DNA yapı taşları, amino asitler ve hatta belki de Dünya'daki yaşamın oluşumunda kullanılan proteinler uzayda ortaya çıkmış olabilir. Ancak, uzayın zorlu ortamında bu kadar karmaşık biyomoleküller nasıl oluşabilir? Kozmosun moleküler reaktörleri tam olarak nerededir? Bilim insanları her seferinde onları uzak moleküler bulutlardaki buzlu toz taneciklerine götüren ipuçlarını takip ediyor.
Bu tür yıldızlararası bulutlarda bazı karmaşık olanlar da dahil olmak üzere çeşitli organik moleküller keşfedilmiştir. Araştırmacılar, laboratuvarda peptidler gibi daha uzun zincirli bileşiklere yol açan ve ancak enerji sağlandığında meydana gelebilen polimerizasyon olaylarını inceleyerek umut verici bulgular elde ettiler.
Yaşamın Yapı Taşları Nereden Geldi?
Dünya üzerindeki ilk yaşam formları için gerekli elementlerin kaynağını hiç düşündünüz mü? Hidrotermal bacalar ve hatta kayalardaki sıvı dolu yarıkların, DNA yapı taşları, peptitler ve amino asitler gibi daha karmaşık organik bileşiklerin doğum yeri olduğundan uzun süredir şüpheleniliyor.
Ancak, bu arada başka bir seçenek daha olası hale geliyor. Bu seçenek, hem dünya dışı hem de karasal faktörlerin Dünya'da yaşamın başlamasına katkıda bulunmuş olabileceğini öne sürüyor. Uzayda üretilen ve Dünya'ya gönderilen organik moleküller, yaşamın kendisinin temel hücreler şeklinde kozmostan Dünya'ya getirildiğini öne süren panspermia teorisinin aksine, sonunda Dünya'da gelişen ve ilk protosellerin yaratılmasına yol açan yapı taşlarını sağlamış olabilir.
Çok sayıda gezegenler arası ulaşım seçeneği mevcuttu: Yeni oluşmakta olan Dünya, gezegen oluşumunun ilk aşamalarında güneş sisteminin soğuk dış bölgelerinden gelen kuyruklu yıldızlar ve diğer enkazlar tarafından bombardımana tutuldu. 2021'de Antarktika'daki kar örnekleri üzerinde yapılan analizler, her yıl Dünya atmosferine yağan 15.000 ton gezegenler arası tozun neredeyse yarısının Dünya yüzeyine nüfuz ettiğini ortaya koydu.
İlk Önce DNA Yapı Taşları
Bu soruyu yanıtlayabilirsek, Dünya'da yaşamın ilk olarak nasıl oluştuğunu daha iyi anlayabiliriz. Çünkü kuyruklu yıldızların, meteorların ya da uzay tozlarının Dünya'ya yaşamın yapı taşlarını getirip getirmediğini, getirdiyse hangilerini getirdiğini ortaya koyar.
Meteoritlerin incelenmesi, laboratuvar deneyleri ve uzay görevleri sayesinde bu sorulara yakın zamanda ilk kez yanıt bulunmuştur. DNA'nın nükleobazlar olarak adlandırılan kimyasal yapı taşları ilk kez 2011 yılında NASA bilim insanları tarafından meteorit örnekleri incelenerek keşfedildi. Gezegenimizde ya hiç bulunmayan ya da sadece çok küçük miktarlarda bulunan üç çeşit DNA bazı vardı. Dünya'nın biyokimyasal profiline uymayan nükleobazların bulunması, yabancı bir köken için ikna edici bir kanıttır. Bunun ardından, 2022'de bilim insanları meteoritlerin RNA ve DNA'da bulunan beş DNA bazından ikisini içerdiğini keşfetti.
Uzay koşulları altında, laboratuvarda oluşturulan kuyruklu yıldız çekirdekleri, kalıtsal molekülün omurgası olan şeker moleküllerinin bu parçaların buzunda gelişebileceğini göstermiştir. 2014'te bir araştırma roketi kullanılarak yapılan deneyler, DNA'nın korunmasız bir uzay yolculuğundan sonra yaşayabileceğini gösterdi.
İkinci Olarak Amino Asitler
Kuyruklu yıldızları yakından inceleyen ve kuyruklu yıldız tozunu analiz eden Rosetta gibi uzay araçları daha da dolaylı kanıtlar sağladı. Kuyruklu yıldızların alkoller ve diğer organik bileşikler içerdiği de gösterilmiştir.
Ancak, yaşamın bu moleküler bileşenleri uzayın enginliğinde ne kadar karmaşık hale gelebilir? Tam olarak nerede kümelenmeye başlarlar?
Yaşam Fabrikaları Olarak Yıldızlararası Bulutlar
Moleküler bulutlar yıldızların ve gezegenlerin doğum yerleridir; dolayısıyla bu ortamlarda organik moleküllerin bulunması mantıklıdır. Yıldızlar bu yıldızlararası bulutların merkezinde, kalın, soğuk gazları yerçekimi kuvveti altında çöktüğünde üretilir. Bunlar daha sonra yörüngelerindeki gaz ve toz diskinde yeni gezegenlerin oluşumu için hammadde sunarlar.
Şaşırtıcı bir şekilde, uzayda, ön gezegen diskleri, kuyruklu yıldızlar ve erken meteoritler de dahil olmak üzere sofistike organik bileşikler bulunmuştur. Bu moleküller, gaz fazı etkileşimleri, donmuş toz parçacık yüzeyleri ve sulu alanlar da dahil olmak üzere, parçaları sonunda meteor olarak Dünya'ya gelen cisimler üzerinde bir dizi farklı yolla oluşabilir.
Son yıllarda yıldızlararası bulut tozunun daha karmaşık organik bileşikler için özellikle üretken bir "fabrika" olabileceğine dair kanıtlar artmaktadır. Toz taneleri yıldızlararası ortamda üretilirken, bazıları soğuk yıldızların dış katmanlarında ve süpernova patlamalarında oluşur. Yıldızlararası ortamdaki moleküler bulutların yaklaşık yarısının gerçekten toz olduğu tahmin edilmektedir.
Tipik olarak bir metrenin milyonda birinden daha küçük olan yıldızlararası toz, kümeler halinde bir araya toplanmış karbon veya silikon atomlarından oluşur. Bununla birlikte, bu toz tanelerinin etrafında büyüyen buz tabakaları kozmik kimyayı anlamanın anahtarıdır. Düşük yüzey gerilimine sahiptirler, bu da su ve karbon monoksit gibi moleküllerin yüzeylerine "yapışmasına" ve reaksiyona girecek kadar yakın temasa girmesine izin verir. Sonuç olarak buzullar bir tür astronomik kimya laboratuvarı işlevi görüyor.
Soğuk Bulutlarda Membran Yapı Taşı
Bu tür yıldızlararası toz bulutları halihazırda çok çeşitli karmaşık organik bileşiklerin tespit edilmesini sağlamıştır. Polisiklik aromatik hidrokarbonlar (PAH'lar) ilk olarak 2021 yılında 450 ışık yılı uzaklıktaki Taurus moleküler bulutunda tespit edildi. PAH'lar çift bağlarla birbirine bağlanmış halka şeklinde organik moleküllerdir. Kısa bir süre sonra, başka bir moleküler bulutta bilim insanları, ilk yaşamın, proteinleri ve genetik materyali içeren hücre zarının önemli bir bileşeni olduğu kanıtlanan kimyasal bir molekülü ortaya çıkardılar.
Araştırmacılar, biyolojik zarlardaki en basit ve en yaygın ikinci fosfolipidin hidrofilik başı olan etanolaminin spektral imzasını yıldızlararası bulutta tespit etti. Bu bulgu, yıldızlar arasındaki boşlukta ribonükleotidlerin ve amino asitlerin gözlemlenmesini tamamlayıcı niteliktedir. Dolayısıyla, yıldızlararası kimyanın yaşamın her üç alt sisteminin yapı taşlarını sentezlemiş olması mümkündür.
Uzun Zincirli Biyomoleküller Yıldızlararası Uzayda Nasıl Oluştu?
DNA, proteinler ve hücre zarları gibi yaşamın karmaşık, uzun zincirli yapı taşları basit organik öncü moleküllerden ortaya çıkar, ancak bunu yapmak için hammaddeden daha fazlasına ihtiyaç duyarlar; ayrıca enerji gerektirirler. Bunun nedeni, zincir benzeri biyomoleküller oluşurken endotermik kimyasal reaksiyonların kendiliğinden meydana gelmemesidir.
Bununla birlikte, ısı ve en önemlisi, bu tür süreçler için "ateşleme kıvılcımı" olarak düşünülen yüksek enerjili UV ışığı, soğuk yıldızlararası moleküler bulutlarda veya ön gezegen disklerinin dış kenarındaki buzla kaplı toz taneciklerinde az miktarda bulunur. En basit organik bileşiklerden bazıları, bilim insanları tarafından daha önce keşfedilen ve bu tür enerji kaynaklarının kullanımını içermeyen reaksiyon yollarına sahiptir. Biyomoleküllerin polimerizasyonu bu kuralın bir istisnasıdır.
Bir örnek olarak, amino asitlerin polimerizasyonunu ele alalım. Bunun gerçekleşmesi için önce su moleküllerinin amino asitlerden ayrılması gerekir. Jena Üniversitesi ve Max Planck Astronomi Enstitüsü'nden Serge Krasnokutski'ye göre, yüksek enerji bariyeri, bu işlemin ancak çok yüksek sıcaklıklarda veya malzemenin çok güçlü bir şekilde işlenmesiyle gerçekleşebileceği anlamına geliyor. Bu nedenle, bunun gerçekleşmesi için gerekli adımların her birinin olasılığı minimumdur.
Canlılar için bu basit bir sorun: Ribozom olarak bilinen hücresel organeller, metabolizmamızdan gelen enerji ile vücudumuzdaki bu süreçten sorumludur. Ancak yıldızlararası bulutların ultra soğuk tozunda böyle bir reaksiyon nasıl gerçekleşebilir? Bu ilk bakışta olanaksız görünüyor.
Amino Asitler Yerine Aminoketen
Krasnokutski ve çalışma arkadaşları, düşünme ve kimya alanında geriye doğru bir adım atarak yaratıcı bir çözüm buldular: Ya polimerizasyon amino asitlerle değil de, araya giren sudan çoktan kurtulmuş bir moleküler varyasyon olan aminoketenle gerçekleşirse? Eğer amonyak, karbon monoksit ve izole karbon atomları başlangıç malzemeleri olarak mevcutsa, kuantum kimyasal hesaplamalara göre aminoketen buz gibi soğuk koşullar altında ve dışarıdan enerji girişi olmadan bile kendiliğinden üretilebilir.
Yıldızlar arasındaki boşlukta bu üç kimyasalın her birinden bol miktarda bulunmaktadır: Yıldızlararası toz taneciklerinin donmuş katmanları yüzde 10 amonyak ve yüzde 40 karbon monoksit içerir. Yıldızlararası ortamdaki tüm karbonun yarısı atomik karbon formunda bulunur ve süreçlerde çok önemli bir rol oynayan da bu atomlardır.
Çok düşük sıcaklıklarda bile, tek tek karbon atomları şaşırtıcı bir reaktivite sergiler. Molekülleri birbirine bağlayabilir ve bir tür "moleküler yapıştırıcı" işlevi görerek inorganik maddeleri organik maddelere dönüştürebilirler.
Uzay Tozunda Peptitler Nasıl Oluşuyor?
Proteinlerdeki amino asitler peptit bağları aracılığıyla uzun zincirler halinde bir araya getirildiği için daha kısa amino asit zincirleri de peptit olarak adlandırılır. Teorik olarak bu tür peptitlerin amino asitler yerine aminoketlerin polimerizasyonuyla da oluşabileceğini keşfeden Serge Krasnokutski ve meslektaşları daha sonra bu reaksiyonun yıldızlararası toz bulutları koşullarında da gerçekleşip gerçekleşmediğini merak ettiler.
Bilim insanları bunu öğrenmek için laboratuvardaki ayarları tekrarladılar. Jena Üniversitesi'nde birkaç yıl içinde oluşturulan INter-Stellar Ice Dust Experiment (INSIDE), uzayda buz tozuyla kaplı bir tanenin yüzeyinin önemli özelliklerini yeniden yaratmak için kullanıldı. Düzenek, moleküler bulutlarda görüldüğü gibi yıldızlararası ortamın düşük yoğunluklu durumunu taklit etmek için ultra yüksek vakumlu bir odaya dayanıyor.
Bilim insanları, kozmik tozun yerini alması için mutlak sıfırın birkaç derece altına kadar soğutulmuş bir potasyum bromür yüzeyi kullandılar. Daha sonra karbon monoksit, C atomları ve amonyak eklenerek birkaç yüz atomdan daha kalın olmayan ince bir tabaka oluşturuldu. Kütle spektrometrisi ve Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) analizi aminoketenin varlığını doğruladı.
Aminoketenden Peptide
Bundan sonra, Krasnokutski ve meslektaşları toz benzerlerini aşamalı olarak ısıttılar ve kimyasal değişimleri izlediler. Sentetik kozmik toz taneciği üzerinde oluşan malzeme -163 derece sıcaklıkta bir geçiş geçirdi. Kızılötesi spektroskopi yapıldığında peptit bağlarının karakteristik parmak izlerinin varlığının gösterdiği gibi, peptitler laboratuvarda üretilmişti.
Araştırma, poliglisin peptidinin bu koşullar altında basit bileşenlerden sentezlendiğini gösterdi. Bu iplikçikleri, değişen uzunluklarda glisin zincirleri olarak tanımladılar. En büyük örneklerde on bir birim amino asit bulunuyordu.
Uzayda Yaşamın Yapı Taşları
Bu nedenle, peptit üretiminin uzay koşullarında da gerçekleşebileceği ve amonyak, karbon monoksit ve karbon dışında çok az şeye ihtiyaç duyulduğu görülmektedir. Karbonu oluşturan atomlar hem geniş hem de çeşitli bir kimyasal manzarayı katalize eder. Bu kimya, uzayda var olan koşullar altında bile yaşamın ortaya çıkması için gerekli olana daha önce varsayılandan önemli ölçüde daha yakındır.
Bulgular, yaşamın temel yapı taşlarının yıldızlararası uzaydaki toz taneciklerinde bile üretilmiş olabileceğini gösteriyor. Bu toz parçacıkları ısıtıldığında, içlerindeki aminoketen peptitlere dönüşür. Eğer bir toz parçacığı ısıtılırsa, bunun nedeni yakınlarda yeni bir yıldızın oluşuyor olması ya da yıldızlararası ortam akımları tarafından bir gezegen sistemine taşınmış olması olabilir.
Kaynaklar:
- A pathway to peptides in space through the condensation of atomic carbon | Nature Astronomy, doi: 10.1038/s41550-021-01577-9
- The micrometeorite flux at Dome C (Antarctica), monitoring the accretion of extraterrestrial dust on Earth – ScienceDirect
- Identifying the wide diversity of extraterrestrial purine and pyrimidine nucleobases in carbonaceous meteorites | Nature Communications
- Prebiotic chemicals—amino acid and phosphorus—in the coma of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko | Science Advances
- How the Building Blocks of Life Formed in Space – Malevus
