Ders kitaplarına girecek bir keşif.
Evrim, günümüzde gezegendeki yaşam çeşitliliğinden sorumlu birtakım rastgele aktivite patlamalarıyla beraber oldukça acayip ve uzun bir süreç. Bu aktiviteler, daha etkili uzuvların evrilmesiyle birlikte büyük ölçeklerde meydana gelebilir. Fakat hücrenin farklı kısımlarının ilk defa oluştuğu zamanlardaki gibi mikroskobik hücre seviyesinde de gerçekleşebilir.
Şimdiyse bilim insanlarından oluşan bir araştırma takımı, muhtemelen en az bir milyar yıldır gerçekleşmemiş büyük bir yaşam olayının işaretini tespit etmiş. Araştırmacılar ana endosimbiyoz; yani tek organizmada birleşen iki yaşam formu gözlemlemişler. Dünyada bolca bulunan bir deniz algi çeşidiyle bir bakteri arasında gerçekleşen bu inanılmaz derecede nadir olay, laboratuvar ortamında gözlemlenmiş. Farklı bir açıdan bakacak olursak, böyle bir şey en son olduğunda bitkiler gezegenimize yeni yeni yayılmaya başlamıştı. Çalışmanın sonuçları geçtiğimiz günlerde Cell ve Science bültenlerinde iki makale halinde yayımlandı.
‘Hücrenin enerji santralinin’ ve kloroplastların geldiği yer
Ana endosimbiyoz, mikrobiyal bir organizma diğerini yuttuğu zaman gerçekleşiyor. Sonrasında bu yutulmuş canlılar bir iç organ gibi kullanılmaya başlanıyor. Konak canlı, endosimbiyont adı verilen bu canlıya besin, enerji ve koruma gibi birkaç fayda sağlıyor. Yutulan endosimbiyont, artık kendi başına hayatta kalamadığında konak hücre için organel adı verilen bir organa dönüşüyor.
Cell bülteninde yayımlanan çalışmanın eş yazarı olan ve Santa Cruz – California Üniversitesinde çalışan doktora sonrası araştırma görevlisi Tyler Coale, “Organellerin bu tip şeylerden ortaya çıkması çok nadir görülen bir şey” diyor açıklamasında. “İlk defa gerçekleştiğini düşündüğümüz zamanlarda bütün kompleks yaşama hayat vermişti.”
Konak yaşam formunun diğer canlının fonksiyonu için temel teşkil ettiği endosimbiyozun, tarihte sadece üç defa gerçekleştiği biliniyor. Tüm bu vakalar evrim için büyük atılımlar olmuş çünkü konaklarıyla birleşmeleri, endosimbiyontların var olması için temel bir niteliğe dönüşmüş.
İlk olay yaklaşık 2,2 milyar yıl önce gerçekleşmiş. O zamanlar arke isimli tek hücreli bir canlı, nihayetinde mitokondriye dönüşecek olan bir bakteriyi yutmuş. Bu özelleşmiş organel, bütün biyoloji öğrencilerinin “hücrenin enerji santrali” olduğunu öğrendiği şey. Mitokondrinin oluşumu, kompleks organizmaların evrimleşmesine olanak sağlamış.
“Bir bakteri hücresinden daha karmaşık olan her şey varlığını o olaya borçlu” diyor Coale. “Bir milyar yıl kadar önce, aynı şey bu sefer bize bitkileri veren kloroplast ile gerçekleşmiş.”
Bu ikinci olay, daha gelişmiş hücrelerin siyanobakterileri özümsediği zaman meydana gelmiş. Güneş ışığından enerji toplayabilen siyanobakteriler, nihayetinde kloroplast adı verilen ve güneş ışığından enerji toplayabilen organellere dönüşmüş. Bu kloroplastlar, bize biyolojinin bir diğer ana ilkesini; Güneş’ten yiyecek üretebilen yeşil bitkileri vermiş.
Bu son endosimbiyoz olayıyla birlikte, alglerin atmosferdeki nitrojeni diğer hücresel işlemler için kullanabilecekleri amonyağa dönüştürmesi mümkün. Fakat bir bakterinin yardımı gerekiyor.
Yeni bir organel mi?
Cell bülteninde yayımlanan makalede araştırma takımı, bu sürecin bir kez daha gerçekleştiğini gösteriyor. Bilim insanları, Braarudosphaera bigelowii adı verilen bir alg türünü incelemiş. Bu alg, kendisine bir miktar bitki süpergücü sağlayan bir siyanobakteri içine çekmiş. Havadan doğrudan nitrojen “fikse edebiliyor” ve onu diğer elementlerle birleştirip daha faydalı bileşenler meydana getirebiliyor. Bitkiler normalde böyle bir şey yapamıyor.
Nitrojen yaşamın var olması için çok önemli bir besin ve bitkiler normalde onu bitki ya da alglerden ayrı duran bakterilerle kurdukları karşılıklı ilişkiler yoluyla elde ediyorlar. Araştırma takımı ilk önce B. bigelowii’nin UCYN-A adı verilen bir bakteriyle bu tür bir simbiyotik ilişki sergilediğini düşünmüş. Bu ilişki sonrasında çok daha yakın ve ciddi hale gelmiş.
Bilim insanları bu alg ve UCYN-A bakterisi arasındaki boyut oranının, B. bigelowii algiyle ilişkili farklı türler boyunca benzer kaldığını keşfetmiş. Bu büyüme, anahtar besinlerin alışverişiyle kontrol ediliyor ve canlıların metabolizmalarını birbirine bağlıyor gibi görünüyor. Büyüme oranlarındaki bu eşgüdüm, araştırmacıların UCYN-A’yı ‘organel benzeri’ şeklinde adlandırmasına yol açmış.
Makalenin eş yazarı ve UC Santa Cruz’da mikrobiyal okyanus bilimci olan Jonathan Zehr, “Organellerde tam olarak böyle oluyor” diyor bir açıklamada. “Eğer mitokondri ve kloroplasta bakarsanız, aynı şeyi görürsünüz: Hücreyle orantılıdırlar.”
Nitroplasta merhaba deyin
Bu bakterinin bir organel olduğuna yönelik daha fazla bulgu arayan bilim insanlarının, daha derinlere bakması gerekmiş. Science bülteninde yayımlanan çalışmada araştırmacılar gelişmiş X-ışını görüntüleme yöntemi kullanarak, canlı B. bigelowii alg hücrelerinin iç kısmını incelemişler. Bunun sonucunda, çoğalma ve hücre bölünmesinin hem konak alg hem de UCYN-A bakterisi arasında eşgüdüm gösterdiği ortaya çıkmış. Çalışma, ana endosimbiyozun iş başındaki bu canlı birleştirme sürecine yönelik çok daha fazla kanıt sağlamış.
Berkeley Laborutavarı Biyobilimler Alanında çalışan ve ABD Ulusal X-Işını Tomografi Merkezinin başkanı olan makale eş yazarı Carolyn Larabell, “Bu makaleye kadar, bunun bir ‘endosimbiyont’ olup olmadığı ya da gerçek bir organele dönüşüp dönüşmediği hâlâ bilinmiyordu” diyor bir açıklamada. “X-ışını görüntülemesiyle birlikte konak alg ve endosimbiyontun bu çoğalma ve bölünme sürecinin eşgüdümlü olduğunu gösterdik. Bu durum, ilk güçlü kanıtları sundu.”
Araştırmacılar ayrıca izole UCYN-A bakterisinin proteinlerini alg hücrelerinin içindeki proteinlerle de karşılaştırmış. Araştırma takımı, izole bakterinin ihtiyaç duyduğu proteinlerin sadece yarısı kadarını üretebildiğini keşfetmiş. Yaşamak için gereken proteinlerin geri kalanını sağlaması için konak alge ihtiyaç duyuyor.
“Endosimbiyonttan organele giden bir şeyin ayırıcı özelliklerinden biri de bu” diyor Zehr. “DNA parçalarını atmaya başlıyorlar, genomları gittikçe ufalıyor ve o gen ürünlerinin (veya proteinin) hücreye nakledilmesi için ana hücreye bağımlı olmaya başlıyorlar.”
Araştırma takımına göre bu durum, UCYN-A’nın bir tam organel şeklinde düşünülebileceğini gösteriyor. “Nitroplast” adını verdikleri bu organel, 100 milyon yıl kadar önce evrimleşmeye başlamış olabilir. İnsanların zaman algısına göre kulağa uzun gelse de mitokondri ve kloroplastlar ile karşılaştırıldığında, evrimsel zamanda sadece bir milisaniye kadar.
UCYN-A ve konak algiyle ilgili hâlâ cevaplanmamış bir sürü soru var ve araştırma takımı, UCYN-A ile algin farklı soy hatlarında nasıl işlediğini çözüp incelemek istiyor. Nitroplastlar üzerinde yürütülecek daha fazla çalışmayla, bunların başka hücrelerde de bulunup bulunmadığı ve sağladıkları faydaların ne olduğu belirlenebilir. Örneğin tarımda geniş uygulama alanları olabilir.
“Bu sistem nitrojen fiksasyonunda yeni bir bakış açısı” diyor Coale. “Böyle bir organelin mühendislik yoluyla mahsul veren bitkilere nasıl dönüştürülebileceğiyle ilgili ipuçları sağlayabilir.”
Zehr’e göre bilim insanları muhtemelen UCYN-A ile benzer evrimsel hikayeleri olan başka organizmalar bulacak ama bu keşif, “ders kitaplarına geçecek türden”.
Yazar: Laura Baisas/Popular Science. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
