Kendimizi ve bizi oluşturan karmaşık hücreleri, bakterilerin ve arkelerin kompakt, görünüşte belirgin olmayan hücrelerinden hayat ağacının ayrı bir dalı olarak görme eğilimindeyiz. Ancak yapılan yeni araştırmalar, genoma sahip olduğumuzun bir hibrit, yani bakterilerden ve arkelerden gelen genlerin bir karışımı olduğunu ortaya koyuyor. Dahası, bu karışıma kendi soyumuzda evrimleşmiş bazı genler de eşlik ediyor.
Bilim insanları uzun süredir bu duruma basit bir açıklama getirmişti: İlk karmaşık hücreler, arkeler ve bakteriler arasındaki bir birleşmenin ürünüydü. Zamanla, bakteriler mitokondriye dönüştü ve bu yapı hala kendi genomunun küçük bir kısmını koruyor. Birçok diğer bakteri geni ise günümüzde ökarit olarak adlandırdığımız hücrelerin çekirdeğine aktarılarak arkelerden gelen genlerle karıştı.
Ancak yeni bir çalışma, tüm ökaryotlar tarafından paylaşılan bazı genleri dikkatle inceleyerek, bu karmaşık yapının aslında daha da karmaşık olduğunu ve bakterilerden birden fazla gen transferi dalgası olduğunu gösteriyor. Bakteri ve arkelerin birleştiği büyük resim hala geçerli olsa da, bu, türler arasındaki gen transferlerinin yaygın olduğu daha büyük bir tablonun yalnızca bir parçasıydı.
Büyük Resmi Bulanıklaştıran Gelişmeler
Mevcut tabloya ulaşmak karmaşık bir yolculuktu. Öncelikle, arkelerin ayrı bir soy olduğunu tanımak uzun zaman aldı. Mitokondrinin, başka bir hücrede yerleşen bakterilerin bir ürünü olduğu fikri yıllarca alay konusu oldu. Ancak fikirler geniş çapta kabul gördükten sonra, ökaryotik hücrelerin içindeki her karmaşık yapının benzer süreçlerle ortaya çıktığı tartışılmaya başlandı. (Bunun doğru olduğuna dair bir kanıt yok.)
Zamanla, özellikle genom dizilerinin yaygın olarak erişilebilir hale gelmesiyle, mitokondrilerin genlerinin (hem küçük kalan genomlarındaki hem de hücre çekirdeğimizde bulunanlar) alphaproteobacteria adlı bir bakteri soyundan geldiği netleşti. Ancak ilk başta alphaproteobacteria'yı neyin yuttuğunu anlamak biraz daha zaman aldı. Şüpheler arkeler üzerine yoğunlaştı. Ancak, ökaryotlarla aramızda bazı temel biyokimyasal farklılıklar bulunuyor ve bilinen arkeler, ökaryotların temel özelliklerinden pek çoğunun ilkel versiyonlarını bile barındırmıyordu. Ayrıca, ökaryotlara bu kadar yakın akraba olan arkelerden genom bulunmuyordu.
Bu durum yaklaşık on yıl önce değişti. Araştırmacılar, farklı hücre tiplerini ayırmadan çevresel örneklerden tam genomları bir araya getirme yeteneğini geliştirdikten sonra, Asgard arkeleri adı verilen, ökaryotlara o kadar yakın akraba olan bir grup keşfettiler. Bu keşif, ökaryotları artık arkelerin karmaşık bir dalı olarak kabul edip etmememiz gerektiği sorusunu akıllara getirdi.
Ancak büyük resim tamamlanmaya devam ederken, karmaşıklık giderek arttı. Örneğin, uzak akraba olabilecek türler arasında genlerin aktarıldığı yatay gen transferinin mikrobiyal topluluklarda inanılmaz derecede yaygın olduğu açıkça ortaya çıktı. Bu durumla tutarlı olarak, araştırmacılar ökaryotlarda alphaproteobacteria dışındaki soy hatlarından gelen gen kümeleri bulmaya devam ettiler.
Ayrıca, ilk ökaryotik genomun nasıl göründüğünü anlamak da bir zorluk teşkil ediyordu. Bir ökaryot genini sadece bir bakteri veya arkeler genomunda henüz bulunmamış bir gen olarak tanımlamak, daha sonraki keşiflerde bu genin ortaya çıkma riskini taşıyordu. Ayrıca, tüm ökaryotların ortak atasının genlerini doğru bir şekilde belirleyebilmek için yeterince geniş bir ökaryotik genom koleksiyonumuz olmayabilir. Bu tür konulardaki farklı varsayımlar, farklı evrimsel tarihlere yol açabilir.
İlk Ökaryotlar
Barselona merkezli bir grup araştırmacı, işte bu duruma müdahale etmeye karar verdi. İlk adımları, ökaryotik soy ağacına dahil edilen türlerin sayısını sınırlamaktı. Dizilenmiş türler genellikle hayvanlara ve bilindik ortamlarda bulunan türlere doğru ağır basıyordu, bu da soy ağacının bazı dallarının aşırı temsil edilmesine neden oluyordu. Ekip, soy ağacı boyunca daha eşit bir örnek dağılımı sağlayan türleri seçti.
Seçtikleri genomlarda, “düşük karmaşıklıktaki” proteinleri üreten genleri (sık sık aynı amino asitlerin kısa dizilerinin tekrarlandığı yapılar) çıkardılar. Birçok ökaryotik gen de birbirine yakın akrabadır ve bu durum atadan kalma bir genin birden fazla kez kopyalanmasından kaynaklanmaktadır. Araştırmacılar, bu ilgili protein koleksiyonlarından yalnızca bir gen tuttular. Bu, tipik bir ökaryotik genomda bulunan genlerden çok daha küçük bir gen grubu oluşturdu.
Ve tüm bu işlemler tamamlandıktan sonra, süreci iki kez daha tekrarladılar. Her seferinde farklı tercihler yaparak, gruplardaki genlerin yarısından fazlasının diğer gruplardan farklı olmasını sağladılar. (Grup içindeki genler “ortolog gruplar” olarak adlandırıldı, bu da makalede “OG” olarak geçen birçok ifadenin nedenini açıklıyor.)
Bu basitleştirilmiş genomlarda bulunan genlerin işlevlerine bakarak, araştırmacılar tüm ökaryotların son ortak atası olan organizmada ne tür genetik işlevlerin mevcut olduğuna dair bazı tahminler yapabildiler. Sonuçları, organizmanın oksijen içeren bir ortamda yaşadığı ve enerjiyi ya diğer canlıları yiyerek ya da onların kalıntılarından beslenerek elde ettiği yönündeydi.
Bu hücreler zaten karmaşık bir iç yapıya sahipti; motor proteinler tarafından taranan ve hücre içindeki kargoyu taşıyan protein rayları vardı. Hücre içindeki proteinleri sindirmeye yönelik yapılar (lizozomlar ve peroksizomlar) ve ökaryotik metabolizmanın, DNA replikasyonunun ve RNA üretiminin tüm temelleri mevcuttu. Yok olan büyük özelliklerden biri ise, bir hücrenin ne zaman bölüneceğini belirlemek ve bunun için gereken olayları yönetmek için kullanılan gen setleriydi. Bu, hücre bölünmesinin başlangıçta sadece metabolik endişelerle sınırlı olduğunu düşündürebilir.
Bu Nasıl Oldu?
Gen gruplarının yaklaşık üçte biri, ökaryotlara özgü görünüyor ve diğer krallıklarda eşdeğeri bulunmuyor. Bunlardan bazıları, ökaryotların son ortak atasını üreten soy hattında mevcut olabilir ve bazıları ise ökaryotlar gerçekten çeşitlenip dallanmaya başlamadan önce üretilmiş olabilir.
Beklendiği gibi, diğer genlerin çoğu Asgard arkelerinden veya Alphaproteobacteria'dan geldi. Bu, kökenlerimizin büyük resmi modeliyle tutarlıdır. Ancak araştırmacılar, iki başka bakteri grubundan da yaklaşık eşit katkılar buldular: Planctomycetota ve Myxococcota. (İlgili tüm bakteri grupları, Asgard arkelerinin aksine, çeşitli ve nispeten yaygındır.) Bu sonuçlar, analizdeki olası bir yapaylık olmadığının göstergesi olarak, gerçekleştirilen üç farklı gen seçimi grubunda da tutarlı kaldı.
Ayrıca, bir dizi farklı bakteri grubundan da küçük katkılar bulundu. Ancak dev virüsleri içeren virüs grubundan gelen türler, tek bir bakteri grubundan daha fazla katkı sağladı.
Araştırmacılar, gen gruplarının ne zaman tanıtıldığına dair zamanlamaları da tahmin ettiler. Beklendiği gibi, Asgard arkeleri en erken katkıyı temsil ediyor. Ancak mitokondriler var olmadan önce birçok genin aktarıldığı bir bakteri soyu ve sonrasında büyük katkıda bulunan ikinci bir grup vardı. Bu durum, ökaryotların mikrobiyal bir matris içinde evrimleştiği ve birçok türün uzun süreler boyunca birbirine yakın olması ve belirli metabolitler için birbirine bağımlı olabileceği durumlarda mantıklıdır.
Karmaşık Bir Resim
Burada en az bir endosimbiyoz vakası (başka bir hücre içinde yaşayıp sonunda mitokondri oluşturan bakteriler) olduğu açık olsa da, yalnızca genetik bir kalıntı bırakan ve çözülen başka vakaların olması da tamamen mümkündür. Bu verilerden bunu ayırt etmek imkansızdır.
Viral katkı da karmaşık olabilir. Bazı genlerin günümüz virüslerinde bulunması nedeniyle viral olarak tanımlanması, ancak başka soy hatlarından kaynaklanıp nihayetinde yok olmuş olması mümkündür. Virüsler, mikrobiyal topluluklarda sıkça yatay gen transferini kolaylaştırır ve bu tür bir senaryoya benzer bir durum olabilir.
Yazarlar ayrıca bu makalenin konudaki son söz olmayacağını kabul ediyorlar. “Veritabanı eksiksizliği,” diye yazıyorlar, “metodolojik tercihler yerine, çalışmalar arasındaki farklılıkları yönlendirecektir.” Başka bir deyişle, daha fazla genom dizisi halka açık veri tabanlarına girmeye devam ettikçe, bu analizi tekrar gözden geçirmek değerli olabilir. (Alıntılanan ifade, sonuçlarının geçmişte benzer şeyler denemiş diğerleriyle neden farklı olabileceğini de açıklar.)
Ancak belirsizliklere ve gelecekteki revizyon olasılığına bakılmaksızın, yazarlar bazı sonuçları geçerliliğini yitirse bile neredeyse kesinlikle doğru kalacak bir ifade kullanıyorlar: “Prokaryottan ökaryota geçiş muhtemelen kademeli ve karmaşık bir süreçti.”
