Bir Milyar Yıl Sonra: İki Farklı Türün Birlikteliği

Geçtiğimiz ay, özellikle evrim biyolojisi açısından oldukça önemli ve uzmanlara göre geçtiğimiz bir milyar yıl boyunca tekrar etmemiş bir olayın, laboratuvar ortamında da olsa, gerçekleştiği iddia edildi: iki farklı canlı türü, bir deniz yosunu (alg) ve bir bakteri birleşerek tek bir organizma halini aldı. Buna bilim dünyasında endosimbiyoz adı veriliyor ve bir önceki seferin bitkiler gezegenimize yayılmaya başladığı zaman yaşandığı düşünülüyor. Söz konusu araştırmanın sonuçları yakın zaman önce Cell ve Science dergilerinde yayınlandı.

Simbiyoz (ortakyaşam) nedir?

Simbiyotik ilişki veya simbiyoz, iki farklı canlı türü arasında çoğunlukla yaşamsal öneme sahip biyolojik bir ilişki olduğu anlamına geliyor (Yunanca syn yani “birlikte” ve biosis yani “yaşamak” kelimelerinden türemiştir ve ortak yaşam, yoldaşlık, işbirliği gibi düşünülebilir). Bu ilişkide taraflardan biri fayda sağlarken diğerine zarar veriyor olabilir (parazitler gibi), taraflar birbirine karşılıklı fayda sağlıyor olabilir (yaprak bitlerinin salgıladığı özsu ile beslenen ve karşılığında bitleri avcılara karşı koruyan karıncalar gibi) veya biri fayda sağlıyorken diğerinin hayatına olumlu/olumsuz bir etki etmiyor olabilir (hayvanların üzerine yapışarak uzaklara taşınan pıtrak gibi bitki tohumları). Taraflara ise simbiyont veya ortakyaşar adı veriliyor (konak ve konakçı). Bu tip ilişkiler bir canlı türü için mecburi olabilir veya sadece bir araya geldiklerinde ortaya çıkıyor olabilir. Sizin aklınıza bu tip ilişkilerin başka örnekleri geliyor mu?

Simbiyoz teriminin anlamı ve kullanımı üzerine tartışmalar yüz yıldan uzun bir süredir devam ediyor. Alman biyolog Albert Bernhard Frank (mikoriza ismini ortaya koyan ilk kişi olmakla birlikte), 1877 yılında likenleri tanımlarken kullanmış, Alman mantar bilimci (mikolog) Heinrich Anton de Bary ise 1878’de “farklı canlıların bir arada yaşaması” olarak tanımlamıştı simbiyozu. Bilim insanları için farklı anlamlar taşıyor; kimi yalnızca çıkarcı ilişkileri tanımlamakta kullanılması gerektiğini savunuyor, kimi de yukarıda saydığımız üç farklı ilişkiyi de kapsadığını düşünüyor.

Simbiyotik ilişkiler, tarafların fiziksel yakınlığı üzerinden de sınıflandırılıyor. Ektosimbiyoz (Yunanca ecto, yani “dış, harici”), bir canlının konak canlı “üzerinde” yani cildinde veya iç organları yüzeyinde yaşadığı (örneğin, köpekbalıkları üzerindeki artıklarla beslenen remora balıkları), endosimbiyoz ise (Yunanca endo, yani “iç, dahili”) taraflardan birinin konak canlı hücreleri içine veya arasına konumlandığı durumlar için kullanılıyor.

Endosimbiyoz nedir?

Bu yazıya vesile olan ve girişte bahsettiğimiz haberde geçen durum, bir endosimbiyoz örneği. Bu ilişkide konakçı yani taşıyıcı canlı, endosimbiyont canlının sunduğu bazı besinlere ulaşamıyordur. Bunun neticesinde, kendi bedeninde özel hücreler oluşturarak endosimbiyont için uygun ortam yaratır ve bu hücreler kendi genetik yapısını da değiştirerek bu özelliğin nesilden nesile aktarılmasını sağlar. Endosimbiyont içinse değişim daha da büyüktür. Sindirim ve DNA onarımı gibi süreçlere ait genlerin çoğunu kaybeder ve böylece genomu ciddi oranda küçülür. Bununla birlikte genetik transkripsiyon (DNA molekülünü şablon olarak kullanarak mesajcı RNA oluşturma), replikasyon ve protein çevrimine ilişkin genleri tutar. Endosimbiyozun evrim sürecinde başrol oynayan ve bildiğimiz anlamda yaşamı şekillendiren, karmaşık hücre yapılarını ve böylece çok hücreli canlılığı mümkün kılan önemli bir biyolojik gelişme olduğu düşünülüyor.

Yeryüzündeki tüm canlılar, hücrelerinin yapısında bulunan çekirdek (nükleus) bileşenlerinin, zarla çevrili ayrı bir bölüm içinde yer alıp almamasına göre ikiye ayrılır: prokaryotlar (Yunanca pros, yani ilk ve karyon yani çekirdek) genelde tek hücrelidir ve zarla çevrili bir çekirdeği yoktur ve ilkel canlılar olarak kabul edilir (ör. virüsler, bakteriler, mavi-yeşil algler); ökaryotlar ise (Yunanca eu, yani iyi + karyon) genelde çok hücreli olmakla birlikte zarla çevrili bir hücre çekirdeğine ve yine zarla çevrili organellere sahiptir ve farklılaşarak kas, sinir, üreme hücreleri gibi farklı amaçlara hizmet edecek yapılar kazanabilir, böylece organları, sistemleri ve metabolizmaya sahip çok hücreli canlıları mümkün kılar (ör. bitkiler, hayvanlar, mantarlar).

Bu ön bilgilerden sonra, endosimbiyoz teorisinin evrim açısından neden önemli olduğundan bahsedelim. Bildiğimiz kadarıyla bu sıçrama geçmişte yalnızca üç kere yaşandı ve bunların her biri evrim açısından çığır açıcı gelişmelere yol açtı. Birincisi 2,2 milyar yıl kadar önce, bir prokaryotun bir bakteriyi yutmasıyla gerçekleşti. Bakteri, evrim sürecinde değişim geçirerek konakçının bir parçası haline geldi ve hücrenin içinde şu anda bildiğimiz mitokondriye dönüştü. Mitokondriyse, lise biyoloji derslerini hatırlarsak hücrenin enerji üreten (ATP – Adenozin Trifosfat) organelidir. Büyüklük ve şekilleri bakterilere benzerlik gösterir, bölünüp çoğalabilir, kendilerine ait ribozom, DNA ve RNA’ları vardır. Bu özellikleriyle endosimbiyoz teorisini destekler ve mitokondriler ile bakteriler arasındaki bu benzerlik, 1800’lerin sonlarından bu yana bilim insanlarının ilgisini çekmiştir.

Bu bahsettiğimiz olaya, yani bir mikroorganizmanın başka bir mikroorganizmayı ilk defa bünyesine katarak bir iç organ gibi kullanmaya başlamasına birincil endosimbiyoz adı veriliyor. Böyle bir olay, tahmin edeceğiniz gibi milyarlarca yıldır devam eden evrim sürecinde dahi çok nadir gerçekleşiyor. California Üniversitesi araştırmacılarından Tyler Coale’a göre ‘‘bu olayın ilk defa gerçekleşmesi tüm karmaşık canlı formlarının ortaya çıkmasını sağladı.’’ Günümüzden yaklaşık 1milyar kadar yıl önce yeniden gerçekleştiğindeyse bitkilerde fotosentezi mümkün kılan, dolayısıyla bitkileri mümkün kılan kloroplast organeli ortaya çıktı, ki buna da ikincil endosimbiyoz deniyor. Bu süreçteyse, karmaşık bir canlının siyanobakteri (mavi-yeşil alg) adı verilen tek hücreli bir canlıyı bünyesine kattığı düşünülüyor. Mavi-yeşil algler fotosentez yapabiliyor, dolayısıyla daha karmaşık bir canlının bünyesine geçtiği zaman fotosentez becerisini kullanımına sunuyor. Bu da gezegenimizi hepimiz için yaşanabilir bir yer haline getiren bitkilerin ortaya çıkmasıyla sonuçlanıyor.

Endosimbiyoz kuramını ortaya ilk atan kişi, çoğu bilim insanı tarafından oldukça radikal bulunan ama bir o kadar da popüler Lynn Margulis (Margulis, aynı zamanda bilim çevrelerince aynı derecede radikal olmakla birlikte endosimbiyozdan daha da popülerleşen Gaia kuramını James Lovelock ile birlikte geliştiren isim). 1970 yılında endosimbiyoz kuramını ortaya attığı Origin of Eukaryotic Cells adlı kitabı yayımladığı zaman oldukça tepki çekmişti. Fakat endosimbiyoz kuramı zaman içinde kabul gördü ve şu anda bilim çevrelerince yadırganmıyor. Margulis, o dönem tepkilere alışmış olmalı ki, 1981 yılında yayımladığı Symbiosis in Cell Evolution adlı kitabında kuramını ileriye taşıyarak, başka bir endosimbiyoz olayında spiroket adlı bir bakterinin dahil olduğu bir süreç ile bu tek hücrelinin çekirdekli hücreler içindeki taşıma sistemine dönüştüğünü iddia etti. Çalışma hayatının devamında benzer endosimbiyoz kuramları da geliştirdi ve bunların tümünü serial endosymbiotic theory (SET) olarak adlandırdı.

Konumuza geri dönersek; geçtiğimiz ay yayımlanan makalede bahsedilen endosimbiyoz olayında, bir alg ile bir siyanobakterinin birleşmesi gözlemlendi. Braarudosphaera bigelowii adlı alg, bu birleşme sayesinde atmosferdeki azotu amonyağa dönüştürerek çeşitli hücresel süreçlerde kullanabiliyor. Araştırmacılar, B. Bigelowii ile UCYN-A adlı bu bakteri arasında simbiyotik bir ilişki olduğunu 1998 yılından bu yana düşünüyordu; bakteri alge azot sağlıyor, alg de bakteriyi koruyordu. Fakat iki organizma arasında birbirine paralel bir büyüme gözlemleyerek aralarında daha sıkı fıkı bir metabolizma ilişkisi olduğunu tespit ettiler ve bu da UCYN-A’nın bir organel olabileceğini düşündürttü. Gelişmiş X-Işını görüntüleme teknolojisi sayesinde konakçı alg ile UCYN-A arasındaki kopyalama ve hücre bölünümü süreçlerinin senkronize ilerlediğini fark ettiler ve bu ikilinin bir endosimbiyoz süreci içinde olduğunu ileri sürecek kanıtları elde ettiler. Ayrıca, iki canlının da ürettiği proteinleri izole ederek karşılaştırdılar ve bakterinin ihtiyacı olan proteinlerin ancak yarısını üretebildiğini, bu nedenle hayatta kalmak için konakçının ürettiği proteinlere ihtiyaç duyduğunu anladılar.

Araştırmayı yürüten ekip, bu kanıtlara bakarak UCYN-A’nın tam anlamıyla bir organele dönüştüğünü iddia ediyor ve bu dönüşüme nitroplast adını veriyor. Sürecin en azından 100 milyon yıl önce başladığını da ekliyor ve evrim ölçeğinde bunun hâlâ oldukça kısa bir süre olduğunu unutmamak gerektiğini belirtiyor. Muhtemelen bu süre boyunca

Bu ikilinin ilişkisi hakkında hala birçok soru işareti olmasına rağmen, bunun evrim biyolojisi açısından ne kadar önemli bir gelişme olduğu tüm bilim dünyasınca kabul ediliyor gibi. Yalnızca teorik bilgi olmanın ötesinde, atmosferdeki azotu dönüştürme becerisi olan nitroplastların tarımda devrim yaratabilecek gelişmeler sağlama ihtimali de öngörülüyor.