Həyat Yer kürəsində ilk dəfə harada və necə yaranıb? Bu suallar Heinrich Heine Universitetinin (HHU) Düsseldorfdakı Molekulyar Təkamül İnstitutunun tədqiqatlarının mərkəzindədir. İndi Düsseldorfdakı bioloqların rəhbərlik etdiyi beynəlxalq bir qrup, həyatın əsas tərkib hissələrini istehsal etmək üçün ən erkən hüceyrələrin istifadə etdiyi kimyəvi reaksiya şəbəkəsinə, eləcə də bu reaksiyaları gücləndirən enerji mənbələrinə işıq salan yeni tapıntılar barədə məlumat verib. Tədqiqatçılar bakteriya və arxeya arasındakı ən erkən bölünmə zamanı fermentlərin mənşəyini izləyərək, sərbəst yaşayan hüceyrələrin iki dəfə müstəqil şəkildə yarana biləcəyinə dair dəlillər tapıblar.

Təxminən 4 milyard il əvvəl Yer kürəsi bu gün bildiyimiz planetdən çox fərqli görünürdü. Əgər ən erkən hüceyrələrin formalaşmasını izləmək mümkün olsaydı, bu səhnə iki fərqli ibtidai hüceyrə həyatını əhatə edə bilərdi.

Düsseldorf Universitetinin bioloqu və “Science Advances” jurnalında yeni nəşrin aparıcı müəllifi Natalia Mrnjavac deyir: “Biz iki fərqli hüceyrə növünün – pioner bakteriyaların və pioner arxeyaların – hidrotermal dəlikdən kənarda ilk həyat cəhdlərini etdiyini görəcəyik “ .

Mrnjavac və beynəlxalq bir qrup, tamamilə sərbəst yaşayan hüceyrələrin mövcud olmasından əvvəlki dövr də daxil olmaqla, mikrob təkamülünün ən erkən mərhələlərini araşdırmaq üçün genomları, zülal strukturlarını və kimyəvi reaksiyaları araşdırdı.

Tədqiqatın baş müəllifi, Düsseldorf bioloqu Uilyam Martin deyir: “Bu müqayisələr bizə təkamül mərhələsi haqqında misli görünməmiş məlumatlar verir, çünki fermentlər tərəfindən kataliz edilən metabolizm Yer qabığında metallar tərəfindən kataliz edilən spontan reaksiyalardan yaranırdı”.

Erkən Həyat Kimyasının Yenidən Qurulması

Tədqiqatçılar erkən metabolizmanın yalnız seçilmiş hissələrinə diqqət yetirmək əvəzinə, hüceyrələrin erkən Yer kürəsində mövcud olan materiallardan, o cümlədən hidrogen qazı, ammonyak və CO2-dən əsas bioloji komponentləri (amin turşuları, RNT əsasları və vitaminlər) istehsal etmək üçün istifadə etdikləri kimyəvi reaksiyaların tam qrupunu araşdırdılar.

Bu 420 kimyəvi reaksiya birlikdə metabolizm adlanan metabolik şəbəkəni əmələ gətirir. Reaksiyaların özləri olduqca qədimdir və genetik kodla müqayisə edilə bilən dərəcədə həyat boyu qorunub saxlanılır.

Tədqiqatçıları təəccübləndirən odur ki, bu reaksiyaları həyata keçirən fermentlər bakteriya və arxeya arasında eyni dərəcədə qorunma göstərmir.

Martin: “Təəccüblü olan odur ki, bu reaksiyaları katalizləşdirən fermentlər bakteriya və arxeyanı ayıran təkamül bölgüsü boyunca qorunub saxlanılmır. Biz bütün hüceyrələrin son universal əcdadı olan LUCA-nın metabolizm reaksiyalarının yalnız yarısı üçün fermentlərə malik olduğunu aşkar etdik. Digər yarısı isə LUCA-nın yarandığı mühitdə metallar tərəfindən katalizləşdirilib.”

Bu tapıntı göstərir ki, ən erkən metabolizm müasir hüceyrə metabolizmasından daha çox ətraf mühitdən asılı idi.

“Hidrotermal dəliklərdə təbii olaraq əmələ gələn metallar maddələr mübadiləsində təəccüblü dərəcədə çox sayda fermenti əvəz edə bilər”, Madriddəki Kohlenforschung üçün Maks-Plank İnstitutu və IMDEA Materiallar İnstitutunun qeyri-üzvi kimyaçısı və tədqiqatın həmmüəllifi Harun Tüysüz deyir.

“Nə qədər yaxından baxsaq, erkən biokimyəvi təkamülün fermentativ və metal katalizatorlarının hibrid olduğunu bir o qədər aydın görə bilərik”, metabolik reaksiyaları katalizləşdirmək, fermentləri və kofaktorları əvəz etmək üçün metalların istifadəsində beynəlxalq lider olan Kanadanın Ottava Universitetindən Cozef Moran deyir.

Metal katalizatorlarından fermentlərə

Tədqiqatın əsas irəliləyişlərindən biri bioloji katalizin erkən təkamülündə dörd mərhələnin yenidən qurulması idi.

Görünür, proses tamamilə metalların idarə etdiyi reaksiyalarla başlayıb. Bundan sonra LUCA-da metalların və fermentlərin birlikdə işlədiyi bir mərhələ başlayıb. Daha sonra bakteriya və arxeyalar ayrı-ayrı təkamül yolları ilə hərəkət etməyə başlayıblar. Hər bir nəsil daxilində yeni təkamül etmiş fermentlər tədricən maddələr mübadiləsinin ilk inkişaf etdiyi mühit tərəfindən təmin edilən qeyri-üzvi katalizatorları əvəz edib.

Əhəmiyyətli olan odur ki, tədqiqatçılar bakteriyaların və arxeyaların eyni vacib metabolik tapşırığı yerinə yetirə bilən fərqli fermentlər inkişaf etdirdiyi nümunələri müəyyən ediblər.

Mrnjavac deyir ki, “Bakteriya və arxeyaların əcdadlarının eyni əsas metabolik reaksiyanı katalizləşdirmək üçün müstəqil şəkildə struktur cəhətdən fərqli fermentlər inkişaf etdirdiyi halları görə bilərik,” deyə Mrnjavac bildirir, “bu cür paralel ixtiralar sərbəst yaşayan bakteriya və arxeyaların müstəqil şəkildə ortaya çıxmasına yol aça bilərdi.”

Bu paralel təkamül çox vacib ola bilər, çünki bu, iki nəslin hidrotermal ventilyasiya dəliklərinin kimyasından daha az asılı olmasına və nəticədə müstəqil hüceyrələr kimi yaşamasına imkan verə bilərdi.

Erkən Metabolizm necə gücləndirilə bilər

Digər bir əsas sual enerji ilə bağlıdır. Müasir hüceyrələr maddələr mübadiləsini təmin etmək üçün ATF-dən çox asılıdır, lakin ATF özü fermentlərin köməyi ilə istehsal olunan mürəkkəb bir molekuldur. Qədim hidrotermal mühitlərdə sadəcə sərbəst şəkildə mövcud olmazdı.

Buna görə də tədqiqatçılar ATF əsaslı metabolizm mövcud olmazdan əvvəl enerjinin nə ilə təmin edilə biləcəyini araşdırdılar.

Düsseldorf komandasından Manon Şlikker deyir: “Biz metabolik mənşəli yeni bir enerji mənbəyi müəyyən etdik”.

Mümkün cavablardan biri palladiumla bağlıdır. Bu metal hidrotermal dəliklərdə təbii şəkildə əmələ gəlir və təxminən bir əsrdir ki, kimyaçılara təsirli katalizator kimi məlumdur.

Komanda, hidrotermal ventilyasiyalarda təbii olaraq tapılan fosforun bir forması olan fosfitin, palladiumun iştirakı ilə üzvi birləşmələrlə reaksiyaya girə və metabolik fosforlaşma ilə əlaqəli reaksiyalar yarada biləcəyini aşkar etdi.

“Hidrotermal ventilyasiyalarda təbii olaraq əmələ gələn fosfit forması olan fosfiti üzvi birləşmələrlə reaksiyaya daxil etdikdə, suda bir gecədə metabolik fosforlaşma reaksiyaları baş verir. Fosfit və palladium ATF və fermentləri əvəz edir; bu, heyrətamizdir və erkən təkamülü daha asan başa düşməyə kömək edir”, – deyə Şlikker bildirir.

Nəticə, müasir bioloji enerji sistemlərinin təkamülündən əvvəl ən erkən metabolik reaksiyaların bəzilərinin davam etməsi üçün lazım olan enerjini necə əldə edə biləcəyinə dair mümkün bir izahat təqdim edir.

Metabolizmin Mənşəyində 420 Reaksiyanın Xəritələşdirilməsi

Bu tədqiqat, metabolizm adlanan tam reaksiya şəbəkəsinə xüsusi diqqət yetirən ilk tədqiqatdır.

Həmin şəbəkə 420 yüksək dərəcədə əlaqəli reaksiya ehtiva edir və eyni birləşmələrin çoxu sistemin bir çox hissəsində iştirak edir. Bu əlaqələrə görə, şəbəkənin zamanla necə inkişaf etdiyini yenidən qurmaq çətin riyazi problem yaradır.

Yeni Zelandiyadakı Kenterberi Universitetindən professor Mayk Stil və Tübingen Universitetindən professor Daniel Huson layihəyə mürəkkəb şəbəkələrin təhlili sahəsində təcrübə qazandırdılar.

Onlar tədqiqatçılara metabolik reaksiyaları ən sadədən ən mürəkkəbinə qədər təşkil etməyə imkan verən bir metod hazırladılar. Yaranan ardıcıllıq, ən azı qismən, bu reaksiyaların bioloji təkamülün ən erkən mərhələlərində meydana çıxma ardıcıllığını əks etdirə bilər.

“İlk sual,” deyə Stil bildirir, “bu reaksiyalar üçün unikal bir nizamın olub-olmamasıdır. Birinin olduğunu sübut edə bildikdən sonra onları nizamlamaq alqoritmi asanlaşdı.”

Bir Genetik Kod, Amma Həyatın İki Mənşəyi

Həyatın necə başladığını anlamaq bəşəriyyətin ən fundamental suallarından birinə cavab verir: haradan gəldiyimiz, ilk canlı sistemlərin haradan meydana çıxdığı və Yer kürəsinin ən erkən hüceyrələrinin necə yaşaya bildiyi.

Tədqiqatçıların fikrincə, onların tapıntılarının daha geniş mənası bakteriyaların və arxeyaların birlikdə müstəqil hüceyrə həyatına keçid etməməsidir. Bunun əvəzinə, hər bir nəsil ayrıca sərbəst həyat vəziyyətinə çatmış kimi görünür.

Martin: “Yeni məlumatlar yalnız bir nəticə buraxır. Bakterial və arxeal nəsillər sərbəst yaşayan vəziyyətə müstəqil şəkildə keçid etmişdir. Yalnız sərbəst yaşayan hüceyrələr canlıdır. Gəlin bunu adı ilə çağıraq: biz genetik kodun bir mənşəyinə, həyatın isə iki mənşəyinə baxırıq.”

Beynəlxalq komandaya HHU-dan olan tədqiqatçılarla yanaşı, Kenterberi (Yeni Zelandiya), Rostok, Konstans, Ottava (Kanada), Strasburq və Tübingen Universitetləri, Marburqdakı Maks Plank Yerüstü Mikrobiologiya İnstitutu və Mülheim/Rurdakı Maks Plank Kohlenforschung İnstitutu, eləcə də Madriddəki (İspaniya) IMDEA Materiallar İnstitutunun alimləri daxil idi.