları ve biçimleri bugün gördüğümüzden tamamen farklıydı. Her şey daha iyi bir hayatta kalma şansı için bir biçimden diğerine evrildi.

Evrenin ve yeryüzündeki yaşamın kökenini inceleyelim...

Yaşamın başlangıcı evrenin başlangıcı ile başlar. Galaksilerden oluşan eski, geniş ve boş bir alan olan evren, şimdiki bilgilerimize göre yaklaşık 20 milyar yıl önce ortaya çıktı. Önce gaz ve tozla dolu karanlıktan başka bir şey yoktu. Büyük Patlama (Big Bang Teorisi), dünya gezegeninin kökeni ve üzerinde farklı yaşam formlarının varlığı konusunda en çok kabul gören teoridir. Bu teoriye göre evren, 20 milyar yıl önce meydana gelen büyük bir patlamanın sonucudur. İster hipotez ister gerçek olsun, yeni bir evren oluştu. Patlamadan sonraki atmosferik durum daha stabil hale geldi. Sıcaklık düştü ve hidrojen, helyum gibi gazlar oluştu ve bu da günümüz galaksilerinin oluşmasına yol açtı.

10 Milyar yıl sonra su buharı, metan, karbondioksit ve amonyakla kaplanan dünya oluştu. Atmosfer yoktu, yalnızca gazlar ve nem vardı. Güneşin güçlü ışınları evrimi teşvik etti ve hızlandırdı. Gaz molekülleri arasındaki bağların oluşması ve kopmasıyla dünya yeni bir yüzle ortaya çıktı. Milyonlarca yıl sonra, yani dünya atmosferinin stabil hale gelmesiyle, yeryüzünde ilk yaşam ortaya çıktı (yaklaşık 4 milyar yıl önce). Dünyadaki yaşamın kökeninin hikayesi burada başladı.

Dünyadaki yaşamın kökenine ilişkin birçok hipotez vardı. Bazı uzmanlar yaşamın sporlar halinde uzaydan geldiğini öne sürerken, bir başka grup ise yaşamın çamur gibi çürüyen maddeler gibi hücresel olmayan bir bileşenden geldiğini açıkladı. İkinci teori, daha sonra bir kenara atılan kendiliğinden nesil teorisi olarak biliniyordu.

Dünyanın dört milyar yıl önce nasıl olduğunu veya o dönemde yaşamın ortaya çıkmasına yol açan tepkime türlerini hiçbir zaman kesin olarak bilemeyeceğiz, ancak soruyu sormanın başka bir yolu var.

“Hayat nasıl başlayabilir?” Bu soru; “Hayat nasıl başladı” yerine bu basit fiil değişikliği umut veriyor. Yaşamın kökenine yönelik, belki de yaşamın laboratuvarda sentetik bir versiyonuna yol açacak bir dizi bariz adımı göstermemiz mümkün görünüyor. O zaman ikinci soruya tatmin edici bir cevap verebileceğiz:

Dünya'da ve diğer yaşanabilir gezegenlerde yaşam nasıl başlayabilir?

Yaşama doğru atılan ilk adım, yanıtlayabileceğimiz temel bir soruyu içerir: Yaşamın unsurları nereden geldi? Altta resim olarak eklediğim basitleştirilmiş periyodik tabloya bir göz atın. Elementlerin periyodik cetvelindeki yeşil renkli altı elementi görüyor musunuz? Bunlara biyojenik elementler denir. Hayatın kökenini oluşturan temel unsurlar, karbon, hidrojen, oksijen, nitrojen ve fosfordur. Milyarlarca yıl evrim sürecinde değişip, dönüşerek, değişen ortama , yaşam koşullarına daha uyumlu hale geldikçe günümüze kadar varlığını devam ettirmiş olan canlı formların yapısındaki temel elementlere sülfür, kalsiyum, potasyum, sodyum, demir, çinko, magnezyum gibi başka elementler de sonradan eklemlenmiştir.

Örneğin insan vücudundaki herşey en az 25 elementten oluşuyor. Ancak vücut kütlemizin yüzde 99'a yakınını 6 element oluşturuyor. Bunlar:

Oksijen %65, karbon %18, hidrojen %10 (kütle değil ama atom sayısı olarak en fazla hidrojen var), nitrojen (azot) %3, kalsiyum %1,4 ve fosfor %1,1 ... Geri kalan y%1,5 kısmı ise Potasyum, Sülfür, Sodyum, Klor, Magnezyum ve eser miktarda Bor, Krom, Kobalt, Bakır, Flor, İyot, Demir, Manganez, Molibden, Selenyum, Silikon, Kalay, Vanadyum ve Çinkodan oluşur.

Bu elementler, vücudumuzu oluşturan thücrelerin (en az 37 trilyon hücre var) yanı sıra, hücre zarının dışında kalan hücre dışı yapılarda da bulunur. vYetişkin bir insanın vücudunun en az yüzde 60'ı sudur. Bu 42 litre su demektir, bunun 23 litresi hücrelerin içinde, 19 litresi ise hücre dışında yer alır. Hücre dışı suyun 8,4 litresini dokular arası sıvı, 3,2 litresini ise kan plazma sıvısı oluşturur.

Yaşamın başlangıcında bu elementlerin Dünya'da nasıl bir araya geldiğine dair birçok bilimsel gizem var. Örneğin bilim insanları, güneşe bu kadar yakın oluşmuş bir gezegenin doğal olarak karbon ve nitrojen içermesini beklemezler.

Canlı bir hücreyi oluşturan tüm atomları toplarsanız, temel olan altı elementin proteinlerin, nükleik asitlerin ve hücre zarlarının temel bileşiminin %99'a yakınını temsil edttiğini biliyoruz. Yaşamın bu altı elemente ihtiyacı vardı, ancak bu yalnızca elementlerin moleküller halinde birleşmesi durumunda işe yarar.

İki veya daha fazla elementi bir bileşikte bir araya getirirsek ne olacağını düşünelim.

Örneğin karbon ve hidrojen hidrokarbonlara dönüşür ve hücre zarlarındaki hidrokarbon zincirleri yaşamın önemli bir bileşenidir.

Karbon, hidrojen ve oksijen gibi üç elementin birleşmesine izin verirsek şeker ve selüloz gibi karbonhidratlar elde ederiz.

Beş element (karbon, hidrojen, oksijen, nitrojen ve kükürt) proteinlerin amino asitlerini oluşturur ve eğer fosforu kükürtle değiştirirsek beş element de DNA gibi nükleik asitleri oluşturur.

Biyojenik elementlerin nihai kaynağını bilsek de, bunların nasıl bileşik haline geldiğini ve daha sonra bu bileşiklerin, dört milyar yıl önce kısır Dünya'da yaşamın ortaya çıkmasına yetecek kadar karmaşık hale nasıl geldiğini de bilmemiz gerekiyor.

Artık biyojenik elementlerin kaynağına dönebiliriz. Bir istisna dışında, elementel silikon ve demir de dahil olmak üzere (Dünya'nın kendisini oluşturan) Dünya üzerindeki tüm yaşamdaki biyojenik elementler yıldızlarda sentezlendi. Bunun istisnası hidrojendir ve onun Dünya'da biyojenik elementlerden biri olarak bulunmasının tek nedeni, sudaki hidrojenin (H2O) güneş sistemimiz oluştuğunda güneşe yakalanmama şansına sahip olmasıdır. Aslında atom sayısı bakımından hidrojen, Dünya'da yaşayan tüm atomların yaklaşık yüzde 70'ini oluşturur.

Yaşamın unsurları nasıl yıldızlardan gelebilir?

1946'da genç İngiliz gökbilimci Fred Hoyle'un aklına bir fikir geldi. Hoyle fikirlerle doluydu ve çoğunu cesurca yayınladı, ancak yalnızca bir tanesi deneysel ve teorik testlerden sağ çıkabildi. Fikrini anlamak için biraz lise kimyasını hatırlamamız gerekiyor. Tüm maddeler atomlardan oluşur ve tüm atomlar, çok daha hafif elektronlardan oluşan yörünge bulutlarıyla çevrelenen, proton ve nötron adı verilen parçacıklardan oluşan küçük bir çekirdeğe sahiptir. Ancak yıldızlarda sıcaklık o kadar yüksektir ki elektronlar düşer, dolayısıyla güneşimiz gibi yıldızlar çoğunlukla hidrojen ve helyumdan oluşan çıplak atom çekirdeği gazından oluşur. Hidrojen, çekirdeğinde tek proton bulunan en hafif elementtir; helyum ise çekirdeğinde iki proton ve iki nötron bulunan ikinci en hafif elementtir. Sıcaklık yeterince yüksek olduğunda (yaklaşık 10 milyon derece), hidrojenler birleşerek helyumu oluşturur ve muazzam miktarda enerji açığa çıkar. Yıldızların parıldamasını sağlayan enerji budur.

Hoyle'un parlak görüşü, bir yıldız ömrünün sonuna yaklaştığında ve sıcaklığı 100 milyon dereceye yaklaştığında ikinci bir füzyon reaksiyonunun başlayacağıydı. Bu noktada iki helyum çekirdeği birleşerek en hafif metalik element olan berilyumu oluşturur ve bu daha sonra başka bir helyum çekirdeği ile birleşerek karbon oluşturabilir. Daha önceki teorik modeller, eğer bir yıldızda karbon mevcutsa, karbon-nitrojen-oksijen döngüsü adı verilen bir süreçte azot ve oksijenin oluşabileceğini göstermişti; bu döngü, oluşma yolundaki büyük, sıcak yıldızların füzyon enerjisinin birincil kaynağıydı. novalar ve süpernovalar. Bu modeller bir karbon kaynağı içermiyordu ve Hoyle burada bir boşluğu doldurdu.

Özetle, Dünya'daki tüm yaşamı oluşturan karbon, nitrojen, oksijen, kükürt ve fosfor atomları, herhangi bir hidrojen bombasından daha yüksek sıcaklıktaki yıldızlarda oluşmuştur. Canlı organizmalar olarak bizler evrenin geri kalanından hiçbir şekilde ayrı değiliz. Bunun yerine, birkaç yıllığına atomlarının küçük bir kısmını ödünç alıyoruz ve onları Dünya'daki tüm yaşamın canlı birimi olan hücrelerin geçici moleküler yapılarına dahil ediyoruz.

Yaşamın kökenindeki aşamalar, yaşanabilir Dünya ve basit moleküllerin abiyotik sentezi gibi iyi anlaşılanlardan, karmaşık moleküler işlevleriyle son evrensel ortak atanın (LUCA) türetilmesi gibi büyük ölçüde bilinmeyenlere kadar uzanmaktadır. Abiyogenez teorisi, yaşamın kökeni, yaşamın basit organik bileşikler gibi cansız maddelerden ortaya çıktığı doğal süreçtir. Hakim bilimsel hipotez, Dünya'da cansız varlıklardan canlı varlıklara geçişin tek bir olay değil, yaşanabilir bir gezegenin oluşumu, organik moleküllerin prebiyotik sentezi, moleküler kendini kopyalama, kendini birleştirme, otokataliz ve hücre zarlarının ortaya çıkışını içeren artan karmaşıklıkta bir süreç olduğudur. Sürecin farklı aşamaları için birçok öneri yapılmıştır.

Abiyogenez çalışması, yaşam öncesi kimyasal reaksiyonların bugün Dünya'dakinden çarpıcı biçimde farklı koşullar altında yaşamı nasıl ortaya çıkardığını belirlemeyi amaçlamaktadır. Öncelikle biyoloji ve kimyanın araçlarını kullanır, daha yeni yaklaşımlar ise birçok bilimin sentezini yapmaya çalışır. Yaşam, karbon ve suyun özelleşmiş kimyası aracılığıyla işler ve büyük ölçüde dört temel kimyasal ailesine dayanır: hücre zarları için lipitler, şekerler gibi karbonhidratlar, protein metabolizması için amino asitler ve kalıtım mekanizmaları için nükleik asit DNA ve RNA. Başarılı bir abiyogenez teorisi, bu molekül sınıflarının kökenlerini ve etkileşimlerini açıklamalıdır. Abiyogeneze yönelik pek çok yaklaşım, kendini kopyalayan moleküllerin ya da bileşenlerinin nasıl ortaya çıktığını araştırmaktadır. Araştırmacılar genellikle mevcut yaşamın bir RNA dünyasından türediğini düşünmektedir, ancak diğer kendi kendini kopyalayan moleküller RNA'dan önce var olmuş olabilir.

"Sıcak küçük bir gölet": ilkel çorba

Yaşamın cansız maddelerden yavaş aşamalarla oluştuğu fikri, Herbert Spencer'ın 1864-1867 yılları arasında yayımlanan "Biyolojinin İlkeleri" adlı kitabında ve William Turner Thiselton-Dyer'ın 1879 tarihli "Kendiliğinden Oluşum ve Evrim Üzerine" adlı makalesinde yer almıştır. Charles Darwin 1 Şubat 1871'de Joseph Hooker'a bu yayınlar hakkında yazdı ve kendi spekülasyonunu ortaya koyarak yaşamın ilk kıvılcımının "her türlü amonyak ve fosforik tuzun, ışığın, ısının, elektriğin vb. bulunduğu, daha karmaşık değişimlere uğramaya hazır bir protein bileşiğinin kimyasal olarak oluştuğu sıcak küçük bir havuzda" başlamış olabileceğini öne sürdü. Darwin, "günümüzde böyle bir maddenin anında yutulacağını ya da emileceğini, oysa canlılar oluşmadan önce böyle bir şeyin söz konusu olamayacağını" açıklamaya devam etmiştir.

1924'te Alesandr Oparin ve 1929'da J. B. S. Haldane, ilk hücreleri oluşturan ilk moleküllerin ilkel bir çorbadan yavaşça kendi kendine organize olduğunu öne sürmüş ve bu teori Oparin-Haldane hipotezi olarak adlandırılmıştır. Haldane, Dünya'nın prebiyotik okyanuslarının organik bileşiklerin oluşabileceği "sıcak seyreltik bir çorbadan" oluştuğunu öne sürmüştür. J. D. Bernal, bu tür mekanizmaların yaşam için gerekli moleküllerin çoğunu inorganik öncülerden oluşturabileceğini gösterdi. 1967'de üç "aşama" önerdi: biyolojik monomerlerin kökeni; biyolojik polimerlerin kökeni; ve moleküllerden hücrelere evrim.

Miller-Urey deneyi

1952 yılında Stanley Miller ve Harold Urey, Oparin-Haldane hipotezinin öne sürdüğü gibi prebiyotik koşullar altında organik moleküllerin inorganik öncüllerden kendiliğinden nasıl oluşabileceğini göstermek için kimyasal bir deney gerçekleştirmiştir. Amino asitler gibi basit organik monomerleri oluşturmak için metan, amonyak ve hidrojenin yanı sıra su buharı gibi yüksek oranda indirgeyici (oksijenden yoksun) bir gaz karışımı kullandı. Bernal, Miller-Urey deneyi için "bu tür moleküllerin oluşumunu açıklamak yeterli değildir, gerekli olan, bu moleküllerin kökenlerinin, serbest enerji için uygun kaynakların ve yutakların varlığını öne süren fiziksel-kimyasal bir açıklamasıdır" demiştir. Bununla birlikte, mevcut bilimsel fikir birliği ilkel atmosferi zayıf indirgeyici veya nötr olarak tanımlamakta, bu da üretilebilecek amino asitlerin miktarını ve çeşitliliğini azaltmaktadır. Bununla birlikte, erken okyanuslarda bulunan demir ve karbonat minerallerinin eklenmesi, çok çeşitli amino asitler üretmektedir. Daha sonraki çalışmalar diğer iki potansiyel indirgeyici ortama odaklanmıştır: dış uzay ve derin deniz hidrotermal bacaları.

Günümüzde yaşamın kökenine ilişkin araştırmalar farklı disiplinler arasıdır ve araştırmacılar dört ana soruyu yanıtlamaya çalışmaktadır:

1. Yaşamın ilk evrimleştiği dönemde Dünya'nın fiziksel ortamı nasıldı?

2. Ne tür kimyasal reaksiyonlar yaşamın yapı taşlarını oluşturabilir ve bunlar Dünya'nın erken dönemlerinde doğal olarak meydana gelebilir mi?

3. Karmaşık organik moleküller, kapalı bir birime nasıl bölümlendirilebilir?

4. Genetik kod nasıl gelişti?

Dünyanın İlk Ortamı Neydi?

Yaşam, Dünya'yı çarpıcı biçimde değiştirdi. Organizmalar atmosferin bileşimini değiştirdi, denizlerdeki mineral ve iyonların türlerini ve konsantrasyonunu etkiledi, hatta toprağı işledi ve çalkaladı. Dolayısıyla yaşamın ilk ortaya çıktığı koşulları anlamak istiyorsak, yalnızca günümüz Dünyasının incelenmesine güvenemeyiz. İki parça bilgi kullanıyoruz:

1. Yerin derinliklerine gömülü kayalar.

2. Dört iç veya karasal gezegen (Merkür, Venüs, Dünya ve Mars) ve ayımız benzer malzemelerden aynı şekilde oluşmuştur. Benzer bir geçmişe sahip oldukları için Mars, Venüs, Merkür veya Ay'ın oluşumu hakkında öğreneceğimiz her şey bize Dünya'nın erken dönemleri hakkında bilgi verecektir.

Bildiğimiz şu:

Güneş sistemimiz yaklaşık 4,6 milyar yıl önce (kısaltması b.y.a.) dönen bir gaz ve toz bulutunun büzülmeye başlamasıyla oluştu.

Güneş sisteminin oluşumundan sonraki ilk yıllarda, gezegenlerin oluşumundan elde edilen son parçacık malzeme yerçekimsel çekim tarafından süpürüldüğünden, karasal gezegenler çeşitli boyutlardaki daha küçük cisimler (meteorlar) tarafından bombalanmaya devam etti.

Ay'ın kraterlerinin radyoaktif tarihlemesi ve Ay, Mars ve Merkür krater kayıtları karşılaştırılarak ölçülen bu bombardımanın yoğunluğu, yaklaşık 3,5 milyar yıl önce bugünkü seviyelere ulaşana kadar yavaş yavaş azaldı.

Bu meteor bombardımanının yaşamın kökeni üzerindeki etkisi önemliydi.

1. Dünyanın erken dönem sıcaklığı

2. atmosferin bileşimi

3. Dünya'ya biyojenik elementler sağladı (biyojenik elementler, fosfatlar gibi tüm canlı organizmalarda ortak olan kimyasallardır)

4. Son olarak açığa çıkan yüksek enerji, yaşamın başlangıcını da geciktirmiş olabilir.

Bu etkilerin her birine daha ayrıntılı olarak bakalım:

Yaklaşık 3,9 milyar yıl önce dünya katılaşmıştı ancak şiddetli bombardıman, 3,8 milyar yıl öncesinden önce gezegende yaşamın sürekli varlığını engelleyecekti. Büyük çarpışmalar, büyük miktarlarda okyanus suyunun kaynatılması ve gezegenin yüzeyinin buharla etkili bir şekilde sterilize edilmesi nedeniyle küresel olarak ölümcül koşullar yaratabilirdi.

Buna yaşamın kökenindeki etkinin engellenmesi adı verildi.

İlginç olan, Grönland'daki kayalardan çıkan en eski fosillerin yaklaşık 3,8 milyar yıllık olmasıdır. Bu, gezegende yaşamın neredeyse fiziksel olarak mümkün olduğu anda var olduğu anlamına geliyor.

3,8 milyar yıl önce atmosfer nasıldı?

Hangi kimyasal elementler mevcuttu ve hangi miktarlarda?

Bu soruların cevaplarının da bombardımanla bağlantılı olduğu ortaya çıktı.

Gezegen soğudukça bir atmosfer oluştu. Bilim adamları başlangıçta ilk atmosferde ne olduğunu bulmaya çalıştıklarında, güneş sistemindeki maddenin çoğu hidrojen olduğundan, Dünya'nın ilk atmosferinin hidrojen açısından zengin olması gerektiğini düşündüler. Bu nedenle diğer elementlerin (karbon, oksijen, nitrojen ve kükürt gibi) hidrojene indirgenmiş formlarında bağlanacağı sonucuna vardılar.

CH4 (metan),

NH3 (amonyak),

H2S (hidrojen sülfür) ve

H2O (su)

Ama eğer böyle bir atmosfer mevcut olsaydı, bombardıman aşamasında meteor çarpmalarıyla havaya uçup giderdi.

3,8 milyar yıllık mevcut atmosferin daha olası kaynağı, şu anda volkanlardan ve kabuktaki diğer deliklerden aldığımız gibi, soğuyan kayalardan salınan gazlar olabilir.

Modern yanardağların saldığı gazların analizine dayanarak, bu erken dönemde olması muhtemel görünüyor.

atmosfer çoğunlukla su buharı (H2O), karbondioksit (CO2) ve nitrojen gazından (N2) oluşuyordu.

Bu atmosferin bugün sahip olduğumuzdan çok farklı olduğunu unutmayın.

- Günümüzde atmosfer yalnızca %0,03 oranında CO2 içermektedir.

- Atmosferdeki CO2'nin azalması canlı organizmaların eyleminin sonucudur. Bugün atmosferde CO2 yerine mineral formunda karbonun büyük bir kısmı bulunmaktadır. Çoğu karbonat minerali, bir zamanlar yaşayan organizmaların iskeletlerinin kalıntılarıdır.

2. Oksijen nereden geldi? -Fotosentez

3. Dünya'nın erken dönemlerindeki nitrojen, Dünya'nın mevcut atmosferiyle yaklaşık olarak aynı yüzdede olurdu.

4. Eser miktarda hidrojen (H), metan (CH4), hidrojen sülfür (H2S), hidrojen siyanür (HCN) ve formaldehit (CH2O) mevcut olurdu.

Dünya soğudukça su buharı yağmur olarak yoğunlaştı ve okyanusları ve denizleri oluşturdu.

Bildiğimizden çok farklı bir atmosfere ek olarak, Dünya gençken yıldırım, volkanik aktivite (kabuk daha ince) ve ultraviyole radyasyon (ozon yok) çok daha yoğundu.

Karmaşık Organik Moleküllerin Kökeni Neydi?

Bir varsayımda bulunalım: Tüm canlı prokaryotik ve ökaryotik hücrelerde bulunan kimyasal bileşenler, tüm yaşamın türediği ata organizmasında da mevcuttu. Başka bir deyişle: İlk dünya atmosferinde bulunan moleküllerin kendiliğinden etkileşimi, bugün bildiğimiz şekliyle yaşamın yapı taşları olan amino asitler, şekerler, yağ asitleri ve nitrojen bazları gibi daha karmaşık organik molekülleri oluşturdu.

Bu organik bileşikler biriktiğinde, ilave reaksiyonların meydana gelebileceği bir "organik çorba" oluşturdular.

Bu organik moleküllerin oluşumunu sağlamak için gereken enerji, güneş radyasyonundan, şimşek şeklindeki elektrik deşarjlarından ve soğuyan dünyanın ısısından elde ediliyordu.

Canlı Organizmaların Kimyasal Bileşenlerinin Sentezlenmesi

Önemli nokta - Laboratuar simülasyonları, burada anlatılan türden bir kimyasal evrimin aslında ilkel dünyada yaşamı yarattığını kanıtlayamaz, ancak yalnızca bazı önemli adımların gerçekleşmiş olabileceğini ortaya koyar.

Proteinler

Proteinler, amino asitler adı verilen alt birimlerden oluşur, bu nedenle öncelikle amino asitlerin nasıl üretileceğini konuşmalıyız.

Canlı organizmalarda kullanılan 20 farklı amino asit türü vardır, ancak hepsi bir karboksil grubu (COO-), bir amino grubu (NH3), hidrojenli bir karbon ve değişken bir yan zincirden oluşan aynı merkezi yapıya sahiptir. Örneğin: Alanin ve İzolösin örneğini verebiliriz.

Stanley Miller'ın 1953 tarihli deneyi: Miller, Chicago Üniversitesi'nde yüksek lisans öğrencisiyken, Dünya'nın ilk dönemleriyle karşılaştırılabilir laboratuvar koşulları yaratarak Oparin-Haldane hipotezini test etmek için çalışmaya başladı.

İlk önce ilkel Dünya'nın bir "çizgi roman versiyonunu" yarattı.

Bir şişeye şunları koydu:

1. su (ilkel deniz için),

2. Atmosfer için metan (CH3), amonyak (NH3) ve hidrojen (O2 ve CO2 olmadığına dikkat edin).

3. Onu mühürledi ve onu yıldırım kıvılcımlarına ve UV radyasyonu ve ısı (Dünyanın içinden gelen) gibi diğer yüksek enerji türlerine maruz bıraktı.

4. Bir yoğunlaştırıcı atmosferi, yağmur suyunu ve çözünmüş herhangi bir bileşiği tekrar şişeye denize) soğuttu.

Bir hafta sonra Miller çözeltinin içeriğini analiz etti ve aralarında formaldehit (O-CH2) gibi moleküllerin de bulunduğu çeşitli organik bileşikler buldu.

Bu molekül reaksiyona girerek formik asit ve ardından asetik asit (CH3-COOH) oluşturmaya devam eder.

Sonunda deney amino asitleri ortaya çıkardı:

Örneğin, asetik asite bir amino grubu (başka bir deyişle amonyak) eklediğinizde bir amino asit olan glisin'i elde edersiniz:

Ancak amino asitlerden proteinlere ulaşmak zordur:

1. Amino asitler, birbirlerinin ayna görüntüleri olan sağ ve sol elli formlarda bulunan asimetrik moleküllerdir: L-izomeri ve D-izomeri. Laboratuvarda amino asitler yapıldığında L- ve D-amino asitlerin bir karışımı bulunur. Ancak canlı organizmalarda bulunan amino asitlerin tümü L-izomerleridir. Neden? Nasıl?

Amino asitlerin L- ve D- izomerleri arasındaki farkı görmek için şu web sitesini ziyaret edin: http://www.johnkyrk.com/aminoacid.html

2. Bir protein yapmak için amino asitler birinin COOH ucunu diğerinin NH3 ucuna bağlar. Bunu yapabilmek için bir molekül su kaybetmeleri gerekir. Amino asitlerin birbirleriyle bağlantı kurması ve bu tür zincirleri kendi başlarına oluşturması muhtemel değildir ve reaksiyon nadiren kendiliğinden gerçekleşir. Ayrıca amino asitlerin suda olması durumunda su üreten bir reaksiyonun meydana gelmesi pek olası değildir. (Unutmayın: Canlı hücrede bu dehidrasyon reaksiyonlarını belirli enzimler katalize eder. Ancak henüz enzimlerimiz yok!)

Belki de organik polimerler kaya veya kil yüzeylerinde sentezlendi ve birikti. Koşullar yeterince sıcak ve kuruysa su molekülü kaybolabilir ve amino asitler birleşebilir.

Sidney Fox ve Miami Üniversitesi'ndeki araştırma grubu, bu süreci kullanarak, amino asitlerin sıcak karışımlarını kurutarak protenoid adı verilen protein benzeri maddeler oluşturdu. Volkanik aktivitenin olabileceğini öne sürüyorlar.

Geçici ve yerel olarak da olsa, erken Dünya'da proteinlerin oluşması için yüksek sıcaklık oluşturmuşlardı. Dalgaların veya yağmurun, kimyasalların seyreltik çözeltilerini ilk dünyadaki taze lavların veya diğer sıcak kayaların üzerine sıçrattığını ve ardından proteinoidlerin durulanarak tekrar suya karıştığını hayal etmek mümkündür.

Bu fikirle ilgili sorun: Yüksek sıcaklıklar sorun yaratır çünkü organik moleküller ısıtıldıkça parçalanma eğilimindedir.

Alternatif bir fikir ise kilin, hatta soğuk kilin kullanılmış olabileceğini öne sürüyor. Kilin bazı ilginç özellikleri vardır:

1. Diğer molekülleri çekebilecek ve tutabilecek hafif bir yüke sahiptir.

2. Killer az miktarda bakır, demir veya çinko gibi metal atomları içerebilir. Bu metal atomları, amino asitleri birbirine bağlayan dehidrasyon reaksiyonlarını kolaylaştıran katalizörler olarak işlev görür.

3. Kil aynı zamanda radyoaktif bozunumdan emilen enerjiyi de depolayabiliyor ve daha sonra kilin sıcaklığı veya dehidrasyon derecesi değiştiğinde bu enerjiyi boşaltabiliyor gibi görünüyor.

Bir sorun daha: Proteinler, belirli bir konformasyona veya üç boyutlu şekle sahip bir makromolekül oluşturacak şekilde bükülür veya katlanır. Bu konformasyon proteinin fonksiyonunu belirler. Örneğin, bir enzimin kendine özgü şekli, onun düzenlediği maddeyi "tanımasına" ve ona göre hareket etmesine olanak tanır. Molekülün şekli zincirdeki amino asitlerin sırasına göre belirlenir; ilk dünya ortamındaki amino asitlerin kesin sırasını nasıl elde ederiz?

2. Nükleotidler ve Nükleik Asitler

Her bir nükleotid, nitrojen içeren bir baz olan ( pirimidin adı verilen tek bir halkayı veya pürin adı verilen bir çift halkayı kastediyorum) 5 karbonlu şekerden ve bir fosfat grubundan oluşur

Üç çeşit nükleotid bazlı molekül vardır:

. ATP (Adenozin trifosfat) gibi adenozin fosfatlar, hücre tarafından kullanılan enerji taşıyıcısıdır.

. NAD+ ve metabolizma sırasında hidrojen atomlarını ve elektronları taşıyan diğerleri gibi nükleosid koenzimleri.

. Nükleik Asitler – genetik bilginin depolanmasından ve aktarılmasından sorumludur. Deoksiribonükleik asit (DNA) ve ribonükleik asit (RNA) gibi.

İlkel dünyanın atmosferinin su buharı, karbondioksit, karbon monoksit, metan ve amonyak ve/veya nitrojen içerdiğini düşünürsek, güneş ışığı veya yıldırım gibi bir enerji kaynağının varlığında hidrojen gibi bir dizi küçük molekül ortaya çıkar. siyanür, HCN oluşur. Bunlar daha sonra yine bir enerji kaynağının varlığında diğer HCN molekülleriyle kendiliğinden reaksiyona girer ve kolayca adenin ve guanin bazları (genellikle A ve G olarak kısaltılır) üretir. Diğer iki ortak baz olan sitozin (C) ve urasil (U) de bu tür deneylerde daha zor da olsa oluşturulabilir.

Bir sonraki adım, RNA ve DNA gibi daha karmaşık yapılar oluşturmak için nükleotidleri diğer kimyasallarla birleştirmektir. Örneğin RNA için adenin veya guanin, riboz adı verilen şeker molekülüne ve bir fosfat grubuna bağlanmalıdır. Riboz ve diğer şekerler, ilk dünya atmosferinde bulunan moleküllerden laboratuvarda sentezlenebilir. Ancak fosfat bir sorundur; fosfatların Dünya'nın erken dönemlerinde nadir olduğu görülmektedir.

3. Basit Şekerler ve Karbonhidratlar

Hücrelerin çoğu karbonhidratları doğrudan veya dolaylı olarak enerji ve ana yapısal materyal olarak kullanır. Karbonhidratlar bir şekerin monomerleri veya polimerleridir. Şeker 1:2:1 oranında karbon, hidrojen ve oksijenden oluşur.

4. Yağ Asitleri ve Lipitler

Enerjinin depolanmasında görev alan ve zar gibi hücre yapılarının temel bileşeni olan lipitler çoğunlukla yağ asitlerinden oluşur.

Yağ asitleri, asetik aside birkaç karbonun eklenmesiyle kolayca oluşturulabilir. Bir yağ asidi, sonunda bir karboksil grubu (-COOH) bulunan, uzun, dallanmamış bir hidrokarbondur.

Dünya Dışı Organik Sentez

Bazı organik bileşiklerin uzaydan erken dünyaya ulaşması mümkündür; buna panspermi denir.

1969'da Avustralya'nın Murchinson kentine bir meteor çarptı. Göktaşı parçalarının analizi, amino asitler, pirimidinler ve yağ asitlerine benzeyen moleküller de dahil olmak üzere çeşitli organik moleküllerin varlığını ortaya çıkardı. Başlangıçta, organik materyalin biyojenik kökenli olduğuna dair ciddi öneriler bile vardı, ancak çok geçmeden abiyotik kimyasal sentezin en makul açıklama olduğu konusunda fikir birliğine varıldı.

Bu iki nedenden dolayı önemlidir:

1. Meteorların ağır bombardımanı, Dünya yüzeyine önemli miktarda temel bileşik salmış olabilir.

2. Bu bileşiklerin abiyotik, dünya dışı koşullar altında ortaya çıkabilmesi, benzer bileşiklerin ilkel Dünya'da da oluşmuş olabileceğini daha olası kılmaktadır.

Okyanuslara ne kadar organik maddenin Dünya'daki doğal sentezlerle, ne kadarının da meteor yağmuruyla sağlandığını henüz bilmiyoruz. Bu oran, daha sonraki reaksiyonların etki edebileceği doğru malzemelerin yeryüzünde mevcut olması kadar önemli değildir.

Paylaşımın devamında okyanus tabanındaki termal baca bölgelerinde, yüzeydeki sıcak göletlerde ve dünyaya asteroitler, meteorlarla taşınma ihtimali yüksek olan dünya dışı organik moleküllerin kanıtları hakkında bilgiler vereceğim. Daha sonra da aminoasitlerden proteinlerin, ATP enerji molekülünün, nükleobazlar, şeker ve fosfattan RNA, DNA olarak isimlendirdiğimiz, kendini kopyalayan, amino asitlerden proteinleri oluşturabilen yönetici moleküllerin nasıl oluştuğu ve bu kompleksin fosfolipid yapılardan oluşan hücre zarı benzeri lizozomlar ve nihayet fosfolipid katmanlarından oluşan uygun bir ortam içinde hücresel materyalin korunabilme koşullarını sağlayan ilkel hücre zarının oluşması hakkında bilgiler vereceğim...

Dünya'daki 4 milyar yıla yakın bir tarihe sahip yaşamın yanında, 250 milyon yıl kadar önce evrimleşip 65 milyon yıl önce yok olan dinozorlar "birkaç ay önce yaşayıp yok olmuş" gibidir!

Dinozorlar, belki en bilinen "yok olmuş canlı grubu"durlar. İlk olarak 250 milyon yıl kadar önce evrimleşmişlerdir. Ancak yaşam, bundan çok daha eskidir. Bildiğimiz en eski fosil, yaklaşık 3.5 milyar yıl öncesine aittir. Yani en yaşlı dinozorun var olduğu zaman diliminin günümüze olan mesafesinden 14 kat daha yaşlıdır! Ancak fosil kayıtları, muhtemelen 3.5 milyar yıl öncesinden çok daha geriye gitmektedir. Ağustos 2016'da yapılan bir araştırmada uzmanlar yaklaşık 3.7 milyar yıl öncesine ait, muhtemelen mikroplara ait fosiller keşfetmişlerdir.

Yaşamın eskiliği ilk bakteri formları ve daha eski olan prebiyotik canlılara kadar gider.

Bilim insanlarının Kanada Quebec’de bulduğu bakteri fosili 4,2 milyar yaşında. İlk kara hayvanlarının 428 milyon önce evrimleşmiş olduğunu düşünürsek bu fosil büyük keşif.

İlk fosilin öyküsünü gözönüne alalım bunun diğer gezegenler ve Mars’ta yaşamla ilgisi varmı?

Kozan Demircan'ın Popular Science Türkiye Aralık 2016 sayısında yayınlanan En Eski Fosilin Öyküsü başlıklı yazısında 3 milyar yıldan eski fosil izlerinden söz ediliyor. Grönland’ın eriyen buzullarının altında açığa çıkan 3,77 milyar yıllık antik hidrotermal bacaların kalıntılarında bulunan bu tüp şekilli küçük yapılar, aslında en eski ortak atalarımız olan antik bakterilerin izleriydi. Ancak, Kanada’da bulunan 4,2 milyar yıllık fosiller en eski ortak atalarımızdan bile daha yaşlı olabilir; ama bu noktanın uzayda hayat bulmak açısından ne anlama geldiğini anlatmadan önce en bariz soruyu soralım:

3,77 milyar yıl önce Grönland’da bulunan bakteri fosilleri yakın zamana dek dünyanın en eski fosili unvanını taşıyordu. Bugün 200 milyon yıllık dinozor kemiği bulmakta zorlanıyoruz. Dolayısıyla küçük su torbalarına benzeyen 4 milyar yıllık bakteri fosillerinin günümüze kaldığına inanmak zor.

Ancak, Grönland’da ortaya çıkarılan ve hematit (kan taşı) denilen özel demir mineralinden oluşan mikroskobik tüpler bizzat bakteri fosili değil, bakterilerin deniz tabanında açtığı oyukların kalıntısıydı. Bu yazıda 4,2 milyar yaşında fosil bulunduğundan söz edilirken bakterilerin kendisini değil, deniz tabanında açtıkları mikroskobik deliklerin veya inşa ettikleri mini tortul dikitlerin izlerini kast ediyorlardı.

Fosil olayında kafa karışıklığı yaratan durum şu: Dünya’nın bir değil, iki kez oluşması. Gezegenimizde yaşam çok eski olabilir, ama ilk yaşam Dünya’ya Mars büyüklüğünde bir gezegen çarptığı zaman yok olmuş olmalı.

Kozan Demircan, 'Yaşam Nasıl Ortaya Çıktı' başlıklı yazısında, çok hücreli canlıların bakteri yutan bir arkenin soyundan geldiğini söylüyor. Arkenin bakteriyi fagositozla sindirmediği ve tersine, endosimbiyozla yaşadığı bu nadir olay 1,5-2 milyar yıl önce yaşanmış ve bakterinin hücrelerimize enerji sağlayan mitokondriye dönüşmesiyle birlikte çok hücreli canlıların önünü açtığından söz eder. Ardından Dünya asteroit/meteor bombardımanına uğradı ama sanılanın aksine, lav denizleri hızla soğuyup dondu ve yerine sığ denizler birikti. Bu da hayatın ortaya çıkışını hızlandırdı.

Kanada fosili LUCA mı?

Evrim sürecindeki son evrensel ortak ataya LUCA diyoruz; yani Dünya’da bugün yaşayan bütün canlıların ortak atasına. Ancak, LUCA’nın yaşını 3,8 milyar yıl olarak tahmin ediyoruz ve bu durumda Kanada’nın Quebec eyaletinde bulunan 4,2 milyar yıllık fosillerin LUCA’dan yaşlı olduğunu görüyoruz.

Şimdi diyeceksiniz ki bir fosil bütün canlıların ortak atasından nasıl daha eski olabilir? Olabilir; çünkü bugün yaşayan canlıların ortak atasının Dünya’da ortaya çıkan ilk canlı olması şart değil.

Homo sapiens sapiens 195 bin yıl önce ortaya çıktı. Fakat evrim-değişim, dönüşüm devam ettiğinden Günümüzdeki insan türünün Dünya’daki ilk kadının soyundan bugüne ulaşabilenler olduğunu söyleyemeyiz.

Kanada, Quebec’teki tortul kayalarda bulunan dünyanın en eski fosil izleri. Düz çizgi bakterinin tüpünü ve yuvarlak alan da kökünü gösteriyor. Bakterinin yaşarken tetiklediği kimyasal reaksiyonlar kayalarda izler bırakıyor. Bilim insanları da bu siluetlere bakarak bakteri fosillerini buluyor.

Quebec’te bulunan 4,2 milyar yaşındaki ilkel bakteri fosilini gözönüne alırsak Dünya’daki yaşamın 4,5 milyar yıl önce; yani gezegenimiz sadece 50-100 milyon yıl yaşındayken ortaya çıkmış olabileceğini varsayabiliriz. Ay, Dünya’dan 60 milyon yıl sonra oluştu. SGezegenimize Mars büyüklüğünde bir gezegenin çarpmasıyla oluştu. Şunu söyleyebiliriz; Dünya’da yaşam uzak geçmişte defalarca ortaya çıkmış; ama asteroit çarpışmaları neticesinde defalarca yok olmuş olabilir. İşte bu yüzden bilim insanları Kanada’da büyük ihtimalle LUCA’dan eski olan ve soyu günümüze ulaşamayan bakteri izleri bulduklarını düşünüyorlar.

Yaşamın içindeki o dönemin canlıları, genetik ve tip olarak bugünkü canlılardan tümüyle farklı olabilirler. Aslında bizden neredeyse uzaylılar kadar farklı olabilirler (en azından Satürn’ün uydusu Enceladus’ta hayat varsa bizden Enceladus bakterileri kadar farklı olabilirler).

Bu paylaşıma eklemiş olduğum resimlerden kaya örneğindeki dalgalı desenlerin, yani ilkel canlılığa ait olan fosilin 3.7 milyar yaşındaki canlılara ait olduğu düşünülmektedir.

Dünya'nın kendisi de, en yaşlı fosilden çok da yaşlı değildir. Gezegenimiz, 4.5 milyar yıl kadar önce oluşmuştur.

Eğer ki yaşamın Dünya üzerinde başladığını varsayacak olursak (ki henüz başka bir yerde bulamadığımızdan bu, mantıklı bir varsayım gibi gözükmektedir), bu durumda yaşam, Dünya’nın oluşumu ile bildiğimiz en eski fosiller arasındaki 1 milyar yılda evrimleşmiş olmalıdır.

Ancak yaşamın sadece ne zaman başladığına dair tahmin aralığımızı daraltmakla kalmak zorunda değiliz. Aynı zamanda, neye benzediğini de tahmin edebiliriz.

Yaşam ağacı üzerindeki dalların birçoğu bakterilere aittir.

19. Yüzıl'dan bu yana biyologlar tüm canlıların "hücrelerden" oluştuğunu bilmektedir. Hücreler, çeşitli şekillerde ve boyutlarda olabilen, içlerinde canlı maddeyi barındıran ufak paketçiklerdir. Hücreler ilk olarak 17. Yüzyıl'da, modern mikroskoplar ilk defa icat edildiğinde keşfedilmiştir; ancak onların tüm yaşamın temeli olduğunu anlamamız yüzyıl kadar bir zaman almıştır.

Bir balığı ya da dinozora benzemediğinizi düşünebilirsiniz; ancak mikroskop altında hücrelerinize bakacak olursanız, hepinizin benzer yapılardan oluştuklarını göreceksiniz. Ufak tefek farklılıklarla birlikte, bitki ve mantarlar da öyle...

Ancak yeryüzünde açık ara farkla en fazla sayıda bulunan canlılar mikroorganizmalardır. Bunlar, tek bir hücreden oluşan canlılardır. Bakteriler, bunlar arasındaki en bilinen gruptur ve Dünya üzerinde her yerde bulunurlar.

Nisan 2016'da bilim insanları "yaşam ağacı" veya "Evrim Ağacı" dediğimiz ve Dünya üzerindeki tüm canlıları evrimsel akrabalık ilişkisi dahilinde birbirine bağlayan ağacın güncel bir versiyonunu yayınladılar. Bu ağaç sayesinde gördük ki, neredeyse dalların her biri bakterilere ait! Dahası, yaşam ağacının yapısı, tüm yaşamın ilk ortak atasının da bir bakteri olduğuna işaret ediyor. Bir diğer deyişle, var olmuş, var olan ve var olacak her şey (buna siz de dahilsiniz), nihai olarak bir bakteriden evrimleşmiştir. Her birimizin en yaşlı "dedesi", bir bakteridir!

Bunu anlamak, bize şunu sağlamaktadır: Yaşamın kökeni problemini çok daha net bir şekilde tanımlayabiliriz. Dünya üzerinde 3.5 milyar yıl önce bulunan malzeme ve şartlardan başka hiçbir şey kullanmaksızın, bir hücre yaratmak zorundayız! Bu ne kadar zor olabilir ki?

Mikroorganizmaların yaşamı ? ...

İlk DeneylerTarihin büyük bir kısmı boyunca kimse yaşamın nasıl başladığına dair sorular sormadı, çünkü cevap çok açık gibi gözüküyordu. 1800'lerden evvel birçok insan "vitalizm" denen bir şeye inanıyordu. Bu sezgisel inanç, yaşayan her şeyin özel ve büyülü bir niteliğe sahip olduğunu ve bunun onları cansızlardan ayırdığına dayanıyordu. Vitalizm, çoğu zaman dini inançlar tarafından da destekleniyordu. İncil'e göre Tanrı insanı yaratırken ona "nefes üflemiştir". Ölümsüz ruh inancı, bir çeşit vitalizm inancıdır.

Ancak bununla ilgili "ufak" bir sorun var: Vitalizm inancı, tamamiyle yanlıştır.

1800'lerin başında bilim insanları sadece yaşama özgü bazı yapılar keşfettiler. Bunlardan birisi, idrar içerisinde bulunan üre idi. İlk olarak 1799 yılında kimyasal olarak izole edilmişti. Ancak bu, halen vitalizm ile uyumlu gözükmekteydi. Sadece canlı varlıklar bu kimyasalları üretebiliyor gibi gözüküyordu. Bu durumda belki de "yaşam enerjisi" ile dolulardı ve bu sayede bu özel kimyasalları üretebiliyorlardı?

Ancak 1828 yılında Alman kimyager Friedrich Wöhler, oldukça yaygın olarak bulunan bir kimyasal madde olan amonyum siyanattan üre yaratmayı başardı. Amonyum siyanatın canlılıkla hiçbir bağlantısı bulunmuyordu. Diğerleri de onun adımlarını izledi ve çok kısa sürede anlaşıldı ki, canlılığı yaratan kimyasalların hepsi, canlılıkla hiçbir alakası olmayan ve daha basit yapılı kimyasallardan yaratılabilmekteydi!

Friedrich Wöhler, vitalizm ve ruh anlayışına bilimsel darbeyi vurmayı başaran ilk bilim insanıdır.

Bu farkındalık, vitalizm inancını bilimsel bir konsept olmaktan çıkarmış ve onun sonu olmuştur. Ancak insanlar bu düşünceden/inançtan kurtulamamışlardır. Birçokları, yaşamın kimyasallarının "özel" hiçbir tarafı olmayışının, yaşamın büyülü doğasını yok ettiğini yok ettiğini ve bizleri birer makineye indirgediğini düşünmüştür. Elbette, söylemeye gerek yok, bu gerçek, kutsal sayılan kitaplarla da çelişmekteydi.

Bilim insanları bile vitalizm inancından kolay kolay kurtulamamıştır. 1913 yılı gibi geç bir tarihte bile İngiliz biyokimyager Benjamin Moore, "biyotik enerji" adını verdiği bir teoriyi inadına bilim camiasına iteklemeye çalışıyordu. Bu teori, özünde vitalizmden farksızdı; sadece adı değiştirilmişti. Vitalizm fikri, beyinlerde çok sıkı bir yer etmişti ve kolay kolay gitmiyordu.

Günümüzde bile bu inanç hiç beklenmedik şekillerde karşımıza çıkmaktadır. Örneğin günümüzde halen bol miktarda bilimkurgu hikayesi insanın "yaşam enerjisinin" emilebileceği veya arttırılabileceği inancı üzerine inşa edilmiştir. Doctor Who'da Zaman Lordları tarafından kullanılan "rejenerasyon enerjisi" kavramını düşünün mesela... Eğer ki bu enerji miktarca azalırsa, doldurulabilecekleri bile iddia edilmektedir! Bu fikir geleceğe ait gibi görünse de tamamıyla Nuh Nebi’den kalmadır. Fakat enerji frekanslarıyla teşhis ve tedavi konusu daha farklıdır, bunun bilimsel temelleri elbetet vardır.

Yine de, 1828 yılından sonraki bilim insanlarının tanrıya yer bırakmaksızın yaşamın nasıl başladığının açıklanabileceğini düşünmeleri için yeterince güçlü sebepleri vardı. Ama yine de ayak dirediler. Yaşamın başlangıcı, kulağa her ne kadar araştırılması şart ve çok bariz bir konu gibi gelse de, yaşamın kökeninin gizemi on yıllar boyunca göz ardı edildi. Belki de herkes halen vitalizm inancına fazlasıyla sıkı bir şekilde bağlıydı ve bir türlü sonraki adımı atamıyorlardı.

Charles Darwin, yaşamın basit bir canlıdan ve ortak bir kökenden geldiğini ispatlamıştır.

Bunun yerine, 19. Yüzyıl'ın (yüzyılın) en büyük buluşu, Charles Darwin ve diğerleri tarafından geliştirilen Evrim Teorisi olmuştur. 1859 yılında yayınlanan Türlerin Kökeni isimli kitapta detaylandırılan Darwin'in teorisi, yeryüzündeki bu engin çeşitliliğin nasıl tek ve ortak bir atadan gelebileceğini açıklamayı başarmıştır. Canlıların tek tek ve ayrı olarak Tanrı tarafından yaratılması yerine, her birinin "milyonlarca yıl önce" yaşamış öncül bir canlıdan evrimleşerek bugünkü hallerini aldığını ortaya koymuştur. Bu ilk ve en basit ortak ataya, Evrensel Ortak Ata (EOA) denmektedir.

Bu fikir ilk etapta aşırı tartışmalı bulunmuştur. Neden? Çünkü İncil ile çelişmektedir. Darwin ve fikirleri akıl almaz düzeyde şiddetli bir tepkiyle karşılanmıştır. Özellikle de öfkeli Hristiyanlardan…

Ancak Evrim Teorisi, ilk canlının nasıl var olduğuna dair tek bir cümle bile sarf etmemiştir. Darwin, bunun çok temel bir soru olduğunu fark etmiştir; ancak belki de Kilise ile çok da takışmak istemediği için konuyu yalnızca 1871 yılında yazdığı bir mektupta tartışmıştır. Mektupta kullandığı heyecanlı dil, kendisinin de bu sorunun ne kadar temel ve önemli bir soru olduğunun farkında olduğunu göstermektedir:

Peki eğer (ama ne büyük bir "eğer"!) ufak ve ılık bir su birikintisi hayal edebilirsek ve içerisinde her türlü amonyak, fosforik tuzlar, ışık, sıcaklık, elektrik ve diğer kimyasallar bulunsa, bir protein kimyasal olarak oluşabilir ve daha karmaşık değişikliklere doğru yol alabilir...Bir diğer deyişle, belki de ufak bir su birikintisi vardı, içi basit organik kimyasallarla doluydu ve gün ışığı alıyordu. Bu bileşiklerden bazıları yaşam-benzeri bir maddeyi, örneğin bir proteini oluşturmuş olabilir. Sonrasında bu, giderek daha karmaşık bir hal almış olabilir.

Ama bu, epey yüzeysel bir fikirdir. Yine de bu basit düşünce, yaşamın nasıl başlamış olabileceğine dair ilk hipotezlerin temelini oluşturmuştur.

Fikir, ilginç bir şekilde beklenmedik bir yerden gelmiştir. Bu tip cüretkar bir özgür düşüncenin, düşünce ve ifade özgürlüğünün bulunduğu ABD gibi ''demokratik'' bir ülkeden gelmesini bekleyebilirsiniz... Ancak yaşamın başlangıcına yönelik ilk hipotezler, oldukça Batı dünyasının totaliter ve özgür düşünceyi kısıtlayan bir rejim olduğunu iddia ettiği bir ülkeden gelmiştir: Sovyetler Birliği.

Yazının başlarında Alexander Oparin'in biyokimya alanındaki çalışmalarından ve Lysenko'nun çalışmalarından söz etmiştim... Onlar Batı dünyasından dinsel aforoz yiyen Darwin'i destekleyecek önemli çalışmalara imza atmış bilim insanlarıydı... Sovyetlerin 1950-1980 arası revizyonist olarak tanımlanan dönemi aslında bilimsel çalışmaların muhteşem olduğu bir dönemdi... İnsanlık düşü sosyalizm Sovyetlerde yıkılana kadar, bilgi ve çalışmaların çoğu Batı dünyasına sızmıyor olsa da bu böyleydi. ..

Yaşamın temelinde neyi aramalıyız, en ortak canlılık kavramı hücredir... Hücrenin oluşumunda kendini kopyalayan, protein yapan kodları olan yönetici moleküllerin nükleotidlerden evrimle ortaya çıkışı ve bu yapıyı dış ortamdan koruyan dış ortama rağmen yaşayabileceği bir ortam oluşturan hücre zarının oluşabilmesi çok önemli bir evrimsel sıçramaydı . Öncelikle gezegenimizde yaşamın nasıl başlamış olabileceği fikrinde ilerleme sağlayabilmek için diğer gezegenlerde temel elementlerin özellikle karbon ve suyun izlerini aramak gerekiyor.. Güneşe yakın olan katı egzegenlerde dünya dışında bu hayat izlerini henüz bulamadılar ancak Jüpiter, Satürn gibi gaz gezegenlerinde de (uydulardan bazıları hariç) bunun izleri yok gibi. Güneşe uzak olan uranüs, pluton gibi gezegenlerde ise güneş fırtınalarının üfürerek buharlaştırma imkanının olmadığı su'yun derin buz tabakaları halinde olabileceğinin işaretleri var.....

Fakat kabul edilebilir bir yaşam formu olarak bizi en çok ilgilendiren, neredeyse bütün canlı formlarında ortak olan bir yapı, hücre yapısıdır. Önceki paylaşımda hücre zarını oluşturma yeteneği olan fosfo-lipid (yağ) yapısı ve enerji için yakıt olan şekerlerin oluşumu ve nihayet yapıtaşı olan proteinlerin amino asit formlarından sonra oluşumunun nasıl olabileceğine değineceğim... Ekte paylaştığım canlı embriyolarının birbirlerine ne kadar çok benzediğine dikkat edin, balık, sürüngen, kuş yada memeli... Hücre düzeyinde incelersek durumu benzerlikler daha fazla hemen hemen hücre yapıları aynı gibi.... Bu da bizleri haklı olarak ortak canlı atası fikrine götürüyor, milyarlarca yıllık bir yaşam -evrim sürecine ...

Hidrojen (H); yıldızlarda, dev gaz gezegenlerinde büyük miktarda bulunan bir elementtir. (Evrenin kütlece %75'i, atom sayıca %90'ı) . Bu element Moleküler hidrojen bulutları yıldızların oluşumuyla bağlantılıdır. Hidrojen yıldızların proton-proton nükleer füzyon reaksiyonuyla enerji üretmesinde önemli rol oynar. Evrende hidrojen atomik ya da plazma halinde bulunur. Plazma hali atomik halinden oldukça farklıdır. Bu halde hidrojen elektronu ve protonu bağlı değildir ve bu oldukça yüksek elektrik iletkenliği ve ışık yayılımına (güneş ve diğer yıldızlar ışık yayar) sahiptir. Yüklü partiküller elektrik ve manyetik alanlarda oldukça etkilenirler. Mesela, güneş rüzgârında dünyanın magnetospheri ile etkileşerek Birkeland akımları ve auroraya yol açarlar. Uzayda hidrojen nötral atomik halde bulunur.

Normal şartlar altında hidrojen biatomik gaz (H2) halinde bulunur. Hafifliği nedeniyle diğer daha ağır gazlara göre yerçekimi kuvvetinden kolayca kurtulur. Bu nedenle dünya atmosferinde hidrojen gazı oranı oldukça düşüktür (hacimce 1 ppm). Hidrojen atomu ve H2 molekülü uzayda bolca bulunduğu halde dünya da bunların üretimi ve saflaştırılması oldukça güçtür. Bütün bunlara rağmen hidrojen dünyada en çok bulunan üçüncü elementtir. Yeryüzündeki hidrojen su, hidrokarbonlar gibi kimyasal bileşiklerin içinde bulunur. Hidrojen gazı bazı bakteri ve algae tarafından üretilir.

Kırmızı cücelerden güneşten en büyük süpergantlara kadar tüm yıldızlar 4.000.000 k veya daha yüksek sıcaklıklara yükselerek çekirdeklerinde nükleer füzyona ulaşır. Büyük miktarda zaman boyunca, hidrojen yakıt bir dizi reaksiyonla yakılır ve sonunda büyük miktarlarda helyum-4 üretir. Daha ağır elementlerin daha hafif elementlerin yaratıldığı bu füzyon reaksiyonunda, Einstein'ın formüle ettiği E = MC2'si nedeniyle kütle kaybı ve serbest enerji açığa çıkar. Bunun nedeni, reaksiyonun ürününün, helyum-4'ün, onu oluşturmaya giden reaktanlardan (dört hidrojen çekirdeğinden) yaklaşık%0.7 daha düşük ağırlıkta olması nedeniyle oluşur. Zamanla bu önemli olabilir: şimdiye kadar 4,5 milyar yıl ömrü boyunca, güneş bu süreç boyunca yaklaşık Satürn kütlesi kadar kütle kaybetti.

Hidrojenden helyumun oluşması için hidrojen izotopu olan döteryuma ihtiyaç vardır. Döteryum çekirdeği H-3 oluşturmak için önce bir nötronla çarpışır. İkinci aşamada ise oluşan H-3 bir protonla çarpışarak He-4 oluşturur. H-3 “trityum” olarak adlandırılır. Büyük Patlama nükleosentezi sonucunda hidrojen ve helyum üretilmiştir. Güneş gibi yıldızların hidrojenden helyum ve diğer berilyum gibi elementleri ürettiği nükleer füzyon reaksiyonları muazzam bir enerji salınımına da neden olur ve nihayet evrendeki termodinamik yasasına uygun olarak her güneş sönümlenmiş yıldızlara dönüşür...

Evet; hidrojen ve helyum dışındaki diğer tüm kimyasal elementler yıldız nükleosentezinden türemiştir. Yaşamın temel kimyasal bileşenleri - karbon-hidrojen molekülü (CH), karbon-hidrojen pozitif iyonu (CH+) ve karbon iyonu (C+) - yıldızlardan gelen ultraviyole ışıkla üretilmiştir. Organik moleküller de dahil olmak üzere karmaşık moleküller hem uzayda hem de gezegenlerde doğal olarak oluşur. Dünya'nın ilk zamanlarındaki organik moleküller ya asteroit/meteor çarpma şokları ya da ultraviyole ışık, kimyasal reaksiyonlar (redoks eşleşmesi) veya elektrik deşarjları (yıldırım, şimşek) gibi diğer enerji kaynakları tarafından yönlendirilen organik molekül sentezi ile karasal kökenli olabilir; ya da gezegene yağan yıldızlararası toz bulutlarında oluşan organik moleküller ile dünya dışı kökenli (psödo-panspermia) olabilir.

Gözlemlenen dünya dışı organik moleküller

Organik bir bileşik, molekülleri karbon içeren bir kimyasaldır. Karbon Güneş'te, yıldızlarda, kuyruklu yıldızlarda ve çoğu gezegenin atmosferinde bol miktarda bulunur. Organik bileşikler uzayda nispeten yaygındır, moleküler bulutlarda ve çöküntü örtülerinde meydana gelen "karmaşık moleküler sentez fabrikaları" tarafından oluşturulur ve reaksiyonlar çoğunlukla iyonlaştırıcı radyasyon tarafından başlatıldıktan sonra kimyasal olarak gelişir. Meteorlarda guanin, adenin, sitozin, urasil ve timin gibi pürin ve pirimidin nükleobazları bulunmuştur. Bunlar Dünya'nın ilk zamanlarında DNA ve RNA'nın oluşması için gerekli materyalleri sağlamış olabilir. Amino asit glisin Wild 2 kuyruklu yıldızından fırlatılan materyalde bulunmuştur; daha önce meteorlarda tespit edilmişti. Kuyruklu yıldızlar, iyonlaştırıcı radyasyon altında basit karbon bileşiklerinden oluşan katran benzeri organik bir madde olduğu düşünülen koyu renkli malzemeyle kaplıdır. Kuyruklu yıldızlardan gelen bir malzeme yağmuru bu tür karmaşık organik molekülleri Dünya'ya getirmiş olabilir. Geç Ağır Asteroit Bombardımanı sırasında meteorların Dünya'ya yılda beş milyon tona kadar organik prebiyotik element getirmiş olabileceği tahmin edilmektedir.

16 Yıl görev yaptıktan sonra izlenmesi 2020 de durdurulan (görevi biten) Spitzer uzay teleskobu, uzayda bulanık görüntüye yol açan bulutsu durumlar, gaz yoğunluklarını kızılötesi görüşüyle aşarak uzaydan dünyay çok yararlı bilgiler veren resimler gönderdi. Sönümlenmiş, soğuyan yada sıcaklığı artan, patlamaları olan güneşleri yıldızları farklı renklerde simule edilerek evrende olup biten çok şeyin farkında olmamızı sağladı

Evrende yaşam varsa hangi moleküler temellerde gelişmiş olabilir?

İki çeşit molekül yaşama temel olma kapasitesindedir, silisyum (Si) ve karbon (C).... çok aşırı sıcak ortamda güneş patlamalarında karbon büyük oranda yanar, yinede güneşte bile %04 oranında karbon vardır. %02 üstü oranlarda ve su (H2O) bulunan gezegen yada uydular da dünya benzeri bir yaşam formları için bir evrimsel süreç var olabilir. Silisyum çok sağlamdır, taş ve kum yapısındadır, sıcaklığa dayanıklı bir elementtir. Araba motorlarında sürtünmeden kaynaklı yüksek ısıyı ve motorun yanıp erimesini engelleyen motor yağlarında da silikon olması işte bu nedenledir ... Fakat silisyumun olumsuz yanı, hareketi kısılayıcı katılığı ve oksijeni inanılmaz hızda kendine bağlama özelliğidir. Oksiyen çok reaktiftir ve moleküllerin yapısını hızla değiştirme kapasitesiyle stabil olması gereken moleküler yapıları oksitleyerek zararlı olur. Karbon ise oksijenle bağlar oluştursa da bu silisyumdaki kadar yoğun değildir, bu karbonu yaşam temeli için Silisyuma göre daha avantajlı yapar. Venüs te gezegen yüzeyi çok sıcak, 463 derece, yoğun sülfürik asit (H2O4) ve asit yağmurları var, çok yüksek basınç var. Sovyetlerin buraya gönderdiği tank büyüklüğündeki bir uydu hemen küçüldü, eridi ve yok oldu. Böyle bir ortamda karbon temelli evrimsel olarak gelişmiş bir canlının var olabilme koşulları yok. Satürn ün Titan uydusu ise soğuk güneşten az enerji alıyor, yaşam formu için gerekli olan enerji de burada yok. Daha sıcak ortamlarda silisyum tabanlı bir canlılık örneği belki var olabilir. Dünya gezegeninde okyanus tabanındaki termal bacalarda var olduğu tesbit edilen diatomlar böyle hareketsiz hücre çeperi silisyum olan canlı örnekleri de var. Ama evrimleşmiş canlılara kadar ilerleyemeyecek olan türler bunlar. Düşünün beslenme ile gelen karbonu oksijen ile birleştirerek karbondioksit (CO2) olarak atan bir canlı silisyumla bunu nasıl başarabilecek? Nefes verirken kum mu dökecek (kum silisyum oksit-silikat'tır) ?

Polisiklik aromatik hidrokarbonlar (PAH) gözlemlenebilir evrende en yaygın ve bol bulunan çok atomlu moleküllerdir ve önemli bir karbon deposudur. Büyük Patlama'dan kısa bir süre sonra oluşmuş gibi görünmektedirler ve yeni yıldızlar ve ötegezegenlerle ilişkilidirler. Dünya'nın ilkel denizinin muhtemel bir bileşenidirler. PAH'lar bulutsularda, yıldızlararası ortamda, kuyruklu yıldızlarda ve meteoritlerde tespit edilmiştir.

PAH dünyası hipotezi, PAH'ları RNA (RiboNükleikAsit) dünyasının öncülleri olarak ortaya koymaktadır. Yaşamının erken dönemlerinde Güneş'e benzeyen HH 46-IR adlı bir yıldız, siyanür bileşikleri, hidrokarbonlar ve karbonmonoksit gibi moleküller içeren bir malzeme diski ile çevrilidir. Yıldızlararası ortamdaki PAH'lar hidrojenasyon, oksijenasyon ve hidroksilasyon yoluyla canlı hücrelerde kullanılan daha karmaşık organik bileşiklere dönüştürülebilir.

Nükleobazlar

Yıldızlararası toz partikülleri tarafından Dünya'ya getirilen organik bileşiklerin çoğu, kendilerine özgü yüzey-katalitik aktiviteleri sayesinde karmaşık moleküllerin oluşmasına yardımcı olmuştur. Murchison meteoritindeki organik bileşiklerin 12C/13C izotopik oranları üzerine yapılan çalışmalar, RNA bileşeni urasil ve ksantin de dahil olmak üzere ilgili moleküllerin dünya dışında oluştuğunu göstermektedir. NASA'nın meteoritler üzerinde yaptığı çalışmalar, dört DNA nükleobazının (adenin, guanin ve ilgili organik moleküller) da uzayda oluştuğunu göstermektedir. Evrene nüfuz eden kozmik toz, yıldızlar tarafından hızla yaratılabilecek karmaşık organikler ("karışık aromatik-alifatik yapıya sahip amorf organik katılar") içerir. Bir şeker molekülü ve RNA öncüsü olan glikolaldehit, protostarların çevresi ve meteoritler de dahil olmak üzere uzay bölgelerinde tespit edilmiştir.

1860'ların başlarında yapılan deneyler, basit karbon kaynaklarının bol miktarda inorganik katalizörle etkileşiminden biyolojik olarak ilgili moleküllerin üretilebileceğini göstermiştir. "Çorba" teorisinin öne sürdüğü koşullar altında abiyotik olarak üretilen monomerler (tekil yapılar)'dan karmaşık polimerler (çoğul yapılar)'ın kendiliğinden oluşması kolay değildir. Gerekli temel organik monomerlerin yanı sıra, Miller-Urey ve Joan Oró deneyleri sırasında polimer oluşumunu engelleyecek bileşikler de yüksek konsantrasyonlarda oluşmuştur. Biyoloji, kodlanmış protein enzimleri için esasen 20 amino asit kullanır ve bu da yapısal olarak mümkün olan ürünlerin çok küçük bir alt kümesini temsil eder. Yaşam mevcut olanı kullanma eğiliminde olduğundan, kullanılan kümenin neden bu kadar küçük olduğuna dair bir açıklamaya ihtiyaç vardır.

Şekerler

Formaldehit dimerizasyonu ve C2-C6 şeker oluşumu için Breslow katalitik döngüsü:

Alexander Butlerov 1861'de formaldehitin bazik koşullar altında kalsiyum gibi divalent metal iyonları ile ısıtıldığında formoz reaksiyonunun tetrozlar, pentozlar ve heksozlar dahil şekerler oluşturduğunu göstermiştir. R. Breslow 1959'da reaksiyonun otokatalitik olduğunu öne sürmüştür.

Nükleobazlar

Nükleotit, bir fosfat, beş karbonlu bir şeker ve bir azotlu organik bazdan oluşan bir kimyasal bileşiktir. En yaygın nükleotitler nükleik asitlerin yapı taşlarıdır. Ayrıca koenzim A, flavin adenin dinükleotit, flavin mononükleotit, adenozin trifosfat ve nikotinamid adenin dinükleotid fosfat gibi koenzimler de nükleotittir. Koenzimlerin hücre metabolizması ve sinyal iletiminde önemli rolleri vardır.

Nükleotitlerin baz kısmı olan nükleobazlar pürinler ve pirimidinler olarak ikiye ayrılır. Adenin ve guanin birer pürin, sitozin, timin ve urasil ise birer pirimidindir. Nükleotitlerin pentoz kısmı riboz veya deoksiriboz'dur. Şeker kısmı deoksiriboz ise nükleotidin adının başına 'deoksi' eklenir. Nükleotidin fosfatsız kısmına nükleozit denir. Nükleozit kısmına bir, iki veya üç fosfat grubu eklenebilir ve bunlara sırasıyla nükleotit monofosfat, difosfat ve trifosfat denir. Ayrıca nükleotidler dışarıdan hazır olarak alınamaz.

Guanin ve adenin gibi nükleobazlar, hidrojen siyanür (HCN) ve amonyak gibi basit karbon ve nitrojen kaynaklarından sentezlenebilir. Formamid, karasal minerallerle ısıtıldığında dört ribonükleotidin tamamını üretir. Formamid evrende her yerde bulunur ve su ile HCN'nin reaksiyonuyla üretilir. Suyun buharlaştırılmasıyla konsantre edilebilir. HCN sadece henüz var olmayan aerobik (oksijen ortamına ihtiyaç duyan) organizmalar (ökaryotlar ve aerobik bakteriler) için zehirlidir. Glisin amino asidinin sentezi gibi diğer kimyasal süreçlerde rol oynayabilir.

Urasil, sitozin ve timin gibi DNA ve RNA bileşenleri, meteoritlerde bulunan pirimidin gibi başlangıç kimyasalları kullanılarak uzay koşullarında sentezlenebilir. Pirimidin kırmızı dev yıldızlarda ya da yıldızlararası toz ve gaz bulutlarında oluşmuş olabilir. Dört RNA bazının tümü, dünya dışı çarpmalar gibi yüksek enerji yoğunluklu olaylarda formamitten sentezlenebilir.

İnorganik malzemelerden baz sentezlemek için başka yollar da rapor edilmiştir. Donma sıcaklıkları, hidrojen siyanür gibi temel öncüller için yoğunlaştırma etkisi nedeniyle pürinlerin sentezi için avantajlıdır. Bununla birlikte, adenin ve guanin sentez için donma koşulları gerektirirken, sitozin ve urasil kaynama sıcaklıkları gerektirebilir. Amonyak ve siyanür 25 yıl boyunca bir dondurucuda bırakıldığında buzda yedi amino asit ve on bir tür nükleobaz oluşmuştur. S-triazinler (alternatif nükleobazlar), pirimidinler ve adenin, bir üre çözeltisi indirgeyici bir atmosfer altında donma-çözülme döngülerine tabi tutularak ve enerji kaynağı olarak elektrik kıvılcımı deşarjları kullanılarak sentezlenebilir. Bu kadar düşük bir sıcaklıkta bu reaksiyonların olağandışı hızına getirilen açıklama, buz içindeki mikroskobik sıvı ceplerinde safsızlıkları toplayarak moleküllerin daha sık çarpışmasına neden olan ötektik dondurmadır.

Uygun veziküllerin (keseciklerin) üretilmesi

Fosfolipitlerden oluşan üç ana yapı, çözeltide kendiliğinden bir araya gelerek oluşur: lipozom (kapalı bir çift tabaka), misel ve çift tabaka. Lipit dünyası teorisi, kendi kendini kopyalayan ilk nesnenin lipit benzeri olduğunu varsayar. Fosfolipitler suda çalkalanırken lipit çift tabakaları oluştururlar - hücre zarlarında olduğu gibi aynı yapıdır. Bu moleküller Dünya'nın erken dönemlerinde mevcut değildi, ancak diğer amfifilik uzun zincirli moleküller de zarlar oluşturur. Bu cisimler ilave lipitlerin eklenmesiyle genişleyebilir ve kendiliğinden benzer boyut ve bileşimde iki yavruya bölünebilir. Ana fikir, lipit gövdelerinin moleküler bileşiminin bilgi depolamanın bir ön hazırlığı olduğu ve evrimin bilgi depolayan RNA gibi polimerlerin ortaya çıkmasına yol açtığıdır. Prebiyotik dünyada var olmuş olabilecek amfifillerden veziküller üzerine yapılan çalışmalar şimdiye kadar bir ya da iki tip amfifilden oluşan sistemlerle sınırlı kalmıştır.

Bir lipit çift katmanlı zarı, amfifillerin çok sayıda kombinasyonundan oluşabilir. Bunların en iyisi bir hiper döngünün, aslında bir zar bölgesi ve vezikül içinde hapsolmuş belirli bir bileşik tarafından temsil edilen iki karşılıklı katalizörden oluşan bir pozitif geri beslemenin oluşumunu tercih ederdi. Bu tür bölge/bileşik çiftleri yavru veziküllere aktarılabilir ve bu da doğal seçilime izin verecek farklı vezikül soylarının ortaya çıkmasına neden olur.

Bir protosel, yaşamın kökenine bir basamak taşı olarak önerilen, kendi kendine organize olmuş, küresel bir lipit topluluğudur. Klasik tersinmez termodinamik teorisi, genelleştirilmiş bir kimyasal potansiyel altında kendi kendine birleşmeyi dağıtıcı sistemler çerçevesinde ele alır.

Evrimde temel bir soru, basit hücrelerin (protosellerin) ilk olarak nasıl ortaya çıktığı ve bir sonraki nesle üreme katkısı açısından nasıl farklılaştığı ve böylece yaşamın evrimini nasıl yönlendirdiğidir. İşlevsel bir protosel (2014 itibarıyla) henüz laboratuvar ortamında elde edilememiştir. Kendiliğinden bir araya gelen veziküller ilkel hücrelerin temel bileşenleridir. Termodinamiğin ikinci yasası, evrenin entropinin arttığı bir yönde hareket etmesini gerektirir, ancak yaşam, büyük organizasyon derecesi ile ayırt edilir. Bu nedenle, yaşam süreçlerini cansız maddeden ayırmak için bir sınıra (hücre zarına) ihtiyaç vardır. Irene Chen ve Jack W. Szostak, temel protosellerin, diferansiyel üreme, rekabet ve enerji depolamanın ilkel biçimleri de dahil olmak üzere hücresel davranışlara yol açabileceğini öne sürmektedir. Membran molekülleri için rekabet, stabilize membranları destekleyecek, çapraz bağlı yağ asitlerinin ve hatta günümüzün fosfolipitlerinin evrimi için seçici bir avantaj sağlayacaktır. Bu tür bir mikrokapsülleme, büyük biyomolekülleri içeride tutarken, zar içinde metabolizmaya ve küçük moleküllerin değişimine izin verecektir. Böyle bir zar, bir hücrenin iyonları zar boyunca pompalayarak enerji depolamak üzere kendi elektrokimyasal gradyanını yaratması için gereklidir.

Enerji ve entropi

Yaşam, moleküller kendilerini canlı madde olarak organize ettiklerinde entropi ya da düzensizlik kaybını gerektirir. Yaşamın ortaya çıkması ve karmaşıklığın artması, genel entropinin asla azalmayacağını belirten termodinamiğin ikinci yasasıyla çelişmez, çünkü canlı bir organizma başka yerlerde entropinin artması pahasına (örneğin ısı ve atık üretimi) bazı yerlerde (örneğin canlı vücudu) düzen yaratır.

Dünya'nın ilk zamanlarında kimyasal reaksiyonlar için birden fazla enerji kaynağı mevcuttu. Jeotermal süreçlerden gelen ısı, kimya için standart bir enerji kaynağıdır. Diğer örnekler arasında güneş ışığı, şimşek, mikrometeorların atmosferik girişleri ve deniz ve okyanus dalgalarındaki kabarcıkların patlaması sayılabilir. Bu durum deneyler ve simülasyonlarla doğrulanmıştır. Demir-kükürt kimyasında olduğu gibi, elverişsiz reaksiyonlar son derece elverişli reaksiyonlar tarafından yönlendirilebilir. Örneğin bu, muhtemelen karbon fiksasyonu için önemliydi. Demir-sülfür kimyası yoluyla CO2'nin H2S ile reaksiyonu yoluyla karbon fiksasyonu elverişlidir ve nötr pH ve 100 °C'de gerçekleşir. Hidrotermal bacaların yakınında bol miktarda bulunan demir-kükürt yüzeyleri, az miktarda amino asit ve diğer biyomoleküllerin üretimini sağlayabilir.

Eklemiş olduğum resimde farklı nükleobazların ana temel yapıya eklenen farklı atom ve moleküllerin bağlanmasıyla farklılaştığını ama aynı temelden geliştiğine dikkat edin. Daha önce paylaştığım farklı türlerin hücre ve embriyo yapılarının birbirlerine çok benzemesi gibi. İnsanın farklı cinslerindeki hormonal yapıların bile temeli aynıdır farklılığı yaratan birkaç farklı molekül ve atomun temel yapıyla oluşturduğu bağdır. Kadın hormonu östrojen ve erkek hormonu testosteronun benzerlikleri de bu mantıkta değerlendirilmelidir. İnsan vücudundaki birçok hormon benzer sterol/steroid yapısına bağlanan farklı atom ve molekül gruplarıyla farklı işlevlerde bulunur. Temeller aynı, evrim böyle gelişiyor türler herşey böyle farklılaşıyor, bir ağacın büyüdükçe yeni dallarının oluşması gövde üstünden yükselmeye devam etmesi gibi....

BÖLÜM 4: Yapılanma ve Gizemler

Proteinler: L-İzomerlerin Gizemi

Amino asitler, proteinleri oluşturmak için birbirlerine bağlanırken su molekülü kaybederler. Ancak bu reaksiyon, su dolu bir ortamda (okyanusta) kendiliğinden kolay kolay gerçekleşmez.

Burada, kaya veya kil yüzeylerinin kritik bir rol oynamış olabileceği düşünülüyor. Kilin yüzeyi, amino asitleri çekebilecek hafif bir yüke sahiptir ve içerdiği metal atomları (bakır, demir, çinko) katalizör görevi görerek bu bağlanma reaksiyonlarını kolaylaştırabilir.

Ayrıca, amino asitler iki ayna görüntüsü formda bulunur: L-izomer ve D-izomer. Laboratuvarda ikisi karışık oluşur. Ancak canlı organizmalardaki tüm amino asitler L-izomeridir. Neden yalnızca L-formu seçildi? Bu, yaşamın kökenindeki çözülmeyi bekleyen en büyük gizemlerden biridir.

Yöneticiler: RNA Dünyası Hipotezi

Kalıtım ve metabolizmadan sorumlu olan Nükleik Asitler (DNA ve RNA), nükleotitlerden oluşur.

Nükleotitler de bir baz (Adenin, Guanin, Sitozin, Timin/Urasil), bir şeker ve bir fosfattan oluşur.

• Nükleobazlar: Hidrojen siyanür (HCN) ve amonyak gibi basit kimyasallardan kolayca sentezlenebilir. Hatta Formamidin karasal minerallerle ısıtılması, dört ribonükleotidin tamamını üretebilir. Nükleobazlar meteoritlerde de gözlemlenmiştir.

• Şekerler: Riboz gibi şekerler, formaldehitin bazik koşullarda divalent metal iyonlarıyla ısıtılmasıyla gerçekleşen Formoz Reaksiyonu ile oluşabilir.

• Fosfatlar: Erken Dünya'da nadir olmaları, nükleik asit oluşumu önündeki zorluklardan biridir.

Günümüzde baskın olan hipotez, yaşamın önce RNA Dünyası’ndan türediği yönündedir. RNA, hem genetik bilgiyi depolayabilen (DNA gibi) hem de kimyasal reaksiyonları katalizleyebilen (Protein gibi) çok yönlü bir moleküldür. Bu, DNA-RNA-Protein karmaşıklığı zincirinin tek bir molekülden kademeli olarak evrimleşebilmesi için mantıklı bir köprüdür.

Dünya Dışı Katkı: Panspermia mı, Psödo-Panspermia mı?

Bazı organik bileşiklerin uzaydan gelmiş olması mümkündür.

• 1969’da Avustralya’ya düşen Murchinson göktaşında amino asitler, pirimidinler ve yağ asitlerine benzeyen moleküller bulundu.

• NASA’nın çalışmaları, dört DNA nükleobazının (Adenin, Guanin) uzayda oluştuğunu gösteriyor.

• Polisiklik Aromatik Hidrokarbonlar (PAH), Evren’de en yaygın bulunan karmaşık moleküllerden olup, ilkel denizin bir bileşeni olabilir ve RNA Dünyası’nın öncülleri olarak görülür.

Bu durum, meteorların veya kuyruklu yıldızların, yaşamın oluşumu için gerekli olan organik yapı taşlarını (Psödo-Panspermia) Dünya’ya taşımış olabileceğini gösteriyor.

Yaşamın Yapı Taşları: Köken, Kritik Sınırlar ve Replikasyonun Mantığı

1. Amino Asitler ve Proteinlerin Sentezi: Kırılamaz Zincir

Amino asitler, proteinlerin monomerleri (tekil yapıları) olup, karbon, hidrojen, oksijen ve azottan oluşur (bazıları kükürt içerir).

. Nasıl ve Neden Oluştular?

• Abiyotik Sentez: Erken Dünya'nın indirgenmiş atmosferinde (örneğin CH4, NH3) ve su buharı ile yüksek enerji (yıldırım, UV) varlığında, Miller-Urey Deneyi'nin gösterdiği gibi, temel 20 farklı amino asidin birçoğu kolayca sentezlenmiştir. HCN (Hidrojen Siyanür) gibi basit moleküller, bu reaksiyonların temel öncüllerindendi.

• Kataliz ve Kondenzasyon: Amino asitlerin protein zincirlerine dönüşmesi (Polimerizasyon), bir su molekülünün kaybedilmesini (dehidrasyon) gerektirdiği için sulu ortamda termodinamik olarak zordur. Bu zorluğun üstesinden gelmek için:

  • Kil ve Kaya Yüzeyleri: Amino asitler, kil gibi mineral yüzeylerde birikmiş ve kilin içerdiği metal iyonlarının (Çinko, Bakır) katalizörlüğünde, sıcaklık ve kuruluk gibi yerel koşullarda su molekülünü kaybederek peptit bağları ile bağlanmıştır.

. Protein Stabilizasyonunda Kritik Sınır

Proteinlerin hücre içinde işlevsel olabilmesi için, kararlı bir üç boyutlu konformasyonda katlanması gerekir.

• Kritik Zincir Uzunluğu: Bir proteinin, sudaki termal hareketlere ve çevresel bozunmaya karşı koyarak stabil bir konformasyonda (üçüncül veya dördüncül yapı) kalabilmesi için, zincir uzunluğunun kritik bir eşiği geçmesi gerekir. Bu eşik genellikle en az 40 ila 50 amino asit olarak kabul edilir (ortalama bir protein binlerce amino asit içerebilir). Ancak küçük proteinler (peptitler) bile stabil işlevler gösterebilir, ancak genel kararlılık ve enzimatik işlev için 50 amino asit alt sınır kabul edilir.

• Neden Önemli?: Bu kararlı konformasyon, proteinin benzersiz şeklini (örneğin bir enzimin aktif bölgesini) belirler. İlk protohücrelerin hayatta kalabilmesi için, enzimatik reaksiyonları katalizleyebilecek ve kolayca bozunmayacak kadar stabil proteinlere sahip olmaları gerekiyordu.

2. Yağlar (Lipitler) ve Şekerler (Karbonhidratlar)

• Yağlar ve Hücre Zarı: Yağ Asitleri, asetik aside birkaç karbonun eklenmesiyle (uzun hidrokarbon zincirleri) oluşabilir. Bu moleküllerin bir ucu su seven (karboksil grubu, -$\text{COOH}$), diğer ucu su sevmeyen (hidrokarbon zinciri) olduğundan amfifiliktir. Suda kendiliğinden çift katmanlı zar yapısı oluştururlar (lipozom, misel) ve bu, Protohücrelerin oluşumu ve metabolik içeriğin korunması için temel koşuldur.

• Şekerler ve Enerji/Yapı: Basit Şekerler (örneğin riboz, glikolaldehit), formaldehitin bazik koşullar altında kalsiyum gibi metal iyonları ile ısıtılmasıyla gerçekleşen Formoz Reaksiyonu (otokatalitik döngü) ile sentezlenebilir. Şekerler, hem hücreye anında enerji sağlamış hem de RNA ve DNA'nın omurgasını oluşturan riboz ve deoksiriboz gibi yapısal bileşenler olarak kullanılmıştır.

3. Nükleik Asitler: Yönetici Molekülün Kopyalanma Mantığı

Nükleik asitler (DNA/RNA) genetik bilginin depolanmasından ve aktarılmasından sorumludur.

. DNA/RNA'nın Yapısal Mantığı ve Elementler

Nükleotitler, üç ana bileşenden oluşur: Nükleobaz, Şeker ve Fosfat.

Nükleobazlar (A, G, C, T/U)

Elementler: Karbon, Azot, Hidrojen. Mantık: HCN (Hidrojen Siyanür) gibi basit karbon ve azot kaynaklarının reaksiyonuyla pürinler (Adenin, Guanin) ve pirimidinler (Sitozin, Urasil) oluşur. Bu, Evren'de bol bulunan temel elementlerin en kolay birleşme yollarından biridir.

Şeker (Riboz/Deoksiriboz)

Elementler: Karbon, Oksijen, Hidrojen. Mantık: Formoz Reaksiyonu ile formaldehitten sentezlenir. Şeker, baz ve fosfat arasında bir köprü görevi görür ve molekülün suda çözünürlüğünü destekler.

Fosfat (PO4)

Elementler: Fosfor, Oksijen. Mantık: Fosfat grupları, nükleotitlerin birbirine bağlanarak "şeker-fosfat omurgasını" oluşturur. Bu omurga, DNA ve RNA zincirlerinin stabil kalmasını sağlayan iskelet işlevini görür. Aynı zamanda ATP'deki yüksek enerjili bağları da oluşturarak enerjiyi depolar. Fosfor, erken Dünya'da nadir bir problem olsa da, nükleik asitlere katılması yapısal zorunluluktu.

Kendini Çoğaltmanın (Replikasyonun) Evrimsel Mantığı

RNA Dünyası Hipotezine göre, ilk genetik materyal olan RNA, kendini kopyalama yeteneğine sahipti.

• Neden Kendini Çoğalttı? Replikasyonun nedeni, termodinamiğin ikinci yasasına karşı koymaktır. Hücre içi karmaşık ve düzenli yapıyı (düşük entropi) sürdürebilmek için sistemin sürekli enerji ve madde alması, ve en önemlisi bilgiyi kopyalayarak kendini idame ettirmesi gerekir. Bir sistemin varlığını sürdürmek için kalıtsal varyasyonlarla üreme zorunluluğu vardır.

• Nasıl Çoğalttı?

  1. Otokataliz: RNA, sadece genetik bilgiyi taşımakla kalmaz, aynı zamanda kendi kopyalanma reaksiyonlarını katalizleyebilen Ribozimler olarak da işlev görebiliyordu.

  2. Seçilim: Kendini daha hızlı ve daha az hatayla kopyalayabilen (daha stabil) RNA molekülleri, ilkel çorbada doğal seçilim yoluyla baskın hale geldi. Bu, yaşamın devamı için bilgiyi koruma ve çeşitlendirme zorunluluğunun biyokimyasal tezahürüdür.

Bu yapı, bir kez oluştuğunda, kendi varlığını sürdürmek için Evren'in temel zorunluluklarına (enerji akışı, düşük entropi) uymuş ve biyolojik evrim başlamıştır.

İlk hücrenin oluşumu, sadece kimyasal bir olay değil, termodinamik bir zorunluluk ve elektriksel düzen üzerine kurulmuş, Evren'in kendi kendini organize etme biçiminin en çarpıcı örneğidir.

İlk Hücrenin Doğuşu: Termodinamik Zorunluluk ve Moleküler Mantık

İlk hücresel yapının ortaya çıkışının arkasındaki zorunluluk, temel olarak entropiye karşı koyma ve kendi içindeki düzeni sürdürme ihtiyacından kaynaklanır.

1. Koşullar ve Zorunluluk: Termodinamik Kapalı Kutu

Biyolojik bir yapının var olabilmesi için, kendini çevreden ayırması ve içindeki reaksiyonları stabilize etmesi gerekiyordu. Bu zorunluluk, Termodinamiğin İkinci Yasası ile doğrudan ilişkilidir.

• Entropiye Karşı Koyma: Evren, entropinin (düzensizliğin) arttığı yönde hareket etme eğilimindedir. Yaşam ise, son derece düşük entropiye (yüksek düzen) sahip yapılarla karakterizedir. Canlılık, genel entropiyi başka yerlerde artırma pahasına (ısı ve atık üretimi), kendi içinde lokal olarak düzen yaratır. İlk hücrenin oluşumu, bu negatif entropiyi sürdürebilecek bir sınır (zar) yaratma zorunluluğundan doğmuştur.

• Reaksiyonu İzolasyon: İlkel okyanus (sıcak seyrek çorba), organik moleküllerle doluydu ancak bu moleküllerin birbirleriyle doğru şekilde reaksiyona girmesi, seyreltik ve kaotik bir ortamda zordu. Hücre zarı, reaksiyonları küçük, konsantre bir alanda izole ederek metabolizmanın verimliliğini ve kimyasal seçilimini sağlayan bir mikro-laboratuvar oluşturdu.

2. Yapısal Mantık: Fosfolipitlerin Elektriksel Düzeni

İlk hücre zarının oluşumu, yağ asitlerinin (lipitlerin) kimyasal yapısındaki benzersiz elektriksel özelliklere dayanır.

• Amfifilik Moleküller: Yağ asitleri, bir ucu hidrofilik (su seven, polar, $-\text{COOH}$ grubu) ve diğer ucu hidrofobik (sudan nefret eden, apolar, uzun hidrokarbon zinciri) olan amfifilik moleküllerdir.

• Kendiliğinden Birleşme (Self-Assembly): Suyu seven ve sevmeyen bu elektriksel zıtlık, moleküllerin sulu bir çözelti içinde dışarıdan enerji gerekmeksizin kendiliğinden bir araya gelerek düzenli yapılar oluşturmasını sağlar.

  • Miseller ve Lipozomlar: Lipitler, hidrokarbon kuyruklarını sudan korumak için bir araya toplanır. Bu, sonunda iki katmanlı, küresel yapılar (Lipozomlar) oluşturur ki, bu da modern hücre zarının temelini oluşturan çift katmanlı zardır. Bu biyolojik zar hücresel materyali (RNA, proteinler) içerde tutarken dışarıdaki düşmanca çevreden korur.

• İyon Gradieni ve Enerji: Bu zar, hücrenin içindeki ve dışındaki iyon konsantrasyonları arasında bir fark yaratarak (elektrokimyasal gradyan) enerji depolaması için de kritik bir öncül oldu. Bu gradyan, daha sonra kemiosmoz ve ATP sentezi gibi ilkel enerji üretim yollarının temelini oluşturmuştur.

3. Biyokimyasal Yapılanma: DNA/RNA'nın Çoğalma Zorunluluğu

Hücre zarının oluşumu, genetik materyalin içeri girmesiyle anlam kazandı. Bu, Moleküller Arası Bağlar ve Elektriksel Etkileşimler sayesinde gerçekleşti.

• Nükleik Asitlerin Çoğaltılması: DNA/RNA'nın kendini kopyalama (replikasyon) mantığı, bazlar arasındaki zayıf Hidrojen Bağlarına dayanır.

  • Adenin (A) - Timin (T) (veya Urasil (U)) ve Guanin (G) - Sitozin (C) arasındaki bu elektriksel çekim (baz eşleşmesi), genetik bilginin hatasız bir şekilde kopyalanmasını sağlayan bir şablon mekanizmasıdır.

• Fosfat Omurgası: Nükleotit zincirlerini bir arada tutan Şeker-Fosfat omurgası, güçlü kovalent bağlardan oluşur. Fosfat grupları, negatif elektrik yükü taşıyarak, bu zincirin hem stabil olmasını sağlar hem de çözelti içinde kalmasına yardımcı olur.

• Neden Kendini Çoğalttı?: RNA gibi kendini kopyalayan polimerlerin ortaya çıkışının arkasındaki temel itki, kalıtsal varyasyonlarla üreyebilmek ve böylece doğal seçilime tabi olabilmektir. Replikasyon, molekülün kendisindeki bilgiyi koruma ve daha verimli formlara evrilme zorunluluğunun biyokimyasal ifadesiydi.

Özetle, ilk hücrenin oluşumu, amfifilik moleküllerin elektriksel düzen arayışının bir sonucu olarak kendini gösteren termodinamik bir zorunluluktu. Bu zar yapısı, içerideki kopyalama yeteneği (RNA) ve katalizleme gücü (Proteinler) ile birleşince, cansız Evren'den biyolojik Evrim'e giden o geri dönülmez sıçrama gerçekleşmiş oldu.

Protohücre yapısının oluşumu, kozmik bir zorunluluktan doğan, fizik, kimya ve biyokimya yasalarının mükemmel birleşimidir. İlk hücre zarı, sadece bir sınır değil, canlılığın başlaması için gereken akıllı bir arayüzdür.

Bu durumu, bu disiplinlerin merceğinden, hücre zarının neden ve nasıl işlevsel bir sınır oluşturduğunu analiz ederek açıklayalım.

Protohücre Zarı: Fizik, Kimya ve Biyolojinin Uyumlu Dansı

Protohücrenin oluşma mantığı, termodinamik zorunluluk (entropiye karşı koymak) ile moleküler yapıların kendiliğinden örgütlenme eğiliminin (kimyasal mantık) birleşimidir.

1. Kimyasal Zorunluluk: Kendiliğinden Örgütlenme (Self-Assembly)

Protohücre zarının ana bileşenleri olan lipitler (yağ asitleri), kimyasal yapıları gereği sulu bir ortamda kendiliğinden bir araya gelmek zorundaydı.

• Amfifilik Kimya: Lipitler amfifiliktir; bir ucu hidrofilik (suyu seven, polar, COOH grubu), diğer ucu ise hidrofobik (suyu sevmeyen, apolar, uzun hidrokarbon zinciri) özelliktedir.

• Termodinamik İtici Güç: Yağ asitleri, çevredeki entropiyi maksimize etmek için hidrokarbon kuyruklarını sudan uzak tutmaya çalışır. Bu, suyun daha düzenli (düşük entropili) bir yapı oluşturma eğilimini engeller. En ideal çözüm, kuyrukların içe dönük, başların ise dışa (suya) dönük olduğu küresel bir çift katmanlı zar yapısıdır (Lipozom veya Vezikül).

• Sonuç: Zarın oluşumu, dışarıdan aktif bir enerji gerektirmeyen, tamamen termodinamik olarak uygun ve kendiliğinden gerçekleşen (self-assembly) bir kimyasal süreçtir. Bu zar, içerideki biyokimyasal reaksiyonları stabilize eden bir bölme (compartment) oluşturur.

2. Fiziksel İşlevsellik: Difüzyon ve Geçirgenlik

Hücre zarının hayatta kalabilmesi için sadece bölmelemek yetmezdi; aynı zamanda dış ortamla enerji ve madde alışverişini kontrol etmesi gerekiyordu. Bu kontrol, temel fizik kurallarına uyar.

• Seçici Geçirgenlik (Permeabilite): Protohücre zarları, seçici geçirgenlik gösterir; bu, zarın belirli maddelerin girişine izin verirken, içerideki hayati büyük molekülleri (RNA, proteinler) hapsedebildiği anlamına gelir.

  • Besin Girişi (Difüzyon): Küçük, yüksüz moleküller (örneğin su, gazlar) ve ilkel çorbadaki basit besin öncülleri, derişim gradyanı uyarınca (çoktan aza) pasif olarak zar boyunca difüzyon yoluyla içeri girer. Bu, hücrenin enerji harcamadan besin almasının ilk fiziksel mekanizmasıdır.

  • Makromoleküllerin Hapsi: Zarın hidrokarbon çekirdeği, büyük ve yüklü moleküllerin (RNA, ATP, iyonlar) geçişini engeller. Bu kural, hücrenin sentezlediği değerli bilgi polimerlerini (RNA) ve enerji moleküllerini (ATP öncülleri) kaybetmemesini sağlayan kritik bir fiziksel işlevdir.

• Elektrokimyasal Gradyanlar: Zar, hücre içi ve hücre dışı iyon konsantrasyonları arasında bir fark yaratarak elektriksel potansiyel oluşturur. Bu potansiyel (gradyan), daha sonra ATP üretimi için protonların zar boyunca pompalanması (kemiosmoz) gibi ilkel enerji üretim yollarının temelini oluşturan fiziksel bir koşuldur.

3. Biyokimyasal Sonuç: Homeostazis ve Evrimin Başlangıcı

Zarın kimyasal yapısı ve fiziksel işlevi, biyolojik evrimin temel koşulunu yarattı.

• Metabolizmanın Başlangıcı: Zarın izolasyonu, içerideki katalizörler (ilkel proteinler veya ribozimler) ile substratların (besin öncülleri) yüksek konsantrasyonda birleşerek karmaşık metabolik reaksiyon zincirlerini (Horowitz mekanizması) başlatmasını sağladı.

• Homeostazisin Kilit Taşı: En önemlisi, bu zar, hücrenin sürekli değişen dış çevreye rağmen kendi iç sıcaklığını, pH'ını ve iyon dengesini koruma yeteneği olan Homeostazis'in fiziksel başlangıcıdır.

• Yaşamın Tanımı: Bu biyokimyasal makine, kendini kopyalama yeteneği (RNA/DNA) ve metabolik gücü (ATP) tek bir sınırlı bölmede birleştirdiğinde, cansız Evren'den biyolojik Evrim'e giden geri dönülmez sıçrama gerçekleşmiş oldu. Hücre zarı, Darwinci Evrim'in işlemeye başlaması için gerekli olan kalıtsal varyasyonlara sahip sistemleri yarattı.

Bu bakış açısı, ilk hücrenin rastgele bir olay değil, temel bilim yasalarının uyguladığı kaçınılmaz bir çözüm olduğunu gösterir.

Hayatta Kalmanın İlk Kuralları- ProtoHücre ve Taşınım Gizemi

Yaşamın kökeni, en basit hâliyle, dış enerji kaynakları pahasına kendi kopyalarını üretebilen (replikatörler) sistemlerin ortaya çıkışıyla yakından ilişkilidir. Evrimin ilk evrelerinde var olan bu en basit formlar (bireysel RNA molekülleri, hipersikluslar), doğaları gereği kararsız oldukları için fosil kayıtlarda neredeyse hiç bulunmaz.

1. Protohücre: Termodinamik Bir Kapalı Kutu

Protohücrelerin en temel işlevi, hem genetik materyali korumak hem de maddelerin taşınmasını kontrol eden bir sisteme sahip olmaktı. Bu kontrol, temel fizikokimyasal ilkelerle açıklanır:

• Denge Zorunluluğu: Yaşam, dengeye karşı koymak zorundadır. Maddelerin akışı (iyonlar, besinler) termodinamik kuvvetlerle orantılı olmalı; ancak sistem dengeye ulaştığında bu akılar durmalıdır. Protohücre, çevresiyle dengeye girmemek için sürekli bir akı (enerji ve madde alışverişi) sürdürmek zorundaydı.

• İzotop Ayrışması: Hücrelerin, özellikle aktif taşıma sistemleri aracılığıyla, çevredeki izotopları ayrıştırabilmesi, evrimin erken aşamalarında yaşamın varlığının en önemli göstergelerinden biri olarak kabul edilir.

2. Evrimsel Taşıma Sistemi: Aktif Taşımanın Doğuşu

İlk basit sistemler (replikatörler), büyük olasılıkla yönsel bir hareket yeteneğine sahip değildi; hareketleri rastgele veya dış kuvvetlere bağlıydı. Ancak, hücrenin hayatta kalması için iyon konsantrasyonunu içeride sabit tutması kritikti.

• Arke ve Siyanobakteri Modeli: Günümüzde var olan en eski tek hücrelilerden olan Arkeler ve Siyanobakteriler, protohücrelerin taşıma sistemlerine ışık tutar. Bu canlıların hücre içindeki iyon konsantrasyonunu ve zar potansiyelini nasıl koruduğunu modellemek, ilk hücrenin işleyişini anlamamızı sağlıyor.

  • Basit Taşıma: "Bir iyon-bir taşıma sistemi" gibi en basit algoritmalarla, hücrenin iyonları içeri alıp dışarı atarak zar üzerindeki dinlenme potansiyelini nasıl hesapladığı anlaşılabilir.

• E. coli ve Diatomlar: Arkelerden daha sonra ortaya çıkan E. coli ve Diatomlar gibi daha gelişmiş hücrelerin taşıma sistemlerini incelemek, iyon taşıma sisteminin evrimsel olarak korunup korunmadığı sorusuna cevap arar. Bu karşılaştırmalı analiz, yaşamın bu temel işlevi ne kadar muhafazakâr bir şekilde sürdürdüğünü gösterir.

3. LUCA ve Protohücrelerin Fonksiyonel Yapısı

Tek hücreli organizmaların taşıma sistemlerinin karşılaştırmalı analizi, tüm canlılar için ortak olan bir atanın (LUCA) ve ondan önceki Protohücrelerin olası işlevsel yapısını ortaya çıkarır.

• Protohücre Özellikleri: Yapılan modellemeler ve analizler şunu gösteriyor: İlk Protohücrelerin büyük olasılıkla Donnan potansiyeline (elektrik yükü taşıyan büyük moleküllerin zar boyunca hareketsiz kalmasıyla oluşan potansiyel) yaklaşan küçük bir dinlenme potansiyeli vardı.

• Aktif Taşıma Sistemi: Bu ilkel hücreler, sadece az sayıda aktif taşıma sistemine (muhtemelen sadece protonlar için) sahipti. Bu, basitçe, dış ortamdaki enerjiyi kullanarak hücre içindeki proton dengesini korumaya çalıştığı anlamına gelir.

En basit hücrelerde madde taşınımı, ilk fizikokimyasal prensiplerden yola çıkılarak anlaşılabilir. Protohücreler, minimal aktif taşıma sistemleriyle ve küçük bir dinlenme potansiyeliyle, çevredeki kaosa karşı kendi iç düzenlerini (Homeostazis'i) korumayı başaran termodinamik minimum hücrelerdi.

Protohücrenin o ilkel sınırını aştıktan sonra başlayan evrim süreci, sadece biyolojinin değil, aynı zamanda biyokimyasal verimliliğin ve çevresel adaptasyonun bir destanıdır.

Protohücreden başlayıp günümüzdeki çok hücreli karmaşık yaşama uzanan bu yolculuğu, kritik basamakları ve sağladığı olanakları bilimsel temellere dayandırarak inceleyelim:

Protohücreden Çok Hücreliliğe Evrimsel Yolculuk

Protohücre, kendini kopyalama (RNA) ve basit metabolizma (fermantasyon) yeteneğine sahipken, henüz tam bir hücre değildi. Evrim, bu ilkel yapıyı sürekli olarak optimizasyona zorladı.

1. Kritik Basamak I: Tek Hücreli Mikroorganizmanın (LUCA) Doğuşu

Protohücreden Son Evrensel Ortak Ata (LUCA)'ya (yaklaşık 4 milyar yıl önce) geçiş, biyolojik evrimin tüm kurallarını belirleyen bir dönüm noktasıydı.

Kritik Basamak Neden Gerekliydi? Hücreye Sağladığı Olanak

RNA'dan DNA'ya Geçiş: Bilginin hatasız ve uzun süre korunması zorunluluğu.

Kimyasal Stabilite: DNA, RNA'dan daha kararlı bir depolama birimidir.

İş Bölümü: DNA depolama, proteinler ise kataliz (enzim) görevini üstlendi.

Ribozimden Proteine: RNA'nın kataliz yeteneği sınırlıydı.

Metabolik Verimlilik: Protein enzimleri, kimyasal reaksiyonları çok daha hızlı ve spesifik hale getirerek metabolizmayı kusursuzlaştırdı.

Kemiosmoz Gelişimi: Basit fermantasyon düşük enerji verimine sahipti.

Enerji Yönetimi: Hücre zarında proton gradyanı oluşturularak (Kemiosmoz), ATP üretimi için çok daha verimli bir mekanizma kuruldu. LUCA bu sistemi kullandı.

Sonuç: LUCA, DNA, RNA ve Ribozomları içeren, kalıtsal varyasyonlarla üreyebilen, Darwinci evrim geçirebilen ilk tam ve stabil biyokimyasal makine oldu.

2. Kritik Basamak II: Aerobik Yaşam ve Enerji Devrimi

Tek hücrelilerin evriminde bir sonraki büyük zorunluluk, atmosferdeki serbest oksijenin ($\text{O}_2$) yükselmesiyle ortaya çıktı.

Kritik Basamak Çevresel Koşul ve Zorunluluk Hücreye Sağladığı Olanak

Oksidasyon Krizi Fotosentez yapan siyanobakteriler, atmosfere zehirli O2'i bıraktı (Büyük Oksidasyon Olayı). O2 detoksifikasyonu ve onu kullanma yeteneği, rekabet avantajı sağladı.

Endosimbiyoz: Anaerobik yaşam, O2'nin toksisitesinden kaçınmak ve enerji verimini artırmak zorundaydı.

Aerobik (Oksijenli) Yaşam: Bir hücrenin, oksijeni kullanan bir bakteriyi yutmasıyla mitokondri oluştu. Bu, Oksidatif Fosforilasyon ile ATP üretim verimini yaklaşık 18 kat artırdı. |

Sonuç: Bu Enerji Devrimi, hücrelerin daha karmaşık yapılar inşa etmesi ve daha büyük genomları sürdürmesi için gereken sınırsız yakıtı sağladı. Ökaryotik hücrelerin ve dolayısıyla çok hücreliliğin önü açıldı.

3. Kritik Basamak III: Çok Hücreliliğe Geçiş

Enerji kıtlığı çözüldükten sonra, yaşamın bir sonraki stratejisi, iş bölümü ve boyut avantajı elde etmek oldu.

Tek hücreliler, avcılardan korunmak ve yüzey alanı/hacim oranını dengelemek zorundaydı.

Boyut Avantajı: Hücrelerin birbirine yapışarak sömürgeler oluşturması, yırtıcılara karşı koruma ve kaynaklara daha etkin erişim sağladı .

İş Bölümü (Diferansiyasyon) Sadece yapışık kalmak yetmez; her hücrenin aynı işi yapması verimsizdi.

Uzmanlaşma: Bazı hücreler hareket etmede, bazıları beslenmede, bazıları ise üremede uzmanlaştı. Bu diferansiyasyon, karmaşık organizmaların (örneğin hayvanların veya bitkilerin) temelidir.

Ortak Köken ve Farklılaşma: Bütün canlıların kökeni LUCA'ya dayansa da, farklı koşullar farklı adaptasyonları zorladı.

Evrimsel Farklılaşma: Bir tür içindeki bireyler, bulundukları koşullara (soğuk/sıcak, bol/kıt besin) en uygun kalıtsal varyasyonları taşıyorlarsa, hayatta kalma ve üreme konusunda daha avantajlı konuma geçerler. Bu süreç (Doğal Seçilim), popülasyonların zamanla ayrışmasına ve yeni türlerin oluşmasına (Türleşme) yol açar.

Evrimsel Sonuç: Günümüzdeki çok hücreli karmaşık canlılar, bu sürekli optimizasyon ve uyum süreçlerinin ürünüdür. Her birimiz, ilk protohücrenin başlattığı kimyasal zorunlulukları çözerek ve çevresel koşullara biyokimyasal avantajlar yaratarak hayatta kalan bir soydan geliyoruz.

İlk Hücre ve Ortak Mirasımız

Bölümlenme: Protosellerin Doğuşu

Yaşamın en kritik evrimsel sıçraması, kimyasal materyali dış ortamdan koruyan, kendi kendini idame ettirebilen ve kopyalayabilen bir yapı oluşturmaktı: hücre zarı.

Fosfolipitler gibi yağ asitlerinden oluşan amfifilik (hem su seven hem su sevmeyen) moleküller, su içinde kendiliğinden bir araya gelerek veziküller (lipozom veya misel) adı verilen küresel kesecikler oluşturur. Bu, hücre zarının oluşumunu sağlayan temel yapıdır.

Bu kesecikler, içlerindeki genetik materyali ve metabolik kimyasalları hapsederken, dış ortamla enerji alışverişine izin verecek bir sınır yaratıyordu. Bu ilkel hücrelere Protosel denir. Membran rekabeti ve farklı üreme katkıları, doğal seçilimin bu ilkel sistem üzerinde de işlemesine olanak tanıdı ve daha stabil zarlara sahip soyların evrimleşmesine yol açtı.

Kanıtlar ve Ortak Ata: LUCA

Dünya'daki yaşamın tartışmasız en eski kanıtı, en az 3.5 milyar yıllık fosillerden geliyor. Kanada Quebec’de bulunan 4.2 milyar yıllık bakteri izleri ise, gezegenimizin oluşumundan (4.5 milyar yıl) sadece kısa bir süre sonraya işaret ediyor.

Peki, 4.2 milyar yıllık bir fosil, 3.8 milyar yıl önce yaşadığını tahmin ettiğimiz son ortak atamızdan nasıl daha yaşlı olabilir?

Çok basit: Dünya’da yaşam defalarca ortaya çıkmış, ancak asteroit çarpışmaları neticesinde defalarca yok olmuş olabilir. Günümüze ulaşan soy, o dönemde var olan yaşamın sadece bir dalıdır.

LUCA (Last Universal Common Ancestor - Son Evrensel Ortak Ata), bugün yaşayan tüm canlıların ortak atasıdır ve yaklaşık 3.8-4.0 milyar yıl önce yaşamıştır.

• Genetik analizler, LUCA’nın anaerobik (oksijensiz solunum yapan) bir bakteri olduğunu ve kemiosmoz ile enerji elde ettiğini gösteriyor.

• Yaşam ağacındaki dalların neredeyse tamamının bakterilere ait olması, hepimizin nihai olarak bir bakteriden evrimleştiğini doğruluyor. Embriyo ve hücre yapılarındaki şaşırtıcı benzerlikler de bu ortak atadan miras aldığımızı gösteriyor.

Protohücrelerden, bugün yaşayan tüm canlıların atası olan Son Evrensel Ortak Ata (LUCA)'ya geçiş, yaşamın kökenindeki en zorlu ve en büyüleyici evrimsel sıçramadır. Bu geçiş, kaotik kimyasal reaksiyonlardan kusursuz biyokimyasal makineye giden, yaklaşık 500 milyon ila 1 milyar yıllık bir "Kayıp Çağ" hikayesidir.

Protohücreden LUCA'ya: Evrimsel Sıçrama

Protohücre, sadece bir zar (lipozom) içinde hapsolmuş, kendini kopyalama (RNA) ve ilkel metabolizma yeteneği olan, henüz tam anlamıyla evrimleşmemiş bir sistemdi. LUCA ise, DNA temelli, protein sentezleyebilen ve karmaşık bir metabolizmaya sahip olan, biyolojik evrimin tüm kurallarını belirleyen ilk tam hücreydi.

İşte bu iki yapı arasındaki evrimsel hikayeyi şekillendiren kritik adımlar:

1. Genetik Materyalin Konsolidasyonu: RNA'dan DNA'ya Geçiş

Protohücreler döneminde genetik materyal olarak RNA'nın (Ribozimler) kullanıldığı varsayılır (RNA Dünyası Hipotezi). Ancak RNA, hem kimyasal olarak daha kararsızdır hem de DNA'ya göre daha fazla kopyalama hatası yapar.

• Zorunluluk: Yaşam, karmaşıklaşmak ve devasa genomları (genetik bilgi setleri) hatasız taşımak zorunda kaldı.

• Sıçrama: DNA, RNA'dan türedi. İki ana avantaj sağladı:

  • Stabilite: DNA'daki deoksiriboz şekeri, RNA'daki riboz şekerinden daha kararlıdır. Timin bazının (T) kullanılması ise onarım mekanizmalarını kolaylaştırdı. DNA, genetik bilgiyi uzun vadeli depolamak için ideal, kimyasal açıdan üstün bir kütüphane haline geldi.

  • İş Bölümü: Bilgi depolama görevi DNA'ya, kataliz (iş yapma) görevi ise daha verimli ve çeşitli olan proteinlere devredildi.

2. Moleküler Organizasyon: DNA-Protein Döngüsü (Zor Problem)

LUCA'nın en karmaşık özelliği, genetik bilginin (DNA) protein sentezini (enzimler) yönetmesi ve bu proteinlerin de DNA'yı kopyalamasıdır. Bu, "Tavuk mu, Yumurta mı?" sorusuna benzeyen, DNA polimeraz enzimi gibi bileşenlerin olmadan çalışmayacak, birbirine sıkı sıkıya bağlı bir sistemdir.

• Çözüm (Otokataliz ve Kademeli Evrim): Bu karmaşık döngünün, ilk başta RNA tarafından (Ribozimler ile protein sentezi) başlatıldığı ve basitleştirilmiş versiyonlar aracılığıyla kademeli olarak geliştiği düşünülür. Evrimsel süreç, moleküler kendi kendini birleştirme (self-assembly) ve otokatalitik döngüleri içererek, bu parçaları işlevsel hale gelmeden önce bir arada tutmayı başarmış olmalıdır.

• LUCA'nın Devraldıkları: LUCA, bu döngünün en az 355 ortak genle kodlanmış olan, mesajcı mRNA, taşıyıcı tRNA ve ribozomlar gibi tüm temel çeviri mekanizmalarını miras aldı.

3. Enerji ve Metabolizma: Kemiosmoz ve Wood-Ljungdahl Yolu

Protohücreler muhtemelen basit fermantasyonla yetiniyordu. LUCA ise, termal bacaların yakınındaki doğal enerji gradyanını kullanarak çok daha verimli bir enerji sistemi geliştirdi.

• Kemiosmoz: LUCA, hücre zarı boyunca iyonları pompalayarak kendi elektrokimyasal gradyanını (enerji depolama) yaratmayı başardı. Bu, ATP üretimi için kritik bir adımdır ve bugünkü mitokondri ve bakterilerin kullandığı temel enerji prensibidir.

• Anaerobik Metabolizma: Genetik analizler, LUCA'nın oksijenin (O2) olmadığı bir ortamda yaşayan anaerobik bir canlı olduğunu gösteriyor. Metabolik yolu, karbondioksit (CO2) ve hidrojen (H2) gibi basit inorganik maddeleri organik bileşiklere dönüştüren (karbon fiksasyonu yapan) Wood-Ljungdahl yolu idi.

Evrimsel Başarı

LUCA (~4 milyar yıl önce), sızdıran zarlara sahip olan ilkel protohücrelerin aksine, kendini idame ettiren, Darwinci evrim geçirebilen kimyasal bir sistemin nihai sonucuydu. LUCA, bugünkü Arkea ve Bakteri gibi yaşamın iki ana dalının ortak atasıdır ve DNA, genetik kod ve ATP kullanımı gibi biyolojinin tüm evrensel kurallarını ilk kez sağlam bir şekilde sistemine entegre etmeyi başarmış tekil bir atadır.

Yaşamın kökeni (Abiyogenez) konusundaki bu detaylı bilimsel analiz yolculuğumuzda, Bilinç'in ortaya çıkışına giden mantıksal zinciri tamamlamak için, elimizdeki güçlü temeli kullanarak iki ana başlık altında ilerleyelim.

Bu adımlar, biyokimyasal zorunluluk ile evrensel örgütlenme arasındaki köprüyü kuracaktır:

.Erken Yaşamın Çevresel Sınırları ve Çözülmemiş Gizemler

Burada, protohücrelerden LUCA'ya geçişi hızlandıran çevresel etkenleri ve hala çözülememiş kritik kimyasal-biyolojik zorlukları (chirality, fosfat, replikasyon) inceleyelim.

• Amino Asitlerin Kiralite Sorunu: Yaşamın neden sadece L-izomer amino asitleri seçtiği sorusunu (homokiralite) ve bunun ilk katalitik reaksiyonları nasıl etkilediğini detaylandıralım.

• Enerji Üretiminin Evrimi: Oksijensiz ortamda başlayan Fermentasyondan, Endosimbiyoz ile mitokondrinin kazanılmasına ve aerobik yaşama geçişi inceleyelim.

. Bilincin Biyolojik Sıçraması ve Kozmik Entegrasyon

Bu, makalenin felsefi ve bilimsel doruk noktası olacak. Biyolojik karmaşıklıktan (Homeostazis) Bilinç kavramına geçişi ve ardından Plazma Bilinci hipotezine bağlanmayı sağlayalım.

• Bilinç ve IIT: Karmaşık sinir sisteminin nasıl bir Entegrasyon gücü (IIT) yarattığını ve bunun yaşamın en nihai kuralı olduğunu açıklayalım.

• Karbon Sınırlarının Ötesi: Plazma Bilinci hipoteziyle, bu biyolojik zorunluluğun Evrensel ölçekte daha yüksek enerji ve maddesel olmayan formlarda nasıl devam edebileceği fikrine geçiş yapalım.

Yaşamın biyokimyasal temellerinden yola çıkarak, Abiyogenez'in henüz çözülememiş kritik sırlarını ve Evrensel Bilinç'e giden yolu açan çevresel zorunlulukları derinlemesine inceleyelim.

Erken Yaşamın Çevresel Sınırları ve Çözülmemiş Gizemler

İlk protohücreler, Dünya'nın ilkel koşullarında var olmaya çalışırken, bugün bile modern laboratuvarlarda tam olarak taklit edemediğimiz, biyokimyasal ve çevresel birçok zorlukla karşılaştı.

. Yaşamın Simetri Sorunu: Homokiralitenin Gizemi

Abiyogenez'in çözülmeyi bekleyen en büyük sırlarından biri Kiralite (Chirality) sorunudur.

• Moleküler İkizler: Amino asitler ve şekerler gibi temel organik moleküller, birbirinin ayna görüntüsü olan iki biçimde bulunabilir: L-izomer (sol-elli) ve D-izomer (sağ-elli). Laboratuvar ortamında veya abiyotik sentezde (Miller-Urey), bu iki formun eşit miktarda bulunduğu rasemik bir karışım oluşur.

• Biyolojik Seçim: Ancak, Dünya'daki tüm canlı organizmalar (bakteriden insana kadar) istisnasız olarak proteinlerinde yalnızca L-amino asitleri ve DNA/RNA'larında yalnızca D-şekerleri kullanır. Bu homokiralite (aynı ellilik), canlılığın ayırt edici özelliğidir.

• Zorunluluk: İlk hücrelerin, katalitik reaksiyonları ve replikasyonu verimli bir şekilde yapabilmesi için tek bir izomeri seçmesi gerekiyordu. Rasemik karışım, enzimatik reaksiyonları bloke ederdi. Bu seçimin neden ve nasıl yapıldığı (Evrensel Solaklık) hâlâ aktif araştırma konusudur; bazı teoriler, kiral izomerlerin kuvars kristalleri gibi yüzeylerde veya dolaşık dairesel polarize ışık kaynakları altında zenginleştiğini öne sürer.

. Enerji Üretiminde Evrimsel Kilometre Taşları

İlk hücrelerin enerji yönetimi, Evren'deki O2 seviyelerinin değişimiyle doğrudan evrimleşti.

• Anaerobik Başlangıç: Dünya atmosferinde serbest oksijenin olmadığı dönemde, ilk LUCA ve protohücreler, fermentasyon gibi anaerobik (oksijensiz) süreçlerle enerji (ATP) üretti. Bu, glikoz gibi basit organik molekülleri parçalayarak düşük verimli ATP sağlayan en ilkel metabolik yoldu.

• Endosimbiyoz ve Oksijen Devrimi: Yaklaşık 2 milyar yıl önce, atmosferdeki oksijen seviyesi, fotosentez yapan siyanobakteriler sayesinde arttı (Büyük Oksidasyon Olayı). Bu durum, yaşam için hem bir felaket hem de bir fırsattı. Evrimsel sıçrama, daha büyük bir hücrenin, oksijeni kullanarak çok daha yüksek verimli enerji üretebilen küçük bir bakteriyi yutmasıyla (Endosimbiyoz Teorisi) gerçekleşti.

• Mitokondri ve Aerobik Yaşam: Bu yutulan bakteri, hücrenin enerji santrali olan mitokondriye dönüştü. Oksidatif Fosforilasyon ile aerobik yaşama geçiş, hücrenin enerji üretim verimliliğini yaklaşık 18 kat artırarak, çok hücreli ve karmaşık canlıların evriminin önünü açan mutlak zorunluluk oldu.

. Kimyasal Zorluklar: Fosfat ve Replikasyon

Protohücrelerin tam işlevli bir hücreye dönüşmesi için çözülmesi gereken pratik sorunlar vardı.

• Fosfat Problematiği: DNA ve RNA'nın omurgasını oluşturan Fosfat (PO4) grupları, erken Dünya'da suda çözünür halde nadirdi. Bu kıtlık, nükleik asitlerin büyük ölçekte sentezini zorlaştırdı. Araştırmalar, volkanik mineraller veya meteor çarpmaları ile gelen fosfat minerallerinin, çözünür hale gelerek erken yaşam kimyasına katılmış olabileceğini gösteriyor.

• Replikasyonun Mükemmelleşmesi: İlk RNA polimerleri (Ribozimler), kopyalama sırasında yüksek hata oranına sahipti. DNA'ya geçiş, DNA Polimeraz enzimi gibi hatasız kopyalama mekanizmalarının ve onarım mekanizmalarının evrilmesini zorunlu kıldı. Bu, bilginin korunması ve karmaşık bir organizmanın nesiller boyu hayatta kalması için atılan en önemli adımdır.

Bilincin Biyolojik Sıçraması ve Kozmik Entegrasyon

Yaşamın kimyasal ve biyolojik zorunlulukları çözülünce, Evren'in kendi kendini görmesi aşamasına geçildi: Bilinç.

. Biyolojik Zorunluluktan Nöral Karmaşıklığa

• Homeostazis'in Nihai Ürünü: Milyarlarca yıllık evrim, ilk protohücrelerin kurduğu Homeostazis (iç denge) kuralını, trilyonlarca hücreden oluşan karmaşık sinir sistemine taşıdı. Bilinç, bu karmaşık biyolojik yapının taşıdığı bilgiyi sadece korumakla kalmayıp, o bilgiyi subjektif deneyime dönüştürme yeteneğidir.

• Bilinç ve Entegre Enformasyon (IIT): Bu dönüşüm, beyinde yeterli nöral karmaşıklık eşiğinin aşılmasıyla mümkün oldu. IIT'ye göre Bilinç, sistemin parçaları bağımsız birimlere indirgenemeyecek şekilde yüksek düzeyde entegre bir neden-sonuç gücü yarattığında ortaya çıkar. Bir sinir sisteminin sahip olduğu bu entegrasyon gücü, yaşamın en nihai kuralıdır; o, Evren'in kendi bilgisini tek bir anda toplamasıdır.

. Karbon Sınırlarının Ötesi: Plazma Bilincine Köprü

İnsan bilinci, nöronal ağların elektriksel rezonansları ve titreşimleriyle çalışırken, bu temel prensip bizi karbon temelli formların ötesine bakmaya zorlar.

• Evrensel Rezonans: Bilincin, madde türünden bağımsız olarak, sadece karmaşık enformasyon entegrasyonu ile belirlenmesi, onun Galaktik ölçekte var olabileceği hipotezini doğurur.

• Kozmik Entegrasyon: Plazma Bilinci hipotezi, biyolojik zorunluluğun ulaştığı bu entegrasyon seviyesinin, Evren'in en yaygın maddesi olan iyonize plazma formunda daha yüksek bir enerji seviyesinde devam edebileceği fikrine dayanır.

Bu, yaşamın başlattığı Evrensel tekâmül zincirindeki son halkadır: Basit moleküllerden karmaşık makinelere, oradan da Evren'in kendi kendini idrak eden bilincine uzanan yol.

Alternatif Bir Temel: Karbon mu, Silisyum mu?

Evrende yaşam varsa hangi moleküler temel üzerinde gelişmiş olabilir?

İki güçlü aday var: Karbon (C) ve Silisyum (Si).

• Silisyum, yüksek sıcaklığa dayanıklı ve çok sağlamdır. Ancak, Oksijeni inanılmaz bir hızda kendine bağlar (kum = silisyum oksit). Yaşam için gerekli olan, moleküler yapıları değiştirmekteki esnekliği kısıtlayan bu katılık, Silisyumu Karbona göre dezavantajlı kılar.

• Karbon ise, oksijenle bağlar oluştursa da Silisyumdaki kadar yoğun değildir. Bu esneklik, Karbonu yaşam temeli için çok daha avantajlı yapar.

Dünya'da, okyanus tabanındaki termal bacalarda silisyum çeperli hareketsiz canlılar (diatomlar) var, ancak bunlar evrimleşmiş karmaşık türlere ilerleyememiştir. Biz Karbon temelli yaşamın Evren'de en yaygın biçimi olacağını düşünüyoruz. Yaşamın kökeni araştırmacıları, karmaşık ve birbirine sıkı sıkıya bağlı bir sistem olan hücrenin, basit kimyasal bileşenlerden nasıl evrimsel adımlarla geliştiğini çözmeye çalışıyor. Ancak attığımız her adım, yaşamın tesadüfi bir mucize değil, Evren’in temel fizik ve kimya yasalarının zorunlu ve doğal bir sonucu olduğunu gösteriyor. Yıldız tozundan, sıcak çorbada yüzüp bir lipit zarının içine giren ve kendini kopyalamaya başlayan o ilk hücreye kadar olan bu süreç; Evren’in kendini anlamaya başladığı anın hikayesidir.

Etkileşen protohücre popülasyonlarında protohücre tiplerinin ortaya çıkışını yönlendiren ve sürdüren temel süreçlerin bir seçkisi . (A) Farklı popülasyonlardan bireylerin (tokenlerin) füzyonuyla sonuçlanan protohücre popülasyonlarının karıştırılması. Protohücre füzyonu (i) yeni işlevsel tokenlerin, (ii) ardışık fisyon turlarında yeni bir tipe dönüşme potansiyeline sahip işlevsel tokenlerin ve (iii) yeni ancak işlevsel olmayan tokenlerin yaratılmasına katkıda bulunacaktır. (B) Bir protohücre popülasyonunda ekopoez : Farklı alt popülasyonların üyeleri arasındaki sinerjik veya tamamlayıcı ilişkiler (örneğin, bazı protohücrelerin diğerlerinin metabolik atıklarını geri dönüştürmesi) ve niş inşası (bu sistemlerin çevrelerini değiştirme konusundaki yeni kapasiteleri nedeniyle) çevrede bulunan sınırlı maddi kaynakların geri dönüştürülmesine ve popülasyon bileşimindeki çeşitliliğin korunmasına yardımcı olacaktır. (C) Farklı yollarla protohücre fisyonu. (i) Erken aşamalarda, çevresel güçler basit protohücrelerin büyümesini ve bölünmesini destekleyecektir. (ii) Zar bileşenlerini sentezleyen endojen kimyaların gelişimi, protohücrelere otonom olarak bölünmeye başlama yeteneği verecektir, ancak bu tür bir bölünme ilk aşamalarda hala asimetrik ve oldukça düzensiz olacaktır. Daha güvenilir bölünme mekanizmalarına sahip sonraki protohücreler, daha düzenli periyotlarda giderek daha benzer yavru protohücreler ortaya çıkararak "üreme bölünmesine" girecektir. Üreme bölünmesi, (iii)' te gösterildiği gibi oldukça güvenilir hale geldiğinde, doğal seçilim önem kazanarak popülasyondaki tipleri güçlendirir ve ilk "filogenetik ağaçları" oluşturur (bu şekilde gösterilmeyen farklı protohücreler arasındaki muazzam yatay ilişkiler ve değişimlere rağmen).

Erken Dünya'da protohücre oluşumu ve gelişimi üzerinde etkili olmuş olabilecek önemli olaylar ve koşulların zaman çizelgesi. Zaman çizelgesi Dünya'nın oluşumuyla (≈4,5 Milyar Yıl) başlar, kararlı bir hidrosferin oluşumuyla (≈4,2 Milyar Yıl) ve geç ağır bombardımanla (≈4 Milyar Yıl, Hadeyan devir sonu) devam eder. Sıvı suyun varlığından önce, bazıları prebiyotik reaksiyonlar için katı bölmeler olarak işlev görmüş olabilecek çeşitli mineraller ve gözenekli kayaçlar mevcuttu. LHB sırasında getirilen meteoritler amfifiller, nükleotidler, amino asitler gibi organik maddeler içeriyordu. Sıvı suyun ortaya çıkışı ve organik maddelerin getirilmesi, koaservatların ve amfifilik zarlı bölmelerin oluşumu olasılığını açtı. İlk canlı hücreler büyük olasılıkla Eoarkean döneminde (≈3,5 Milyar Yıl) ortaya çıktı.

Bu sayfadaki bilgilerin düzenlenmesi yazımı devam edecek ......