Karmaşık Biyolojik Yaşamın Doğuşu

Endosimbiyotik Ortaklığın Doğuşu

Yaklaşık iki milyar yıl önce, erken dünyadaki bir prokaryotik hücre başka bir bakteriyi içine aldı. Bu süreç muhtemelen günümüzde de hücrelerin kullandığı fagositoz mekanizmasına benzer bir şekilde gerçekleşti. Normal şartlarda böyle bir olay yutulan organizmanın sindirilmesiyle sonuçlanırdı. Ancak bu özel durumda beklenen olmadı: yutulan bakteri sindirilmedi ve ev sahibi hücrenin içinde yaşamaya devam etti.

Bu olayın kalıcı hale gelmesinin nedeni, iki organizma için de büyük bir avantaj sağlamasıydı. Yutulan bakteri oksijen kullanarak enerji üretme konusunda son derece verimliydi. Bu özellik sayesinde ev sahibi hücreye yüksek miktarda ATP, yani biyolojik enerji sağlayabiliyordu. Ev sahibi hücre ise bakteriye korunaklı bir ortam ve sürekli besin sunuyordu.

Zaman içinde bu karşılıklı fayda ilişkisi o kadar güçlü hale geldi ki iki organizma artık birbirinden bağımsız yaşayamaz hale geldi. Bugün hücrelerimizin enerji santrali olarak bilinen mitokondriler, işte bu antik ortaklığın kalıntılarıdır.

Biyokimyacı Nick Lane, bu olayın evrimsel önemini şu sözlerle vurgular: “Mitokondrinin kazanılması, karmaşık yaşamın ortaya çıkmasını mümkün kılan bir enerji devrimidir.[1]”  Gerçekten de mitokondriler sayesinde hücreler çok daha fazla enerji üretebilir hale gelmiş ve bu enerji fazlası karmaşık hücresel yapıların gelişmesine olanak tanımıştır.

Benzer bir olay daha sonra fotosentez yapabilen siyanobakterilerin başka hücreler tarafından içselleştirilmesiyle gerçekleşti. Bu simbiyotik birliktelik sonucunda bitki hücrelerinde bulunan kloroplastlar ortaya çıktı. Böylece güneş enerjisini kimyasal enerjiye dönüştüren fotosentetik sistemler gelişti ve gezegenin atmosferi ile ekosistemleri köklü bir biçimde değişti.

[1] Nick Lane, University College London, "Mitokondrinin ortaya çıkışı, karmaşık yaşam için gerekli enerji fazlasını sağlayan bir devrimdir", Nature Energy Perspectives, Londra, 2015

Hücre İçindeki Antik İzler: Bilimsel Kanıtlar

Endosimbiyotik teori ilk ortaya atıldığında oldukça tartışmalıydı. Ancak zaman içinde elde edilen moleküler ve genetik kanıtlar teoriyi güçlü bir şekilde destekledi. Bugün mitokondri ve kloroplastların yapısı incelendiğinde bu organellerin bakteriyel kökenine işaret eden birçok özellik görülür.

Her şeyden önce bu organellerin kendilerine ait dairesel DNA molekülleri vardır. Bu DNA yapısı, bakterilerin genetik materyaline son derece benzer. Moleküler biyolog Carl Woese, ribozomal RNA analizleri sayesinde bakteriler ile ökaryotik hücre organelleri arasındaki akrabalık ilişkisini ortaya koyan çalışmalarıyla bu konudaki önemli kanıtları güçlendirmiştir. “Ribozomal RNA dizileri, yaşamın evrimsel akrabalık ilişkilerini moleküler düzeyde ortaya çıkaran güçlü bir araçtır.[1]”

Bir diğer önemli kanıt ise bu organellerin çoğalma biçimidir. Mitokondriler ve kloroplastlar, hücrenin geri kalanından bağımsız olarak ikili bölünme yöntemiyle çoğalırlar. Bu yöntem bakterilerin çoğalma mekanizmasıyla neredeyse aynıdır.

Ayrıca bu organeller çift katlı zar yapısına sahiptir. Bu durum, bir hücrenin başka bir hücre tarafından içselleştirilmesi sırasında oluşan yapısal bir iz olarak yorumlanır. Dış zar ev sahibi hücreye, iç zar ise bakteriyel kökene işaret eder.

Modern genom analizleri de bu tabloyu doğrulamaktadır. Evrimsel biyolog William Martin, mitokondri genomunun alfa-proteobakteri adı verilen bakterilerle güçlü genetik benzerlikler taşıdığını göstermiştir. “Ökaryotik hücrelerin genetik yapısı incelendiğinde, önemli sayıda genin bakteriyel kökenli olduğu açıkça görülür.[2]”

Bu süreçte dikkat çekici bir başka olay da gen transferidir. Zaman içinde mitokondri ve kloroplastların bazı genleri ev sahibi hücrenin çekirdeğine aktarılmıştır. Bu durum, iki organizma arasındaki simbiyotik ilişkinin giderek daha da bütünleştiğini gösterir.

Bilimsel tartışmalarda bazı araştırmacılar yaşamın kökeni ve evrimsel süreçler üzerine farklı düşünsel perspektifler de ortaya koymuştur. Genetikçi Francis Collins, biyolojik karmaşıklığın incelenmesinin bilimsel merak kadar varoluşsal sorulara da kapı aralayabileceğini ifade eder. “DNA’nın yapısı ve hücresel mekanizmaların karmaşıklığı, doğanın derin düzenini anlamaya yönelik bilimsel araştırmayı daha da anlamlı kılar.[3]”

Bugün biyologların büyük çoğunluğu için endosimbiyotik teori, ökaryotik hücrenin kökenini açıklayan en güçlü modellerden biridir. Hücrenin içinde gerçekleşen bu antik ortaklık, yaşamın yalnızca rekabetin değil aynı zamanda iş birliğinin de ürünü olduğunu gösterir. Mikroskobik ölçekte gerçekleşen bu olay, bitkilerin, hayvanların ve insanın ortaya çıkmasına giden yolu açan evrimsel bir dönüm noktasıdır.

[1] Carl Woese, University of Illinois, "Ribozomal RNA dizileri yaşamın evrimsel akrabalık ilişkilerini moleküler düzeyde ortaya koyar", Proceedings of the National Academy of Sciences, Illinois, 1990

[2] William Martin, Heinrich Heine University Düsseldorf, "Ökaryotik hücre genomu bakteriyel kökenli çok sayıda gen içermektedir", Molecular Biology and Evolution Review, Düsseldorf, 2016

[3] Francis Collins, National Institutes of Health, "Genetik kodun incelenmesi doğanın derin düzenine dair bilimsel merakı artırmaktadır", The Language of Life Lectures, Washington, 2007