Karmaşık Yaşam Düşündüğümüzden Milyar Yıl Daha Eski Olabilir

Karmaşık yaşamın ilk adımlarını izleyen yeni bir çalışma, daha basit atalardan bu dönüşümün yaklaşık 3 milyar yıl önce, gezegenimizin gelişen ökaryotik biyosferi desteklemek için gerekli oksijen seviyelerine ulaşmasından çok önce başladığını öne sürüyor.

Bu, bazı tahminlerin karmaşık hücrelerin ortaya çıkışını belirlediği tarihten neredeyse 1 milyar yıl daha erken bir tarihtir ve karmaşıklıkta hızlı bir sıçrama yerine, şaşırtıcı derecede uzun ve yavaş bir evrimsel gelişime işaret etmektedir.

Dünya'daki yaşamı gruplandırmanın birçok yolu vardır, ancak muhtemelen en temel ayrım prokaryotlar ve ökaryotlar arasındadır.

Bakteriler ve arkeleri içeren bir grup olan prokaryotlar, yaklaşık 4 milyar yıl önce Dünya'da ortaya çıkan ilk yaşam formlarıydı. Prokaryotlar nispeten basittir ve esasen bir hücre zarı, bazı sağlam proteinler ve serbestçe yüzen DNA'dan oluşur.

Buna karşılık, ökaryotlar daha sonra ortaya çıktı ve çekirdekler, organeller, hassas iç zarlar ve daha büyük, daha yapılandırılmış genomlarla çok daha karmaşıktır.

Ne kadar sonra ortaya çıktıkları ve bu bileşenlerin gelişme sırası, çok uzun zamandır açık bir soru olarak kalmıştır. En büyük bilinmeyenlerden biri, mitokondrinin zaman çizelgesinde nereye yerleştiğidir. Mitokondri, hücrenin “enerji santrali” olarak adlandırılır ve glikozdaki enerjiyi, hücresel süreçlere güç sağlamak için adenosin trifosfat (ATP) adlı bir kimyasala dönüştürmeye yardımcı olur.

Bilim adamları, mitokondrinin başka bir hücrenin içine yerleşen ve sonunda onunla birleşen serbest yaşayan bir bakteri olarak başladığını düşünmektedir. Bu birleşmenin zamanlaması önemlidir – mitokondri önce mi ortaya çıktı ve karmaşıklığa doğru diğer değişiklikleri tetikledi, yoksa karmaşıklık önce mi başladı ve mitokondri daha sonra mı ortaya çıktı?

Bunu anlamak için, İngiltere'deki Bristol Üniversitesi'nden paleobiyolog Christopher Kay liderliğindeki bir ekip, çok çeşitli organizmalardan alınan genlerin moleküler saat analizini gerçekleştirdi.

İngiltere'deki Bath Üniversitesi'nden hesaplamalı evrimsel biyolog Tom Williams, “Yaklaşım iki aşamalıydı: yüzlerce türden sekans verisi toplayarak ve bunu bilinen fosil kanıtlarıyla birleştirerek, zaman çözünürlüklü bir yaşam ağacı oluşturabildik” diyor.

“Daha sonra bu çerçeveyi, tek tek gen aileleri içindeki tarihsel olayların zamanlamasını daha iyi çözmek için uygulayabildik.”

Moleküler saat, bilim insanlarının organizmaların ne zaman ayrıştığını ve özelliklerin ne zaman ortaya çıktığını tahmin etmelerini sağlayan bir yöntemdir. Temel olarak, gezegendeki tüm yaşam formlarının birkaç ortak özelliği vardır, örneğin evrensel genetik kod, neredeyse evrensel bir amino asit seti ve enerji için ATP'ye evrensel bağımlılık.

Bilim adamları, belirli bir DNA dizisinde mutasyonların meydana gelme hızını tahmin edebilir, birden fazla türdeki aynı diziyi karşılaştırabilir ve geriye doğru çalışarak bu türlerin en son ne zaman ortak bir ataya sahip olduklarını tahmin edebilirler. Ayrıca, moleküler saati kullanarak özelliklerin veya gen işlevlerinin ilk ne zaman ortaya çıktığını da belirleyebilirler.

Araştırmacılar, ökaryotlar ve prokaryotlar arasındaki farklara odaklanarak, yüzlerce organizmanın genlerini kullanarak ökaryotik özelliklerin ortaya çıktığı sırayı gösteren bir zaman çizelgesi oluşturdular. Modeline CALM adını verdiler, bu isim Complex Archaeon, Late Mitochondrion (Karmaşık Arkeon, Geç Mitokondri) kelimelerinin baş harflerinden oluşuyor.

Şaşırtıcı bir şekilde, ilk genetik izlerin bazıları yaklaşık 2,9 ila 3 milyar yıl önce ortaya çıktı ve aktin ve tubulin proteinleri, basit bir hücre iskeleti ve protonükleusun erken özelliklerine doğru ilk tespit edilebilir adımlar atıldı.

Bunu, sitoplazmik membranlara, Golgi aparatı adı verilen organellere ve RNA polimerazlar gibi gen ekspresyon sistemlerinin çeşitlenmesine yol açacak değişiklikler izledi.

Mitokondri nispeten geç ortaya çıktı – yaklaşık 2,2 milyar yıl önce.

Ancak bu zamanlama, Dünya'nın oksijeninin hızla arttığı zamanla çakışıyor – bu da, ökaryotik yaşamın Büyük Oksidasyon Olayı'ndan önce iyi bir yol kat etmiş olmasına rağmen, bugünkü haline gelmek için çevresel değişikliklerden biraz destek alması gerektiğini gösteriyor.

Kay, “Bu çalışmayı farklı kılan, bu gen ailelerinin gerçekte ne yaptığını ve hangi proteinlerin hangileriyle etkileşime girdiğini, hepsini mutlak zaman içinde ayrıntılı olarak incelemesidir” diyor.

“Bunu yapmak için bir dizi disiplinin bir araya gelmesi gerekti: zaman çizelgesini belirlemek için paleontoloji, güvenilir ve kullanışlı ağaçlar oluşturmak için filogenetik ve bu gen ailelerine bir bağlam kazandırmak için moleküler biyoloji.”

Bu yazı SCIENCEALERT’ de yayınlanmıştır.