Evrimsel Biyolojide Dengeleri Değiştiren Keşif: İlk Ökaryotlar Oksijenli Ortamda Yaşadı

Bugün dünyada gördüğümüz karmaşık yaşam formlarının temel yapı taşı olan ökaryotik hücrelerin tam olarak nasıl ve ne zaman evrimleştiği, bilim dünyasının en büyük sırlarından biri olmaya devam ediyor. Günümüzde ökaryotik hücrelerin (eukaryotic cells) büyük bir çoğunluğu metabolizmalarını güçlendirmek için oksijen ve mitokondri kullanıyor. Ancak yaşamın şafağında, yaklaşık 2 milyar yıl önce işler bu kadar net değildi. Hücresel evrim sürecinin ilk aşamalarını tanımlayan ökaryotogenez (eukaryogenesis) hipotezleri, uzun yıllardır hararetli bilimsel tartışmaların merkezinde yer alıyor.

Evrimsel Bir Sır: Aerobik mi, Anaerobik mi?

Bilim insanları başlangıçta ökaryotogenez sürecinin, Dünya atmosferinin yaklaşık 2.4 ila 2.1 milyar yıl önce oksijen açısından zenginleşmesinden bir süre sonra, proto-mitokondrilerin bir konak hücreye girmesiyle başladığını öngörüyordu. Liege Üniversitesi’nden paleobiyolog Emmanuelle Javaux’nun da belirttiği gibi,

“Erken ökaryotların aerobik (oksijenli solunum yapan) olup olmadığı veya mitokondriye sahip olup olmadığı uzun soluklu bir tartışma konusudur.”

Geçmişte yapılan bazı araştırmalar, 1.78 ila 1.73 milyar yıl öncesine ait fosillerin potansiyel mitokondriler de dahil olmak üzere karmaşık hücresel yapılara sahip olduğunu göstermişti. Ancak yeni nesil analizler, mitokondrinin ökaryotik atalara çok daha sonradan eklenmiş bir yapı olabileceğini öne sürdü. Bu durum, bazı erken dönem ökaryotların aslında anaerobik (oksijensiz) organizmalar olabileceği hipotezini doğurdu. Bugüne kadar bilim dünyası, bu antik canlıların hangi oksijen koşulları altında yaşadığını kesin olarak belirleyememişti.

Biyoloji ve Jeokimyanın Güç Birliği

Bu karmaşık denklemi çözmek üzere yola çıkan Kaliforniya Üniversitesi, Santa Barbara’dan (UC Santa Barbara) paleobiyolog Leigh Anne Riedman ve McGill Üniversitesi’nden jeokimyacı Maxwell Lechte, Nature dergisinde yayınlanan çığır açıcı bir çalışmaya imza attı. Ekip, Kuzey Avustralya deniz tabanından alınan 1.75 ila 1.4 milyar yıllık matkap karot örneklerini inceledi.

Bu çalışmayı laboratuvar teknolojileri açısından benzersiz kılan şey, biyolojik ve kimyasal analizlerin kusursuz entegrasyonudur. Araştırmacılar, bentik bölge (benthic zone) olarak da bilinen antik deniz tabanlarından alınan çamurtaşlarını (mudstone) inceledi. Çamurtaşı, ince taneli yapısı sayesinde hem mikroskobik fosilleri hem de bölgenin çevresel kimyasını korumak için mükemmel bir matris görevi görüyor.

Laboratuvarda Gerçekleşen Zaman Yolculuğu: Metodoloji

Araştırma ekibinin uyguladığı metodoloji, modern analitik kimya ve paleobiyolojinin sınırlarını zorlayan türden. Fosilleri oksijen koşullarıyla daha doğru bir şekilde ilişkilendirmek için Riedman ve Lechte, havzanın aynı jeolojik sahasından ve zaman diliminden alınan örnekler üzerinde kendi uzmanlık alanlarında eşzamanlı çalışmalar yürüttüler.

• Paleobiyolojik Analiz: Riedman, kaya örneklerini tehlikeli ve son derece dikkat gerektiren bir reaktif olan hidroflorik asit (hydrofluoric acid) içinde çözdü. Bu zorlu işlem, silika ve kili ortadan kaldırırken, fosillerin organik materyalinin zarar görmeden izole edilmesini sağladı. Gelişmiş mikroskopi teknikleri kullanılarak yapılan taramalarda, çoğu tek hücreli organizmalardan oluşan 14 ökaryotik tür ve beş prokaryotik takson dahil olmak üzere toplam 12.000’den fazla örnek tespit edildi.
• Jeokimyasal ve Kütle Spektrometresi Analizi: Lechte ve ekibi ise bu fosillerle ilişkili redoks kimyasını (redox chemistry) belirlemek üzere kayaç örneklerini kütle spektrometrisi (mass spectrometry) analizi için hazırladı. Temel hedefleri, ortamda bulunan demir türlerini belirlemekti. Demirin oksijen varlığında oksitlenmesi, anoksik (oksijensiz) ortamlarda ise farklı mineraller oluşturması prensibine dayanarak, spesifik lokasyonların saptanabilir oksijen içerip içermediği haritalandı.

Hipotezleri Çürüten Sonuçlar: Oksijen ve Deniz Tabanı

Bu iki güçlü analitik yaklaşımın birleştirilmesi, araştırmacıların başlangıç hipotezlerini tamamen altüst eden sonuçlar doğurdu. Riedman ve Lechte, örneklerindeki tüm redoks ortamlarında fosiller bulduklarını, ancak ökaryotik fosillerin ezici bir çoğunluğunun oksijenin bulunduğu alanlardan geldiğini kanıtladı. Üstelik bu durum, prokaryotik kalıntıların anaerobik koşullarda da korunmuş olmasıyla desteklendi; yani anaerobik bölgelerde ökaryot fosili bulunmamasının sebebi fosillerin yok olması değil, canlıların gerçekten de orada yaşamamış olmalarıydı.

Çalışmanın bir diğer kritik bulgusu ise erken dönem ökaryotların yaşam alanıydı. Aerobik doğalarının ağır basması, organizmaların atmosferden oksijen almak için su yüzeyinde (planktonik) yüzmek yerine, deniz tabanında (bentik) veya deniz tabanındaki çamurun hemen içinde yaşadıklarını gösteriyor. Riedman,

“Onların deniz tabanında yaşadıklarını söyleyebilmek, yaşam tarzlarına dair bize çok daha net bir resim sunuyor ve bu gerçekten heyecan verici”

sözleriyle bulgunun evrimsel önemini vurguluyor.

Gelecek Perspektifi ve Bilimsel Tartışmalar

Ekip, bu erken dönem ökaryotların oksijen kullandığını kanıtlasa da, bu gaza ne ölçüde ihtiyaç duyduklarını henüz kesin olarak belirleyebilmiş değil. Ayrıca, bulunan organizmaların yüksek çeşitliliği ve hücresel karmaşıklığı, ökaryotogenezin tarihte çok daha erken bir dönemde gerçekleşmiş olabileceğine güçlü bir şekilde işaret ediyor.

Araştırmada yer almayan ancak makaleyi hakem olarak inceleyen Dr. Javaux, yöntemin gücünü övmekle birlikte, bilimsel bir temkinlilik de sergiliyor. O dönemdeki tüm ökaryotların sadece deniz tabanında yaşadığı sonucunun bir aşırı genelleme olabileceğini, henüz tanımlanamayan bazı fosillerin planktonik ökaryotlar olabileceğini belirtiyor.

Bilim insanları şimdi, hücrelerin deniz tabanını terk edip yukarıdaki sulara ne zaman geçtiğini araştırmak için çok daha eski ve nispeten yeni kayaç örneklerini kütle spektrometrisi ve ileri mikroskopi teknikleriyle incelemeye hazırlanıyor. Açık olan bir şey var ki, ileri analitik laboratuvar teknikleri ile biyolojinin birleşik gücü, gezegendeki yaşamın kökenine dair ders kitaplarını yeniden yazdırıyor.