İn Vitro Evrim Deneyleri
Beyza Gülçin Eracun -
Moleküler Biyoloji Ve Genetik -Haliç Üniversitesi
Abiyogenez
Molekül oluşum
teorisi olarak da adlandırılan abiyogenez cansız varlıklardan canlı varlıkların
yani yaşamın nasıl evrildiğini anlatan bir terimdir. Eski zamanlarda bilim insanları yaşamın
kökeni hakkındaki düşünceleri nedeniyle iki gruba ayrılmışlardır. Bir grup
yaşamın Abiyogenez ile ortaya çıktığına inanırken diğer grup ise buna karşı
çıkıyorlardı. Abiyogenezin öncü savunucularından Frederick Engels “Yaşam
protein yapılarının varlığının bir modudur. Eğer protein yapılarının kimyasal
olarak yapılmasında başarı sağlanırsa, onlar yaşam fenomenini sergileyecekler
ve zayıf ve kısa-ömürlü olsalar da metabolizmayı ortaya çıkaracaklardır.”
düşüncesine sahipti ve bu amaçla proteinlerin incelenmeye layık olduklarına
karar verdi. Materyalizmi benimsemiş
bazı biyologlar da Engels’in düşünceleri yolunda farklı teoriler geliştirmeye
başlamışlardı. Engels’in yolunu izleyen
Alexander Oparin ve J. B. S. Haldane birbirlerinden bağımsız olarak prebiyotik
çorba hipotezini ortaya çıkarmışlardır. Bu hipoteze göre yaşam cansız
maddelerden doğmaktadır. Oparin’e göre
madde sürekli basitte karmaşığa doğru yol almakta ve daha yüksek dereceli bir
organizasyon oluşturmaktadır.
İlk Dünya Koşulları
İlk atmosferde,
olması durumunda yaşamı oluşturacak elementleri yok edeceğinden dolayı
oksijenin olmadığı düşünülmekteydi. Aynı zamanda azotun günümüzdeki gibi
serbest halde değil başka moleküllerle birlikte bulunduğu düşünülmekteydi.
Oparin güneş etrafındaki gazlı ve tozlu diskte yer alan temel elementler olan
helyum ve hidrojen de atmosferde bulunduğunu fakat daha sonrasında yer çekimi
nedeniyle dünyanın atmosferinden çıktıklarını düşünmekteydi (Özmen S. (2019)). İlk zamanlarda dünya, karbon ve ağır
metallerin bulunduğu eriyik bir çekirdek ve çevresinde ilk volkanik kayalarla (Bir
nevi zarla) çevrili halde bulunmaktaydı. Zarın ince bir tabakadan oluşması
nedeniyle içerisinde yer alan maddeler yüzeye çıkabilmiştir. Çevresinde ise
ağır gazların bulunduğu bir atmosfer ve çok ısınmış bir su buharı
bulunmaktaydı. Oparin nitrojenin NO
şeklinde bulunduğunu, yavaş soğuma yoluyla birbirlerinden ayrıldıklarını
ardından nitrojenin demir karbürler ile reaksiyona girerek demirnitrür bileşiğinin oluştuğunu düşünmekteydi. Oluşan demirnitrürün ise su ile reaksiyona
girip amonyağı oluşturduğunu düşünüyordu.
Amonyağın oluşma tepkimesi: FeN + 3 H2 0 = Fe
(OH)3 + NH3
İlk atmosferde
bulunan su buharının zaman içerisinde dünyanın soğumasıyla birlikte
yoğunlaşarak yağmurları oluşturduğu ve aynı zamanda metal karbürlerle
reaksiyona girip ilk hidrokarbonları oluşturduğu (örneğin metan gazı bir
hidrokarbondur) düşünülmekte. Dünya soğudukça çekirdeğin etrafındaki
tabakalar kalınlaşmaya ve çekirdek daralmaya başlamıştır. Çatlaklardan yüzeye
çıkan maddeler yeni moleküllerin oluşmasına neden olabileceği
düşünülmüştür. O koşullarda atmosferde
ozon tabakası olmadığı için mor ötesi ışınlar engellenemediği ve bu ışınlar
sayesinde ilk organik bileşiklerin meydana geldiği düşünülmekte.
Dünyanın daha da
soğumasının ardından atmosferdeki su buharı yoğunlaşmış ve dünyanın sıcaklığına
bağlı olarak kaynayan okyanusları oluşturmuştur. Bu okyanuslar “prebiyotik
çorba olarak” da adlandırılmaktadır. Bu prebiyotik çorba içerisinde hücredeki
reaksiyonlara benzer reaksiyonların gerçekleşmesi sonucunda çeşitli yapıların
oluşmaya başladığı düşünülmekteydi.
Dr. Adolph Strecker Deneyi
Şekil 1: Dr. Adolphe Strecker
1850 yılında Dr. Adolph Strecker yaptığı deneyede amonyak, hidrojen siyanit , asetaldehit ve hidrojen siyanit kullanarak 2 adet aminoasit üretmiştir.
Şekil 2: Strecker aminoasit sentezi
(1)
Miller-Urey Deneyi
1952 yılında Chicago
Üniversitesi’nde Stanley Miller ve Harold Urey tarafından gerçekleştirilen bu
deney inorganik moleküllerin canlılarda bol miktarda bulunan ve canlılığın
evrimi için önemli rol oynayan organik moleküllere dünyanın başlangıç
dönemlerinde ilkel koşullarda dönüşümünü göstermektedir. Bu deney ile Miller ve
Urey’in asıl amacı nükleikasit moleküllerini sentezleyebilmekti.
Miller ve Urey şekil 3’de gözlemlenen ve dünyanın ilkel koşullarında bulunan molekülleri içeren deney düzeneğini kurmuşlardır. Denek düzeneğinin sağ tarafında içerisinde su, metan, hidrojen ve amonyak bulunan atmosfer simülasyonu oluşturulmuştur. Yoğunlaşma buharlaşma ve elektrik akımları sayesinde yıldırımlar ve şimşekler taklit edilmiştir. İlkel atmosfer örneği kondansörden geçirilip yoğunlaştırıldıktan sonra trap (tuzak) denilen mekanik bölgeden geçirilerek basıncı arttırılır. Daha sonra oluşan sıvılar yeniden ısıtılır ve buharlaştırılarak döngü tamamlanır.
Şekil 3: Miller-Urey deney düzeneği.
Deney düzeneğinin bu şekilde bir hafta boyunca çalıştırılmasının ardından düzenekte bulunan karışım pembeye dönmüştür. Düzenekte basamaklar halinde çeşitli reaksiyonlar gerçekleşmiş ve bir reaksiyon sonucunda oluşan ürünler başka bir reaksiyon için kullanılmıştır. Bu şekilde çok sayıda farklı moleküller meydana gelmiştir. Metan gazı içerisinde bulunan karbonun bir kısmı çeşitli şekerler ile glisin aminoasidini içeren organik molekülleri oluşturmuştur. Gazların enerji sayesinde reaksiyona girmesiyle birlikte, asetik asit, formik asit, glutamik asit, propiyonik asit, aspartik asit ve glisin oluşmuştur. Sizin de gözlemleyeceğiniz gibi aspartik asit, glisin, glutamik asit ve alenin birer aminoasittir. Bu dört aminoasit de dahil olmak üzere deney sonucunda 22 aminoasit sentezlenebilmiştir (Bakırcı Ç. M.(2013) ).
Proteinlerin Oluşumu
Şekil 7: Sidney W. Fox
1970’li yıllarda
Sidney W. Fox proteinlerin ilkel dünya koşullarında meydana gelme olasılığını
incelemek için çalışmalar yapmıştır. Fox
öncelikle ilkel dünya koşullarını tekrar etmiş ve 150℃′de bikarbonat, sodyum klorür, amonyum klorür, glutamik asit, aspartik asit
ve karbonik asit kullanarak 2 hafta
içerisinde 23 aminoasitten oluşan bir proteinin sentezlendiğini göstermeyi
başarmıştır. Oluşan bu protein de dahil olmak üzere ilkel dünya koşullarında
oluşan diğer birçok proteinin yine o koşullarda bir şekilde oluşmuş DNA ile bir
araya gelerek hızlı sentez hızına ulaştıkları düşünülmektedir.
Şekerlerin Oluşumu
Şekil 8: Dr. Egon T. Degens
Bir jeolog olan Dr.
Egon T. Degens yaptığı çalışmalarla şeker moleküllerinin doğal süreçler
içerisinde ilkel dünya koşullarında oluşabileceğini göstermektedir. Okyanus
tabanlarının da yapısında bulunan formaldehit ile okyanusun birincil
kimyasallarından olan kalsiyum fosfat 100 ℃′de tepkimeye sokulmuş ve 2 saat sonunda 5 karbonlu riboz
şekerinin oluştuğu gözlemlenmiştir. Riboz RNA’nın yapısına katıldığından dolayı
oluşan riboz şekerinin RNA’nın oluşumuna katkı sağladığı düşünülmektedir.
Nükleotit Sentezi
2007 yılında Dr. Raffaele saladino ve ekibi 140 ℃′de formamid molekülleri ile hızlandırıcı olarak borat moleküllerini kullanarak 48 saat sonunda tüm nükleotitlerin
sentezini gerçekleştirebilmişlerdir. Formamid
molekülü okyanus tabanında bolca bulunan bir molekül olmakla birlikte ortamda
borat molekülleri de bulunmaktadır.
RNA Molekülünün Sentezi
Şekil 10: RNA molekülü
1997 yılında
Ferris-Orgel tepkimesiyle sıvı formamid,
sıvı formaldehit, kalsiyum fosfat ve
suyla derişik amonyak kullanılarak
yaklaşık 5.5 PH değerinde (Okyanus tabanı PH değerinde) 24 saat sonunda kısa
RNA molekülü elde edilmiştir.
Uzun Vadeli E. Coli Deneyi
Şekil 11: Richard E. Lenski
1988 yılında Richard E. Lenski ve ekibi evrimin varlığını kanıtlamak ve ortaya çıkartmak amacıyla yıllarca sürecek olan uzun vadeli Escherichia coli deneyine başlamışlardır. Öncelikle aynı soydan gelen E.Coli bakterilerini 12 gruba ayırmışlardır. Ardından bu bakterilerin büyümeleri ve çoğalmaları için gereken minimum koşulları sağlamışlar ve büyüyüp çoğalmalarına izin vermişlerdir. Aynı zamanda E. Coli bakterilerinin bulundurdukları ortama E.Coli’ lerin karbon kaynağı olarak kullanamadıkları sitratı içeren glikozu eklemişlerdir. Her gün büyüyen yeni popülasyonun %1’lik kısmını almışlar ve yeni kültür ortamına almışlardır. E.Coli bakterileri çok hızlı büyüyüp çoğalabildiklerinden dolayı bu işlem yapıldıktan sonra bakteri soyları birkaç nesil atlamış oluyorlardı. Lenski ve ekibi oluşan her nesilde yüzlerce mutasyon gözlemlemelerine rağmen ilk 30.000 popülasyon boyunca hiçbir popülasyonun sitratı kullanamadığını gözlemlemişlerdir.
Şekil 12: Richard E. Lenski ve ekip
arkadaşı
Sonunda 31.500. nesilde bir popülasyonda sitrat kullanan varyant (Cit+) gözlemlediler. Bu olayın nedeni bakterilerin bulundukları ortamdaki maddeleri en iyi şekilde kullanabilecek şekilde evrilmelerinden kaynaklanmaktadır. Bu olay sonucunda Cit+ varyantı gösteren popülasyondaki bakterilerin büyüklüğünde ve çeşitliliğinde artış olduğunu gözlemlemişlerdir.
Şekil 13: E.Coli bakterileri
Cit+ varyantı taşıyan bakteriler
zaman içerisinde evrimleşip sitratı daha da iyi şekilde kullanabildikçe büyük
nüfuz genişlemesi meydana geldi. Lenski ve ekibi glukozu kullanmaya devam eden
Cit+ bakterilerinin, Cit- bakterileri için tehdit oluşturmadıkları
gözlemlemişlerdir.
Bunun sonucunda bir
neslin popülasyonundaki bakterilerin iki üyeden oluşmuş ekolojik topluluğu
oluşturduğunu gözlemlemişlerdir. Bu iki üyeden biri genelci diğeri ise kaynak
uzmanıdır.
Referanslar
●
Bakırcı Ç. M.(2013) Evrim Kuramı Ve Mekanizmaları(1. basım),
Evrensel Kültür Kitapları, İstanbul.
●
Özmen S. (2019). Yaşamın Kökenindeki Kimyasal Evrim, MADDE,
DIYALEKTIK VE TOPLUM, Cilt: 2 Sayı: 2 Sayfa:114-123
https://bilimveaydinlanma.org/content/images/pdf/mdt/mdtc2s2/madde-diyalektik-ve-toplum-cilt-2-sayi-2.pdf (Erişim Tarihi:13.10.2022)
●
Özgökman F. (2013). Yaşamın Kökeni Ve Tanrı, Ankara Üniversitesi
İlahiyat Fakültesi Dergisi Cilt:54 Sayı:2 Sayfa:49-76
https://dergipark.org.tr/en/pub/auifd/issue/40590/487783 (Erişim Tarihi:13.10.2022)
●
Lenski E.R., Borland Z. C., Blount Z. D. (2008). Historical
contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population
of Escherichia coli, Proc Natl Acad Sci US A. Cilt:105 Sayı:23 Sayfa:7899-7906
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2430337/ (Erişim Tarihi: 13.10.2022)
İnternet Kaynakları
●
http://www.evreninsirlari.net/dosyalar/130_s01_03.pdf (Erişim
Tarihi:13.10.2022)
Yorumlar
Yorum Gönder