Son Ortak Ata 4,2 Milyar Yıl Önce Yaşadı

Tüm canlı organizmaların paylaştığı son ortak ata 4,2 milyar yıl önce, belki de sanılandan yüz milyonlarca yıl önce yaşamıştı.

Yaşayan tüm organizmaların paylaştığı son ortak ata, 4,2 milyar yıl önce yaşamış, yaklaşık 2600 proteini kodlayan oldukça büyük bir genoma sahip, hidrojen gazı ve karbondioksit ile beslenen ve viral istilacılara karşı ilkel bir bağışıklık sistemi barındıran bir mikroptu.

Bu, 700 modern mikrobun genomlarını karşılaştıran ve ortak özellikleri belirleyerek hangi özelliklerin ilk olarak ortaya çıktığını tespit etmeye çalışan yeni bir çalışmanın sonucu. Bu analiz hayatın nasıl başladığını ortaya çıkarmasa da, modern mikroplara biraz benzeyen karmaşık bir hücresel organizmanın Dünya’nın oluşumundan sadece birkaç yüz milyon yıl sonra evrimleştiğini öne sürüyor.

Meksika’nın Puerto Vallarta kentinde düzenlenen Moleküler Biyoloji ve Evrim Derneği toplantısında sunulan araştırmayı gören Wisconsin-Madison Üniversitesi’nde evrimsel biyolog olan Betül Kaçar, “Oldukça heyecanlandım. Bu, kapsamlı bir analiz ve bu çalışmanın nasıl yapılacağına dair iyi bir örnek.” diyor.

(İlgili: İnsanlar ve Maymunların Son Ortak Atası Neye Benziyordu?)

Bu, varsayımsal son evrensel ortak atanın (LUCA) kimliğini çözmeye yönelik ilk girişim değil. Örneğin, 2016 yılında Heinrich Heine Üniversitesi Düsseldorf’tan evrimsel biyolog William Martin liderliğindeki araştırmacılar, bilinen mikrobiyal genomları karşılaştırarak LUCA’nın büyük olasılıkla oksijensiz bir ortamda büyüyen bir anaerob olduğunu gösteren en güçlü genetik kanıtı sağladı.

Martin’in genetik analizi ayrıca LUCA’nın hidrojen gazı (H2) ile beslenen, “termofil” olarak bilinen ısı seven bir mikrop olduğuna dair kanıtlar buldu. Bu kombinasyon, onun deniz altı volkanlarına yakın derin deniz okyanus yarıklarının yakınında yaşamış olabileceğini düşündürüyordu. Martin’in ekibi, 2016’daki çalışmada LUCA’nın (Son Evrensel Ortak Ata) tarihini belirlemeye çalışmamıştı. Ancak diğer çalışmalar LUCA’nın varlığını yaklaşık 3.8 milyar yıl öncesine tarihlendirmişti.

Martin’in çalışmasından bu yana çok daha fazla mikrop tamamen dizilendi ve Betül Kaçar, karşılaştırmalı genomik araçlarının da daha sofistike ve yetenekli hale geldiğini belirtiyor. Yeni LUCA çalışması için Bristol Üniversitesi’nden genomik uzmanı Edmund Moody, LUCA’nın varoluş zamanını daha kesin bir şekilde tahmin etmeye yönelik bir yöntem geliştirdi.

Yaygın bir yaklaşım, mikrobiyal türlerdeki genetik mutasyonların bilinen ancak değişken hızlarına ve aralarındaki gen transferlerinin hızına dayanarak bir tür moleküler saat yaratmaktı. Araştırmacılar, hangi organizmaların muhtemelen diğerlerinden evrimleştiğini belirleyen aile ağaçları oluşturarak ve korunmuş genlerdeki genetik değişiklikleri izleyerek, ağaçtaki iki komşu dalın ne zaman ayrıldığını kabaca tahmin edebilir ve böylece ortak atalarının yaşını tam olarak belirleyebilirler. Önceki analizler, kök olarak LUCA’ya sahip olduğu anlaşılan nesiller tarafından paylaşılan tek genlerdeki değişikliklerin izlenmesine dayanan bu yaklaşımı benimsemişti.

Moody ve meslektaşları bir adım daha ileri gitti. Çeşitli bakteri ve arkealarda bulunan beş set “paralog” veya çoğaltılmış gene odaklandılar, bu da bu çoğalmanın LUCA’nın bu nesillere ayrılmasından önce gerçekleştiğini düşündürüyordu. Moody, bir mutasyonun bu genlerin her iki kopyasında mı yoksa sadece birinde mi olduğunu izleyerek, çoğalma zamanını ve dolayısıyla ortak ataların yaşlarını belirlemenin daha kolay olduğunu söylüyor.

Moody ve ekibi tarafından yapılan analiz, LUCA’nın yaklaşık 4.2 milyar yıl önce yaşadığını öne sürdü. Carleton College’dan çalışmaya dahil olmayan evrimsel mikrobiyolog Rika Anderson, “Bu, belki de diğer tahminlerden biraz daha erken, ama çok değil” diyor.

Martin gibi LUCA’nın yaşam tarzını araştırmak için, Moody’nin grubu 350 bakteri ve 350 arkea türünde 57 “belirteç” geni izleyerek bir yaşam ağacı oluşturdu. Moody, bunun, Martin’in ekibinin en az iki bakteri ve iki arkea sınıfı tarafından paylaşılan genleri takip ettiği yaklaşıma göre bir ilerleme olduğunu belirtiyor.

Moody’nin ekibi, daha sonra bu bakteriler ve arkealar arasında kataloglanan tüm mevcut genlerin evrimsel desenlerini ve gen ailelerini ayrı ayrı izledi. Bireysel genlerin evrimsel tarihçelerini türlerin tarihçeleriyle karşılaştırarak, hangi genlerin çoğaldığını, kaybolduğunu veya yatay gen transferine uğradığını daha iyi belirleyebildiler. Bu bulgulardan, LUCA’da nelerin mevcut olduğunu çıkardılar.

Anderson, “Bu daha sağlam bir yaklaşım” diyor. Ancak Martin, bu çabaya rağmen “sekiz yıl sonra tam olarak aynı sonucu elde ettiklerini” söyleyerek karşılık veriyor.

Gerçekten de Birleşik Krallık ekibinin analizi, Martin’in bulguları gibi LUCA’nın karbondioksit (CO2) ve hidrojen (H2) ile beslendiğini öne sürdü. Ancak, LUCA’nın ultraviyole ışığa karşı koruyabilecek bir gene sahip olduğuna dair kanıtlar da buldular. Bu, mikrobun derin deniz menfezlerinde değil, atmosferden CO2 ve H2 yakalayabileceği yüzey sularında yaşamış olabileceğini düşündürüyor.

Yine de, Martin gibi, termofillerde yaygın olarak bulunan ters giraz adlı bir enzimin imzasını da tespit ettiler ve bu, LUCA’nın bu yarıklar etrafında da başarılı olabileceğini kabul ediyorlar.

Moody ayrıca yeni bir şey keşfetti: LUCA’nın muhtemelen 19 CRISPR-Cas9 genine sahip olduğu, modern bakterilerin viral istilacıların genetik materyallerini parçalamak için güvendiği bir aparatı (ve şimdi birçok alanda kullanılan çok yönlü genom düzenleyici için ilham kaynağı) olduğunu buldu.

Moody, “LUCA, virüslerden kaçınmanın bir yolu olarak bu erken bağışıklık sistemine sahipti” diyor.

Bu Betül Kaçar’ı heyecanlandırıyor, çünkü bu, o kadar eski bir zamanda canlı bir mikrop ve patojen ekosistemine işaret ediyor. Anderson da aynı derecede heyecanlı, CRISPR-Cas9 sistemlerinin “oldukça karmaşık” olduğunu belirtiyor.

Bu, yalnızca birkaç yüz milyon yıl içinde erken yaşamın, etkileşimleri hızlı bir şekilde basit bir ekosistemin iskelesine yerleşen karmaşık mikropları evrimleştirmeyi başardığı anlamına geliyor. Bu da uzun süredir kayıp olan LUCA’yı tasvir etmeye çalışan modern çalışmaların henüz açıklayamadığı bir başarı.

Science. 12 Temmuz 2024.

Makale: Moody, E.R.R., Álvarez-Carretero, S., Mahendrarajah, T.A. et al. (2024). The nature of the last universal common ancestor and its impact on the early Earth system. Nat Ecol Evol.