Biyolojinin Demir Çağı: Hayatın İlk Temel Taşını Keşfetmek
Metaller, özellikle de demir, yaşamın başlangıcından bu yana biyolojik işlevlerde çok önemli bir rol oynamıştır.
Bilim insanları, oksijen öncesi okyanuslardaki bolluğuyla şekillenen demirin yaşamın erken dönemlerinde baskın metal olduğunu öne sürmektedir. Bu baskınlık, erken organizmaların biyolojik süreçlerini ve evrimini etkilemiş, Dünya atmosferinin oksijenlenmesinin ardından demirin çözünürlüğünü ve bulunabilirliğini azaltan önemli değişimler meydana gelmiştir.
Metallerin Biyolojik İşlevlerdeki Rolü
Her canlı organizma, nefes almak, DNA’yı kopyalamak, gıdayı enerjiye dönüştürmek veya herhangi bir sayıda temel yaşam süreci dahil olmak üzere biyolojik işlevleri yerine getirmek için küçük miktarlarda metal kullanır.
Yaşam, tek hücreli organizmaların Dünya’nın ilk okyanuslarında yüzmesinden bu yana metalleri bu şekilde kullanmıştır. Organizmalarda bulunan enzimlerin neredeyse yarısı metallere ihtiyaç duyar ve bunların çoğu periyodik tabloda kapladıkları yer nedeniyle geçiş metalleri olarak adlandırılır.
Erken Biyolojik Gelişimde Demirin Önceliği
Şimdi ise Michigan Üniversitesi, California Teknoloji Enstitüsü ve Los Angeles California Üniversitesi’nden bilim insanlarından oluşan bir ekip, demirin yaşamın en eski ve tek geçiş metali olduğunu savunuyor.
“Radikal bir öneride bulunuyoruz: Demir, yaşamın ilk ve tek geçiş metaliydi,” diyor U-M Yer ve Çevre Bilimleri Bölümü’nde yardımcı doçent olan Jena Johnson. “Yaşamın yalnızca etkileşime girebileceği metallere dayandığını ve demir açısından zengin erken okyanusun diğer geçiş metallerini esasen görünmez kılacağını iddia ediyoruz.”
Güney Afrika’dan Arkean demir oluşumunun sondaj çekirdeği. Kredi: Jena Johnson, Michigan Üniversitesi
Araştırma Yaklaşımı ve Tarihsel Biyokimya Anlayışları
Johnson bu fikri araştırmak için UCLA profesörü Joan Valentine ve Caltech araştırmacısı Ted Present’a katıldı.
Bir biyoinorganik kimyager olan Valentine, ilk yaşamın mikroskobik olmaktan bugün var olan karmaşık organizmaların çoğalmasına nasıl evrimleştiğiyle ilgilenmeye başladı. Özellikle, organizmaların gerekli yaşam süreçlerini gerçekleştirebilmeleri için yaşamın erken dönemlerinde enzimlere hangi metallerin dahil edildiğini merak etti. Diğer araştırmacıların, Dünya tarihinin ilk yarısında okyanusların demirle dolu olduğunu söylediklerini defalarca duymuş.
“Benim alanım olan biyokimya ve biyoinorganik kimyada, tıpta ve yaşamda demirin bir eser element olduğunu anlamalısınız. Bunlar sadece küçük miktarlarda bulunan elementlerdir,” diyor Valentine. “Bana demirin eser element olmadığı söylediğinde aklım başımdan gitti.”
Demirin Jeolojik ve Biyolojik Etkileri
Grubu demir oluşumları ve erken okyanus biyojeokimyası üzerine çalışan Johnson ve Present, erken okyanusların demir, özellikle de Fe(II) adı verilen bir demir iyonu açısından zengin olduğunu gösteren jeolojik kanıtlara aşinaydı. Fe(II) suda kolayca çözünebilir ve yaklaşık 4 milyar yıl önce başlayıp yaklaşık 2,5 milyar yıl önce sona eren jeolojik bir zaman dilimi olan Archean Eon sırasında okyanuslarda bulunan birincil metal olabilir.
Archean Eon’un sonu Büyük Oksijenlenme Olayı olarak adlandırılan bir olayla işaretlenmiştir. Bu dönemde yaşam, oksijen üreten fotosentez yapabilme yeteneğini geliştirmiştir. Araştırmacılara göre, önümüzdeki milyar yıl boyunca Dünya’nın okyanusu demir açısından zengin, anoksik bir denizden bugünkü oksijenli su kütlesine dönüştü. Bu aynı zamanda Fe(II)’yi Fe(III)’e oksitleyerek çözünmez hale getirdi.
Güney Afrika’dan manyetit bantlı demir oluşumunun yakın çekim fotoğrafı. Kredi: Jena Johnson, Michigan Üniversitesi
Demirin Erken Dönem Yaşam Üzerindeki Etkisini Keşfetmek
Johnson ve Present, jeologların bu dönemde demirin Dünya’da her yerde bulunduğunu bildiklerini, ancak Valentine ile konuşmaya başladıklarında demirin erken yaşam üzerinde ne kadar büyük bir etkisi olabileceğini fark ettiklerini söyledi.
Present, potansiyel etkiyi incelemek için, yaşam başladığında Dünya okyanuslarında bulunabilecek demir, manganez, kobalt, nikel, bakır ve çinko gibi belirli metallerin konsantrasyonlarına ilişkin tahminleri güncelleyen bir model tasarladı. Grup, en erken yaşam için bu elementlerin maksimum konsantrasyonunu ve kullanılabilirliğini tahmin edebildiğini söyledi.
Jeolojik Zaman İçinde Metal Kullanımındaki Değişim
Present, “Büyük Oksijenlenme Olayı meydana geldiğinde en dramatik şekilde değişen şey aslında bu diğer eser elementlerin konsantrasyonu değildi” dedi. “En dramatik şekilde değişen şey, çözünmüş demir konsantrasyonlarındaki azalmaydı. Bunun yaşam için ne anlama geldiği ve sudaki elementleri nasıl ‘gördüğü’ ile ilgili çıkarımlar gerçekten tartışılmamıştı.”
Grup, erken okyanuslarda hangi metallerin bulunduğunu belirledikten sonra, basit biyomoleküllerin bu demir açısından zengin çözeltilerde hangi metallere bağlanacağını araştırdı.
Metal Kıtlığına Evrimsel Adaptasyon
Valentine ve Johnson, şu anda diğer metallere dayanan metaloenzimlerde demirin işe yarayıp yaramayacağını belirlemek için bilimsel literatürü tarayarak günümüzde yaşamın belirli metalleri nasıl kullandığını araştırdı. Her örnekte, demir veya magnezyumun nasıl ikame edilebileceğine dair örnekler buldular. Bir metaloenzim çinko gibi belirli bir metal türünü kullanabilirken, bunun enzimin kullanabileceği tek metal olduğu anlamına gelmediğini buldular.
Valentine, “Çinko ve demir gerçekten dramatik bir örnek çünkü çinko şu anda yaşam için kesinlikle gerekli” dedi. “Çinko olmadan yaşam fikrini düşünmek benim için gerçekten zordu, ta ki bu konuyu araştırana ve demiri Fe(II)’den Fe(III)’e oksitleyecek oksijen olmadığı sürece, demirin bu enzimlerde çinkodan daha iyi olduğunu fark edene kadar.”
Present, demir oksitlendiğinde ve artık Büyük Oksijenlenme Olayı’ndan önceki kadar biyolojik olarak mevcut olmadığında, yaşamın enzimlerine takmak için başka metaller bulmak zorunda kaldığını söyledi.
Present, “Yaşam, diğer metallerden çok daha fazla demir karşısında, onları yönetmek için böylesine sofistike bir yola doğru evrimleşmeyi bilemezdi” dedi. “Demir bolluğunun azalması, yaşamı hayatta kalmak için bu diğer metalleri yönetmeye zorladı, ancak bu aynı zamanda yeni işlevleri ve bugün sahip olduğumuz yaşam çeşitliliğini de mümkün kıldı.”
Kaynak: https://scitechdaily.com
Dünyanın En Büyük Demir Cevheri Yatakları 1 Milyar Yıl Önce Süper Kıta Parçalanmasında Oluştu.