Dünya üzerinde yaşamın (canlılığın) kökenine dair tartışmalar uzun bir geçmişe sahip. Tartışma taraflarından biri bunu bir yaratıcı güce bağlarken bilim insanları, bu ortaya çıkışın maddenin geçirdiği çeşitli değişimler sonucu olacağını kabul ederek açıklamalarını kanıtlarla, deneylerle sunmaya çalışıyor. Günümüzde maddedeki bu değişiminin tutarlı ve belirgin biçimde açıklandığı araştırmalar hala oldukça sınırlı. Fakat bilim alanlarının gelişimi ile yaşamın kökenine dair daha açık ve anlaşılır çalışmalar giderek artmaktadır. Kökenin anlaşılması biyoloji, kimya, jeoloji gibi farklı bilim dallarının ortak çalışmalarıyla aydınlatılmaktadır.
Yaşamın kökeni konusunda ilk adım canlı varlıkların yapısını oluşturan kimyasal maddeler ve bunların geçirdiği değişimlerin açıklanabilmesidir. Yaşamın başlangıcına dair, birbirinden bağımsız birçok bilim insanın tarih boyunca yaptığı araştırmalara dayanarak günümüzde dair altı model öneriliyor:
- Prebiyotik çorba teorisine yol açan sıcak küçük gölet ya da sığ deniz modeli
- Panspermia ya da Neopanspermia
- Mars'tan taşınma
- Okyanus altı hidrotermal sistemler
- Volkanik adalardaki hidrotermal alanlar
- Doğal bir nükleer reaktör ile çalışan Gayzer sistemi
Bu modellerin çoğu, Dünya'da canlılığın ilk atasının 4,1 milyar yıl önce oluşmaya başladığını kabul ediyor. Darwin’in küçük sıcak göletleri sonrası, Oparin ve Haldane hipotezi yaşamın temel yapıtaşı olan organik maddelerin oluşumunu tutarlı bir biçimde açıklar. Ardından Miller-Urey deneyi ile beraber bu açıklama kanıtlanır. Fakat burada kritik olan bu oluşum (reaksiyon) sürecinin hangi ortamda gerçekleştiğidir.
Yaşamın, Panspermia veya Mars'tan taşınmasına dair modeller ise yaşamın Dünya dışında oluşup gezegene taşındığını kabul ediyor. Dolayısıyla yaşamın “nasıl oluştuğu”na dair bir mekanizma önermiyor. Bu teorilerin dayanak noktasını Dünya'ya düşen meteorlarda bulunan yaşamsal maddeler oluşturuyor. Maddelerin Dünya'ya taşınmasında Mars'taki yer çekiminin Dünya'ya göre daha düşük olmasının etkili olduğu düşünülüyor. Buna kanıt olarak Mars meteoritinde (göktaşı) bulunan mikroorganizmalar gösteriliyor.
Bu modellerden en yeni olanı “gayzer sistemi.” 2019 yılında Japonya’da, Yer Bilimleri ve Uzay Bilimleri alanlarında araştırma yapan bilim insanlarının ortak bir çalışması yayımlandı. Bu çalışma yaşamın kökeni için gerekli koşulları tanımladıktan sonra mevcut bilimsel veriler ışığında Dünya üzerinde 4,5 milyar yıl önce bu koşulları sağlayan ortamı anlatıyor. Yaşamın kökeni için gerekli 9 koşul ve neden gerekli olduklarının açıklanmasının yanında, günümüze kadar üzerinde durulan köken hipotezlerinin kapsamlı şekilde değerlendirilmesine de yer verilmiş.
Bu çalışmayı daha iyi anlayabilmek için bazı kavramları açıklamalıyız. Gayzer sistemi ve Dünya'nın 4,5 milyar yıl önce jeolojik yapısı çalışmada bahsedilen temel noktalardır. Bu ilk bölümde gayzer sisteminin nasıl çalıştığı ve maddelerin dönüşüm için hangi kaynaklara gereksinim duyduğunu, Hadeyan Dünya'sının bunların ne kadarını sağlamış olabileceğine değineceğiz.
ŞEKİL 1 - Old Faithfull Gayzeri
Gayzer Nedir?
Dünya yüzeyinde periyodik olarak sıcak su ve buhar püskürten havalandırma deliği olarak düşünülmeli. Küçük miktarlarda su püskürten yapıların yanında binlerce litre su çıkaran büyük gayzer delikleri de bulunmaktadır. Sıcak kayalar sebebiyle ısınan su kaynayarak buhara dönüşüyor ve hacmi artıyor. Artan basınç sebebiyle buhar formu ile birlikte su, var olan çatlaklardan püskürerek dışarı çıkıyor. Bu sistemlerin oluşumu için en altta sıcak kayaların bulunması, geniş bir yer altı su kaynağı ve suyun yüzeye çıkması için gerekli çatlaklar gibi bazı koşullar oluşmalı.
Dünya üzerinde en bilinen gayzer, Amerika’da Yellowstone Milli parkında bulunan Old Faithfull’dur. Bu sistem 60 ila 90 dakika aralıklarla patlayarak 30 ila 60 m yüksekliğinde su ve buhar püskürtmektedir. Amerika’nın dışında Rusya, Şili, Yeni Zelanda, İzlanda gibi Dünya'nın çeşitli bölgelerinde de gayzer bulunuyor.
Doğal Nükleer Reaktörler
Doğal nükleer reaktörler kütle numarası çok büyük bir atom çekirdeğinin parçalanarak kütle numarası küçük iki çekirdeğe dönüşmesi ile fisyon tepkimesi gerçekleşmektedir. Doğal nükleer fisyon reaktörü olarak da adlandırılan bu sistem, kendi kendine devam eden nükleer zincir reaksiyonlarının meydana geldiği bir uranyum birikintisidir.
Uranyum cevheri, farklı sayıda nötron (atomun yapısında bulunan parçacıklardan birisi) içeren 3 tip uranyum izotopundan oluşur. İlk defa 1972 yılında Fransız bilim insanları Afrika’da Gabon Cumhuriyeti’nde 2 milyar yıllık uranyum cevherlerinden oluşan doğal nükleer reaktörleri keşfettiler.
Nükleer fisyon olayında oluşan nötronlara kapalı ve yavaşlatıcı ortamda müdahale edilmesi ile termal nötronlar (ortalama enerjileri 0.025 eV) oluşur. Bu termal nötronların bir başka fisyon yapabilen çekirdeğe (Uranyum235) çarpması ve çekirdek tarafından içine alınması sonucu yeni bir fisyon olayı meydana gelir. Bu süreç zincir şeklinde devam eder. Bu zincir reaksiyonda, başlangıçtaki uranyum çekirdeği ve nötronun kütlelerinin toplam enerji cinsinden değeri ile fisyon sonucu oluşan ürünlerin ve saçılan nötronların kütlelerinin toplam enerji cinsinden değeri arasında yaklaşık olarak 200 Mega elektronvolt’luk bir enerji farkı açığa çıkar. Bu enerjinin gücünün, kimyasal yanmada açığa çıkan enerjinin 1 eV mertebesinde olduğu hatırlanırsa ne kadar büyük olduğu tahmin edilebilir.
Hadeyan Çağı
Jeolojik zaman ölçeği (GTS), Dünya'nın fiziksel, kimyasal ve biyolojik özelliklerinde büyük bir değişikliğe işaret eden kesin olaylara dayanarak gezegenin evrimsel tarihini başından günümüze kadar çeşitli dönemlere ayırır. Ana olarak dört döneme ayrılmıştır. Bunlar; Hadeyan, Arkeyan, Proterozoik, Fanerozoik. Hadeyan ilk devir olarak kabul edilir.
Hadeyan devrinin Dünya'nın oluşumuyla başladığı kabul ediliyor fakat bitişinin tam olarak belirlenememesiyle birlikte 4,6-4 milyar yıl öncesindeki bir aralık olarak kabul ediliyor. Bu dönemde Dünya'nın uranyum yönünden zengin olduğu biliniyor. Uranyum cevherlerinin bir reaktör gibi çalışarak kimyasal tepkimeler için gerekli enerjiyi sağladığı düşünülüyor. Enerji gerekliliği dışında kara parçalarının olmasının, ayın gelgit etkisinin çok yüksek olması gibi koşulların yaşamın kökeni için gerekli olan tepkimelere uygun ortam sağladığı düşünülmektedir.
Doğal Nükleer Reaktör Sistemiyle Çalışan Gayzer Modeli
Dünya'da yaşamın kökeni ortaya çıkarabilmesi için gerekli olan koşullar enerji kaynağı, yapısal madde, yaşamsal temel maddeler, indirgenmiş gaz, sulu (ıslak) ve susuz (kuru) döngü, tuz iyonu konsantrasyonu, toksik olmayan su ortamı, pH, basınç gibi çeşitli özelliklere sahip ortamlar, sıcaklık farkı yaratabilen döngüler biçiminde sıralanabilir. Araştırmada bu gerekli koşullar hem hidrotermal baca sistemi hem de nükleer gayzer sistemi için karşılaştırılıyor ve hidrotermal bacaların bulunduğu okyanus tabanları için koşulların birçoğu sağlanamazken nükleer gayzer sistemi gerektiği düşünülen koşulların hepsini sağlayabiliyor.
Yapısal ve yaşamsal maddeler
Yaşamın yapıtaşı olarak kabul edilen karbonlu/organik maddeler, farklı maddelerin karşılıklı etkileşimi anlamına gelen kimyasal reaksiyonlarla oluşmaktadır. Kimyasal reaksiyonların gerçekleşmesi için bazı madde girdileri ve bunların aktifleşmesi için enerji gereklidir. İlkin Dünya'da reaksiyona girecek karbon (C), hidrojen (H), oksijen (O), azot (N) gibi atomların kaynağı karbondioksit, metan, nitrojen, su olduğu kabul edilir. Bu kaynak moleküllerin kimyasal bağlarının koparak serbest hale geçmesi ve yeni etkileşimlerle organik molekülleri oluşturması için onları parçalayacak güçte bir enerji gereklidir.
Örneğin nitrojenin (N2) kimyasal bağlarının kopması için 500 ila 600 oC (santigrat derece) ve oldukça yüksek basınç gereklidir. Yüksek enerji, eğer termal yolla ortaya çıkacak olursa 100oC sıcaklık üzerinde çoğu organik molekül parçalandığı için beklenen ürünler elde edilemez. Bunun yerine güçlü radyasyon enerjisi önerilmiştir. 2017 yılında doğal nükleer reaktör ve gayzer sistemini araştıran Japon bilim insanları, bu enerjinin uranyum bozunması sırasında açığa çıkan iyonlaştırıcı radyasyon ile sağlanacağını öne sürdüler.
Dünya üzerinde erken dönem kıtasal kabuk, uranyum ve toryum bakımından oldukça zengin olduğu için Hadeyan çağda doğal nükleer reaktörlerde bu enerjinin bolca bulunduğu düşünülüyor. Doğal reaktörlere dair ilk bilgiler 1940’lı yıllarda Leningrad Fiziksel Kimya Enstitüsü’nde yapılan araştırmalarda ortaya konulmuştur. Hadeyan'da, kabuktaki uranyum miktarının şu ankinden 1000 kat daha yüksek olduğuna dair veriler bulunuyor.
Canlılığın yapı taşlarının oluşumu için öncelikle hücre yapısı düşünülerek yola çıkılmıştır. Hücre sitoplazması az miktarda sodyumu (Na), fakat yüksek miktarda potasyumu (K) içermektedir. Bu koşula göre araştırmacılar yaşamın filizlendiği ortamda sodyumun az, potasyumun ise fazla bulunması gerektiğini düşünüyorlar. C, H, O, N gibi elementler canlı yapıların yüzde 95’ini oluştururken yüzde 5’ini potasyum, demir (Fe), fosfor (P), kalsiyum (Ca) ve magnezyum (Mg) gibi elementler oluşturur. Dört temel element okyanus ve atmosferde mevcutken az bulunan diğer metal elementlerin potansiyel ortamlarının araştırması sürmektedir. Günümüzde potasyum ve fosfor gibi elemenler granit kaya yapısında yer alırken Hadeyan Dünya'sında bu granit kayalar henüz oluşmamıştı. Bu jeolojik çağda sayılan ender elementlerin kaynağının KREEP (K, REE, P elementleri) ile benzer yapıdaki anortozitler olduğu düşünülüyor. KREEP volkanik kayalarının magma okyanuslarının katılaşması ile oluşmuştur.
Üçlü sac ayağı: su – kara – atmosfer
Organizmalar yaşamlarını su olmadan sürdüremez. Bu sebeple birçok araştırmacı yaşamın ortaya çıkışına dair çalışmalarında suyun varlığına odaklanmıştır. Ancak su koşulları, karasal koşullar ve atmosfer yapısı üçlü sac ayağı biçiminde düşünülmeli.
Yapısal moleküllerin oluşması için yüksek oranda indirgenmiş olan hidrojen (H2), karbonmonoksit (CO), metan (CH4) , amonyak (NH3) ve hidrojen siyanür (HCN) gazlarının gerekliliği Miller-Urey deneyi ile gösterilmiştir. Bu gazlar okyanus ortamında hidrotermal bacalarda oluşabilir. Fakat bu bacalar açık sistemler olduğu için gaz birikimi gerçekleşmez ve bunların okyanusta oldukça seyrek bulunmaları yaşam için yetersiz kalabilir. Buradan farklı olarak, gayzer altı mağara tavanlarında birikebilen indirgenmiş gazlar yeni reaksiyonlar için yeterli yoğunluğu oluşturabilir.
Aminoasit moleküllerinin reaksiyonlar sonucu zincir biçiminde uzaması (polimerizasyon) ile peptitlerin oluşumu Çeşitli yaşamsal reaksiyonlar için hidrasyon ve dehidrasyon işlemlerinde kuru ve ıslak döngüler ayın çekim kuvveti etkisindeki gel-git hareketi ile sağlanır. Gel-git hareketinin karasız/topraksız okyanus ortamında gerçekleşmesi mümkün değildir. Karaların ortaya çıktığı Hadeyan Dünya'da ise ayın gel-git etkisi, atmosfer yokuluğunda, bugünkünden neredeyse beş kat fazla olmalıydı. Bu yolla gerçekleşen değişimin, kuru ve ıslak döngülerin yaşamın kökeni için uygun bir ortam yarattığı düşünülüyor.
İlk organik maddelerin oluşuması ve sonraki hücresel yapı evriminde farklı kimyasal reaksiyonlar için farklı koşulları sağlayan ortamların Dünya üzerinde aynı anda olması gerekmektedir. Farklı asitlik oranı, farklı sıcaklık, değişen tuzluluk, ortam sıcaklığı gibi çeşitli fiziksel ve kimyasal koşullar bu çeşitliliği sağlar. Hem yüksek oranda farklılaşmış karasal yüzey hem de farklı oranlarda özgülleşmiş yöreler oluşabilir.
DNA veya RNA'nın kendi kendine kopyasının oluşturmasında, kimyasal reaksiyonların gerçekleşmesinde, moleküllerin ve elementlerin alacağı üç boyutlu katlanmalarda Dünya'nın kendi ekseni etrafında dönmesinin yarattığı farklı ortam koşulları olduğu düşünülüyor. Daha kısa rotasyon süresi, daha yakın ay nedeniyle daha güçlü gel-git hareketi, düşük atmosfer basıncı nedeniyle yoğun kozmik radyasyon gibi değişiklikler gece ve gündüz döngüsüne göre ciddi etkiler yaratır.
SONUÇ
Gayzer ile doğal nükleer sisteminin yaşamın kökeni için gerekli olan dokuz şartın tamamını sağladığı düşünülmektedir. Basit moleküllerden makromoleküllere kadar prebiyotik reaksiyonlar için gerekli olan enerjinin iyonlaştırıcı radyasyondan geldiği ifade edilmektedir. Enerji üretimini inceleyen radyasyon fiziği, Hadeyan Dünya'sının jeolojisi ve temel canlı formlarının kimyasal ve biyolojik süreçleri bütünlüklü bir ilişki içerisinde incelenmesi gerektiği bu çalışmayla daha açık hale gelmiştir.
[Biyolojik Hareket ve Evrim – Sinem Özmen]
KAYNAKLAR
1. Shigenori Maruyama , Ken Kurokawa, Toshikazu Ebisuzaki, Yusuke Sawaki, Konomi Suda, M. Santosh (2019). Nine requirements for the origin of Earth’s life: Not at the hydrothermal vent, but in a nuclear geyser system, Geoscience Frontiers 10, 1337-1357.