abiyogenez

Otokataliz

İngiliz etolog Richard Dawkins 2004'te yayınlanan Atalarımızın Peşinde isimli kitabında yaşamın kökeni için olası bir açıklama olarak oto katalizleme hakkında yazdı. Otokatalistler kendilerinin oluşumunu katalizleyen maddelerdir ve dolayısıyla basit bir molekül koplayıcısı olma özelliğine sahiptirler. Kitabında Dawkins, Kaliforniya'da Scripps Araştırma Enstitüsünde Julius Rebek ve meslektaşları tarafından yapılan, otokatalist amino adenozin triasit ester (AATE) ile amino adenozin ve pentaflorofenil esteri birleştirdiği deneylere değinir. Deneydeki bir sistem kendi sentezlerini katalizleyen AATE'nin türevlerini içermekteydi. Bu deney, otokatalistlerin kalıtsallık göstererek bir topluluk içinde birbirleriyle rekabet edebilecekleri olasılığını göstermiş oldu; bu sistem doğal seçimin ilkel bir biçimi olarak yorumlanabilir.

Kil teorisi

Glasgow Üniversitesi'nden Dr A.Graham Cairns-Smith 1985?te kile dayanarak yaşamın kökenini açıklayan bir model ortaya koydu ve Richard Dawkins de dahil olmak üzere başka bir çok bilim adamı tarafından akla yatkın bir açıklama olarak kabul edildi.

Kil Teorisi karmaşık organik moleküllerin daha önceden var olan, inorganik bir kopyalama tabanı ?çözelti içinde silikat kristalleri- üzerinden aşamalı olarak geliştiğini öne sürmektedir. Farklı tip kil kristal yüzeyleri organik moleküllere farklı seçici baskılar uygulayarak onların karmaşıklaşmasını sağlamış olabilir, belli bir aşamadan sonra bu moleküllerin kendilerin kopyalama yeteneği silikat ?çıkış noktalarından? bağımsız olarak devam edebilir hale gelmiş olabilir.

Cairns-Smith kimyasal evrimin diğer modellerinin sıkı bir eleştirmenidir. Ancak kendisi, kendi modelinin de diğer modeller gibi yetersizlikleri olduğunu kabul etmektedir (Horgan 1991).

2007?de Kahr ve arkadaşları potasyum hidrojen ftalat kristalleri kullanarak kristallerin bilgi aktarma aracı olarak kullanılabileceği fikrini inceleyen deneylerini duyurdular. Deneyde, kusurları olan ?ana? kristaller kesildiler ve çözeltiden ?yavru? kristalleri büyütmek için tohum olarak kullanıldılar. Araştırmacılar, daha sonra kristal sistemi içinde kusur dağılımlarını incelediler ve ana kristallerdeki kusurların ?yavrularında? da aynen tekrarlandığını tespit ettiler. Yavru kristallerin fazladan birçok kusuru daha vardı. Gen tarzı bir davranışta ek kusurların ?çocuklarda? daha az olmalıdır; bu nedenle Kahr kristallerin ?bir nesilden sonrakine mesaj depolama ve aktarmada yeterince yetkin olmadığı? olmadığı sonucuna varmıştır.

Gold'un "Derin Sıcak Biyosfer Modeli"

1990'ların sonuna doğru nanob olarak adlandırılan, derin kayalarda bulunan, bakteriden daha küçük ama DNA içeren ipliksi yapılar keşfedildi. Bu keşif 1970'lerde Thomas Goldtarafından savunulan ve yaşamın dünyanın yüzeyinde değil kilometrelerce altında meydana geldiğini öne süren teori ile ilişkilendirildi 

Günümüzde mikrobiyal yaşamın Yeryüzünün sığ derinliklerinde (yüzeyden itibaren beş kilometre) başlıca aşırı şartlara dayanıklı arkelerden oluştuğu genel kabul görmüştür;bakteriler yaşamak için yüzeye daha yakın ortamlarda yaşamaktadır. Güneş Sistemimiz içerisinde başka bir cismin yüzeyinin altında mikrobiyal yaşamın keşfinin bu teoriye inanılırlık sağlayacağı iddia edilmektedir. Thomas Gold organik bir madde birikintisi içinde gelişen yaşamın orada bulunan bütün besini tüketip yok olacağından dolayı, varlığını sürdürebilmesi için aynı zamanda derin, ulaşılamaz bir kaynaktan besin sızıntısı olması gerektiğini savunmuştur. Gold?un teorisine göre besin akışı Dünyanın mantosundan ilk başta varolan metan çıkışına bağlıdır. Derinlerde bulunan ve tortulardaki karbon bileşiklerinden uzakta olan mikropların besin temini için daha geleneksel açıklamalara ise, bu organizmaların su ve kayalardaki (indirgenmiş) demir bileşikleri arasındaki etkileşim sonucu ortaya çıkan hidrojenden yararlandığıdır.

"İlkel" dünyadışı yaşam

Dünyada başlayan bir abiogenez düşüncesine alternatif oluşturacak bir hipotez ilkel yaşamın dünyanın dışında oluşmuş olabileceğidir; uzayda veya yakın bir gezegende (Mars). (Eksogenez olarak adlandırılan bu kuram ile panspermia kavramları ilişkilidir ama eşanlamlı değidir.). Bu teoriyi savunanlardan birisi de Francis Crick'di.

Organik bileşikler uzayda göreceli olarak yaygındır, özellikle uçucu maddelerin güneş ısısıyla buharlaştığı dış güneş bölgesinde. Kuyruklu yıldızların dışı koyu bir malzeme ile kaplıdır, bu katran benzeri maddenin, basit karbon bileşiklerinin ultraviyole ışınımı ile tepkimesi ile oluşan karmaşık organik malzeme olduğu düşünülmektedir. Bir kuyruklu yıldız yağmurunun bu içerikteki önemli miktarda karmaşık organik molekülleri dünyaya getirmiş olabileceği tahmin edilmektedir.

Yukardaki hipotezle ilişkili ama ona alternatif bir diğer hipotez, yaşamın Mars'ta oluştuğudur. Bu hipoteze göre dünyanın soğumasıyla üzerinde yaşamın belirmesi arasında geçen zaman çok kısadır ve bu, prebiyotik evrim için açıkça çok kısadır. Daha küçük boyutundan dolayı Mars Dünya'dan birkaç milyon yıl önce soğumuş, Dünya'nın hâlâ çok sıcakken orada prebiyotik süreçlere olanak kılmıştır. Daha sonra, Mars?a asteroit ve kuyrukluyıldız çarpmalarıyla savrulan kabuk malzemesi ile birlikte yaşam Dünya'ya taşınmıştır. Bu arada Mars hızla soğumaya devam etti ve sonuçta evrimın ve hatta yaşamın devamı için uygunsuz hale geldi (Mars, volkanik faaliyetlerinden dolayı atmosferini kaybetmiştir); Dünya da Mars ile benzer bir kaderi paylaşmaktadır ama o yönde yavaş ilerlemektedir.

Bu hipotezlerin her ikisi de yaşamın ilk nasıl başladığına dair soruyu yanıtsız bırakıyor, sadece soruyu başka bir gezegen ya da kuyrukluyıldıza kaydırıyor. Ancak ilkel yaşamın Dünya dışı bir kaynağı olduğu tezinin avantajı, yaşamın bulunduğu her gezegende oluşmak zorunda olmaması, bunu yerine tek bir yerde oluşup daha sonra kuyruklu yıldızlar veya göktaşları aracılığıyla diğer yıldız sistemlerine ulaşabildiğini savunmasıdır. Bu yaklaşımın mantıklılığını destekleyecek kanıt yetersizdir ancak son yıllarda Antartika?da bulunan göktaşları üzerinde yapılan araştırmalarda ve ekstremofil mikroorganizmalarla ilgili incelemlerde bu varsayım için destek bulunmaya başlamıştır. Ek bir destek ise enerji kaynağı ışınetkinlik (ing: radioactivity) olan bir bakteriyal ekosistemin bulunmasıyla geldi.

Yakın bir tarihte Jason Dworkin tarafından düzenlenen bir deneyde, dünyadışı ortamın şartlarını taklit ederek, donmuş su, metanol, amonyak ve karbon monoksidi ultraviyole ışığına tabi tutulmuştur. Bu bileşim suya daldırıldığında, çok sayıda organik madde ortaya çıtı, bunlar kendi kendine organize olup kabarcıklar meydana getirdiler. Dworkin bu kabarcıkların hücre zarlarına benzediğini, yaşamın kimyasının içine alan ve onu yoğunlaştıran, onu dış dünyadan ayıran bir duvar oluşturduğunu düşünmektedir.

Bu deneylerde üretilen kabarcıklar 10 ila 40 mikrometre veya yaklaşık alyuvar boyutunda idi. Dikkat çekici bir biçimde kabarcıklar ultraviyole ışığına tutulduğunda floresan ışıma gösteriyordu. Ultraviyoleyi emmesi ve onu bu yolla görünebilir ışığa çevirmesi ilkel hücreye enerji sağlamanın yollarından biri olarak düşünüldü. Eğer bu tip kabarcıklar yaşamın kökeni için bir rol oynadıysa, floresans ilkel fotosentez için bir öncü olmuş olabilirdi. Bu tip bir floresan ışıma aynı zamanda UV radyasyonu tarafından meydana getirilebilecek herhangi bir zararı da güneş koruma etkeni gibi işlev görerek ortadan kaldırmış olabilir. Böylesi bir koruma işlevi ilkel dünyada yaşam için hayati önem taşımış olmalıdır, çünkü güneşin en zararlı ultraviyole ışınlarını kesen ozon tabakası, fotosenteze bağlı yaşam oksijen üretmeye başlayıncaya kadar oluşamamıştır.

Lipit Dünyası

Kendini kendini ilk kopyalayan nesnenin bir lipit olduğunu savunan bir teori de mevcuttur. Fosfolipitler su içinde çalkalandıklarında iki katlı tabakalar oluştururular, aynen hücre zarlarında olduğu gibi. Bu moleküller ilkel dünyada yoktular ancak diğer amfililik uzun zincir moleküller de zar oluşturmaktadır. Dahası bu cisimler ek lipitlerin eklenmesiyle büyüyebilirler ve aşırı genişleme sonucunda kendiliğinden ikiye bölünebilirler; iki "yavru" cisimde aynı boyut ve lipit bileşimind korunacaktır. Bu teorideki ana fikir, lipit yapılarının moleküler bileşiminin bilgi depolama için bir başlangıç aşaması olduğu ve evrim sonucunda bilgiyi daha uygun bir şekilde depolayabilen RNA veya DNA gibi polimer yapıların belirdiğidir. Henüz Lipit Dünyası teorisini destekleyecek herhangi bir biyokimyasal mekanizma ortaya konamamıştır.

Polifosfat Dünyası

Abiogeneszin bir çok senaryosundaki sorun amino asitlerle peptitler arasındaki termodinamik dengenin peptitlerin aleyhinde olmasıdır. Teorilerde eksik olan, polimerizasyonu teşvik edecek bir güçtür. Bu sorunun çözümü polifosfatların özelliklerinde olabilir. Polifosfatlar sıradan monofosfat iyonlarının PO₄^?3 ultraviyole ışınlarıyla polimerizasyonu sonucu oluşur. Polifosfatlar aminoasitlerin peptitlere polimerize olmasına neden olur. İlkel okyanuslar üzerinde yeterince bol miktarda ultraviyole ışını olmalıdır. Anahtar sorun kalsiyumun fosfta ile tepkiyerek çözünmez kalsiyum fosfat (apatit) oluşturmasıdır, dolayısıyla serbest kalsiyum iyonlarını çözeltiden uzak tutacak makul bir mekanizmanın bulunması gerekmektedir.

Polisiklik Aromatik Hidrokarbon Dünyası

Karmaşık moleküllerin diğer kaynakları öne sürülmüştür, Dünya dışı yıldız sistemleri ve yıldızlararası kaynaklar dahil olmak üzere. Mesela, tayf çözümlemelerinden, organik moleküllerin kuyruklu yıldızlarda ve göktaşlarında bulunduğu bilinmektedir. 2004?te bir grup araştırmacı bir nebulada polisiklik aromatik hidrokarbonların izini belirledi. Bunlar bu güne kadar uzayda bulunan en karmaşık moleküllerdir. RNA Dünyası'nın oluşumunda PAH?ların kullanılığı PAH Dünya Hipotezi?nde önerilmiştir. Spitzer Uzay Teleskobu yakın bir tarihte güneşe benzer bir şekilde oluşmakta olan HH 46-IR isimli bir yıldız tespit etti. Yıldızı çevreleyen diskte, siyanür bileşikleri, hidrokarbonlar ve karbon monoksit içeren geniş bir molekül yelpazesi bulunmaktadır. PAH'lerin uzayda geniş bir alana dağıldıkları teyid olmuştur; PAH'ler dünyadan 12 milyon ışık yılı uzakta galaksi M81'in yüzeyinde de bulunmuştur.

Çoklu başlangıç

Dünyanın tarihinin başlarında farklı yaşam biçimleri yaklaşık eş zamanlı olarak belirmiş olabilir. Diğer yaşam biçimler ya yok olmuş, kendi farklı biyokimyalarıyla farklı fosillerbırakmış olabilir, ya ekstremofiller olarak varlıklarını sürdürüyor olabilir, ya da mevcut yaşam ağacının organizmalarına benzemelerinden dolayı fark edilmeden basitçe yaşıyor olabilirler. Mesela Hartman bir kaç teoriyi bir araya getirmektedir;

İlk organizmalar karbon dioksit sabitleyerek oksalik ve diğer dikarboksilik asitleri oluşturan, kendini kopyalayan demir zengini killerdi. Bu kendini kopyalayan kil sistemi ve onların metabolik fenotipi daha sonra sıcak su kaynaklarının kükürt zengini bölgelerine evrimleşerek azot sabitleme yeteneğini kazandı. Bu evrimleşen sisteme en sonunda fosfat katılması, nükleotit ve fosfolipitlerin sentezine olanak sağladı. Eğer biyo-sentez biopoezin evrelerini tekrarlıyorsa o zaman amino asitlerin sentezi pürin ve pirimidin bazlarının sentezinden önce gelmiştir. Amino asit tiyoesterlerinin polipeptitlere polimerizasyonu da, amino asit esterlerinin polinükleotitler tarafından yönlendirilmiş polimerizasyonundan önce meydana gelmiştir.