Dərin dəniz hidrotermal ventilyasiyası. Bir nəzəriyyəyə görə, Yer kürəsində ilk həyat bu kimi havalandırma dəliklərində yaranıb.Kredit: NOAA Okean Kəşfiyyat Ofisi (CC BY-SA 2.0)

Yer üzündə həyat təxminən dörd milyard il əvvəl yaranmışdır. Bunun necə yarandığı və hansı enerji mənbəyindən gəldiyi hamı üçün maraqlıdır, çünki biz insanlar haradan gəldiyimizi bilmək istəyirik. Düsseldorf Universitetinin Molekulyar Təkamül İnstitutunda professor Uilyam Martinin komandası erkən təkamülü araşdırır. Frontiers in Microbiology jurnalında bu yaxınlarda dərc olunmuş məqalədə onlar həyatın başlanğıcında tələb olunan enerji mənbəyinin açıq şəkildə gizləndiyini iddia edirlər: yer üzündə həyatın yarandığı yerlər olduğu ehtimal edilən dərin dəniz hidrotermal kanallarındakı ətraf mühit şəraitində, həyatın mərkəzi biosintetik reaksiyaları xarici enerji mənbəyinə ehtiyac duymur. Əksinə, bu əsas metabolik reaksiyalar H2 və CO2 tədarük edildiyi müddətdə öz-özünə enerji buraxır. Beləliklə, alimlər həyatın biokimyəvi başlanğıcını təbii olaraq baş verən geokimyəvi reaksiyalarla əlaqələndirirlər. Burada müvafiq müəllif xanım Jessica Wimmer və Prof Martin öz tapıntılarını daha geniş auditoriya üçün izah edirlər.

Həyatın necə və harada yarandığına dair bir çox rəqabətli nəzəriyyələr var. Mübahisələr bəzən şiddətli ola bilsə də, hamı bir nöqtədə razılaşmalıdır: mənşəyində enerji mənbəyi olmalı idi, çünki enerji sərbəst buraxılmasa, heç bir kimyəvi reaksiya irəli getməyəcək, termodinamikanın ikinci qanunu belə deyir. Hansı enerji mənbəyinin həyatın ilk reaksiyalarını ilk hüceyrələrin başlanğıcına doğru irəlilədiyini öyrənmək üçün biz bu yaxınlarda maddələr mübadiləsinin özünə yaxından nəzər saldıq ki, hüceyrələrin həyatın ilk enerji mənbəyinin izlərini ən çox qorunan biokimyəvi maddələrində qoruyub saxlayıblarmı? reaksiyalar. Hüceyrələrin həyatın tikinti bloklarını yaratmaq üçün istifadə etdiyi reaksiyalarda enerjinin sərbəst buraxılması prosesini öyrənməklə biz həyatın mənşəyi ilə bağlı yeni anlayışları üzə çıxardıq. Frontiers in Microbiology jurnalında dərc olunan tapıntılar göstərir ki, hidrogen istehsal edən hidrotermal ventilyasiyaların ətraf mühiti şəraitində həyatın mənşəyi üçün enerji həyatın özündən gələ bilər.

Xüsusilə, biz əsas metabolizmə, həyatın əsas tikinti bloklarını yaradan reaksiyalara baxdıq. Bunun üçün biz hüceyrələrin zülalların 20 amin turşusunu, dörd gen əsasını və hüceyrələrin bu 400 reaksiyanın işləməsi üçün ehtiyac duyduğu 18 vitamini sintez etmək üçün istifadə etdiyi təxminən 400 qədim reaksiyalar toplusunu müəyyən etdik. Bu əsas kimyəvi reaksiyalar bütün mikrob nəsillərində qorunur, buna görə də onlar bütün həyatın son universal ortaq əcdadı olan LUCA-da mövcud idi. Onlar tikinti bloklarının mənbəyinə bir pəncərə təqdim edir, həm də mənşəyində enerji mənbəyidir.

H2 və CO2 reaksiyaları metabolizmin başlanğıcını gücləndirdi

Alimlər ultrabənövşəyi şüalardan, radioaktivlikdən və meteoritlərin təsirindən tutmuş şimşək çaxmasına qədər həyatın mənşəyində hər cür müxtəlif enerji mənbələri üzərində düşünmüşlər. Problem ondadır ki, həqiqi hüceyrələr bu enerji mənbələrinin heç birini istifadə etmirlər: kimyəvi enerjidən istifadə edirlər. Kimyəvi enerjinin ən sadə forması bu gün canlı olan qədim və ibtidai nəsillər tərəfindən istifadə edilən enerjidir ki, onlar təkcə H2 və CO2 – asetogenlər və metanogenlər – reaksiyası ilə yaşamırlar, həm də hüceyrə kütləsini sintez etmək üçün H2 və CO2-dəki enerjidən istifadə edirlər. Bu bizi belə bir suala vadar etdi: Maddələr mübadiləsinin özünün reaksiyalarında, H2, CO2 və ammonyakdan amin turşularını, əsasları və ko-faktorları yaradan reaksiyalarda kimyəvi enerjinin mənbələri hansılardır? Dərslik baxımından standart cavab ATP, adenozin trifosfat, bütün hüceyrələrdə universal enerji valyutası olacaq. ATP maddələr mübadiləsində ləng reaksiyaların irəliləməsinə kömək edir. Lakin ATP ilkin metabolik birləşmə deyil, daha çox əldə edilir. Başqa sözlə, ATP onun başlanğıc nöqtəsi deyil, maddələr mübadiləsinin məhsuludur. Biz aşkar etdik ki, biosintetik maddələr mübadiləsinin mərkəzində olan 400 reaksiyadan yalnız 80-i ATP tələb edir, digər 320-si isə tələb etmir. Bu 320 reaksiyanı irəli aparan nədir?

►  Orijinal məqaləni oxuyun

►  Orijinal məqaləni yükləyin

Enerji buraxdıqları üçün təkbaşına irəliləyirlər. Mövcud bioinformatik vasitələrdən istifadə edərək mərkəzi metabolizmin reaksiyaları üzrə Gibbs sərbəst enerjisindəki dəyişiklikləri hesablayaraq bunu göstərdik. Müxtəlif ətraf mühit şəraitində biosintetik reaksiyalar üçün Gibbs sərbəst enerjisinin dəyərini hesabladıqda, H2 şəraitində hidrotermal ventilyasiyaların – 80 ilə 100°C, pH 7 ilə 10 və az miqdarda H2 yaratdığını gördük. CO2-ni üzvi birləşmələrə çevirmək üçün elektron mənbəyidir – həyatın tikinti bloklarını enerji buraxan kimyəvi reaksiyaların 97%-ə qədəri. Bu , həmkarımız Dr Martina Preinerin bütün hüceyrələrdə biosintetik maddələr mübadiləsinin ən mərkəzi birləşməsi olan piruvatın bir gecədə laboratoriyada hidrotermal havalandırma şəraitini yaradan kimyəvi reaktorlarda H2 və CO2-dən əmələ gəldiyinə dair son tapıntılarına uyğun gəlir . H2 və CO2-dən piruvatın sintezi ən primitiv mikroblarda, asetogenlərdə və metanogenlərdə karbon və enerji mübadiləsinin əsasını təşkil edir. Müasir mikroblarda H2 və CO2-dən piruvata reaksiya üçün 10 ferment və 10 mürəkkəb ko-faktor (vitaminlər) lazımdır. Laboratoriyada, hidrotermal ventilyasiyalarda təbii olaraq meydana gələn mineral katalizatorları əlavə etsək, H2 və CO2 arasında piruvata reaksiya irəliləyir. Enerji buraxdığı üçün reaksiya irəli gedir. Bu, maddələr mübadiləsinin kimyəvi reaksiyalarının onları kataliz edən zülallardan daha qədim olması və mineralların təkamüldə katalizator kimi zülallardan əvvəl olması prinsipini vurğulayır. Birlikdə götürdükdə, bu cür tapıntılar maddələr mübadiləsi kimi mürəkkəb bir şeyin necə inkişaf etdiyini izah etməyə kömək edir.

Maddələr mübadiləsi və həyat qaranlıqda yarandı

Yeni tapıntılar, sualtı hidrotermal ventilyasiyaları yaradan H2-nin ekoloji şərtləri altında maddələr mübadiləsinin təbii meylini ortaya qoyur. İşığa və ya başqa radiasiya mənbəyinə ehtiyac yox idi. Qaranlıqda sadəcə H2 və CO2. Hesablamalarımız reaksiyanın irəli gedə biləcəyini göstərir. Reaksiyaların davam edib-etməyəcəyi H2 istehsal edən hidrotermal ventilyasiyalarda bol olan katalizatorların mövcudluğundan asılıdır. Erkən metabolik təkamüldə qeyri-üzvi katalizatorların rolu hal-hazırda bir çox qruplar tərəfindən öyrənilir, çünki onlar erkən Yerdəki kimyəvi reaksiyalar ilə müasir hüceyrələrdə baş verən fermentativ reaksiyalar arasındakı boşluğu aradan qaldırmağa kömək edir. Mənşəyindəki enerjinin təbiətinə dair mühüm sübutlardan biri açıq şəkildə gizlənir: həyat prosesinin özünü təşkil edən reaksiyaların mərkəzi mərkəzi. Metabolik enerjinin sərbəst buraxılmasının arxasında duran hərəkətverici qüvvə son nəticədə təzə batareya kimi enerji ilə dolu olan kimyəvi qarışıq olan H2 və CO2-nin sabit geokimyəvi interfeysinə əsaslanır. Bu enerji universal qorunan biosintetik yollar toplusunun nüvəsini, həyatın yarandığı mühitin termodinamik izini təşkil edən 400 reaksiyada sərbəst buraxılır və mənşəyindəki enerji mənbəyi haqqında təəccüblü ipuçlarını açır.

Jessica Wimmer və Prof William Martin. Kredit: Dr Verena Zimorski

Əgər siz bu yaxınlarda Frontiers-də tədqiqat məqaləsi dərc etmisinizsə və tədqiqatınız haqqında redaksiya məqaləsi yazmaq istəyirsinizsə,  press@frontiersin.org ünvanında Elm Kommunikasiyalar komandası ilə əlaqə saxlayın  , mövzu hissəsində “qonaq redaksiya” yazın.