Kimyanın Biyolojiye Dönüşümü: Evrilen Hikâye

Quanta adlı kaynağa öncelik vermesini Google’a bildirip arama ve yapay zeka sonuçlarında bilimin ve matematiğin en iyi kapsamlı haberlerini daha sık görmenizi sağlayın.

Bilim insanları, Dünya’da yaşam koşullarının ortaya çıkmasından sonra gelen 200 milyon yıllık döneme, ancak en eski tek hücreli atamız ortaya çıkmadan önceki döneme doğru daralıyor.

Mark Belan/Quanta Magazine

Yaklaşık 4,6 milyar yıl önce, evrenin doğuşundan yaklaşık 9 milyar yıl sonra, gökyüzündeki tanıdık göz kamaştırıcı küre biçiminde bir gaz ve toz bulutu çöktü. Arta kalan malzemenin parçaları çarpışıp birleşerek güneş sistemimizin gezegenlerini, kendi gezegenimiz dahil, oluşturdu. Sonraki birkaç yüz milyon yıl boyunca Dünya, meteoritlerle bombalanan cehennem gibi, erimiş bir manzaraydı. Soğumaya başlamasıyla birlikte su, geniş ve asidik okyanuslarda birikti. Günler, bugünkünün yarısı kadar süren bu günler, pembe karbondioksit gökyüzü altında geçti. Ancak bunların hiçbirini hissedecek yaşam yoktu. Ta ki olana kadar.

Güneş sistemimizin varoluşunun ilk 300 milyon yılında, Dünya’da muazzam bir kimyasal deneyin başlaması için uygun koşullar oluştu. Moleküller, kendiliğinden beslenen ve kendiliğinden üreten döngülerde birbirine dolandı. Zamanla bu sistemler daha karmaşık hale geldi. Bir noktada canlandılar.

Yaşam, hareket etmenin ve enerjiyi yakalayıp depolayıp kullanmanın yeni yollarını icat etti. Çevresini hissetmeye, ona tepki vermeye ve onu değiştirmeye başladı. İletişim kurdu, komşularının bir kısmını yedi ve başkalarının içinde yaşadı, karmaşık ve dinamik topluluklar oluşturdu. Doğum, üreme ve ölüm döngüleri; felaketler; ve evrim patlamaları aracılığıyla varlığını sürdürdü ve ardından patladı, gezegenin her köşesini ele geçirdi.

Ardından, bir noktada yaşam, kendine dair bir farkındalık kazandı; nereden geldiğimizi sormaya yön veren varoluşsal merak taşıyan yansıtıcı bir zeka. Onlarca bin yıl boyunca yaşamın kökenlerini düşündük ve araştırdık: Rahipler meditasyon yaptı, filozoflar tartıştı, aşklar düşledi ve ebeveynler çocuklarının sorularını sabırla yanıtladı.

“İnsan geçmişine geri dönün, Neandertallara dönün, 30.000 yıl geri gidin” dedi Kaliforniya Üniversitesi Los Angeles kampüsünden paleobiyolog William Schopf “ve göreceğiniz şeylerden biri, insan türünün bu soruyla nasıl uğraştığıdır.”

“Bir bilim dalı için kriz anından daha heyecan verici bir şey yoktur” dedi Wisconsin-Madison Üniversitesi’nden astrobiyolog ve evrim biyologu Betül Kaçar. “Kırılım anlarının yaşandığı yer işte böyledir.”

Hayatın kökeni saf bir kimya sorunu değildir. “Bu doğrusal bir tepkime değil. … Hayatın kökeninin formülü olacak tek bir E = mc² yoktur” dedi astrobiyolog ve evrim biyologu Betül Kaçar. “Bu biyoloji; hiçbir kurala uymaz. Onu bu kadar karmaşık ve heyecan verici yapan da budur.”

Sharon Vanorny

Hayatın kökeni bir kimya sorunu değildir. “Bu doğrusal bir tepkime değil. … Hayatın kökeninin formülü olacak tek bir E = mc2 yoktur” dedi astrobiyolog ve evrim biyologu Betül Kaçar. “Bu biyoloji; hiçbir kurala uymaz. Onu bu kadar karmaşık ve heyecan verici yapan da budur.”

Sharon Vanorny

Çekişme geleneğinden uslanıp sıyrılan, hayatın kökeni üzerine çalışan yeni bir araştırmacı dalgası, her şeyi başlatan tek bir molekül türü fikrinden kurtuldu. Bu açık fikirli yaklaşımları, bilim dünyasındaki anlayış değişimiyle örtüşüyor. Deneyler, hayatın birçok bileşeninin öncüllerinin erken Dünya koşullarında kolayca oluşmuş olabileceğini gösteriyor. Açıklaması daha zor olan ise, bu molekül süreçlerinin bugüne kadar süregelen ve bugün gezegendeki devasa çeşitliliği içeren istikrarlı bir evrimsel sisteme nasıl dönüştüğüdür. Hayatın en ilk günlerinde bu süreçler bir araya gelerek bilgiyi hem tutarlı hem de kusurlu biçimde depoladı ve aktardı; işte bu sayede, sürekli değişen bir gezgende canlı soylu milyarlarca yıl yaşatabildi.

Canlıya benzer biyokimyasal sistemlerin ortaya çıkışını incelemek için biyologlar, yeni genetik yöntemlerle yaşayan dünyadan geçmişe doğru ilerlerken, kimyacılar da yeni ve tuhaf molekül karışımlarıyla cansız dünyadan geleceğe doğru ilerliyor. Sentetik biyologlar ise kimya ve biyolojinin araçlarını birleştirerek, bilgili bir biçimde spekülasyon yapmayı benimsiyor ve daha önce hiç var olmamış olabilecek yeni biyolojik sistemleri araştırıyor. Canlıların kökeniyle uğraşan bilim insanları artık yalnızca hayatın ne olduğunu değil, aynı zamanda arkaik bir dünyada, bir laboratuvar kaba içinde ya da atmosferimizin ötesinde bir yerde hayatın ne yaptığını da soruyor.

Kökler

1952’de, o dönemde Chicago Üniversitesi’nde lisansüstü öğrenim gören Stanley Miller, cesur bir deney gerçekleştirdi. İlhamı, Nobel ödüllü kimyacı Harold Urey’in güneş sisteminin kökeni üzerine verdiği bir derstenden gelmişti. 1920’lerde Rusya’da Alexander Oparin ve İngiltere’de J.B.S. Haldane, canlıların yavaş yavaş moleküllerden oluşan bir “ilkel çorba”dan evrimleştüğünü birbirinden bağımsız biçimde öne sürmüştü. Urey, bu fikrin bir uzantısını önerdi: Dünyanın ilkel atmosferinin, yıldırım gibi bir enerji kaynağından biraz yardım alarak, organik moleküller üretmesi ve bu moleküllerin okyanusa yağması gerekiyordu. Oradan bu moleküller birikerek yoğunlaşacak ve sonunda kendini kopyalama yolunda birbirine bağlanmaya başlayacaktı.

Derste dinledikten bir yıl sonra, o sıralar yalnızca 23 yaşında olan Miller, Urey’in yanına bir öneriyle gitti. Bir hafta sonra, daha sonraları Miller-Urey cihazı olarak bilinecek olan şeyi bir araya getirdi: Suyla doldurulmuş bir cam ampul ilkel bir okyanusu, gazlarla (metan, amonyak, su buharı ve hidrojen) doldurulmuş ikinci bir ampul ise ilkel bir atmosferi simüle ediyordu. Bir mum suyu ısıttı, elektrotlar ise gazda kıvılcımlar oluşturdu. Sonra “atmosfer” bir yoğuşturucudan geçirilerek sıvı bir “yağmur”a soğutuldu ve bu yağmur “okyanusa” düştü.

Ertesi gün, ampulün dibinde koyu kahverengi bir çamur oluşmuştu. Bu çamur, hücrelerin başlı işçileri olan proteinleri oluşturmak için bir araya gelen küçük moleküller olan beş farklı türde amino asit içeriyordu. Miller, yaşamın yapı taşlarının, dönemin anlayışına göre, erken Dünya koşullarında oluşabileceğini göstermişti.

“Paradigma değiştireci bir olaydı,” dedi Scripps Araştırmaları’nda çalışan organik kimyacı Ramanarayanan Krishnamurthy. “Bu gerçekten alanı değiştirdi ve bizlerin prebiotik kimya dediği şeyin doğuşuna yol açtı.”

“Bu, yaşamın kökenine dair bu derin soruların yalnızca metafiziğin, felsefenin ve dinin alanı olmadığıny gösteren alandaki ilk deneydi,” dedi Fransa’daki Toulouse Biyoteknoloji Enstitüsü’nden sentetik biyolog Christophe Danelon.

1950’lerin başında Stanley Miller (üstte), yaşamın kökeni çalışmalarında temel bir deney gerçekleştirdi. Cam bir cihazın içinde erken bir Dünya ortamını simüle ederek amino asitlerin öncüllerini oluşturmayı başardı.

Bettmann/Getty Images; Stanley Miller

1950’lerin başında Stanley Miller (üstte), yaşamın kökeni çalışmalarında temel bir deney gerçekleştirdi. Cam bir cihazın içinde erken bir Dünya ortamını simüle ederek amino asitlerin öncüllerini oluşturmayı başardı.

Bettmann/Getty Images; Stanley Miller

1950’lerin başında Stanley Miller (solda), yaşamın kökeni çalışmalarında temel bir deney gerçekleştirdi. Cam bir cihazın içinde erken bir Dünya ortamını simüle ederek amino asitleri oluşturmayı başardı.

Bettmann/Getty Images; Stanley Miller

İlk başlarda yaşamın kökeni büyük ölçüde bir kimya problemi olarak görülüyordu. Ancak biyoloji kısa sürede ilham kaynağı rolünü üstlendi. 1953’te, Miller’ın meşhur deneyini yayımlamasından birkaç hafta önce, biyologlar Francis Crick ve James Watson DNA’nın sarmal yapısını yayımladı.

DNA’nın tüm yaşamın merkezinde olduğu yönündeki farkındalık, genetik moleküllerin de muhtemelen yaşamın kökeni için kritik olduğunu öne sürüyordu. Alan, genetiği açıklamaya yöneldi, dedi Wisconsin-Madison Üniversitesi’nden evrimsel biyolog David Baum. “Öyle bir takıntı sardı bizi.”

Moleküler biyoloji devrimi, hücrelerin en temel özelliklerini daha da netleştirdi: bilgi depolayan bir genom, enerji sağlayan bir metabolizma ve tüm bunları bir arada tutan bir bölümlendirme. Yaşamın malzemeleri alanın odağı haline geldi; düşünceye göre, doğru başlangıç molekülünü bulurlarsa, öz-çoğalma ve evrim de dahil olmak üzere her şey hızlıca ardından gelir.

Bu dönem aynı zamanda, on yıllarca alanı karakterize edecek tartışmaların başlangıcıydı.

Yaşamın kökenine dair en popüler ve en iyi çalışılan teori olan RNA-dünyası teorisinin oluşması, kritik bir keşfin ardından geldi. RNA, DNA’nın çift sarmallarından genetik bilgiyi kopyalayan tek bir moleküler zincirdir; hücre bu bilgiyi okur ve onu karmaşık, son derece evrilmiş enzim molekülleri kullanarak proteinlere çevirir. 1980’lerde bilim insanları Thomas Cech ve Sidney Altman, bazı RNA moleküllerinin aynı zamanda biyokimyasal tepkimeleri katalizleyen ya da aktive eden enzimler olarak da davrandığını bağımsız olarak keşfetti; bu çalışmalar onlara bir Nobel Ödülü getirdi. Dolayısıyla RNA, erken yaşamın hem bilgiyi depolay hem de bugün kullandığı enzimlere ihtiyaç duymadan öz-çoğalabilmesi konusunda çekici bir çözüm sunuyordu: RNA, teorik olarak tüm bunları yapabilirdi.

RNA-ilk teori, ortaya çıkan tek seçenek değildi. 1970’lerde Pasifik’teki hidrotermal bacaların keşfi ve bunların evi sayılan tuhaf canlılar alanı yeniden canlandırdı. 1988’de kimya alanında doktora yapmış Alman patent avukatı Günter Wächtershäuser, demir-sülfür dünyası önerdi ve hidrotermal bacaların yakınında biriken demir-sülfür minerallerinin ilkel metabolizma biçimlerini tetiklemiş olması mümkün olduğunu öne sürdü. Neredeyse aynı dönemde, bugün Pennsylvania Üniversitesi’nde emekli biyokimya profesörü olan karmaşıklık kuramcısı Stuart Kauffman, bir molekülün bir sonraki molekülü katalizlediği, onu bir sonraki molekülün katalizlediği ve böylece döngüsel bir süreç içinde sürdüğü “otokatalitik kümeler” üzerine kuramları yaygınlaştı. Bu fikirler, metabolizma-ilk dünyası teorisini besledi; bu teori, hayatın birbirleriyle etkileşen ve birbirlerinden sınırsızca üreten öz-sürdürülebilir moleküler ağlar olarak ortaya çıktığını öne sürüyor. Bu dünyada genetik bilginin depolanması daha sonra gerçekleşirdi.

RNA dünyası ile metabolizma-ilk dünyası sık sık karşı karşıya getirilse de, başka iddiaçılar da vardı. Hücre zarlarını oluşturan ve hücre kimyasını içeren moleküllerin önce geldiği bir lipid dünyası vardı. Bir protein ya da peptid dünyası, bir virüs dünyası, bir koenzim dünyası, bir çinko dünyası ve hatta bir kil dünyası. “Bu alana katıldığınızda arka planınıza göre, hayal edebileceğiniz herhangi bir dünyayı bulabilirsiniz,” dedi Powner.

Bilim insanları aynı zamanda hayatın nerede başladığını da tartıştı. Bir yüzyıldan fazla önce Darwin’in öne sürdüğü gibi “sıcak küçük göletlerde” mi evrimleşti, yoksa okyanuslarda, kutuplardaki buz parçalarında mı, yoksa hidrotermal bacalarda mı? Bazı moleküler kuramlar belirli ortamlara bağlanmıştı, diğerleri ise birçok yerde başlamış olabilirdi. Her yaklaşımın kendi kararlı destekçileri vardı.

Mariana Çenti’ndeki bu tür hidrotermal bacalar, erimiş metallerle dolu kaynar su püskürten deniz tabanındaki açıklıklardır. Madde ve kimyasal bakımından zengin ortam, bacaları yaşamın kökenine dair hipotezler için popüler bir sahne haline getiriyor.

NOAA Ocean Exploration/Bilim Kaynağı

Mariana Çenti’ndeki bu tür hidrotermal bacalar, erimiş metallerle dolu kaynar su püskürten deniz tabanındaki açıklıklardır. Madde ve kimyasal bakımından zengin ortam, bacaları yaşamın kökenine hipotezler için popüler bir sahne haline getiriyor.

NOAA Ocean Exploration/Bilim Kaynağı

“Bunlar çoğu zaman, diğerlerini dışlayarak yaşamın kökenini açıklayabilecek şekilde tamamlanmış hipotezler olarak sunuldular,” dedi Oberlin Koleji’nden evrim biyoloğu Aaron Goldman.

Bu da yalnızca bir hipotezin doğru olabileceği anlamına geliyordu.

Kriz

2000’lerin başlarında, yaşamın kökenine odaklanan konferanslar birer arena gibiydi. Araştırmacılar kamuya açık tartışmalara girdi, birbirinin sözünü kesti ve hatta bağırışmaların yaşandığı kavga sahnelendi. “İnanılmaz bir kavga vardı,” dedi Minnesota Üniversitesi’nden evrim biyoloğu Michael Travisano.

Bazı hocalar öğrencilerinin fikirlerini diğer laboratuvarlarla tartışmasını yasakladı. Hatta birbirlerini basın önünde aşağıladı. 1992 yılında Discover dergisi, abiyoitik çorba savunan Miller’ın bacak hipotezini tartışmak istemediğini ve onu “gerçek bir kayıp” olarak gördüğünü bildirdi.

Bilim, tartışmalara yabancı değildir; ancak yaşamın kökeni alanındaki bölünmeler özellikle derindi. Bunun bir nedeni alanın disiplinlerarası doğasındandı. Lifescience’ın kökeni araştırmacıları kimyacılar, biyologlar, jeologlar, fizikçiler ve aradaki her şeydir. Farklı türde eğitim alırlar, farklı tanımlar kullanırlar ve farklı dünya görüşlerine sahiptirler.

“İçerideki herkes geçerli bir nokta ileri sürdüğü için bu tartışmaları çözmek zordu,” dedi Birleşik Krallık’taki MRC Moleküler Biyoloji Laboratuvarı’ndan organik kimyacı John Sutherland. “Evet, RNA’ya ihtiyacınız var. Evet, peptitlere ihtiyacınız var. Evet, metabolitlere ihtiyacınız var.”

Bir de, zaman makinesi yoksa, herhangi bir hipotezi ne kanıtlayabilir ne de çürütebilirsiniz. Bilim insanlarının doğrudan kanıtı son derece sınırlı. “Teorinizi ömür boyu savunabilirsiniz ve kimse sizi kesinlikle yanlış olduğunu söyleyemez,” dedi Uygulamalı Moleküler Evrim Vakfı’ndan genetikçi Elisa Biondi.

Deneysel çalışmalar da pek işe yaramadı; tek tür bir molekülden yaşama benzeyen bir şey üretme çabaları verimli olmadı. Araştırmacılar bir RNA molekülünü kendini kopyalayamadı ya da otokatalitik bir metabolik ağı kendi kendini sürdürmeye, büyümeye ve bilgi aktarmaya zorlayamadı. Önerilen ortamlar — jeotermal kaynaklar, sığ göller, buzul alanları — da yaşamanın başlaması için gerekli görünen kimyayı baş başına destekleyemedi.

“İnsanlar yaşamın kökenini çalışmaya başladıklarında bakış açısı şuydu: Bunu çözecek gerçekten iyi fikre ihtiyacımız var,” dedi Goldman. “Sorunu bu şekilde takip etme biçimi işe yaramadı.”

Onlarca yıllık deneysel kanıt, tek bir molekülün veya ortamın yaşamı kendi başına başlatabileceği fikrini daha da sarstı. Prebiotik kimya deneyleri yalnızca bir sürü amino asit üretmekle kalmadı, aynı zamanda proteinlerin, RNA’nın, DNA’nın ve lipidlerin yapı taşları olan şekerler, nükleobazlar ve yağ asitlerini — ve bunların öncülerini — oluşturdu. Uzaydan Dünya’ya ulaşan numunelerin detaylı analizleri çeşitli organik maddeler ortaya çıkardı. Avustralya’ya 1969’da düşen Murchison ve Kentucky üzerinde 1950’de patlayan Murray gibi meteoritler, çeşitli amino asitler ve bazı nükleobazlar taşıyordu.

“Hayatın nasıl başladığı, bilimsel açıdan incelenmeye yeni yeni başlanan ‘zor bir soru’,” dedi evrim biyoloğu Aaron Goldman. “Onu çözeceğimizi söylemek, tıbbı çözeceğimizi söylemeye benziyor.”

Sara Verosky

Bu gelişme, alanın odağını hayatı başlatan tek molekülü ya da süreci belirlemekten, daha genel bir prebiotik kimyanın nasıl oluşmuş olabileceğini anlama yönüne kaydırdı — gerçek anlamda bir ilkel, biyokimyasal çorba. Bireysel modeller, çok çeşitli molekül tiplerinin oluşma olasılığını içerecek şekilde genişledi. Ancak yalnızca bir alt küme, biyolojinin yapı taşları olarak korunabildi.

Çok çeşitli biyomolekülün yeterli miktarlarda üretildiği süreç, belki de yüz binlerce, hatta milyonlarca yılı kapsayan yinelemeli ve uzun bir süreç olabilirdi. Bu malzemelerin bir göl, sığ bir deniz, bir fumarol ya da bunların hepsi gibi kapalı bir alanda birikmesi ve zamanla aşınmadan ya da başka biçimlerde bozulmadan korunması gerekirdi.

Bilim insanları, hayatın başlamış olabileceği ortamlar olarak, Yellowstone Ulusal Parkı’ndaki Grand Prismatic Kaynağı gibi enerji dolu, mineralce zengin sıcak kaynakları öne sürdü.

Ted Kinsman/Science Source

İlk moleküler havuzun oluşturulmasının evrende “oldukça, gerçekten zor, gerçekten nadir” olabileceğini belirten Chicago Üniversitesi’nden Nobel ödüllü yaşamın kökenleri araştırmacısı Jack Szostak, “Çevreden çevreye, rezervuardan rezervara, aslında protohücrelerin oluşabileceği bir çevreye geçmek… Belki de bu sadece astronomik derecede nadir.” dedi.

İlk, çeşitli bir moleküler havuzun en önemli koşul olduğu varsayılırsa, ayrı dünyalar için mücadele etmek boşa nefes harcamak olur. Bugün birçok araştırmacı, özellikle iç çatışmalardan rahatsız olan erken ve orta kariyer araştırmacılar, aynı soruları takip eden farklı alanlar arasında köprüler kurmak için resmi ve resmî olmayan atölye çalışmalarında ve toplantılarda bir araya geliyor; disiplinlerarası farkların savaş hatlarına dönüşmesine izin vermek yerine. “Şu anda, aslında benim dünyamın senin dünyandan daha iyi olmadığı, aksine birbiriyle var olması gereken bir noktadayız” diyorum. Kaçar, böyle konuştu.

Bu çoğunlukla genç kişiler arasındaki genel tutum, “bunu siz yapmazsanız, biz yaparız” şeklinde, 2020’de bir doktora sonrası araştırmacı olarak Mathis ile birlikte Yaşamın Kökenleri Erken Kariyer Ağı’nı kuran Joana Xavier’e göre. Şu anda güney Fransa’daki bir Budist manastırında sahadaki zamanını düşünerek meditasyon yapıyor.

Bilimsel atalarıyla karşılaştırıldığında, bu araştırmacı grubunun “kendi bilimimiz konusunda daha az imparatorlukçu” olduğu, Belçika’daki KU Leuven’de felsefe alanında doktora sonrası araştırmacı Ludo Schoenmakers tarafından belirtildi. “Sanırım, bunun otomatik olarak tüm gerçekliği kapsadığını düşünmüyoruz.” dedi.

Joana Xavier, Fransa’daki Nalanda Manastırı’nda oturuyor. Meditasyon yapmadığı zamanlarda, tatilde olan araştırmacı yaşamın kökenlerinin hikâyesini yazıyor. “Sorunum, sürekli son derece karmaşık matematiksel konularla neredeyse şiir arasında gidip geliyorum” dedi.

Nalanda Manastırı, Fransa

Joana Xavier, Fransa’daki Nalanda Manastırı’nda oturuyor. Meditasyon yapmadığı anda, ara verdiren bu araştırmacı hayatın kökenlerinin hikâyesini yazıyor. “Benim derdim, sürekli son derece karmaşık matematiksel konularla neredeyse şiirsel olanlar arasında gidip geliyorum,” diyor.

Nalanda Manastırı, Fransa

Hayatın kökenleri üzerine yapılan bu araştırmalar şu an zihinsel açıdan çeşitli ve yeni olasılıklara açık. Araştırmacılar, tek bir molekül veya ortam düşüncesinin ötesine geçip birden çok molekülden oluşan karmaşık ağları ve sistemleri araştırmaya hevesli. Bu karmaşa içinden evrimin nasıl ortaya çıkmış olabileceğini düşünüyorlar. Ve çoğu, bunun tek bir olay olması gerektiği düşüncesinden vazgeçti. Hidrotermal kaynaklar mı yoksa sıcak göller mi? “Neden ikisi de olmasın?” diyor Arizona Üniversitesi’nden evrimsel biyolog Joanna Masel. “Bence hayatın birden çok kökeni oldu.”

Hayat yerleştiğinde, etkileşim halinde bir molekül sisteminin “doğduğu yerden kurtulduğunu” söylüyor Krishnamurthy. Köken araştırmacıları da aynı şeyi yaptı. Alan, disiplinler arası işbirliği yoluyla bu geniş sorunun parçalarını sorma ve yanıtlama konusunda yeni yollar buluyor. Hayatın ne olduğu ve olabileceğine dair anlayışımızı genişleten cesur yeni deneylere ve yaratıcı fikirlere yöneliyorlar.

RNA dünyası araştırmalarını yöneten Salk Enstitüsü’nden biyokimyacı Gerald Joyce’un ifadesiyle: “Bin çiçeğin açmasına izin verin.”

Ebeveyn

Hayatın nasıl başladığına yaklaşmanın bir yolu, kimyacılar gibi düşünmek: Önce cansız moleküllerle başlayıp onları hayata ulaştırmak. Başka bir yol ise evrimsel biyolog gibi düşünmek: Hayatı en eski köküne, belki de onun ötesine kadar geriye izlemek.

Günümüzde yaşayan her şeyi — açan çiçekler ve ağaçlardan insanlar ve köpeklere, bir hidrotermal kaynağı kaplayan tek hücrelere kadar — alıp her soyu milyarlarca yıl geriye izleseniz, sonunda tek bir noktaya ulaşırsınız. Bizim bildiğimiz tüm hayatın türediği bu hücre, hayat ağacının köküdür.

1990’larda bu hücre (ya da daha doğru bir ifadeyle bu hücre popülasyonu) bir isim aldı: “son evrensel ortak ata” ya da LUCA. Biyologlar LUCA’ın kim ya da ne olduğunu tartıştı: modern bir hücreye benziyor muydu yoksa daha basit bir şey miydi. LUCA hiçbir fosil bırakmadı — en eski tartışmasız eski fosiller yaklaşık 3,5 milyar yıl öncesine tarihleniyor — ancak milyarlarca yıl öncesinden farklı bir materyal kayıt bıraktı.

“Geçmiş yaşamın yalnızca iki kaydı var,” dedi Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden evrimsel biyolog Greg Fournier. Biri, kayalık kayıta fosilleşmiş eski organizmaların ölü artıkları. İkincisi, dediği gibi, “genomların içindeki kayıt … ilk hücrelerden bugün yaşayan tüm yaşama ya da neredeyse tüm yaşama aktarılan izler.”

“Evrendeki yerimiz hakkındaki anlamlı, önemli şeyleri anlamaya çalışıyoruz,” dedi evrimsel biyolog Greg Fournier. “Bu, Higgs bozonunu bulmaya çalışmak ya da kuantum yerçekimi kuramı geliştirmeye çalışmak ya da Büyük Patlama’yı anlamaya çalışmakla eşdeğer.”

Greg Fournier’in özelliğiyle

“Evrendeki yerimiz hakkındaki anlamlı, önemli şeyleri anlamaya çalışıyoruz,” dedi evrimsel biyolog Greg Fournier. “Bu, Higgs bozonunu bulmaya çalışmak ya da kuantum yerçekimi kuramı geliştirmeye çalışmak ya da Büyük Patlama’yı anlamaya çalışmakla eşdeğer.”

Greg Fournier’in özelliğiyle

Filojenetik ağaçların inşasının mantığı basittir: Yakından ilişkili türlerin genomlarını karşılaştırın — örneğin bir bakteriyi ve bir insanı — ve bu soylar ayrılmadan önce evrimleşmiş olabilecek potansiyel ortak genleri ortaya çıkarın. LUCA’nın hikâyesini anlatmak için araştırmacılar, tüm modern yaşayan varlıklarda bulunan en eski genleri belirler.

LUCA’nın öyküsü, yeni genetik ipuçları ile bilimsel anlayıştaki ilerlemelere dayanarak düzenli biçimde yeniden yazılıp geliştiriliyor. Örneğin bakteriler, yatay gen aktarımı olarak bilinen evrimsel bir süreçle genlerini sık sık komşularına ya da farklı türdeki bakterilere aktarır. Biyologlar bu işaretlerin belirli genlerin paylaştığı bir evrimsel geçmişe sahipmiş gibi yanlış işaret verebileceğini fark edince, devasa veri setlerini daha iyi yorumlayacak yollar bulmak zorunda kaldılar. Bunu yapacak hesaplama teknikleri nihayet son on yılda ortaya çıktı. 2024’te Bristol Üniversitesi’nden Phil Donoghue önderliğinde bir araştırma grubu, bu tekniklerden yenilikçi biçimlerde kullanarak LUCA hakkında şimdiye kadar en zengin resmi çizdi.

Avustralya’daki Shark Bay’den bu kayalık stromatolitler, mikroorganizmalar tarafından inşa edilen katmanlı yapılardır. Yakınlarında, Avustralya’nın batısındaki Pilbara’da ise 3,48 milyar yıl öncesine tarihlenen fosil stromatolitler bulunur — dünyada bilinen en eski fosillerden bazıları.

B.G. Thomson/Science Source

Avustralya’daki Shark Bay’den bu kayalık stromatolitler, mikroorganizmalar tarafından inşa edilen katmanlı yapılardır. Yakınlarında, Avustralya’nın batısındaki Pilbara’da ise 3,48 milyar yıl öncesine tarihlenen fosil stromatolitler bulunur — dünyada bilinen en eski fosillerden bazıları.

B.G. Thomson/Science Source

Araştırmacılar, LUCA’nın muhtemelen yaklaşık 2.600 proteinle çalıştığını ve boyutu günümüz bakterilerindekilerle karşılaştırılabilir bir genomla kodlandığını bildirdi. Bu genler ve proteinler, LUCA’nın temel bir metabolizmaya, işlevsel bir hücre zarına ve hatta virüslerle savaşan ilkel bir bağışıklık sistemine sahip olduğunu gösteriyordu. Enerji üretmek, DNA eşlemek ve protein üretmek için gereken tüm temel donanıma sahipti. Hepsi birlikte analiz, zaten karmaşık bir organizmanın resmini çizdi.

“LUCA, tamamen etten, yüzen, yiyen, üreyen, dağınık bir hücreydi,” dedi Kaçar. Ve nerede yaşıyorsa, muhtemelen yalnız yaşamadı.

Donoghue’un ekibi, LUCA’nın modern mikroplerde bulunan Wood-Ljungdahl yolu olarak bilinen, neredeyse birebir aynı bir metabolik yola sahip olduğunu buldu. İlginçtir ki, bu metabolik yol, yalnız başına çalışamayan ancak başka hücrelerin—LUCA’nın komşularının—süreçlerine dayanan başka bir metabolik süreç olan asetojenizisle ilişkili. Bu da LUCA’nın, birden fazla erken dönem hücre türünü içeren daha büyük bir topluluk ya da ekosistemin parçası olması ihtimalini oldukça güçlendiriyor.

Donoghue’un ekibi ayrıca LUCA’nın soyu için bir yaş tahmini de yaptı: 4,2 milyar yaşında. Gezegenin, yaklaşık 4,4 milyar yıl önce yaşanabilir hale gelecek kadar soğuduğu düşünüldüğünde, LUCA’nın topluluğunun evrimsel açıdan bir göz açıp bir göz kapacak kadar kısa bir sürede evrilmiş olması gerekir. “Koşullar elverişli olduğunda hayat oldukça hızlı bir şekilde işe koyuluyor,” dedi Masel.

Mark Belan/Quanta Magazine

LUCA zaten karmaşık bir nüfusmuş ve çok sayıda hücre türünü içermişse, hayatın erken dönem evrim tarihinin büyük bir bölümü, bu canlı çok daha önce yaşamaya başlamadan çok önce gerçekleşmiş olmalıdır. O zamana kadar mevcut olan moleküler ve hücresel çeşitlilik, hayatın temel ilkelerini çoktan geride bırakmış olmalıydı; evrimsel süreçlerin, karmaşık moleküler makineleri ve sistemleri seçmesi için yeterli düzeydeydi.

Bu keşif, tanımları gereği LUCA’dan sonra evrilmiş canlıları çalışan bazı biyologları, çalışma hedeflerini LUCA’dan önce var olmuş olabilecek canlılara, yarı-canlı biçimlere ve hayat benzeri süreçlere kaydırmaya zorladı. Araştırmacılar, bu hücresel ekosistemin prebiotik çorbada nasıl evrilmiş olabileceğini öngörmek için, malzeme kaydının sınırlarının ötesine geçecek yeni araçlar kullanıyor.

“LUCA’dan önce olan şey gerçekten bakılması en heyecan ver pencere,” dedi Prag’daki Charles Üniversitesi’nde sentetik biyolog olan Klára Hlouchová. Aynı zamanda “onu tespit edilmesi en zor olanı da bu.” Bunu başarmak için araştırmacılar, bu erken dönemde ortaya çıkmış ve hızla evrimsel yeniliklere yol açmış olabilecek kimyasallar konusunda hayal gücünü kullanıyor.

Olasılıklar

LUCA’ya dahil olduğuna inandığımız genler arasında, kökeni açıkça çok daha eskilere giden bazıları var. Bu genler o kadar eski ki, yaşam ağacı üzerindeki neredeyse tüm genomlar bunların yalnızca bir kopyasını değil, iki kopyasını taşır. Bu, LUCA evrimleşmeden çok önce gerçekleşmiş bir evrimsel olaya—bir DNA eşlenimesine işaret eder. Böyle genler biyologları yaşamın kökenlerine daha da geriye ve oraya daha yakın bir konuma götürür.

“Erken dönem organizmalarından bile önce yaşamın nasıldı bakmamız için bir yol sunarlar,” dedi Goldman. Bu çiftleşmiş genlerin ürettiği protein ürünleri, protein yapımı, moleküllerin bir zar üzerinden taşınması ve moleküllerin enerjiye dönüştürülmesi gibi modern bir hücrenin en temel süreçleriyle ilgilidir.

Goldman özellikle son iki süreçle ilgileniyor. Dünya üzerindeki çoğu yaşam, hücreleri çalıştırmak için enerji üretmek amacıyla elektron taşıma zinciri olarak bilinen bir dizi molekule pompası kullanır. Modern elektron taşıma zincirlerinde yer alan moleküllerin filogenik ağaçlarını geriye doğru izleyerek Goldman, bu moleküllerin prebiotik, LUCA’dan önceki sürümlerinin nasıl görünebileceğini öne sürüyor.

Sonra NASA’ın Jet İtki Laboratuvarı’ndan astrobiyolog Laurie Barge, bu muhtemelen eski moleküllerin prebiotik ortamlarda nasıl davranabileceğini dener. Evrimsel biyolog olan Goldman, Barge ile 2009’da Seattle’da lisansüstü öğrenciler için düzenlenen bir astrobiyoloji konferansında tanıştı. “Orada tanıştık ve arkadaş olduk, tamamen farklı alanlardaız,” dedi Barge. “Ortak hiçbir şeyimiz yoktu … ama birlikte büyüdük.” Şimdi evrimsel biyolojiyi prebiotik kimya ile birleştirmek için işbirliği yapıyorlar.

Laurie Barge, Jessica Weber ve Laura Rodriguez (soldan sağa) NASA’nın Jet İtki Laboratuvarı’nda prebiotik kimya deneylerinden gelen verileri analiz ediyor. Deney tüpleri kullanarak, erken Dünya ve Mars’tan muhtemelen oluşmuş mineraller çöktüren bu magnezyum silikat bacası gibi hidrotermal bacalardaki kimyaları simüle ediyorlar.

NASA/JPL/Caltech

Laurie Barge, Jessica Weber ve Laura Rodriguez (soldan sağa) NASA’ın Jet Propulsion Laboratuvarında (JPL) prebiotik kimya deneylerinden elde ettikleri verileri analiz ediyor. Deney tüplerini kullanarak, bu magnezyum silikat bacanın (altta) erken Dünya ve Mars’tan olası mineralleri çöktürdüğü hidrotermal bacacık kimyalarını simüle ediyor.

NASA/JPL/Caltech

Laurie Barge, Jessica Weber ve Laura Rodriguez (soldan sağa) NASA’ın Jet Propulsion Laboratuvanında (JPL) prebiotik kimya deneylerinden elde ettikleri verileri analiz ediyor. Deney tüplerini kullanarak, bu magnezyum silicate bacanın (sağ en uçta) erken Dünya ve Mars’tan olası mineralleri çöktürdüğü hidrotermal bacacık kimyalarını simüle ediyor.

NASA/JPL/Caltech

Barge ve laboratuvar arkadaşı, o da bir NASA JPL kimyacı olan Jessica Weber, cam kavanozlarda hidrotermal bacacıkların olası mineral kimyalarını simüle ediyor — hem ilkel Dünya’da var olmuş olabilecek hem de evrenin başka yerlerinde mevcut olabilecek bacacıklar. Bacacık deneylerinden sentezledikleri mineralleri, Goldman’ın LUCA öncesi molekülleriyle birlikte ampullerde karıştırıyor ve bunların elektron taşıma zincirine benzer bir kimya üretip üretmediğini, nasıl etkileştiğini test ediyor.

Barge ve Weber, prebiotik açıdan makul olanı belirlemek için aşağıdan yukarıya doğru ilerlerken, Goldman yukarıdan aşağıya doğru giderek modern ve tarihsel ipuçlarından tahminlerde bulunuyor. Belki de yaşam ile cansızlık arasındaki gri alanda, temel bir süreçte birleşebilirler. “Bu soruna iki farklı yönden yaklaşıyoruz,” dedi Barge. “İkisini birleştirmek güçlüdür, çünkü böylece prebiotik makullüğü ve evrimsel sürekliliği aynı zamanda çalışabiliriz.”

Prebiotik bir elektron taşıma zincirinin bazı yönlerini üretmede başarılı olsalar bile, bu önemli metabolik sistemin böyle ortaya çıktığından emin olunamaz. Bilim insanları LUCA öncesi zamana daha derine inince, tablo daha belirsiz hale gelir. “Yine de prebiotik olanakları anlamak önemlidir,” dedi Barge.

LUCA’dan önceki dönemin o kadar belirsiz ki, o dönemde yaşamın bugün yaşamın kullandığı aynı malzemelerle inşa edilip edilmediğini bile bilmiyoruz. Milyarlarca yıllık evrimin ardından, modern biyoloji önemli ölçüde değişmiş olabilir. Evrim bir tasarımcı değildir; ayakta kalan sistemler, o iş için mutlaka en iyileri değil, işe yarayanlardı. Üstelik ilk organizmalar, 4 milyar yıldan fazla önce, çok farklı bir ortamda çok farklı bir yaşam sürdü; farklı malzemeler o ortamda mevcut olmuş ya da orada daha etkili olmuş olabilir.

Yeryüzünde erken evrim hakkındaki bu derin belirsizlikler, doğal olarak yaşamın evrendeki herhangi bir yerde nasıl evrilebileceği sorularını akla getiriyor. Çocukluk döneminde Hlouchová, uzaylı filmlerini izledikten sonra geceleri uykusuz yatar, “Orada yaşam var mı?” sorusunun korkusuyla titreşirdi. Büyüdükçe, bunun farklı bir versiyonunu sormaya başladı: Yaşam başka kimyalarından doğabilir mi?

Prag’ın Orta Çağ astronomik saatine karşı sokağın diğer tarafındaki laboratuvarında, yeryüzündeki tüm yaşamın yapısını ve işlevini yönlendiren amino asit alfabesini parçalar. Doğada karşımıza çıkan milyonlarca türde protein, tümüyle aynı 20 amino asitten inşa edilmiştir. Ancak meteoritlerde düzinelerce başka amino asit türü bulunmuştur. Laboratuvarda binlercesi daha üretmek mümkündür ve bilim insanları evrendeki milyonlarca varyant olabileceğini öne sürmüştür. Daha güçlü yapay zeka sistemleri ve sentetik biyoloji araçlarının yükselişi, Hlouchová gibi biyologların moleküller tasarlamalarını, üretmelerini ve laboratuvarda deneymelerini olanaklı kılmıştır.

“Bu [yaşamın kökeni], insanlığın çözmesi gereken bir şey,” dedi sentetik biyolog Klára Hlouchová. “Bu sorun gerçekten gözlerimizi evrendeki geri kalanına açıyor.”

Matej Hlouch

“Bu [yaşamın kökeni], insanlığın çözmesi gereken bir şey,” dedi sentetik biyolog Klára Hlouchová. “Bu sorun gerçekten gözlerimizi evrendeki kalanına açıyor.”

Matej Hlouch

Belki de yaşamın LUCA’dan önceki yıllarında proteinler daha az ya da daha fazla amino asitle, hatta tamamen farklı bir amino asit kümesiyle inşa edilmiştir. “Bilişimsel olarak, evet — yaşam farklı amino asitleri kullanmış olabilir,” diyor Hlouchová. “Amino asitlerimizin kolayca erişilebilir olduğunu biliyoruz; en azından yarısı ve bunlar bizim gezegenimize benzer gezegenlerde prebiotik sentez için çok erişilebilir olurdu.” Ve farklı bir gezegen, farklı kimya ile, diyor, “farklı amino asitlere sahip olabilirdiniz ve … sonunda farklı yollar kullanarak yaşam inşa edebilirdiniz.”

Bu fikirleri test etmek için Hlouchová şimdi laboratuvarda azaltılmış bir amino asit alfabesi kullanarak proteinler inşa ediyor. Goldman ve Barge’ın yaptığı gibi belirli bir antik proteine odaklanmak yerine, çok sayıda protein türünde bulunan üç belirli katlanma yapısına bakıyor — bir amino asit dizisinin bükülüp uzayarak 3 boyutlu bir biçim almasıyla oluşan katlanmalar — ve bunların bilinen yaşamda yüksek derecede muhafaza edildiği, dolayısıyla kökeni çok eski olduğu biliniyor.

Protein tasarımı ve yapı tahmini programlarının bir kombinasyonunu kullanarak laboratuvarı, modern amino asit alfabesini protein katlanmasının 3 boyutlu yapısından çıkardı. Sonra programa bu yapıyı azaltılmış bir alphabet ile yeniden doldurması istendi. Büyük protein katlanması veri setleriyle eğitilmiş bir üretken yapay zeka aracı kullanarak programlar, istenen yapıya katlanacak dizileri tahmin etti. Hlouchová sonra en olası antik proteinleri inşa etti ve görüntüledi.

Mark Belan/Quanta Magazine

Ekipi, son dönemde yayımlanan bir dizi çalışmada, yalnızca 10 amino asitten oluşan bir azaltılmış alfabenin, yaşamın gelişiminin erken dönemlerinde muhtemelen bulunan protein yapılarını — modern yaşamın kullandığı en dayanıklı protein katlanmalarını — destekleyebileceğini bildirdi. Şimdi bu deneyleri tamamen farklı amino asitle tekrarlamak üzerinde çalışıyor.

Biolojiyi bir kılavuz, kimyasal olanakları ise bir parça listesi olarak kullanarak Hlouchová, LUCA’dan önce yaşamın nasıl görünebileceğini araştırıyor.

Sentezik biyoloji, “bugün gördüğümüz yaşama dayanmamız gerekmediği bütünüyle yeni bir dünyayı açıyor” diyen Hlouchová’ya göre, “Yaşam bu şekilde olmak zorunda mıydı, yoksa farklı şekillerde de olabilirdi mi?” sorusunu yanıtlamak, bizi ‘biyoloji’ olarak tanıyabileceğimiz şeyden giderek daha uzağa götürme anlamına gelebilir.

Süreçler

Başlangıçtan beri modern yaşam, yaşamın kökeninin çalışmalarına ilham vermiştir. Miller, deneyinde amino asit üretimini, modern yaşamın temel bir özelliği olarak, yaşamın erken Dünya kimyasından üretilebileceğine inkâr edilemez kanıt saymıştır. Daha sonradan gelen araştırmacılar ise, erken yaşamın sahip olması gereken özelliklerin ön özneliği (proxy) olarak, günümüzün en yaygın biyomolekülleri ve süreçlerini kullanmaktadır. Ancak araştırmacılar, modern yaşamın hayal gücümüzü ne kadar ve nasıl kısıtlamamız gerektiğine dair farklı görüşlere sahiptir.

“Yaşamı bir rehber olarak görmezden gelmek akılsızlık olurdu,” diyen Krishnamurthy, “ancak onu tek rehber olarak kullanmak çok daha akılsızlık olurdu.”

Bazıları, yaşamın tam olarak hangi malzemelerden oluştuğuna odaklanmak yerine, onun özünü yeniden yaratmaya çalışmaktadır. Sistem kimyacısı Sijbren Otto (Groningen Üniversitesi), alanın “çok fazla günümüz yaşamının kullandığı moleküllere odaklandığını” söylüyor. “Yaşamın ne yaptığına yeterince bakmadığını” ekliyor.

Yaşam yalnızca moleküllerden değil, fonksiyonlardan da oluşur. Çoğalabilir, metabolize edebilir ve evrilebilir. Bu fonksiyonların, bugün yaşamın kullandığı aynı moleküller tarafından yerine getirilmesi zorunlu değildir.

Mesela, başka bir moleküler sistem DNA’nın yaptığı işi yapabilir mi? “Gen tanımıyı genelleştirirseniz, ‘Tamam, bu bilgi depolayan bir molekül’ dersiniz,” diyor Otto. Bir çoğalma süreci, bu bilginin kopyalarını üretir. Hlouchová farklı moleküllerle aynı yapıya ulaşılabilir mi diye incelerken, Otto aynı fonksiyona ulaşılabilir miye bakmaktadır. 2010’ların başında, DNA’nın yapı taşları olan nükleotitlerin bilgiyi depolayıp aktaran tek moleküller olup olmadıklarını sınamaya başlamıştır.

Benzen halkaları, birkaç amino asidin de içinde bulunduğu çok sayıda biyomolekülde bulunan, karbon ve hidrojen halkalarının birbirine kenetlenmesinden oluşan kararlı yapılardır. Tesadüfen, 2010 yılında Otto, aynı boyuttaki sentetik olarak üretilmiş bazı benzen halkalarının, tıpkı poker chipleri gibi düzgün bir şekilde üst üste birikme eğiliminde olduğunu keşfetti. Sallandığında veya karıştırıldığında büyüyen yığınlar kırılıyor, bu da moleküler kenarların daha fazla benzen halkası üretmesini tetikliyordu. Bu, kendini eşleyen bir türdü.

Benzen halkalarından oluşan yığınlar özünde bilgiyi de yayıyordu: halkaların boyutunu. Otto’nun büyümeye devam edebileğini bulduğu yeni yığınlar, her zaman aynı boyuttaki halkaları içeriyordu. “O andan itibaren, bu tür sistemlerle evrim yapma şansımız olduğunun farkına vardık,” dedi.

Bu kimyasal yapılar bilgi depolama ve çoğalma olanağını taşıyordu. Sonraki adım, metabolizmayı uyandırmak ya da bu yapıların başka kimyasal tepkimeleri kolaylaştırmasını sağlamaktı. Aynı zamanda kendilerini bir arada tutacak bir kapsama da ihtiyaçları vardı. Bunların tümünü bir araya getirmek bir hayaldi, ancak son yıllarda hiç olmadığı kadar yakınlaşılan bir hayal.

Otto’nun laboratuvarının, kendini eşleyen moleküllerinin kendi çoğalmaları dışında, kendi öncüllerini yapmalarına yardımcı olan tepkimeler gibi başka tepkimeleri katalizlemesini sağlamanın yolunu bulması başka 10 yıl aldı. Ardından, hâlâ yayımlanmamış bir çalışmada, halkaları büyüyüp ikiye bölünen bölmeler oluşturmaya zorlayan şekilde moleküllerin bir kısmını değiştirdiler. “Kendini eşliyor, metabolizliyor, bir bölme içinde kendini bir arada tutuyor,” dedi Otto. Sonunda “benzen hücrelerinin” mikroskopta görülebilecek kadar büyüdüğünü söyledi.

Ama bu onları canlı mı yapıyor? İşlevsel açıdan gerçekten eksik tek şey, evrimleşme yeteneğidir, dedi Otto. Laboratuvarının bir sonraki durağı da burası. “Canlıya doğru yaklaşmaya başlayan bir şey yapmaya çalışıyoruz,” dedi. “Ancak bir süre daha yaşam destek makinesinde olacaklar.”

Benzenin ” hücreleri”, bildiğimiz yaşamdan çok uzakta. Ancak Otto’ya göre evrimin nasıl ortaya çıkabileceğini kavrayabilseniz, bu mekanizmayı yeniden canlandırabilirsiniz; bunun için erken Dünya’nın simüle edilmiş koşullarını ve favori prebiotik moleküllerinizi kullanmanız yeterli. “Bence bu durumda kökene daha yakın olursunuz,” dedi Otto.

Bu bilim insanları ve başkaları, LUCA’dan günümüze uzanan evrimsel yolculuğun getirdiği sınırlamalardan etkilenmeden yaşamın en temel yönlerini inceliyor. Genomik bize yalnızca pre-LUCA dönemi hakkında bile söyleyebildiklerinden daha öteye geçerek yaşamın mekanizmaları ve işlevlerinin nasıl ortaya çıkabileceğini hayali biçimde yeniden inşa etmeye çalışıyor. Araştırdıkları farklı araçlar, malzemeler ve yaklaşımlar olsa da, bu alanı birleştiren ortak iplik evrimin gerekliliklerini ve olanaklarını korumak. Ne kadar molekülden oluşursa oluşsun, bir şeyi canlı yapan, değişen ortama uyum sağlayabilmesi ve derin zaman içinde hayatta kalmak için yeni yollar icat edebilmesi gerçeğidir. Değişimin ve uyumun motoru evrimdir — ve onu yeniden yaratmak, kimyacılar ile biyologların ortak hayalidir.

Süreklilik

2026 yazında bir hücre manşetlere taşındı. Sentetik biyologlar, liposomlar denilen yağ keseciklerini biyolojik bileşenlerle doldurmuştu: bir DNA replikasyon sistemi ve DNA’yı okuyup protein üreten 36 enzim. Diğer liposomlara ise şeker, lipid, enzim, nükleotid ve ribozom doldurmuştu; bunlar gerektiğinde besin deposu olarak gönderilecek yedeklerdi. Ardından kimyasal deneylerinin kendi başına bir yaşam edinip edinmeyeceğini görmek için beklediler.

Labratuvarında bu ilkel hücrelerden oluşan bir popülasyonla aylarca uğraştıktan sonra ekip bir şeyi görmeye başladı: canlıya benzer davranışlar. Hücreler DNA’larını replike etti, büyüdü ve ikiye bölündü. Daha büyük olanları daha fazla yarı hücre üreterek ham bir doğal seçim türüne yol açtı. Araştıranlar sonuçlarını Temmuz ayında biorxiv.org önbaskı sunucusunda paylaştı. Bu çalışma, alan için bir “heyranlık uyandıran” adım ve bir “çıkış yolu” olarak övüldü.

Bu sentetik hücre, hayatın kökeninin bir yansıması değil; 4 milyar yıllık bir ön avantajı vardı. Minnesota Üniversitesi’nden sentetik biyolog Kate Adamala’nın liderliğini yaptığı proje, son derece evrilmiş ve “iğrenç derecesinde modern” biyomoleküler parçalardan inşa edildi. Ancak alanın en temel fikrinin ilk makul kanıtı: Bir sürü “kesinlikle ölü” bileşeni alıp bir araya getirerek “hayatın tüm işlevlerini yerine getirmeye başlayan” bir şey yaratmanın mümkün olduğunu gösteriyor.

Hücreler büyüyüp ikiye bölünüp genomlarını eşleyebilseler de, Adamala “canlı” sözcüğünden kaçınıyor. Hücre beslenip kendini besleyemiyor; sürekli besin ve ribozom teslimatına ihtiyaç duyuyor—protein üretmek için gereken makine. Ama daha da önemlisi, Adamala’ya göre gerçek evrimden yoksun.

Doğal seçilimin ham versiyonunu üretmek için Adamala’nın ekibi, sentetik hücrelerine farklı büyüme hızlarına yol açan mutasyonlar yerleştirdi. “Fakirin evrimi bu,” dedi. Gerçek doğal seçilimde hücreler mutasyona uğrar ve popülasyon doğal olarak genetik çeşitlilik kazanırdı. Ekibi, evrimi etkili biçimde içeride kurmuştu.

Ama yine de kimya, biyolojiye benzer bir şeye birleşti. Ve bunun için bir sihirli kıvılcım ya da özel bir bileşen gerekiyordu. Araştırmacıların moleküler sistemi çözmesi—bilinen bileşenler arasındaki ilişkiler—ve sonra sistemi daha iyi çalışana kadar, sonra daha iyi, sonra daha iyi ayarlaması gerekiyordu. Canlılık bir aç-kapat anahtarı değil; daha çok bir süreklilik. Kimyasal sistem zamanla giderek daha canlı hale gelir. Ve bunu tamamen canlanan bir noktaya kadar izlemeye çalışırsanız, o nokta muhtemelen “keyfi” olacaktır, dedi Otto. Bu laboratuvarda böyledir ve 4 milyar yıl önce de böyle olmak zorundaydı.

Florosan mikroskobu, hücre bölünmesi geçen bir sentetik hücreyi gösteriyor: uzayan, sıkışan ve ikiye ayrılan kızıl hücrelere ayrılıyor.

Kate Adamala/Adamala Lab

Floresan mikroskobu, hücre bölünmesi geçen bir sentetik hücreyi gösteriyor: uzayan, sıkışan ve ikiye ayrılarak iki yavru hücre oluşturuyor.

Kate Adamala/Adamala Lab

Bugün yine kimse laboratuvarda ikna edici biçimde yaşamı yeniden yaratamadı — kendi kendine beslenen, kendi kendine çoğalan, bağımsız biçimde evrimleşen bir yaşam. Araştırmacılar, erken Dünya’daki moleküller sistemlerinde (ya “canlı” ya da değildir) işleyen evrim süreçlerinin, bugün hücreleri veya organizmaları yönlendiren evrim değişiklikleriyle aynı biçimde olup olmayacağı konusunda bile emin değiller.

Ama bilim insanlarına bu sorunu çözmek için biraz daha zaman verin. “Büyük kimyacılarımızın çok azı, laboratuvarda bunu yapıyor ve yalnızca birkaç deney tüpüyle birkaç [birkaç] on yılda,” diyor Arizona Devlet Üniversitesi’nden evrim biyologu Michael Lynch; Kaçar, Travisano ve evrim kurallarını yaşamın kökenleri alanına getirmek için birlikte çalışan diğerleriyle. Buna karşılık, erken Dünya’daki prebiotik kimya birkaç yüz milyon yıla sahipti, bu da “yaşam için deneme yapmaya çok uzun bir zaman.”

Benzer deneyler şu an orada, bir yerde gerçekleşiyor olabilir. Galaksimiz yalnızca en az 6.000 bilinen ötegezegen içeriyor ve muhtemelen çok, çok daha fazlası. Bunların çoğunda sıvı su var ve yaklaşık 2.000’i süper-Dünya olabilir; bunlar, kendi gezegenimizden daha konforlu bir yaşam için daha elverişli olabilir. Eski Mars ve Satürn’ün uydusu Enceladus, astrobiyologların yaşam için gerekli gördüğü koşulları destekliyor. Asteroidlerden ve kırmızı gezegenden gelen kaye numunelerinin analizleri, biyolojimizin kullandığı ham maddeleri ortaya çıkarmaya devam ediyor.

Satürn’ün küçük uydusu Enceladus, buzlu kabuğunun altındaki tuzlu okyanusuyla biliniyor; uzaya fışkıran püskürmeler 2005’te NASA’nın Cassini uzay aracı tarafından gözlemlendi.

NASA/JPL/Space Science Institute

Satürn’ün küçük uydusu Enceladus, buzlu kabuğunun altındaki tuzlu okyanusuyla biliniyor; uzaya püsküren fışkırmalar 2005’te NASA’nın Cassini uzay aracı tarafından gözlemlendi.

NASA/JPL/Space Science Institute

Araştırmacılar, erken Dünya’da hayatın nasıl olabilieceğini sürekli olarak çözmeye ve yeniden kurmaya devam ederken, aynı zamanda evrenin başka yerlerinde ne olabileceğini de araştırıyorlar. Hlouchová dahil olmak üzere araştırmacılar, protein tasarım araçlarını kullanarak Bennu asteroitinde bulunan altı amin asidinin birçok farklı tip protein katlaması oluşturabileceğini gösterdiler.

“Hayatın kökeni, gezegen araştırmalarıyla çok güçlü bir şekilde bağlantılıdır ve bunu her zaman, evrendeki hayatın doğasını anlamaya çalıştığımız bir şey olarak düşünmeliyiz,” dedi Barge. “Hayatı etkili bir şekilde arayabilmek için hayatın kökenini anlamamız gerekiyor.”

NASA’nın Disiplinlerarası Astrobiyoloji Araştırmaları Merkezi’nin direktörü Kaçar, bu iki alanı birbirine bağlamada öncü rolünü üstlendi. Laboratuvarı, sentetik biyoloji ve hesaplama yöntemlerini kullanarak antik proteinlerin genetik kodlarını öngörüyor ve bunları modern bakterilerin içinde yeniden canlandırıyor. Ardından, antik kayalarda geride bırakabilecekleri türde kalıpları görmek için bu proteinlerin aktivitesini izliyor. Bir molekülün dinamiğini, jeolojik çıktısını ve atmosferik etkisini birbirine bağlayarak, evrende hayat arayışında kullanılabilecek biyolojik işaretleri belirlemeyi umuyor.

NASA’ın Habitable Worlds Observatory (Yaşanabilir Dünyalar Gözlemevi), 2040’lı yıllarda fırlatılacak ve biosignature’ları (biyolojik işaretleri) bizim güneş sistemimizin dışında olan gezegenlerin atmosferlerinde arayan, bu amaçla özel olarak tasarlanan ilk uzay teleskopu olacak. Avrupa Uzay Ajansı’nın yakında fırlatacağı Plato uzay teleskopu da bu arayışa katılacak. Barge, bu teleskopların yalnızca Dünya dışı hayatın açık kanıtlarını değil, aynı zamanda hayatın nasıl başladığına dair ipuçlarını da bulmasını umuyor. Bu, “Dünya’da asla göremeyeceğiniz bir şey çünkü tümüyle hayat tarafından üstüne işlenmiş (karışmış)”, dedi.

Yaşamın başka yerlerdeki kanıtı, bu alanı kuruluşundan beri rahatlatan tartışma ve ayrılıkları nihayet çözmenin anahtarı olabilir. Bu tüm yüzyıllar boyunca bilim insanları, yalnızca bir örneğine sahip olduğumuz bir sistemin ortaya çıkışı hakkında kuram geliştirdi: Dünya’daki yaşam. Ne kadar hayal gücü kullanırlarsa kullanılsın, yaşamın kökenine dair bilimî fikirler, 4 milyar yıldan fazla bir önceki prebiyotik çorbanın içinde ortaya çıkan tek modeliyle sınırlı kalmaya devam ediyor.

Bilim insanları şimdi, laboratuvarda ya da uzayın derinliklerinde, yaşam deneyinin örneklem boyutunu artırmaya bundan daha yakın. Bir gün, iki tanesi olabilir.

Düzenleyici Notu: Bu araştırmacılardan bazıları — John Sutherland, Jack Szostak, Greg Fournier, Gerald Joyce, Ramanarayanan Krishnamurthy, Matthew Powner ve Kai Liu (Sijbren Otto’nun laboratuvarı) — Simons Foundation’ın fonladığı çalışmalar için destek aldı; bu da editoryal açıdan bağımsız olan bu dergiyi fonluyor. Simons Foundation’ın fon verme kararları, kapsamımız üzerinde hiçbir etkiye sahip değil.