Hücreler canlılığın en küçük yapısal ve işlevsel birimidir. Hücreyi inceleyen bilim dalına sitoloji (cyto “hücre”, logos “bilim”) veya hücre bilimi denir. Biyolojinin bu alt dalı komplex organizmalarda hücre yapılarının işleyişini araştırmakla kalmaz aynı zamanda bu küçük ölçekli canlılık biriminin nasıl oluştuğunu ve oluşum sürecindeki anlamlarını da keşfetmeye çalışır. Şimdi size aslında tek bir hücreden oluştuk desem bu duruma şaşırmazsınız; çünkü hepimiz bir yumurta ve spermin birleşerek oluşturduğu zigotun gelişimiyle hayata geldiğimizi biliyoruz. Peki size tüm canlıların ve dahi canlılığın tek bir hücreden meydana geldiğini söylesem: Protobiyontlar. 

Hücre Fikri Nasıl Gelişti?

Canlılığın incelenmesi oldukça karmaşık süreçleri içerir. Yine de ilk hücre nasıl var oldu sorusuna ulaşmaya çalışalım. İlk hücre teorisinin ardında yaşamın kökenine dair anlayışımızı şekillendiren olağanüstü keşifler yatar. Basit bir mikroskop gözlemi Robert Hooke’un bu canlılık birimine hücre ismini vermesini sağlamıştır. Bu ilkel canlılık birimleri tanımlandıktan sonra, onların nasıl oluştuğuna dair çalışmalar devam etmiştir. Hücre teorisinin temeli, Hollandalı bilim insanı Antonie van Leeuwenhoek'un canlı mikroorganizmaları mikroskop altında ilk kez gözlemlediği 17. yüzyıla kadar uzanır. "Hayvankülleri" olarak adlandırdığı bu tek hücreli organizmalar, mikroskobik dünyanın ilk kanıtlarıdır ve hücrelerin incelenmesine zemin hazırlamıştır. Leeuwenhoek, 50-270 defa büyütme yapabilen mikroskobuyla; 1672’de spermatozoonları (sperm), 1674’de protozoonları (tek hücreli canlılar), 1676’da bakterileri, 1689 yılında ise lökositleri (beyaz kan hücresi) gözlemleyerek tanımlamıştır. Leeuwenhoek bu tanımlamaları yaparken bir bilim insanı değildir, bu sebeple çalışmaları ciddiye alınmamıştır, ta ki Rober Brown, 1831’de orkide çiçeğinin yapraklarını inceleyerek her canlı hücrede çekirdek bulunduğunu yayınlayana kadar.

Hücre çalışmaları hızla devam etmiş olsa da 19. yüzyıla kadar kapsamlı bir hücre teorisi ortaya çıkmamıştır. 1838'de Alman botanikçi Matthias Schleiden, tüm bitkilerin hücrelerden oluştuğunu öne sürerken, meslektaşı Theodor Schwann, hayvan dokularının da hücrelerden oluştuğunu öne sürmüştür. Çalışmaları birlikte, tüm canlı organizmaların hücrelerden oluştuğunu ve hücrelerin yaşamın temel birimi olduğunu belirten ilk hücre teorisinin gelişmesine yol açmıştır. İlk hücre teorisine göre; bitki ve hayvanlardaki yapısal ve işlevsel birim, çekirdekli hücredir. Hücreler birbirlerinden bağımsız olmalarına karşın birlikte çalışırlar.

Dünya'da Canlılık Nasıl Ortaya Çıktı?

Bu sorunun cevabı canlılığın, Dünya'da var olan organik bileşiklerin bir karışımından ortaya çıktığını öne süren ilkel çorba teorisine dayanır. Bu teori ilk olarak İngiliz biyolog J.B.S. 1929'da Haldane ve daha sonra ünlü Miller-Urey deneyinde Amerikalı kimyager Stanley Miller tarafından genişletilmiştir. Günümüzden 4,5 milyar yıl önce oluşan dünyamız, 600-900 milyon yıl boyunca soğuyarak suyun oluştuğu bir gezegen haline gelmiştir. Bugün de uzay araştırmalarında ilk aranan madde sudur, çünkü su canlılık için temel gereksinimdir. Miller-Urey deneyinde Miller ve meslektaşı Harold Urey; su, metan, amonyak ve hidrojen karışımını elektrik kıvılcımlarına maruz bırakarak erken Dünya'nın koşullarını yeniden üretmiştir. Sadece bir hafta sonra, proteinlerin yapı taşları olan amino asitlerin bu çorbada oluştuğunu görmüşlerdir. Bu deney, yaşamın cansız maddelerden oluşmuş olabileceği fikrine güçlü kanıtlar sunmuştur.

Peki bu organik bileşikler nasıl bir araya gelerek ilk hücreyi oluşturmuş olabilir? Canlılığın oluşumu 3 farklı teori ile açıklanmaya çalışılmıştır.

Abiyogenez Teorisi Nedir?

Abiyogenez, yaşamın 3,7 milyar yıldan daha uzun bir süre önce Dünya'da cansız ortamdan ortaya çıktığı fikridir. Abiyogenez, üretilen ilk yaşam formlarının çok basit olduğunu ve kademeli bir süreçle giderek daha karmaşık hale geldiğini öne sürmektedir. Oparin-Haldane’nin ortaya attığı bu oluşum teorisine göre; yaşamın diğer yaşamlardan üremesinden türediği biyogenez sürecinden önce, muhtemelen Dünya'nın atmosfer bileşimi (çorba) oluştuktan sonra abiogenez meydana gelmiştir.

Birçok çalışma abiyogenez ile arkaik teoriyi bir tutsa da iki hipotez oldukça farklıdır. Arkaik oluşum teorisinde, karmaşık yaşamın (örneğin kurtçuk veya fare gibi ) cansız maddeden kendiliğinden ve sürekli olarak ortaya çıktığı düşünülüyordu ve buna kendiliğinden oluşum deniliyordu. Kendiliğinden oluşumun varsayımsal süreci 17. yüzyılın başlarında çürütülürken 19. yüzyılda kesin bir şekilde reddedilmiştir. Ancak abiyogenez ne kanıtlanmış ne de çürütülmüştür. Çürütülememe nedeni yukarıda da sözü edilen Miller-Urey deneyidir.

Miller-Urey deneyinin gösterdiği gibi, organik moleküller Dünya'nın prebiyotik atmosferinin kısıtlamaları altında abiyojenik malzemelerden oluşabilir. 1950'lerden beri araştırmacılar, amino asitlerin kendiliğinden peptitleri (küçük proteinler) oluşturabildiğini ve RNA nükleotitlerinin (şeker ve fosfat gruplarına bağlı nitrojen içeren bileşikler [bazlar]) sentezindeki anahtar ara maddelerin prebiyotik başlangıç ​​malzemelerinden oluşabileceğini bulmuşlardır. Son kanıtlar RNA dünyası hipotezini destekleyebilir, bu erken Dünya'da prebiyotik kimyasal reaksiyonlar yoluyla üretilen bol miktarda RNA yaşamı olduğu fikridir. Aslında, RNA, genetik bilgiyi taşımanın ve çevirmenin yanı sıra, kendisi tüketilmeden bir reaksiyonun hızını artıran bir molekül olan bir katalizördür, yani tek bir RNA katalizörü birden fazla canlı formu üretebilir. Bu bilgi bugün protein ve organizma çeşitliliğinin açıklanmasında kullanılır. RNA dünyası hipotezi, abiyogenezin önde gelen ilk kendi kendini kopyalama kavramlarından biridir.

Bazı bilim insanları, abiyogenezin birden fazla kez meydana geldiğini öne sürmüştür. Bu varsayımsal senaryonun bir örneğinde; her biri geliştikleri abiojenik malzemelerin doğasını yansıtan farklı biyokimyasal mimarilere sahip farklı yaşam türleri ortaya çıkmıştır. Bununla birlikte, nihayetinde fosfat bazlı yaşamın ("standart" yaşam, fosfor gerektiren bir biyokimyasal mimariye sahiptir), fosfat bazlı olmayan tüm yaşam ("standart olmayan" yaşam) üzerinde bir avantaj elde ettiği ve böylece dünya üzerinde en yaygın şekilde dağılan yaşam türü haline geldiğidir. 

Yine de deneyler, inorganik materyallerin protobiyontlar ve protohücreler gibi yapılara tam geçişini henüz göstermemiştir ve önerilen RNA dünyası söz konusu olduğunda, tam RNA nükleotitlerini oluşturmak için gerekli olan pürin ve pirimidin bazlarının sentezindeki mekanizmalardaki önemli farklılıkların ne olduğunda henüz uzlaşılamamıştır. Bu sebeple abiyosentez teorisi kanıtlanmış olarak kabul edilemez. 

Abiyogenez üzerine bugüne kadar yapılan araştırmalar, astrobiyoloji, dünya dışı yaşam arayışıyla ve yaşamın oluşması için gerekli koşulların anlaşılmasıyla ilgili çalışma alanını kapsar. Özellikle, serbest oksijenden yoksun bir atmosfere sahip olan Ay'ın astrobiyolojik araştırmaları, burada karmaşık organik moleküllerin bulunduğunu ortaya çıkarmıştır. Bilim insanları abiyogenez teorisinden yola çıkarak Ay’da, erken Dünya'ya benzeyen prebiyotik bir habitatta biyolojik materyallerin oluşup oluşmayacağına dair test çalışmalarına devam ediyorlar. 

Biyogenez Teorisi Nedir?

18. yüzyıla kadar organizmaların abiyogenez yoluyla ortaya çıktığına inanılmıştır. Bu görüş, kuramsal olarak Aristoteles’in Hayvanların Tarihi (History of Animals) adlı eserinde ele alınmıştır. Örneğin bu eserde, böceklerin; hayvan gübresi ve eti, çamur, yapraklardaki çiy ve diğer organik ve inorganik maddelerden ortaya çıktığı ileri sürülmüştür. Antik Yunan’da ortaya çıkan bu görüş, İslâm coğrafyasında da karşılık bulmuştur. Örneğin; 10. yüzyılda Bağdat’ta yaşadığı düşünülen İbn Vahşiyye’nin, el-Filâḥatü’n Nabaṭiyye adlı eserinde, tevellüd düşüncesine yer verilmiştir. Tevellüd, bitki ve hayvanların erkek ve dişisinin bir araya gelmesiyle üremeyi (tevâlüd) değil, erkek-dişi ilişkisi olmadan bitki ve hayvanların birbirlerinden oluşmasını ya da cansız maddelerden meydana gelmesini ifade etmektedir. Nitekim tevellüd yoluyla; bitkiler, hayvanlar ve madenler farklı süreçler içinde meydana gelebilmektedir. Örneğin; fesleğenden akrepler, hardal yapraklarının çürümesinden böcekler, ağaç dallarından ipek böceği oluşabilmektedir. Aynı zamanda; bir hayvan, bir başka hayvanın cüzlerinden (parçalarından) teşekkül edebilmektedir.

Kendiliğinden oluşmaya olan inanç yüzyıllarca sürmüştür; Aristoteles’in abiyogenez hipotezine dayanan bu görüş, döllenmiş yumurta gibi bazı madde parçalarının, bir “aktif öz” taşıdığı ve bu aktif özün de, şartlar uygun olduğu zaman bir canlı yaratabileceğini ileri sürmektedir. Aristoteles, aktif özü bir madde gibi düşünmeyip, daha çok “bir iş yapma yeteneği” olarak kabul etmiştir. Aktif öz kavramı, günümüzdeki enerji terimine benzetilebilir.

Francesco Redi (1626-1697), 1668 yılında, böceklerin çürük et üzerinde görünmesinin nedeninin, etin kendisinden üremesi değil, biyogenez olduğunu gösteren deneyini yapmıştır. F. Redi, bu deneyine, Esperienze Intorno alla Generazione degl'Insetti (Böceklerin Jenerasyonu Üzerine Denemeler, 1668) isimli eserinde yer vermiştir. Redi, bu çalışmasında, “kontrollü deney” yöntemini uygulamıştır. Deney, canlıların yine canlı maddelerden oluştuğunu savunan Biyogenez Teorisi’ni ampirik olarak desteklemiştir. Redi’nin yaptığı bu kontrollü deneyle, deneysel biyolojinin öncü isimlerinden biri hâline geldiği düşünülebilir. Nitekim birçok filozofun biyoloji sorularına düşünme ve okuma yoluyla cevap verilebileceği düşüncesinde oldukları bir çağda Redi’nin, “Doğruluğu deneylerle gösterilemeyen inançlar değersizdir” söylemi de bu durumu göstermektedir. Daha sonra Biyogenez Teorisi’ne destek; böceklerin üreme döngülerini kapsamlı bir şekilde araştırıp belgeleyen Marcello Malpighi ve Jan Swammerdam’dan gelmiştir. Ayrıca, Modern Bilim’in Doğuşu sürecinde, Redi’nin, Galilei ile olan benzerlikleri de, Bilim Tarihi açısından vurgulanması gereken önemli bir durum sayılmalıdır. Nitekim bu iki bilim insanı; biyolojide ve fizikte Aristotelyen Düşünce’yi değiştirmişler ve bilimsel yöntemlerin gelişmesiyle ilişkilendirilmişlerdir 

Biyogenez teorisi terimsel olarak, önceden var olan yaşamdan yaşamın gelişimi anlamına gelmektedir. Teorideki varsayım, bir canlının var olması için başka bir canlının varlığına mecbur olduğudur. F. Redi kavanozlarla yaptığı deneyde: 

1. kavanoza ağzı tamamen açık kalacak şekilde taze et koymuştur.

2. kavanozun ağzına, ortama hava girebilmesi için gözenekli gazlı bez örtmüştür

3. kavanozu dışarıdan mühürleyerek ortama hava girmesini engelleyecek şekilde kapatmıştır.

Açık Kavanozda: Şişenin içerisine sinekler girmiştir. Bir süre sonra, kavanozun içinde kurtçuklar oluştuğunu gözlemlemiştir.

Gazlı Bez Örtülü Kavanozda: Ortamda bulunan sinekler, gözenekli gazlı bezden kavanoza giremeyecek kadar büyüktür. Ancak bu sinekler, gazlı bezin üzerine üşüşmüşlerdir. Bu kavanoz içerisinde kurtçukları gözlemlememiştir.

Mühürlü Kavanozda: Herhangi bir kurtçuk oluşumunu gözlemlememiştir.

Deney sonucunda “Sineklerin üretilmesi için sinekler gereklidir; sinekler, çürüyen etlerden kendiliğinden çıkmazlar” aynı zamanda, kurtçukların oluşmasını sağlayan sinek yumurtalarını gözlemlemeye ya da bunların varlığını hayal etmeye ihtiyaç bulunmadığı da söylemiştir. Nitekim Redi’nin deneyi basitçe, “yaşamın yine yaşamdan çıktığı” sonucuna varmasını sağlamıştır. 

Biyogenez teorisi bugün birçok yeni çalışmaya kapı aralamıştır, bunlardan bir de mitokondriyal biyogenez terimidir. Mitokondriyal biyogenez, önceden var olan mitokondrilerin büyümesi ve bölünmesi olarak tanımlanabilir. İlk olarak 1960'larda John Holloszy tarafından, fiziksel dayanıklılık eğitiminin daha yüksek mitokondriyal içerik seviyelerine neden olduğu ve kaslar tarafından daha fazla glikoz alımına yol açtığı keşfedildiğinde tanımlanmıştır. Birçok hücrenin başka hücreleri meydana getirdiği bugün kesin olarak bilinmektedir örneğin; kök hücrelerden birçok hücre tipinin meydana gelmesi gibi. Birçok bilim insanı abiyogenez teorisinden ziyade biyogenezi benimseyerek araştırmalarına devam etmektedir.

Panspermia Teorisi Nedir?

Panspermia Dünya üzerindeki yaşamın, uzayda bulunan ve uygun bir ortama ulaştıktan sonra yaşamı başlatabilen mikroorganizmalardan veya yaşamın kimyasal öncüllerinden kaynaklandığı teorisidir. Binlerce yıldır felsefi bir tartışma konusu olan bu düşünce, yaşam tohumlarının evrenin her yerinde var olduğunu ve uzayda bir konumdan diğerine yayılabileceğini belirtir. Bununla birlikte, herhangi bir kanıt olmaması nedeniyle, birkaç on yıl öncesine kadar yalnızca spekülatif bir teori olarak kalmıştır. Sadece son keşifler ve farklı araştırma alanlarındaki ilerlemelerle panspermiye ciddi bilimsel ilgi gösterilmiştir. Mikroorganizmaların bir gezegenden fırlatma, uzayda yolculuk ve başka bir dünyaya çarpma süreci sırasında yaşanan yüksek darbe ve hızdan sağ çıkabildikleri gösterildiğinde, bazı bilim insanları pansperminin kabul etmiştir.

Panspermia teorisi, yaşamın uzayda, uzaysal buzlarda ortaya çıktığını ve kuyruklu yıldızlar ve göktaşları tarafından sürekli olarak gezegenlere dağıldığını savunur. Buna göre uzayda canlı formlar yerine amino asitler, şekerler ve RNA'yı oluşturmak için gerekli moleküller üretilir. Yıldızlararası buz analoglarının yıldız benzeri UV radyasyonu ile ışınlanmasından oluşan deneyler, gerçekten de RNA'nın yapı taşlarının uzayda üretilebileceğini göstermiştir. Ayrıca bu laboratuvar sonuçları, göktaşlarından elde edilen ölçümler ve Rosetta görevi tarafından C67/Churyumov-Gerasimenko kuyruklu yıldızından toplanan verilerle oldukça uyumlu olduğu görülmüştür.

Teoriyi destekleyenler, milyarlarca yıl önce var olmuş olabilecek koşullara benzer aşırı ortamlarda yaşayan arkealar ve aynı zamanda yaşanması zor ortamlarda gelişen ve özellikle ilgi çekici olan siyanobakterilerin (mavi-yeşil algler) atalarının bu organizmalardan olduğunu düşünmektedirler. Yine de kanıtlanabilir ölçekte bir teori olmadığı için henüz birçok insan tarafından kabul edilmemektedir. Kısaca Panspermia yaşamın Dünya'ya varsayımsal göçü olarak bilinir.

İlk Hücre Nasıl Oluştu?

İlk hücrenin nasıl oluştuğu ve yaşamın nasıl ortaya çıktığına dair kesin ayrıntılar henüz tam olarak bilinemese de, hücre teorisinin tarihi, hücrelere ve yaşamın kökenine ilişkin anlayışımızı şekillendiren keşifler, insanın bilgi arayışının bir kanıtıdır. Bugün yaşayan her insan kendisine neden var olduğunu sorabilir, ancak belki neden var olduğumuzdan önce nasıl var olduğumuzu anlamaya çalışmak yaşamdaki karmaşık ve sistemli süreci anlamamıza yardım edebilir.

İlkel çorba teorisinde öncül atmosferin gelişmesinden sonra yeryüzünde suyun varlığından bahsetmiştik. Moleküllerin sulu ortamlarda bir araya gelmeleri ile ilk canlı hücrelerin (prokaryotik hücrelerin) ortaya çıktığı tahmin edilmektedir. En erken canlı formlara ait mikrofosiller Batı Avustralya’da bulunan Primaevifilum amoenum ve Primaevifilum conicoterminatum olup, 3,5-3,6 milyar yıl öncesine aittir. Bu mikrofosiller esas olarak mavi-yeşil alglerin (ilkel tek hücreli organizmalar) büyümesiyle oluşan kireçtaşıdır ve stromatolitler olarak adlandırılarlar. Bu fosillerin zamanımız bakterilerine benzemesi, teorik olarak daha basit yapılı canlı formlarının bunlardan daha önce ortaya çıkmış olabileceği fikrini getirmiştir. Ancak bu fikre dair henüz bir kanıt yoktur. 

Canlı hücrelerden önce, abiyotik moleküllerin oluşturduğu, üreme yeteneği olmayan ve basit metabolizma yetisi bulunan protobiyontlar oluşmuş olabilir. Yani protobiyontlar, tam olarak hücre olmayan biyolojik komplekslerdir. Bugün de fosfolipit molekülleri suya karıştırıldığında, kendiliğinden lipozom adı verilen ve hücre zarını andıran bir yapı oluştururlar. Canlılık öncesi dünya koşullarında zarımsı yapıları oluşturan molekül kümelerinin, metabolizması ve çoğalma kabiliyeti olan prokaryotik hücrelere evrildiği ve 3,5 milyar yıl önce biyotik (Canlı) dünya koşullarına adım atıldığı düşünülmektedir. Bu prokaryotlar 1,4 milyar yıllık dönemden varlıklarını tek başlarına sürdürmüşlerdir.

Başlangıçta oksijensiz ortamda yaşayan prokaryotik hücre, ortamda birikmiş organik maddeleri kullanmıştır. Zamanla ortamda azalan organik madde, bu heterotrof hücrenin yaşamını sürdürebilmesi için inorganik maddeden organik madde sentezleyen hücreye dönüşmesine sebep olmuştur. Porfirini bünyesine alarak klorofil oluşturan hücre, güneş enerjisi yardımıyla H2O ve CO2’den kademeli olarak organik madde sentezleyen ototrof hücreleri oluşturmuştur. Fotosentez olarak isimlendirilen bu olay, yeryüzünün siyanobakterler ile yeşile bezenmesine sebep olmuştur. Böylece atmosfer içeriği değişmiş ve yeryüzünde yaşam olanağı doğmuştur. Böylece oksijen atmosferde 2,7-3 milyar yıl önce görülmeye başlanmıştır. Oksijenin varlığı, organizmaların daha fazla enerji elde etmesine sebep olmuştur. Fotosentez yapan basit ökaryotik hücreler de bu dönemde ortaya çıkmıştır. Bunlar 1,2 milyar yıl öncesine ait alg fosilleri ile tespit edilmiştir.

Günümüzde organizmalar ve bunların moleküllerinden elde edilen bilgilerden, ilk hücrenin en az üç aşamadan geçtikten sonra ortaya çıktığı tahmin edilmektedir. Bunlar: 

1. Komplementer baz-çifti etkileşimleri aracılığıyla kendi eşleşmesini yönetebilecek RNA molekülünün oluşması
2. RNA molekülü ile protein sentezini yürüten mekanizmaların gelişmesi (RNA translasyonunun amino asit dizilerini oluşturması)
3. Kendi kendini eşleyen RNA ve protein moleküllerini çevreleyen bir lipit zarın meydana gelmesidir.

Hücrenin gelişim sürecinde daha sonra DNA, kalıtım maddesi olarak RNA komplex molekülünün yerini almıştır. İlkel canlılarda DNA’nın olmayışı bu şekilde açıklanmaktadır. İlk oluşan organizmalar prokaryotlar olmasına karşın, günümüzde hala biyosfere hakimdirler. Yaşamın başlangıcını oluşturduğu düşünülen prokaryotlar bugün de yaşam olan her yerde bulunurlar. 

Günümüzde hücre teorisi, biyolojinin en önemli ve temel ilkelerinden biri olmaya devam etmektedir. Hücrelerin incelenmesi, aşıların ve antibiyotiklerin geliştirilmesinden genetik bozuklukların ve kanser mekanizmalarının anlaşılmasına kadar sayısız keşif ve ilerlemeye yol açmıştır. Ve hayatın kökenini ve biyolojik dünyayı yöneten temel ilkeleri incelemeye devam etmek, doğal dünyanın ve bizim onun içindeki yerimizin güzelliği ve karmaşıklığı bize hatırlatıyor.