Sülfür ve Yaşamın Kökeni

Birçok sanatçı, yaşam ortaya çıkmadan önce Dünya'nın milyarlarca yıl önce nasıl görünmüş olabileceğini tasvir etmeye çalışmıştır. Pek çok sahnede karla kaplı dağlar lav fışkırtan volkanlarla, mavi gökyüzü de puslu bir gökyüzünden aşağıya çakan şimşeklerle yer değiştiriyor.

Peki ama Dünya'nın ilk zamanları gerçekte neye benziyordu? Bu soru onlarca yıldır yoğun bilimsel araştırmaların konusu olmuştur.

Arizona Üniversitesi Ay ve Gezegen Laboratuvarı'nda yardımcı doçent olan Sukrit Ranjan tarafından yönetilen bir yayın, yaşamın kökenindeki rolünü araştırmaya yönelik bilimsel çabalara şaşırtıcı derecede direnç gösteren kimyasal bir element olan sülfüre ışık tutuyor.

Çalışma AGU Advances dergisinde yayımlandı.

Dünya'nın erken dönem suları ve atmosferindeki sülfür konsantrasyonlarını araştıran Ranjan, "Dünya'nın erken dönemlerine ilişkin resmimiz oldukça bulanık" dedi. Ranjan, gezegenimizi yaşanabilir kılan aynı süreçlerin —sıvı su ve levha tektoniği— Dünya'nın jeolojik kayıtlarını tutan kayaları sürekli olarak yok ettiğini savunuyor. "Bu bizim için harika çünkü aksi takdirde Dünya'nın kabuğunda kilitli kalacak besinleri geri dönüştürüyor, ancak habercileri ortadan kaldırması açısından jeologlar için korkunç."

Ranjan'ın makalesi, "gerçekleştirilmesi son derece zor olan ancak devam eden laboratuvar prebiyotik kimya deneyleri için kısıtlamalar sağlayan deneyler" nedeniyle editörün öne çıkan makalesi olarak seçildi.

Ranjan, Dünya'da yaşamın ortaya çıkışı üzerindeki perdeyi aralama çabalarının merkezinde, her canlı hücrede bulunan ve bildiğimiz yaşam için çok önemli olan bir molekül sınıfı olan ribonükleik aside atıfta bulunarak, "RNA dünyası" olarak bilinen bir kavram olduğunu söyledi.

RNA dünyası hipotezi, modern biyolojinin ilginç bir özelliğine dayanıyor: Biyomoleküllerin dört ana kategorisi olan amino asitler, karbonhidratlar, lipidler ve nükleik asitler arasında enzim rolünü ve genetik bilginin depolanması ve çoğaltılmasını, kendi kopyalarını oluşturarak tek başına gerçekleştirebilen tek kategori RNA. Sadece bir sorun var: Yapılması gerçekten zor.

Ranjan, "Yaklaşık 50 yıldır insanlar enzimler olmadan RNA'nın nasıl yapılacağını bulmaya çalıştılar, ki biyoloji bunu böyle yapıyor" dedi ve araştırmacıların RNA yapmak için enzimatik olmayan yollar bulmasının son beş yıla kadar gerçekleşmediğini açıkladı.

"Eğer RNA'yı elde edebilirsek, o zaman uzak ufukta diğer her şeyi elde etmek için bir yol görürüz" dedi. "Bu da şu soruyu akla getiriyor: Bu molekül aslında daha önce herhangi bir miktarda mevcut muydu? Ve bu aslında büyük bir açık soru."

Son zamanlarda bilim insanları biyolojik enzimler olmadan RNA molekülleri yapmak için yarım yüzyıllık bir arayışı tamamladılar ve bu da RNA dünyasını göstermek için büyük bir adım oldu. Ancak bu kimyasal yolların hepsi sülfit adı verilen kritik bir sülfür molekülüne dayanıyor.

Bilim insanları, Dünya'nın en eski kayalarından bazılarını inceleyerek, erken prebiyotik Dünya'da bol miktarda sülfür bulunduğunu biliyorlar. Ama ne kadarı atmosferdeydi? Ne kadarı suda bulunuyordu? Ve ne kadarı RNA üreten sülfit olarak son buldu? Ranjan ve ekibi bu soruları yanıtlamak için yola çıktı.

"Suya girdikten sonra ona ne oluyor? Uzun süre mi kalıyor, yoksa hızla yok mu oluyor?" dedi. "Modern Dünya için cevabı biliyoruz; sülfit oksitlenmeyi ya da oksijenle tepkimeye girmeyi seviyor, bu yüzden çok hızlı bir şekilde yok oluyor."

Buna karşılık, jeolojik kanıtların da gösterdiği gibi, erken Dünya atmosferinde çok az oksijen vardı, bu da sülfitin birikmesine ve çok daha uzun süre dayanmasına izin verebilirdi. Bununla birlikte, oksijen yokluğunda bile sülfit çok reaktiftir ve birçok reaksiyon onu erken Dünya ortamından temizlemiş olabilir.

Bu tür reaksiyonlardan biri orantısızlık olarak bilinir; birkaç sülfitin birbiriyle reaksiyona girerek onları sülfata ve elementel sülfüre dönüştürdüğü bir süreçtir ki bu da yaşamın kökeni kimyası için yararlı değildir. Ancak bu süreç ne kadar hızlıdır? Yaşamı başlatmak için yeterli miktarda sülfit birikmesine izin verir miydi?

Ranjan, "Aslında hiç kimse bunu, başta atık su yönetimi olmak üzere diğer bağlamlar dışında derinlemesine incelemedi" dedi.

Ekibi daha sonra bu sorunu çeşitli koşullar altında araştırmaya koyuldu ve deneylerin tasarlanmasından sonuçların yayınlanmasına kadar beş yıl süren bir çaba gösterdi.

NASA'nın Ames Araştırma Merkezi'nden Sonny Harman, yayına eşlik eden bir bakış açısı makalesinde, "Karbon, hidrojen, nitrojen, oksijen, fosfor ve kükürt dahil olmak üzere prebiyotik tersaneyi dolduran tüm atomlar arasında kükürt belki de en dikenli olanıdır" diye yazdı. Kimyasal reaksiyonlara girme konusundaki hevesi nedeniyle, "kükürt bileşikleri daha kararsız olma eğilimindedir, laboratuvar personeli ve ekipmanı için tehlikeler oluşturur, enstrümanları tıkar ve deneyleri engeller."

Bir Laboratuvar Teknisyeninin Kabusu

Ranjan ve ortak yazarları, kurdukları düzenekte sülfiti çeşitli asitlik veya alkalilik seviyelerinde suda çözdü, oksijensiz bir atmosfer altında bir kaba kilitledi ve Ranjan'ın deyimiyle "yaşlanmasına" izin verdi. Ekip her hafta çeşitli sülfitlerin konsantrasyonlarını ultraviyole ışıkla ölçtü. Deneyin sonunda, hepsi de nispeten basit bir soruyu yanıtlamaya yönelik bir dizi analize tabi tuttular: "Bu orijinal molekülden geriye ne kadar kaldı ve neye dönüştü?"

Sülfitlerin, geleneksel bilgeliğe göre çok daha yavaş orantısızlaştığı ortaya çıktı. Örneğin daha önceki çalışmalar, erken Dünya'yı saran bir sülfür pusu fikrini ortaya atmıştı, ancak Ranjan'ın ekibi sülfitlerin ultraviyole ışık altında beklenenden daha hızlı parçalandığını buldu. Dünya'nın ilk günlerinde bir ozon tabakasının yokluğunda, fotoliz olarak bilinen bu süreç, günümüz dünyasındaki bol oksijen kadar verimli olmasa da, kükürt bileşiklerini atmosferden ve sudan hızla temizlerdi.

Yavaş orantısızlaşmanın sülfitlerin birikmesine izin vermiş olabileceği akla yatkın olsa da, fotoliz, UV radyasyonundan gölgelenmiş sığ su havuzları gibi belirli ortamlar dışında, özellikle de mineral kalkanlar sağlamak için yüzey akışıyla besleniyorsa, bunu pek olası kılmazdı. Örnekler arasında yeraltı havuzları veya kapalı havza karbonat gölleri, tortuların biriktiği ancak suyun sadece buharlaşma yoluyla çıkabildiği drenajsız çöküntüler yer almaktadır.

"Utah'taki Büyük Tuz Gölü veya Kaliforniya'daki Mono Gölü gibi su kütlelerini düşünün" diyen Ranjan, hidrotermal ortamların yaşamın ilk ortaya çıkışı için sıcak adaylar olarak ortaya çıktığını da sözlerine ekledi. Burada, çözünmüş mineraller taşıyan yeraltı suları volkanik faaliyetlerden kaynaklanan ısıyla temas ederek, başka bir yerde meydana gelemeyecek kimyasal süreçler için "güvenli alanlar" sunan benzersiz mikro ortamlar yaratıyor.

Ranjan, bu tür yerlerin derin denizdeki okyanus ortası sırtlarında ve aynı zamanda karada da bulunabileceğini söyledi.

"Bunun günümüzdeki bir örneği, oksijene rağmen çok sayıda sülfit biriktiren havuzlar bulduğumuz Yellowstone Ulusal Parkı'dır" dedi ve ekledi: "Bunun nedeni, sülfitin volkanik gaz çıkışıyla sürekli olarak yenilenmesidir."

Yazarlar, çalışmanın, yaşamın ilk moleküllerinin evriminde sülfit mevcudiyeti hipotezini deneysel olarak test etmek için fırsatlar sunduğunu belirtiyor. Ranjan, özellikle bir araştırma alanının kendisini heyecanlandırdığını söyledi: Dünya üzerindeki en eski filumu temsil ettiğine inanılan sülfür kullanan mikroorganizmaların planlarını yeniden yapılandırmak için genom analizini kullanan filogenetik mikrobiyoloji.

Bu bakterilerin yüksek oranda oksitlenmiş sülfür formlarını daha az oksitlenmiş olanlara indirgeyerek enerji kazandığına dair kanıtlar var. Ranjan, ilginç bir şekilde, sülfürün bol miktarda bulunan "modern" formu olan sülfatı sülfite indirgeyen ilk adım için oldukça karmaşık bir enzim mekanizmasına bağlı olduklarını ve bu enzimlerin uzun bir evrimsel sürecin ürünü olduğunu belirtti. Buna karşılık, "prebiyotik su birikintisi ortamlarında" önerilen anahtar bileşen olan sülfitten sülfüre dönüşümde sadece bir enzim yer almaktadır.

"Eğer doğruysa, bu, burada iddia ettiğimize benzer şekilde, sülfitin doğal ortamda en azından bazı su kütlelerinde mevcut olduğu anlamına gelir" dedi. "Jeologlar daha yeni yeni buna yöneliyor. Sülfit açısından zengin olup olmadıklarını test etmek için eski kayaları kullanabilir miyiz? Henüz cevabı bilmiyoruz. Bu hâlâ en yeni bilim dalı."