Dünyadaki Tüm Yaşamın Atasını Tanımlamak
Dünya’da yaşamın nasıl başladığını ve evrimleştiğini anlamak, insanları uzun zamandır büyüleyen bir sorudur ve modern bilim insanları bazı cevaplar bulma konusunda büyük ilerlemeler kaydetmiştir.
Şimdi, yeni çalışmamız Dünya’daki yaşamın kökeni hakkında yeni bilgiler sunmayı umuyor.
Yaklaşık 375 milyon yıl önce, balık benzeri atalarımız solungaçları aracılığıyla nefes alıyordu. 600 milyon yıldan fazla bir süre önce, tüm hayvanların ortak atası olan mikroskobik urmetazoan ortaya çıktı.
Ancak tüm bunlar gerçekleşmeden milyarlarca yıl önce, tüm canlı organizmaların ortak atası, son evrensel ortak ata (Luca) var olmuş olmalıdır.
Bilim insanları on yıllar boyunca Luca’yı tanımlamaya çalışmış ve Luca’nın neye benzediği konusunda farklı fikirlere sahip olmuşlardır. Bir başka tartışma konusu da Luca’nın yaşıdır. Yaşam için elimizdeki en eski fosil kanıtı yaklaşık 3,4 milyar yaşında.
Bazı çalışmalar Luca’nın yaşını 4,5 milyar yıl öncesine, Dünya’nın doğumuna yaklaştırıyor. Diğerleri ise genetik kodun ve DNA replikasyon mekanizmasının oluşması için geçmesi gereken süre nedeniyle bunun imkansız olduğunu düşünüyor.
Luca ilk yaşam formu değildi; tüm canlı organizmaların kendisinden türediği organizmaydı. Bununla birlikte, bilim insanları canlı organizmaların Luca’dan çok daha önce var olmuş olabileceğini düşünüyor.
Luca’nın neye benzediğini ve ne zaman yaşadığını anlamak, Dünya’da yaşamın nasıl evrimleştiğini anlamamıza yardımcı olması açısından önemlidir.
Nature Ecology & Evolution’da yayınlanan son çalışmamızda, Luca’nın genomunu yeniden yapılandırmak ve bulduğumuz genlerin Luca’nın yaşamasına nasıl izin vermiş olabileceğini göstermek için bilimsel yöntemlerin bir kombinasyonunu kullandık. Bu proje birkaç yıllık bir çalışmanın ve uluslararası işbirlikçilerden oluşan bir ekibin sonucuydu.
Luca’nın doğası
Luca’nın genomunu yeniden yapılandırmak için farklı bakteri ve arke (bakterilerden farklı tek hücreli organizmalar) gruplarından genom (bir organizmadaki tüm genetik bilgi) örneklerine ihtiyacımız vardı, böylece modern yaşamı örneklediğimizden emin olabilirdik.
Ökaryotları (bitkiler, hayvanlar ve mantarlar) hariç tuttuk çünkü bilim insanları bunların çok daha sonra arke ve bakterilerin birleşmesinden evrimleştiğini düşünüyor. Elimizde, bazılarımızın dahil olduğu 2022 tarihli bir çalışmadan derlenmiş 700 genomluk (350 arke ve 350 bakteri) bir set vardı.
Modern organizmalardaki amaçlarını anlamak için bu genleri farklı ailelere ayırdık. Bunun için bilim insanlarının organizmaların metabolik yollarını (yaşamı nasıl sürdürdüklerini) anlamalarına yardımcı olan KEGG adlı bir veritabanı kullandık.
Daha sonra, farklı türler arasındaki ilişkiyi anlamak ve zaman içinde nasıl evrimleştiklerini görmek için bu aileleri filogenetik ağaçlar (veya bir nevi soy ağacı gibi filogeniler) çıkarmak için kullandık.
Ayrıca, çalışmamızdaki 700 organizmanın tamamında ortak olan ve muhtemelen neredeyse tüm yaşamda bulunan 57 genden oluşan ayrı bir set oluşturduk. Bu tür genler son birkaç milyar yılda çok fazla değişmedi.
Bu 57 geni, farklı organizmaların Darwinci ilişkilerini gösteren bir tür ağacı oluşturmak için kullandık. Daha sonra gen çoğalması, gen transferi ve kaybı oranlarını modelleyerek KEGG gen ağaçlarımızı tür ağacı ile birleştirebildik. Bu aynı zamanda Luca’da farklı gen ailelerinin bulunma olasılığını hesaplamamızı sağladı.
Luca’nın genomunu yeniden yapılandırmak, sanki bugün yaşıyormuş gibi metabolizmasını tahmin etmemizi sağladı. Luca’yı modern bakteriler ve arkeler gibi küçük bir genoma sahip oldukça karmaşık bir organizma olarak hayal ediyoruz. Ancak, fotosentez (bazı bakterilerin kullandığı) veya bazı modern bakteri ve arkelerin hayatta kalmak için kullandığı kimyasal bir süreç olan azot fiksasyonu için kanıt bulamadık.
Luca kaç yaşındaydı?
Luca’dan önce çoğaldığını düşündüğümüz genleri fosillerden elde edilen bilgilerle birlikte kullanarak Luca’nın yaşını tahmin etmek için yeni bir yöntem de denedik.
Normalde, evrimsel zaman çizelgelerini çıkarmak için, ortak bir ataya kadar uzanan homolog genlerle ilgilendiğimiz türlerin bir filogenisini elde ederdik.
Daha sonra, filogeninin kökünü oluşturmak için ilgilendiğimiz türle uzaktan akraba olan (bir dış grup) bir grup tür buluruz.
Bir filogenideki türleri birbirine bağlayan “dallar”, genetik değişikliklerin (mutasyonların) gerçekleşme hızı ve türlerin birbirinden ayrıldığı zaman hakkında bilgi verir. Türleşme olaylarının gerçekleştiği potansiyel minimum yaşlar hakkında moleküler saati bilgilendirmek için fosil veya jeolojik kanıtları kullanabiliriz.
Ancak Luca ile iki sorunumuz var. Yaşamın kökeni için bir dış grup yoktur ve moleküler saati kalibre etmek için kullanabileceğimiz erken Dünya’dan çok fazla fosil veya jeolojik kanıt yoktur.
Bu kısıtlamaların üstesinden gelmek için, bilim insanlarının Luca’ya kadar izini sürdüğü paralel genleri kullandık. Paralog genler birbirleriyle gen duplikasyonu yoluyla ilişkilidir. Bu, bir tür ikiye bölündüğünde, her biri çoğaltılmış genin kendi kopyasına sahip olduğunda meydana gelebilir.
Luca’nın yaklaşık 4,2 milyar yıl önce Dünya’da dolaştığını tahmin ediyoruz. Eğer zaman tahminimiz gerçeğe yakınsa, genetik kod, protein çevirisi ve yaşamın kendisi gibi şeyler neredeyse Dünya oluştuktan hemen sonra hızla evrimleşmiş olmalıdır.
Luca’yı yeniden yapılandırmamız ilk değil ve kesinlikle son da olmayacak. Her yıl daha fazla organizma keşfedilmekte ve dizilimi yapılmakta, bilgisayarlar daha güçlü hale gelmekte ve evrimsel modeller sürekli gelişmektedir.
Bu nedenle, daha fazla veri ve güçlü teknikler elde edildiğinde Luca hakkındaki anlayışımız değişebilir.
Örneğin, Luca zamanında muhtemelen bugün artık herhangi bir organizma tarafından temsil edilmeyen birçok başka organizmanın yaşadığını göz önünde bulundurmalıyız.
Luca’nın erken torunlarından herhangi biri günümüze ulaşamadıysa ve genleri hayatta kalmadıysa, bu gen ailelerini asla Luca’ya kadar haritalayamayacağız, bu da Luca’yı yeniden inşa etmemizin eksik olabileceği anlamına geliyor.
Tüm teknik kısıtlamalara rağmen, çalışmamız Luca’yı anlamak için yeni bir yol çiziyor. Ancak Dünya gezegenimizin oluşumundan bu yana yaşamın nasıl evrimleştiğini daha iyi anlamak için yapılması gereken daha çok iş var.
Kaynak: https://www.sciencealert.com