Antik “yaşayan fosiller”, karmaşık yaşamın nasıl başladığını ortaya çıkarabilir

Milyarlarca yıl önce, hayvanlar ve bitkiler var olmadan önce, stromatolitler Dünya atmosferine ilk oksijenin salınmasına yardımcı oldu. Şimdi, Current Biology’de yayınlanan bir çalışma, bu sıra dışı oluşumların Dünya tarihinin bir diğer önemli olayına, karmaşık yaşamın ortaya çıkışına dair ipuçlarını da koruyabileceğini öne sürüyor.

UNSW Sydney’de evrimsel mikrobiyolog olan Doçent Brendan Burns, bu “yaşayan fosillerin” içinde başka bir organizmayla yakın ilişki içinde yaşayan daha önce bilinmeyen bir mikrobu keşfeden bir araştırma ekibinin parçasıdır. Sydney Teknoloji Üniversitesi ve Melbourne Üniversitesi’nden araştırmacılarla ortaklaşa yürütülen proje, bilim insanlarının temel bir evrimsel gizemi daha iyi anlamalarına yardımcı olabilir: nispeten basit hücrelerin nasıl işbirliği yapmaya başladığı ve sonunda çok daha karmaşık yaşam biçimlerine yol açtığı.

Doçent Burns, “Stromatolitler, erken mikrobiyal yaşamın geliştiği ‘sadece’ bir yaşam beşiği olmaktan çok daha fazlası olabilir” diyor.

“Bize karmaşık yaşamın ilk olarak nasıl ortaya çıktığını da anlatabilirlerdi.”

Kökleri Kadim Bir Mikroorganizma Ortaklığı

Stromatolitler ve mikrobiyal örtüler ilk olarak milyarlarca yıl önce ortaya çıktı, ancak yok olmadılar. Batı Avustralya’da Dünya Mirası listesinde yer alan Shark Bay’de bugün bile oluşmaya devam ediyorlar.

Orada toplanan örnekler, Doçent Burns ve meslektaşlarını sonunda Asgard arkealarının bir üyesini izole etmeye yönlendirdi. Bu sıra dışı mikrop grubunun, insan dahil tüm bitki ve hayvanları oluşturan hücreler olan ökaryotların atalarıyla yakından ilişkili olduğuna inanılıyor.

Biyolojide uzun zamandır kabul gören bir görüşe göre, ilk ökaryotik hücre, eski bir arkeon ile bir bakteri arasındaki yakın bir ortaklık sonucu gelişmiştir. Bu teoriye göre, bir organizma sonunda diğerini yutmuş ve bu ilişki nihayetinde karmaşık hücrelerin içinde bulunan enerji üreten yapılar olan mitokondrileri ortaya çıkarmıştır.

Ancak bilim insanları, bu erken dönemdeki ortaklığın gerçekte nasıl göründüğüne dair doğrudan kanıtlardan yoksundu. Yeni araştırma, Asgard arkeonunun nanotüpler adı verilen son derece ince, tüp benzeri bağlantılar aracılığıyla bir bakteriyle fiziksel olarak etkileşime girdiğine dair ilk görsel kanıtı sunuyor.

Doçent Burns, “Bu, bu tür ortaklıkların nasıl başladığına ve nihayetinde ökaryotları nasıl oluşturduğuna dair küçük bir model olabilir” diyor.

Yıllar Boyunca Elde Edilmesi Zor Bir Mikrobu Yetiştirmeye Çalışmak

Genetik dizileme, organizmaların DNA’sının örneklerde bulunduğunu gösterdi, ancak mikropları laboratuvarda yetiştirip araştırmacıların doğrudan inceleyebilmesi çok daha zor oldu.

“Laboratuvarda dört ya da beş yıl sürdü,” diyor Doçent Burns. “Çok zaman aldı, optimizasyon ve farklı gölgelerin peşinde koşmakla geçti.”

Asgard arkeaları, doğal yaşam alanlarından uzakta yetiştirilmesi son derece zor organizmalardır. Araştırmacılar bu organizmaları kendi başlarına yetiştiremediler ve Doçent Burns, bu zorluğun, organizmaların biyolojisi hakkında önemli bir şeyi ortaya çıkarabileceğini söylüyor.

“Bu organizmaları saf kültüre alamamamızın nedeni muhtemelen hayatta kalmak için her zaman diğer organizmalara bağımlı olmalarıdır,” diyor.

Araştırmacılar, milimetrenin milyonda biri ölçeğindeki yapıları ortaya çıkarabilen yüksek çözünürlüklü 3 boyutlu görüntüleme yöntemi olan elektron kriyotomografisini kullanarak sonunda ilerleme kaydettiler.

Görüntülerde, arkeon ve bakterinin bakteriyel nanotüpler aracılığıyla fiziksel olarak birbirine bağlı olduğu görüldü. Araştırmacılar ayrıca arkeonun, karmaşık tüp benzeri yapılarla birlikte tomurcuklanmış kesecik zincirleri ürettiğini gözlemledi. İki mikroorganizmanın kimyasal olarak birbirini tamamladığı, her birinin diğerinin kullanabileceği vitaminler, besinler ve hidrojen de dahil olmak üzere bileşikler ürettiği görüldü.

Çalışmanın ortak yazarlarından Melbourne Üniversitesi’nden Doçent Debnath Ghosal, Asgard arkeonlarından biriyle bir bakteri arasındaki etkileşimi doğrudan yakalamanın özellikle önemli olduğunu söylüyor.

Doçent Ghosal, “Bu keşif, karmaşık hücrelerin nispeten daha basit mikrobiyal yaşam formlarından nasıl evrimleştiğini anlamaya yönelik anlayışımızı birkaç adım daha ileriye taşıyor” diyor.

Antik Hücresel Mekanizma Gözle Görülüyor

UNSW’den Doçent Kate Mitchie’nin ortak çalışmasına göre, ekip analizine bir tür makine öğrenimi olan derin öğrenmeyi de dahil etti.

Doçent Mitchie, “Bunu bu mikroplardaki proteinlerin yapılarını tahmin etmek için kullandık,” diyor.

“Bu da heyecan verici çünkü daha sonra karmaşık yaşamın merkezine oturan hücresel mekanizmanın eski versiyonlarını görmeye başlayabiliyoruz.”

Doçent Burns, arkeleri ‘yoldaşlar’ olarak tanımlıyor. Mikrobiyal örtülerin içindeki yaşam zorlu olabilir ve organizmalar arasındaki yakın işbirliği, mikroskobik ölçeklerde bile hayati bir hayatta kalma avantajı sağlayabilir.

Erken Dünya’ya Canlı Bir Pencere

Makalenin ortak yazarı, Sidney Teknoloji Üniversitesi’nden Doçent Iain Duggin, mikropların bu tür ortamlarda milyonlarca yıl boyunca bu gibi ortaklıkları sürdürmüş olmasının ve nihayetinde insanlar da dahil olmak üzere karmaşık yaşamın ortaya çıkmasına katkıda bulunmuş olmasının dikkat çekici olduğunu söylüyor.

Doçent Duggin, “Sanki yavaş yavaş denizin dibinden yüzeye çıkmışız gibi,” diyor.

Yeni tanımlanan arkeon, Nerearchaeum marumarumayae olarak adlandırıldı . Bu isim, antik Yunan deniz tanrısı Nereus’a yapılan bir gönderme ile Malgana dilindeki ‘antik yuva’ anlamına gelen marumarumayae kelimesinin birleşiminden oluşmaktadır.

Malgana, Shark Bay’in merkezinde yaşayan ve toprakla bağları Yerli Toprak Hakları ile tanınan insanların konuştuğu geleneksel dillerden biridir. Malgana yaşlıları, korucuları ve topluluk üyeleri, yaban hayatını koruyarak ve toprakları restore ederek Shark Bay’deki topraklara sahip çıkmaya devam etmektedir.

Shark Bay’in aynı zamanda uzun bir yerli tarihi de vardır. Yerli halklar bu bölgeye ilk olarak yaklaşık 30.000 yıl önce yerleşmiştir.

Shark Bay’in Malgana Mirasını Onurlandırmak

Mikroorganizmanın isimlendirilmesi sürecinde, dünyanın önde gelen Malgana dili uzmanı Kymberly Oakley ile istişare yapıldı. Araştırmacılar ayrıca, organizmanın bilimsel adında saygılı bir şekilde kullanılabilecek bir dil belirlemek için Malgana yaşlılarıyla da çalıştılar. Yaşlılar, kültürün tanınması ve kutlanması için Malgana dilinin dahil edilmesine izin verdiler.

Araştırmacılar için, Shark Bay’in mikrobiyal toplulukları, erken Dünya’nın bazı bölümlerine benzeyen koşulları incelemek için alışılmadık bir fırsat sunmaktadır. Geleneksel Sahipler için ise aynı ortamlar, korunmaya ve bakımı yapılmaya devam eden yaşayan bir kültürel mirasın parçasını oluşturmaktadır.

Doçent Burns şimdi ek mikrobiyal ortaklıklar belirlemeyi ve “küçük bir ilkel Asgard çorbası” olarak adlandırdığı şeyi genişletmeyi umuyor; bu da bilim insanlarına karmaşık yaşamın evriminin en erken aşamalarıyla ilgili bulmacanın daha fazla parçasını sağlayacak.

“Ama mesele sadece organizmalarla ilgili değil,” diyor. “İnsanlarla da ilgili. Bu öykünün oluşturulmasında birçok yüksek lisans öğrencisinin önemli rol oynadığı, disiplinler arası büyük bir iş birliği söz konusu.”

“Bunu heyecan verici kılan şeylerden biri, sadece keşif değil, aynı zamanda bağlantı kurmak olmasıdır. Sadece uzun yıllar boyunca değil, aynı zamanda bu kırılgan ekosistemlerin iklim değişikliği ve insan faaliyetlerinden kaynaklanan artan tehditlerle karşı karşıya olduğu bir dönemde.”

Bulgular ayrıca, hayatta kalmanın organizmalar arasındaki işbirliğine ne kadar derinden bağlı olduğunu da vurguluyor; Doçent Burns’e göre bu durum bugün de aynı derecede geçerliliğini koruyor.

“Bu mikroplar bize en küçük ortakların bile tarihimizde en derin izleri bırakabileceğini hatırlatıyor.”