Hayat, Hayatım, Hayattayım….
Hayatı, bilimsel veya felsefi konulara yönelik tanımlamadan önce şunu hatırlamalıyız ki insanlar canlıyı cansızdan ayırmada çarpıcı bir bilişsel kapasiteye sahiptir. Canlıyı cansızdan ayırmada kullandığımız sözde “zihinsel ekipman[1]”, insan hayatının erken zamanlarından itibaren çalışmaya başlar. Bunun yanında, organik evrimin derinlerinden gelen etkiyle (neredeyse tüm hayvanlar avlarını ve avcıları bir şekilde tanıyabilir) gelişimimizin erken dönemlerinden itibaren canlıları cansızlardan ayırt edebiliyoruz. Canlı olanı cansız olandan ayırt etmemiz -canlı olarak tanıması kolay olan- hayvanlar ile başlar ve zaman içerisinde öğrenmeyle ve de teknik araç ve bilimsel analizlerin sağladığı ek bilgilerle neredeyse kusursuz bir hâle gelir.
Şekil 1
Genel olarak, bu sezgisel yetenek, farklı şekil ve hareket modellerine sahip çok çeşitli varlıkları “canlı” olarak tanımamızı sağlar. Ama, bu sezgisel yeteneğimiz her zaman bizi doğru sonuca götürmeyebilir. (Sizce şekil 1’de kaç farklı canlı var?) Mesela 17. yüzyılda mikroskobik gözlemlerde bazen incelenen örnekteki hareket eden şeylerin Brownian hareketine tabi gerçek mikroskobik canlılar mı yoksa cansız cisimler mi, anlaşılamıyordu. Bir diğer örnek ise sporlar üzerinden verilebilir ki 18. yüzyılda sporların “canlı” olup olmadığına dair pek çok tartışma vardı. Bugünse bir virüsün yaşayan bir varlık olup olmadığını sorguluyoruz ya da bir ekosistemin veyahut bütün olarak biyosferin “canlı” veya “canlı bir varlık” mı olduğunu.
Hayatta mısın? Yaşıyor musun? Canlı mısın?
Fizikteki “kuvvet” ve “enerji” ya da biyolojideki “gen” gibi fiziksel terimlerin aksine, “yaşam” modern biyolojide teorik bir kavram olarak işlev görmez. Yani, fenomen sınıflarını açıklayabilen, temel hipotezlere müdahale eden ve gözlemlenebilir olmayan bir varlığı belirten bir terim değildir. Yaşamın sezgisel olarak kavranmasın en önemli sebebi onu zıttı üzerinden tanımlamamızdır. Önemli olan “canlı” ve “cansız” arasındaki karşıtlıktır, soyut “hayat” kavramına eklenmiş özel bir içerikten daha fazlasıdır.
Canlılığın Tanımı
Günümüzde biyoloji canlılığı inceleyen bir bilim dalı olarak tanımlansa da biyoloji literatüründe canlılığın net bir tanımı yok. Bu, biyoloji biliminin kısa tarihinden kaynaklı olsa bile biyolojinin artık diğer bilimlerle birlikte disiplinler arası çalışma konularına cevap vermeye başlamasıyla “canlılığın” tanımına giderek artan bir ihtiyaç var. Canlılığı tüm bilimsel disiplinler için kapsayıcı ve ortak bir şekilde tanımlamak çetrefilli bir konu olsa da belki de canlılığı tanımlarken kendimize “Canlı nedir?” sorusundan ziyade “Neyi canlı olarak tanımlıyoruz?” sorusunu sormak daha yardımcı olabilir. (Şekil 2) Ve bu soruları cevaplarken, en bilindik türdeki canlılığı, yani Dünya’mızdaki canlılığı gözlemleyerek canlılık için geçerli olan genel kaideleri belirleyebiliriz.
Şekil 2
“EXPOSE DENEYLERİ – I, II” yazılarımızda bahsettiğimiz gibi Dünya’daki canlılık birçok farklı senaryo neticesinde ortaya çıkmış olabilir. Başlangıçta birbirinden farklı birçok canlı formu var olmuş olabilir ve bugünkü canlılar bu formlardan birinin evrimi neticesinde oluşmuş olabilir ya da canlılığın oluşmasında rol alan kimyasal bileşikler ve süreçler bugünkü canlılarda gözlemlenen kimyasal bileşiklerden ve süreçlerden farklı olabilir. Tüm bu olasılıkların arasında prebiyotik kimya çalışmalarından elde edilen veriler, birtakım kimyasal bileşiklerin (bizim durumumuzda organik bileşiklerin) ortamda sürekli olarak bulunmasının -büyük olasılıkla- bu bileşiklerin kimyasal düzeyde adaptif davranışlarının ortaya çıkmasında ve neticesinde biyolojik düzeyde evrimsel süreçlerin başlangıcıyla ilişkilendirilen cansız organik bileşiklerin canlılığın başlangıcı olan bileşiklere/sistemlere evrilmesine işaret eder (Şekil 3). Bu sürekliliğin, α-aminoasitlerin (proteinlerinin yapıtaşları), şekerlerin (karbonhidratlar), nükleobazların (nükleik asitler) ve kofaktör (vitaminler ve mineraller) moleküllerinin kimyasal yapılarında ve bugün hâlâ ilkel anaerobik mikroorganizmalarda enzim destekli süreçler olarak karşılaştığımız temel biyokimyasal reaksiyonlarda da devam ettiğini gözlemliyoruz.
Şekil 3
Canlılığın başlangıcı olarak kabul edilebilecek cansız kimyasal bileşiklerin canlı kimyasal bileşiklere dönüşümü[2], ortamdaki kimyasal elementlerin ve bileşiklerin özelliklerine göre termodinamiğin ikinci yasası sonucu oluşmuş olabilir. Kimyasal bileşikler, ekzergonik jeokimyasal reaksiyonlarla, kinetik (termodinamiğe ters olan) stabiliteye sahip dinamik reaksiyon ağları kurup bu ağların otokatalitik moleküler replikasyon döngüleriyle (Şekil 4) devamlılığını sağlayıp kendi yapılarını düzenleyerek düzensizlikten düzenli bir yapıya geçebilir.
Şekil 4
Bu düşünce doğrultusunda, böyle kimyasal sistemler sonunda kendi kendini idame ettiren[3], adaptif[4], ve farklı bölümlerce yönetilmesi[5] sonucu evrim geçirebilen[6] kimyasal bir sisteme dönüşebilir.
Bu bakış açısıyla, Dünya’daki canlılığı “Darvinist evrim mekanizmalarıyla kendinin ve türünün varlığını devam ettirebilen süper-kimyasal yapı” olarak tanımlayabiliriz.
Prebiyotik Dünya
Şekil 5
İlk canlı ne zaman ortaya çıktı?
Erken Döneme ait tortul kayaçlarda bulunan mikro-fosillerin ve hafif karbon izotopun varlığına ek olarak Ay’a düzenlenen görevlerde toplanan kayaçların, Geç Dönem Bombardımanı olayını doğrulayıp, Dünya üzerindeki muhtemel sterilizasyon etkisine işaret etmesiyle günümüz canlılarının atasının, yaklaşık olarak 3,8 milyar yıl önce (myö) ortaya çıktığı düşünülüyor. Ama, kesin olmamakla birlikte Isua suprakrustal kuşağındaki, 3,7 myö yaşındaki grafitin oluşumları planktonik organizmaların olası varlığına işaret etmektedir. Buna ek olarak, Arkea’ların moleküler düzeydeki farklılaşmaları üzerinden Arkea’ların filogenetik sınıflandırmasını yapabiliriz. Filogenetik ağaçtaki her ayrım noktasından önceki zaman, seçilen biyomolekülün farklılaşmış canlılardaki mutasyon oranlarından hesaplanabilir. Buna moleküler saat analizi[7] denir. Bu yöntemle, Arkea (Domain) Alanı’ndaki ilk farklılaşmanın 4,11 my kadar geriye gittiğini ve canlı organizmaların son ortak atasının (LUCA), yeryüzünde düşünülenden daha erken tarihlerde ortaya çıktığına işaret eder.
Dünya’da canlılık için gerekli prebiyotik kaynak var mıydı?
Bu dönemdeki ilkel atmosferin bileşimi belirsizliğini korurken muhtemel olarak yüksek sıcaklıktaki volkanik gaz çıkışı atmosferik gazların ana kaynağıydı. Volkanik gazların oksidasyon durumu üst mantonun oksidasyon durumuna bağlıdır. Üst manto düşük bir oksidasyon durumundaysa volkanik gazların esas olarak hidrojen (H2), su (H2O), karbonmonoksit (CO) ve azot (N2)’den oluşması gerekir. Eğer sıcaklık daha ortalama bir sıcaklıktaydı ise CO -katalizörlerin varlığında- metan (CH4) ve su (H20) oluşturacak şekilde H2 ile, N2 ise NH3 oluşturacak şekilde H2 ile tepkimeye girebilir. Foto-ayrışma[8] gibi etkenler nedeniyle böyle bir karışıma sahip olmak zor olsa da mümkün olan en indirgeyici atmosferik gaz karışımı CH4, NH3, H2 ve H2O şeklindedir.
Prebiyotik kaynak; aynı zamanda hidrotermal menfezler, gezegenler arası toz parçacıkları ve kuyruklu yıldızlarla da desteklenmiştir.
Prebiyotik Ortam Nerede Oluştu?
Bugüne kadar; okyanuslar, göller, lagünler, gelgit havuzları, deniz altı hidrotermal sistemleri vb. yerler dâhil olmak üzere yaşamın kökeni için makul alanlar olarak çeşitli ortamlar önerilmiştir.
Prebiyotik Dünya’ya Dair Deneyler
Yaşamın kimyasal kökenine yönelik deneyler “prebiyotik kimya” adı altında toplanmıştır. Bu alanın kavramsal kökleri, hayatın kimyasal kökeni hakkındaki görüşleri öne süren Rus biyokimyacı A.I. Oparin ve İngiliz biyolog J.B.S. Haldane ile atılmıştır. Bu alandaki görüşleri, 1953’te, Stanley L. Miller kurduğu bir deney düzeneğiyle destekler sonuçlar bulmuştur. Miller, suyun varlığında hidrojen (H2), karbondioksit (CO2), metan (CH4) ve amonyak (NH3) gazlarından oluşan bir karışıma elektriksel kıvılcımlar göndererek, bazı aminoasitlerde dâhil, çeşitli organik moleküllerin oluştuğunu göstermiştir. Günümüzde Miller’ın deney düzeneğinin, erken yerküre şartlarını tam olarak karşılayamadığını bilsek de kimyasal evrim nezdinde, ilk canlı organizmaların ortaya çıkmasını sağlayacak olan organik bileşiklerin kendiliğinden sentezlenmesinin mümkün olduğu açıkça göstermiştir.
Şekil 6’daki Miller’ın kurduğu deney düzeneği kapalı bir sistemdir ve vakum altında olduğu için oksijen içermez. Düzeneğin içindeki su kaynatılarak su buharının sistem içerisinde sirkülasyonu sağlanmaktadır. Prebiyotik atmosferi taklit etmek için güçlü indirgeyici bir gaz karışımına (H2, CO2, CH4 ve NH3) elektrik akımı verilerek moleküllerin oluşumu için gerekli olan enerji sağlanmıştır. Düzenek bir hafta boyunca çalıştırılıp, daha sonra içindeki bileşikler analiz edilmiştir. Analizler sonucunda, canlıların yapısında bulunan bazı organik bileşiklerin oluştuğu gözlemlenmiştir.
Şekil 6
Bu deney düzeneği, daha sonra, Prebiyotik Kimya alanında çalışmalar yapan araştırmacılar tarafından farklı deney koşullarını araştırmak için kullanılmış ve bu alanda yapılan tüm bu gözlemler neticesinde ilk canlı organizmaların ortaya çıkmasını sağlayacak olan organik bileşiklerin birçoğunun kendiliğinden sentezlenmesinin mümkün olduğu anlaşılmıştır. Fakat bu deneyler sonucunda elde edilen organik bileşiklerden kiral yapıya sahip olanlarının her iki enantiomer formunun da sentezlenmiş olması akıllara canlıların yapısında neden sadece L-amino asitler veya neden sadece D-karbonhidratlar bulunduğunu ve böyle bir seçimin kaynağının ne olduğu sorularını getirmiştir.
Dipnot
[1] (the mental equipment, ing.)
[2] (the chemical evolution, ing.)
[3] (a self-sustaining, ing., kendini oluşturmak için çevresel kaynakları kullanma yeteneğine sahip)
[4] (an adaptive, ing., hayatta kalmak için fiziksel veya kimyasal değişikliklere tepki verebilen)
[5] (an operating in compartments, ing.)
[6] (a capable of adaptive evolving, ing.)
[7] (the molecular clock analysis, ing.)
[8] (the photo-decomposition, ing.)
Kaynaklar
Lovelock, J. (2009). The Vanishing Face of Gaia: A Final Warning, Allen Lane.
Gayon, J., Malaterre, C., Morange, M., Raulin-Cerceau, F., & Tirard, S. (2010). Defining life: conference proceedings. Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 40(2), 119. https://doi.org/10.1007/s11084-010-9189-y
Kitadai, N., & Maruyama, S. (2018). Origins of building blocks of life: A review. Geoscience Frontiers, 9(4), 1117-1153. https://doi.org/10.1016/j.gsf.2017.07.007
Eschenmoser, A. (2007). The search for the chemistry of life’s origin. Tetrahedron, 63(52), 12821-12844. https://doi.org/10.1016/j.tet.2007.10.012
Miyakawa, S., Yamanashi, H., Kobayashi, K., Cleaves, H. J., & Miller, S. L. (2002). Prebiotic synthesis from CO atmospheres: implications for the origins of life. Proceedings of the National Academy of Sciences, 99(23), 14628-14631 https://doi.org/10.1073/pnas.192568299
Delano, J. W. (2001). Redox history of the Earth’s interior since∼ 3900 Ma: implications for prebiotic molecules. Origins of Life and Evolution of the Biosphere, 31(4), 311-341. https://doi.org/10.1023/A:1011895600380
Miller, S. L. (1953). A Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions. Science, 117(3046), 528-529. DOI: 10.1126/science.117.3046.528
Miller, S. L. (1957). The mechanism of synthesis of amino acids by electric discharges. Biochimica et Biophysica Acta, 23, 480-489. https://doi.org/10.1016/0006-3002(57)90366-9