Bu yazımıza kadar sizlere canlılık ile cansızlık arasında herhangi bir fark olmadığından, canlılığı ayırt etmekte kullandığımız yöntemlerden...
Bu yazımıza kadar sizlere canlılık ile cansızlık arasında herhangi bir fark olmadığından, canlılığı ayırt etmekte kullandığımız yöntemlerden olan "Hayat Molekülleri"nin nasıl oluşmuş olabileceğinden, yapılarından ve işlevlerinden bahsettik. İki yazı önce, proteinler, karbonhidratlar ve yağların yapılarına ve oluşumlarına detaylıca değindik. Bir önceki yazımızda ise nükleotitlerden başlayarak kromozomlara kadar açıklamalarda bulunduk ve bunların "özel" moleküller olmadığını sizlere gösterdik.Bu yazımızda ise, artık yavaş yavaş bu moleküllerin her birinin nasıl oluşabileceğine giriş yapmak istiyoruz. Çünkü önceki yazılarımız ağırlıklı olarak kafalardaki yanlış anlaşılma ve betimlemeleri silmeyi hedeflemekteydi. Bu yazımızdan itibaren ise, bu moleküllerin evrimsel süreçte nasıl oluştuklarını incelemeye başlayacağız.
Her şeyden önce söylemek gerekiyor ki hangi molekülün nasıl ve hangi sırada oluştuğu konusu, uzun süre bilim insanlarının aklını meşgul etmiş ve pek çok hipotezin ortaya atılmasına, onlarca deneyin düzenlenmesine, konu hakkında pek çok tez yazılmasına sebep olmuştur. Bir grup bilim insanı öncelikle metabolizmayı, daha doğrusu organizasyon içerisinde sürdürülecek aktivitelerin toplamını oluşturacak olan karbonhidrat, yağ ve proteinlerin önce; genetik materyalin ise bunların oluşumuna bağlı olarak sonradan oluşması gerektiğini ileri sürmüşlerdir. Buna bilim dünyasında Önce-Metabolizma Hipotezi denmektedir. Bir diğer grup bilim insanı ise, öncelikle genetik materyalin oluşması gerektiğini, sonrasında ise bu oluşuma bağlı olarak organizasyon içi aktivitenin oluşması gerektiğini ileri sürmüşlerdir. Ancak bu hipotez, uzun bir süre çıkmaza girmiş ve dolayısıyla Önce-Metabolizma Hipotezi hep ağırlık kazanmıştır. İkinci hipotezin girdiği çıkmaz şudur: Önce DNA mı oluştu, yoksa RNA mı? Önce DNA oluştuysa bu karmaşık yapı bir seferde nasıl oluştu? RNA, DNA'dan daha basit yapılı olmasına rağmen, DNA'dan neden sonra oluştu? RNA önce oluştuysa, nasıl oldu da RNA'dan DNA oluşabildi? Bu sorular dönüp dururken Byioloji'de yazı içerisinde tekrar döneceğimiz Merkezi Dogma denen bir ilkenin geçerliliği olduğu düşünülmekteydi. Buna bağlı olarak bir grup bilim insanı önce DNA'nın oluşması gerektiğini iddia ederek Önce-DNA Hipotezi'ni ileri sürdüler. Bir diğer grup bilim insanı ise buna karşı gelerek, öncelikle RNA'nın var olması gerektiğini, ondan sonra DNA'nın var olabileceğini iddia ederek merkezi dogma ilkesine karşı geldiler ve Önce-RNA Hipotezi'ni ileri sürdüler. Günümüzdeki yeni bulguların ışığında bu üç taraflı tartışma (Önce-Metabolizma, Önce-DNA, Önce-RNA) belli bir düzeyde dinerek, ortak bir noktada buluşulmaya başlandı. Biz, bu ortak nokta üzerinden giderek başlığımızda yer alan sorulara cevaplar vereceğiz.
Öncelikle eldeki soruna bir daha bakalım: Canlılığı oluşturacak materyaller, belli bir sırayla ya da eş zamanlı olarak oluşmuş olmalıdır. Eğer bir sırayla oluştularsa, hangisi öncelikli olarak oluştu? Eğer eş zamanlı olarak oluştularsa, nasıl oldu da zamanlama bu kadar doğru ve isabetli bir şekilde tutturuldu? Bu sorular, bilim insanlarının aklını çokça kurcalamıştır. Ancak artık ne tamamen sırayla, ne de tamamen eş zamanlı bir oluşum üzerinde durulmaktadır. İkisi zamanlamanın da oluşuma belirli oranlarda katkı sağladığı düşünülmektedir.
Metabolizmanın mı önce, DNA veya RNA'nın, yani kalıtım ve düzenleyici materyallerin mi önce oluştuğu sorusu halen tartışılmakta olan bir sorudur. İşte bu noktada, muhtemelen bir eş zamanlılık durumu ile karşı karşıyayız. Daha sonra değineceğimiz gibi canlılık, cansızlık ortamındaki karmakarışık bir ortamda evrimleşmiştir. Dolayısıyla bu ortamda metabolik malzeme ile kalıtımsal malzemenin bir arada bulunuyor olma ihtimali son derece yüksektir. Bu materyalleri bir arada bulundurabilen bireylerin, tek tek bulunduranlara göre avantajlı olması beklenecektir. Bu konuya, ilerideki yazılarımızda daha da ayrıntılı olarak gireceğiz; ancak şimdilik metabolizma ile kalıtım materyalinin eş zamanlı veya en azından birbirine çok yakın zamanlarda oluştuğunu düşünebilirsiniz.
Peki, metabolizmanın oluşumunda bir sorun yok; zira karbonhidratlar ve yağlar, kendiliğinden, çevresel etmenlerin etkisi altında kolayca oluşabilen ve oluşabildikleri gözlenebilen kimyasallardır. Nükleotitler de benzer şekilde kendiliğinden, uzun deneme-yanılma süreçleri sonucunda oluşabilir. Fakat nükleotitlerden oluşan büyük yapılardan DNA mı, yoksa RNA mı önce oluşmuştur? RNA tarafından üretilen proteinler, nükleotitlerin oluşturduğu DNA ve RNA'dan bağımsız olarak oluşmuşlar mıdır? Yoksa öncelikle kalıtım materyalleri oluşmuş, sonrasında ilkin proteinler mi üretilmiştir? İşte bu sorulara cevap verilmesi gerekmektedir.
Oluşum sırasını anlayabilmek için öncelikle yukarıda değindiğimiz bir diğer konuya tekrar dönelim: Bir grup bilim adamı, DNA olmaksızın RNA'nın sentezlenemeyeceğini, dolayısıyla proteinlerin üretilemeyeceğini, dolayısıyla canlının varlığını sürdüremeyeceğini ileri sürmüştür. Bu, bilim dünyasının Biyoloji'nin Merkezi Dogması olarak isimlendirdiği bir "ilke"dir. Bu ilkeye göre DNA, RNA'yı sentezler; RNA da proteinleri sentezler. Hiçbir zaman proteinlerden RNA, RNA'dan da DNA üretilemez. Dolayısıyla, bu ilkeye göre canlılığın başlangıcında ilk önce oluşması gereken, DNA'dır. Buna, daha önce de belirttiğimiz gibi, "Önce-DNA Hipotezi" denmiş ve uzunca bir süre DNA'nın nasıl oluşabileceği üzerine araştırmalar yürütülmüştür. Bu araştırmaların temelinde öncelikle DNA'nın, sonrasında RNA ve proteinlerin üretildiğini fikri yatmaktadır. Fakat Önce-DNA Hipotezi birçok soru işaretini açıkta bırakıp, birçok yeni soru işareti yarattığı için hiçbir zaman güçlü bir hipotez haline gelememiştir.
Ancak daha sonra, retrovirüs dediğimiz ve ana genetik materyali canlılar gibi DNA değil de RNA olan virüslerin yapısı anlaşıldığında, "Önce-DNA Hipotezi" çok derin yaralar alarak iyice terk edilmeye başlanmışıtır. Retrovirüslerde keşfedilen yeni bir mekanizma sayesinde günümüzde artık Biyoloji'de "merkezi dogma" geçerliliğini tamamen yitirmiştir ve geçersiz olarak görülmektedir.
Önce-DNA Hipotezi'ne göre, DNA tam olarak açıklanamayan ancak temel kimyasal tepkimeler dahilinde, doğal fiziksel itki-tepki kuvvetlerine göre, bu şekilde sarmal bir halde üretilmiş ve sonrasında, yine yapısı gereği RNA sentezleyerek işlevini sürdürmüştür. Ancak bu hipotezin, pek çok açığı bulunmaktadır. Bunların en önemlisi de, DNA'nın bir katalizör yani kimyasal tepkimelerin aktivasyon enerjisinin düşürücü etkiye sahip kimyasal özelliği bulunmamasıdır. Bu da, bu kadar kompleks büyüklükte moleküllerin oluşabilme ihtimalini çok düşürmektedir. Çünkü, katalizör olan bir ortamda birkaç saniyede gerçekleşecek bir tepkime, katalizör olmadığında günler, haftalar, yıllar ve hatta yüzlerce, binlerce yıl alabilmektedir. Önce-DNA Hipotezi savunucuları, ilk canlının oluştuğu ortam koşullarını katalize edici bir faktör olarak ileri sürseler ve bu şekilde bu karşı-tezi çürütmeye çalışsalar da, yaptıkları açıklamalar bilimsel açıdan pek de tatmin edici değildir. Dahası, bu açıklamadan çok daha iyi ve az varsayıma dayanan bir diğer açıklama bulunmaktadır. Buna az sonra geleceğiz.
Sonradan yapılan yeni bir keşif, zaten neredeyse tüm soru işaretlerini ortadan kaldırmaya yetmiştir: Ribozim (ribozyme) isimli bir RNA parçası ve aynı zamanda da enzim keşfedilmiştir.
Ribozim, "ribonükleik asit enzimi"nin kısaltılmışıdır. Ribozim, aslında temel olarak bir RNA molekülüdür. Bu molekülün üçüncül (tetriary) yapısı (daha fazla bilgi için proteinlerin yapısal özelliklerine bakmanızı tavsiye ederiz) sayesinde, kalıtım materyali haricinde, aynı zamanda bir enzim olarak çalışmakta ve kimyasal tepkimelerin aktivasyon enerjisini düşürebilmektedir. Ribozim kimyasal yapısından ötürü, ortamda kendisini oluşturacak ve yazı dizimizin önceki yazılarında bahsettiğimiz temel Hayat Molekülleri'nden olan nükleotitler bulunduğu sürece, kendi kendisini üretme tepkimesini tetikleyecek bir yapıdadır. Bu tip yapılara (ribozim tek değildir), bilim dünyasında oto-katalizör denmektedir.
Dolayısıyla canlılığın başlangıcında, aktivasyon enerjisi düşürülmemiş; ancak çevre etkisi altında normalden daha kolay gerçekleşebilen bir kimyasal tepkime sonucunda, tek bir ribozim bile üretilirse (ki ribozimin yapısı DNA'dan son derece basittir), sonrasında bu ribozimin kendisinin üretimini sağlayan tepkimeyi hızlandıran özelliği sayesinde sınırsız sayıda ribozimin oluşması sadece dakikalar ve günler alacaktır. Dolayısıyla Önce-RNA Hipotezi dahilinde, ilk oluşan molekül bir ribozimdir (bir tip RNA'dır) ve bu enzim doğal süreçlerle milyonlarca yıllık bir deneme-yanılma ve seçilim süreci sonucunda oluşmuştur, sonrasında kendisini üreterek hızla çoğalmıştır. Bu basit RNA, ilkin canlılarda genetik ve düzenleyici materyal rolünü görmeye başlamış, böylece koaservat içerisindeki kimyasal bütün tepkimeleri koordine edecek olan molekül oluşmaya başlamıştır. Sonrasında bu enzim-RNA yapısı, RNA'nın oluşumunu tetiklemiştir ve buradan da geri-transkripsiyon denen ve "merkezi dogma"nın hatalı olduğunu gösteren tepkime sayesinde RNA'dan DNA üretilebilmiştir.
Şimdi, bu kavramı daha iyi anlamak amacıyla, Biyoloji'deki "central dogma" (merkezi dogma) denen yapıyı özetleyecek olursak:
1) DNA, kendisini ve RNA'yı üretebilen moleküldür.
2) RNA, DNA'yı üretemez ancak proteinleri sentezleyebilir.
3) Proteinler, ne RNA'yı ne de DNA'yı sentezleyebilir. Sadece bunlar tarafından sentezlenirler.
Daha önce de bahsettiğimiz gibi retrovirüslerin keşfi, bu dogmanın ikinci maddesinin ihlal edilebildiğini, dolayısıyla ilkenin geçersiz olduğunu göstermiştir. Retrovirüsler, yapılarında var olan RNA'yı kullanarak DNA sentezlerler. Bunu yapan enzimse reverse transcriptase denen bir enzimdir. Biraz karmaşık olan ve temel Biyoloji bilgisi gerektiren bu olayı kabaca özetlemekte fayda görüyoruz. Bunu anlamak için, günümüzde bu işlemi halen gerçekleştirebilen varlıklar olan ve canlı sayılmayan retrovirüsler (4. sınıf virüsler) ve onlardaki RNA'dan DNA sentezini inceleyebiliriz:
1) Özel bir tRNA, RNA üzerinden çiftlenmenin başlaması için gereken öncül molekül olarak RNA'nın "birincil bağlanma bölgesi" denen kısmına bağlanır.
2) Sentezlenecek olan tamamlayıcı şeridin ilk parçaları, bu öncül molekülün bağlandığı birincil bağlanma bölgesinin hemen yanında bulunan R ve U5 denen bölgeye bağlanır ve bunların ikizleri, öncül molekülün peşinde üretilir.
3) RNAz H denen bir enzim, DNA'yı üretecek olan RNA'nın bu R ve U5 bölgelerini parçalar.
4) Bu işlem sonrasında, öncül molekül RNA'nın öteki ucuna geçer ve peşinden kopyalanmış R ve U5 parçalarını da sürükler. Bu parçalardan R isimli kısım, RNA'nın diğer ucundaki R ile bağ kurar.
5) Bu işlemden sonra RNA hızla kopyalanır ve tek bir şerit olan RNA'dan, ikincil ve kendisinin ikizi bir şerit elde edilir. Bu, aynı zaman "eş DNA"nın (üretilecek olan DNA) ilk şeridi olur. Bu sırada RNAz H enzimi, ana RNA'nın büyük bir kısmını parçalar.
6) İlk şerit üretildikten sonra, otomatik olarak virüs içerisindeki RNA, ikinci şeridin oluşumunu tetikler.
7) İlk baştakine benzer bir sıçrama sonucunda, RNAz tarafından parçalanan RNA'nın yerine, ilk şeridi tamamlayan ikinci şerit üretilir. Böylece tek şeritli RNA'dan, çift sarmal olan DNA üretimi tamamlanır.
Bu olay, ilk bakışta karışık ve "moleküllerin kendi kendine yapamayacakları kadar karmaşık bir iş" gibi gözükse de, sorun "canlılık" kavramındaki hatalı tanımımızdan kaynaklanmaktadır. Şu nokta anlaşılırsa, sorun ortadan kalkar: "Canlı", bu yukarıda saydığımız gibi veya daha da karmaşık moleküler tepkimeleri gerçekleştirebilen varlıklar değillerdir. Tam tersine, bu yukarıda saydığımız gibi veya daha karmaşık moleküler tepkimelerin gerçekleştiği atomlar ve moleküller bütününe biz dönüp baktığımızda "canlı" diyoruz. Buradaki ufak farkı yakalayabildiğinizde, aklınızdaki pek çok sorun ortadan kalkacaktır. Daha ayrıntılı bilgi için, "canlılık" ve "cansızlık" kavramıyla ilgili bundan önceki yazılarımıza bakılabilir.
Ancak sonuç olarak, RNA, bu yöntemlerle ve muhtemelen başlangıçta daha basit ve karmaşık olmayan; ancak daha çok hataya meyilli olan yöntemlerle DNA'yı üretebilmektedir. İşte bu da bizi RNA Dünyası Kuramı'na götürür (bu artık bir hipotez olmayacak kadar farklı çeşitte bilimsel gerçeklerle desteklenmektedir). Bu kurama göre, daha önce bahsedildiği gibi, sadece 1 adet ribozim enzimi kimyasal ve fiziksel tepkimeler dahilinde doğal şartlar altında var olmuştur ve Doğal Seçilim sayesinde, bu yapı kendisinin üretimini sağladığı için seçilmiş ve varlığını sürdürmüştür. Bu sayede, kısa sürede Dünya'ya RNA molekülleri hakim olmaya başlamıştır. Hele ki yağ moleküllerinin su içerisinde self-organization denen bir diğer bilimsel kuram dahilinde, daha önce açıkladığımız basamaklardan geçerek bir zırh oluşturmaları ve RNA'ların bu zırh içerisine hapsolması, onları daha da avantajlı hale getirmiştir.
İşte koaservat dediğimiz ilk "canlı" yapıların genetik materyal kazanmaları da bu şekilde gerçekleşmiştir. Koaservatların oluşum ve gelişimlerine önümüzdeki yazılarda değineceğiz. Ribozim ve bunun sayesinde üretilen RNA molekülüne sahip olan koaservatlar, genetik materyalin düzenleyici rolünden ötürü çok daha avantajlı konuma geçmişlerdir ve herhangi bir genetik materyale sahip olmayanlara karşı üstünlük sağlamışlardır. Genetik materyal, bir hücre (ya da daha basit olarak koaservat) içerisindeki bütün tepkimelerin bilgisini depolayan yapıdır. Dolayısıyla genetik materyalin kazanılması, hücre içerisinde düzenli olarak gerçekleşecek tepkimelerin başlamasından daha önce olmuş olmalıdır. Daha sonra, genetik materyale vee bu sebeple de düzenli bir şekilde yaşamlarını sürdürüp çoğalmayı başarabilen bu koaservatlar gittikçe gelişerek tek hücreli canlıları meydana getirmişler ve bunların 3.8 milyar yıllık evrimleri sonucu da günümüzdeki modern canlılar meydana gelmiştir.
Önce-RNA Hipotezi (ya da günümüzdeki adıyla RNA Dünyası Kuramı), pek çok açıdan desteklenmektedir. Örneğin, canlılık Dünya'da, Dünya'nın var olmaya ve soğumaya başladığı 4.5 milyar yıl öncesinden yaklaşık 600-700 milyon yıl önce (bundan 3.8 milyar yıl kadar önce) var olmaya başlamıştır. Bu 600-700 milyon yıllık uzun süreçte, Dünya üzerinde sonsuz sayıda kimyasal tepkime gerçekleşmiştir. Miller-Urey Deneyleri ile ispatlandığı ve 462 farklı üniversitede de günümüzde sınandığı, geliştirildiği ve başarılı bulunduğu üzere, o günlerin şartlarında oluşan sayısız organik molekül, birbirleriyle birleşmiş, ayrılmış, tekrar birleşmiş ve sınırsız sayıda deneme-yanılma yapılmıştır. Sonunda daha kararlı yapıda olan bileşimler varlıklarını korumuşlardır ve cansızlıktan canlılığın oluşumu bu şekilde, minik adımlarlra, 600-700 milyon yılda gerçekleşmiştir. Bu süre, bir ribozimin var olabilmesi için fazlasıyla yeterli bir süredir. Zaten bir tanesi var olduktan sonra, sınırsız sayıda ribozim ve dolayısıyla RNA molekülünün olması işten bile değildir.
RNA var olduktan sonra, gerek diğer moleküllerle tepkimeler, gerekse de yine deneme-yanılma ve buna bağlı seçilim sonucu DNA molekülü oluşabilmiştir. Zaten RNA var olduktan sonra, DNA'nın var olması için sadece aralarında kimyasal çekim olan (Adenozin ile Timin'lerin ve Guaninler ile Citozin'lerin karşılıklı geldiği) RNA dizilimleri birleşmesi yeterli olmuştur.
İşte bu, genetik kalıtımın ve dolayısıyla Evrim'in gerçek anlamda başladığı noktadır. Ancak daha önceki yazılarımızda da görüldüğü gibi Evrim Mekanizmaları'ndan ve doğa yasalarından biri olan Doğal Seçilim, bundan öncesinde de moleküler düzeyde etkilidir. Ve yine görülebileceği gibi, aslında bu kadar abartılan bir kimyasal maddenin oluşumu, o kadar da akıl almaz karmaşıklığa sahip değildir. Ne yazık ki konu hakkındaki cahil insanlar, basit ilkokul matematik bilgileriyle Evrimsel Biyoloji'ye meydan okuyabileceklerini sanarak ciddi hataya düşmektedirler. Onların akıllarına gelen soruların hemen hepsi, bilim tarafından onlarca yıl önce cevaplanıp geçilmiş sorulardır. Önemli olan araştırmasını ve sorgulamasını bilmektir.
