Yaşamın evrimsel tarihi

Dünyadaki yaşamın evrimsel tarihi, fosil ya da günümüz yaşayan canlı organizmaların evrildiği süreçlerin izlerini takip eder. Yaşamın evrimsel tarihi, yeryüzünde yaşamın kökeninden, günümüzden yaklaşık 4,5 milyar yıl önceki bir tarihten, günümüze kadar uzanmaktadır. Günümüz tüm canlı türleri arasındaki benzerlikler, bilinen tüm canlı türlerin, evrim süreçleri içinde giderek birbirlerinden ayrıldığı ortak bir ataya sahip olduklarına işaret etmektedir.

Bir arada yaşamış ve var olan bakteri ile arkelerin oluşturduğu mikrobik matlar erken Arkeyan devrinde en baskın yaşam formu olup evrimin ilk önemli adımları bu iki canlı türü arasında vuku bulmuştur. Yaklaşık 3,5 milyar yıl öncesine denk gelen Oksijenli fotosentezin evrimi, bundan yaklaşık 2.4 milyar yıl öncesinden başlayarak sonunda atmosferin oksijenlenmesine yol açtı. Organellere sahip kompleks yapılı ökaryot organizmalara ait ilk kanıtlar günümüzden 1,85 milyar yıl öncesine ait olup daha önce de var oldukları düşünülen bu organizmaların bünyelerinde metabolizma için oksijen kullanmaya başlamalarıyla çeşitlenmeleri de hızlanmıştır. Daha sonra, yaklaşık 1,7 milyar yıl önce, özel işlevleri yerine getiren farklılaşmış hücrelere sahip çok hücreli canlılar görülmeye başlar.

En erken kara bitkileri 450 milyon yıl öncesi ile tarihlenmekle birlikte bulgular, su yosunlarından oluşan köpüksü formların karalarda bundan daha önce, yaklaşık 1,2 milyar yıl önce, oluşmaya başladığını göstermektedir. Kara bitkileri, Geç Devoniyen yok oluşunda katkıda bulunduklarını düşündürecek kadar başarılıydılar. Omurgasız hayvanlar Vendiyan dönemi boyunca görülmeye başlarken omurgalılar, 525 milyon yıl önce, Kambriyen patlaması sırasında görülmüştür. Permiyen devri boyunca, memelilerin atalarını da içeren sinapsidler karaya egemen oldular, fakat 251 milyon yıl öncesine denk gelen Permiyen-Triyas yok oluşu, tüm kompleks yaşamı silme eşiğine getirdi. Bu felaketin etkilerinden toparlanırken arkozorlar, karada yaşayan en egemen omurgalı tür oldular ve Triyas Dönemi ortalarında therapsidleri bastırarak onların yerini aldılar. Bir arkozor grubu, nitekim dinozorlar, ancak küçük boyutlarda ve böcekçiller olarak varlığını sürdürebilen memelilerin atalarıyla birlikte Jura ve Kretase devirlerine egemen oldular. 65 milyon yıl önce, Kretase-Tersiyer yok oluşu kuşların ataları olmayan tüm dinozor türlerini ortadan kaldırdıktan sonra memeliler hızlı bir şekilde boyut ve çeşitlilik olarak artış gösterdi. Bunun gibi kitlesel yok oluşlar, yeni canlı türlerin ve organizma gruplarının çeşitlenmesine olanak sağlayıp evrime hız vermiş ve ivme kazandırmış olabilir.

Fosil kanıt, çiçekli bitkilerin 130 ile 90 milyon yıl önce, Kretase döneminde görünmeye başlayıp hızlı olarak çeşitlendiğine ve polen taşıyan tozlayıcı böceklerle birlikte evrildiğine işaret etmektedir. Çiçekli bitkiler ve deniz fitoplanktonu, hala olsun günümüzün en büyük ve baskın organik madde üreticileridir. Sosyal yaşamlı böcekler çiçekli bitkilerle yaklaşık aynı zaman diliminde göründüler. Bu böcekler böcek soy ağacının çok küçük bir kısmını oluşturdukları halde onlar günümüzdeki böcek ailesinin yarısından daha fazlasını oluşturmuşlardır. İnsan, dik duran ve yürüyen bir maymunsu-insansı soyundan gelmiş olup bipedal insansılara ait ilk fosil kanıtlar 6 milyon yıl öncesine dayanır. Bu soyun ilk üyelerinin beyin büyüklüğü şempanze beyni büyüklüğü ile karşılaştırılabilse dahi geçen 3 milyon yıllık zaman dilimi içinde insan beyninin boyutlarının sürekli büyüme gösterdiği tespit edilmiştir.

Yeryüzünde bulunan en eski meteor parçaları 4,54 milyar yıl yaşındadır; bu tarih, eski çağ kurşun yataklarının tarihiyle karşılaştırıldığında ortaya dünyanın yaşı için ortalama bir tahmin ortaya çıkmaktadır. Ay, Dünya'nın yerkabuğu gibi aynı bileşime sahip olmakla birlikte Dünya'nın iç çekirdeğinde olduğu gibi zengin demir bileşimleri içermez. Birçok araştırmacı, Dünya oluştuktan 40 milyon yıl sonra Dünyaya bir gezegenimsinin çarptığını ve bu çarpışma ile yer kabuğundan kopan parçaların yörüngede Ay'ı oluşturduğunu düşünür. Buna dair diğer bir hipotez ise Dünya ve Ay'ın aynı zamanda birleşip yakınlaşmaya başladığı ancak Dünya'nın daha güçlü bir yerçekimine sahip olması nedeniyle içeriğinde tüm demir parçacıklarını topladığıdır.

Yakın bir geçmişte, Dünya’da 3,8 milyar yıl öncesine ait en eski kayaçlar bulunmadan önce, önde gelen bilim insanları on yıllarca Dünya yüzeyinin bu döneme kadar eriyik bir durumda olduğunu düşünmüşlerdir. Dolayısıyla, Dünya tarihinin bu dönemine, “cehennemsi” anlamına gelen Hadeyan ismi konmuştur. Ancak, 4,0 ile 4,4 milyar yıl öncesine ait zirkon kristallerinin (Zirkonyum silikat) analizleri sonucu, yerkabuğunun gezegen oluşumundan 100 milyon yıl sonra katılaştığını ve gezegenin yaşamı destekleyecek ve muhafaza edecek olan okyanuslara ve bir atmosfere çabucak sahip olup edindiğini göstermiştir.

Ay’dan gelen kanıtlar ise, Ay’ın 4,0 milyar yıl öncesinden 3,8 milyar yıl öncesine kadar, Güneş Sistemi'nin oluşumu esnasında geride kalan enkaz yığınlarının Geç Dönem Ağır Bombardıman‘ına maruz kaldığını göstermektedir. Yerküre ise daha güçlü bir yerçekimine sahip olduğu için bundan daha ağır bir bombardımana maruz kalmıştır. Dünya’nın 4,0 ile 3,8 milyar yıl önceki formuna dair doğrudan kanıtlar olmasa da, Dünya’nın bu geç ağır bombardımandan etkilenmediğini düşünmek için bir neden görünmemektedir. Bu olayın belki de önceki okyanusları ve ilk atmosferi ortadan kaldırmış olabileceği düşünülebilir; bu durumda yer küredeki volkanik gaz çıkışlarının bunların tekrar oluşumunun en az yarısına katkıda bulunmuşsa da, Dünya’ya çarpan kuyruklu yıldızların tekrar getirdiği su ve gazlar, atmosferin ve okyanusların yeniden oluşmasını ve gezegene yerleşmesini de sağlamış olabileceği ihtimali bulunmaktadır.

Tespit edilen en erken canlı organizmalar, çok kısa zaman aralığında yaşamış olan nispeten özelliksiz türler olup bu canlıların fosilleri, abiyotik fiziksel süreçler yoluyla ortaya çıkan yapılar dışında haklarında ne oldukları zor söylenebilecek türden çubuksu özellikler gösterirler. Dünya üzerindeki yaşamın tartışmasız en eski kanıtı fosilleşmiş bakteriler olup bundan 3 milyar yıl öncesine dayanır. 3,5 milyar yıl öncesine tarihlenen kayaçlardaki diğer buluntular ise bakteri izleri olarak yorumlanmış olup, buradaki jeokimyasal kanıtlar Dünyadaki yaşamın 3,8 milyar yıl öncesine kadar gidebileceğini göstermiştir. Ancak bu analizler yakından incelendiğinde biyolojik olmayan süreçlerin de var oldukları ve bu süreçlerin de yaşama imza atabilecekleri gözlemlenmiştir. Bu bulgular, bulunan yapıların tam olarak biyolojik olmayan bir kökene sahip olmasına kanıt olmadığı gibi hayatın varlığına dair de kesin kanıt olarak düşünülemezler. 3,4 milyar yıl öncesine ait kayalardan elde edilen jeokimyasal izler yaşamın birer kanıtı olarak düşünüldüler ise de bu ifadeler eleştirmenler tarafından iyice incelenmemiştir.

Biyologlar, birbirinden farklı ve ayrı iki veya daha fazla soyun, tüm canlı organizmalar için ortak olan birçok kompleks biyokimyasal mekanizmaları oluşturabilecek kadar birbirinden bağımsız gelişmiş olabileceği ihtimalinin neredeyse imkânsız olduğunu düşündükleri için günümüz yaşayan tüm canlı organizmaların kökenini bir tek ortak ataya, nitekim son evrensel ataya dayandırırlar. Daha önce de belirtildiği gibi, haklarında fosil kanıtlara sahip olduğumuz en eski organizmalar sayılan bu bakteriler, halihazırda doğrudan cansız maddelerden ortaya çıkamayacak kadar kompleks hücrelere sahiptirler. Erken dönem organizmalara dair fosil ya da jeokimyasal kanıtların eksikliği, iki ana grupta toplanabilecek farklı hipotezler için geniş yer bırakır: 1) yaşam yeryüzünde kendiliğinden ortaya çıktı veya 2) yaşam evrenin başka bir yerinde filizlendi.

Yeryüzünde yaşamın başka bir yerde oluşup geliştiği fikri en az M.Ö. 5. yüzyıla kadar dayanır. 20. yüzyılda ise bu fikir fiziksel kimyager Svante Arrhenius, astrofizikçi Fred Hoyle ve Chandra Wickramasinghe ile moleküler biyolog Francis Crick ve kimyager Leslie Orgel tarafından dile getirilmiştir. “Yaşam başka bir yerde filizlendi” hipotezinin üç temel versiyonu bulunmaktadır: Yaşam, Güneş Sistemimizin herhangi bir yerine meydana gelen büyük bir meteor çarpışması sonucu uzaya dağılan göktaşı parçaları aracılığıyla Dünya’ya geldi, ki böyle bir olasılıkta tek güvenilir yaşam kaynağı sadece Mars olabilir, veya uzaylıların yanlarında getirdikleri mikro organizmaların istek dışı kontaminasyona uğrayıp bulaşması sonucu yaşamın Dünyaya gelmiş olması ya da yaşamın Dünya'ya Güneş sistemi dışından bir yerden doğal olan yollardan gelmiş olması. Deneyler, bazı mikro organizmaların uzaya fırlatıldıklarında bu şoku atlatabildiğini ve hayatta kalabildiklerini, bazılarının ise radyasyona maruz kaldıklarında birkaç gün sağ kalabildiklerini göstermiştir. Buna rağmen, bu mikro organizmaların uzay boşluğunda daha uzun bir süre için yaşayabileceklerine dair bir kanıt bulunmamaktadır. Bilim adamları, yaşamın Mars'ta bağımsız bir şekilde oluşup buraya geldiği ya da galaksimizdeki başka bir gezegende oluşup geldiği konusunda ikiye ayrılmış görünmekte.

Dünyadaki hayat karbon ve suya dayanır. Karbon, karmaşık kimyasallar için sağlam bir yapı sunar ve çevreden, özellikle karbondioksitten kolayca çıkarılarak elde edilebilir. Hemen hemen benzer kimyasal özelliklere sahip olan başka bir element silikon olup daha az kararlı yapılar oluşturur ve bileşiklerinin büyük çoğunluğu katı formda olduğu için çıkarılıp elde edilmesi organizmalar için daha zordur. Su mükemmel bir çözücü madde olup çok yararlı olan iki kullanış özelliği vardır: su yüzeyini kaplayan buz parçaları, bu buz tabakasının altında yaşayan deniz canlılarının kış mevsiminde hayatta kalmalarına olanak sağlar ve su moleküllerinin uçları, diğer çözücülerden daha geniş yelpazede bileşikler oluşturabilmesini sağlayan pozitif ve negatif elektrik yüklerine sahiptir. Amonyak gibi diğer iyi çözücüler, hayatın devamlılığını sağlayan kimyasal tepkimelerin ancak çok yavaş gerçekleştiği sıcaklık seviyelerinde sıvı halde bulunurlar ve suyun diğer avantajlarından yoksundurlar. Farklı bir alternatif biyokimyaya dayalı organizmalar belki diğer gezegenlerde mevcut olabilirler.

Yaşamın herhangi bir yardım olmadan cansız maddelerden nasıl ortaya çıkmış olabileceğine dair araştırmalar, olası üç başlangıç noktasından yola çıkmaktadır: kendi kendini üretim, bir organizmanın kendisine çok benzer olan döller oluşturması; metabolizma, beslenme ve kendi kendini onarma yeteneği; ile hücrenin dış kısmında bulunan, besin maddelerinin girmesine, atık maddelerin çıkmasına izin verip istenmeyen maddeleri de önleyen hücre zarı. Abiyogenez ile ilgili araştırmaların bu konuda hala alması gereken çok yol olduğu gibi teorik ve ampirik yaklaşımlar henüz yeni yeni birbirleriyle iletişime geçmiştir.

Günümüz üç modern alemin en basit üyeleri bile "şifrelerini" kayıt etmek için DNA ve bu komutları okuyabilmesi, bunların yanında bakım, büyüme ve kendi kendilerini üretmek için de karmaşık bir RNA dizisi ve protein molekülleri kullanırlar. Bu sistem, doğrudan cansız maddelerden ortaya çıkamayacak kadar çok karmaşıktır.

Bazı RNA moleküllerinin kataliz ile hem kendi çoğalmasını hem de protein üretimini hızlandırdıklarının keşfedilmesi tamamen RNA’ya dayalı ilk yaşam şekillerine dair hipotezlerin oluşmasına yol açtı. Bu ribozomlar, sadece bireylerden oluşan ama türlerin henüz olmadığı, mutasyonlar ve yatay gen transferleri ile her yeni nesildeki yavru döllerin ebeveynlerinden daha farklı genomlara sahip olmasının olası olduğu bir RNA dünyasını şekillendirmiş olabilir. RNA, bundan sonra daha istikrarlı olan ve bu yüzden tek bir organizmanın beceri ve yetenek yelpazesini genişleterek daha uzun genomlar oluşturabilen DNA ile yer değiştirebilecektir. Ribozimler de bu şekilde, modern hücrelerin "protein deposu" olan ribozomların ana bileşeni olarak kalabilirler.

Kendi kendileri çoğaltabilen kısa RNA molekülleri yapay olarak laboratuvar ortamında oluşturulmuş olmasına rağmen, RNA’nın doğal ve biyolojik olmayan yollardan sentezine ilişkin şüpheler de gündeme gelmiştir. İlk oluşan "ribozimler", daha sonra RNA tarafından yerleri değiştirilen, PNA, TNA veya GNA gibi daha basit nükleik asitlerden oluşmuş olabilirler.

2003 yılında, gözenekli metal sülfür çökeltilerinin yaklaşık 100 °C (212 °F) sıcaklıkta RNA sentezini ve hidrotermal bacalardaki okyanus altı basıncı destekleyeceği öne sürülmüştür. Bu hipoteze göre, en son ortaya çıkan ana hücre bileşeni lipit hücre zarı olup o zamana kadar ilkel ön hücreler de gözenekler içinde kapatılmıştır.

1997’de başlatılan bir dizi deneyler, karbonmonoksit ve hidrojen sülfür gibi inorganik maddelerden proteinlerin oluşması sırasındaki erken evrelerin, demir disülfür ve nikel sülfürün katalizörlüğünde oluşabileceğini göstermiştir. Gerçi bu işlemin bir adımı, 250 °C (482 °F) bir sıcaklığa ve yer altında 7 km. derinlikteki eşdeğer bir basınca ihtiyaç duysa da, birçok adımları yaklaşık 100 °C (212 °F) sıcaklığa ve daha ılımlı bir basınca ihtiyaç duyar. Bundan nedenle, kendi devamını sağlayan protein sentezlerinin hidrotermal bacaların yakınlarında meydana gelmiş olduğu öne sürülmektedir.

Hücrelerin dış zarlarını şekillendiren çift katlı lipit balonların, hücre oluşumunda başlangıç için önemli bir adım olabileceği öne sürülmüştür. İlk dönem Dünya şartlarını simüle eden deneylerde lipit oluşumlarının gözlemlendiği, bu oluşumların çift katlı balonlar meydana getirerek kendiliğinden lipozom oluşturmaya başladıkları ve ardından kendi kendilerine çoğaltıkları bildirilmiştir. Her ne kadar, bu oluşumlar nükleik asitler gibi özünde bilgi taşıyıcıları olmasa da, uzun ömürlülük ve üremeye dair doğal seçilimin ilgi alanına girebilirler. RNA gibi nükleik asitler, lipozomlar içinde lipozom dışında olduğundan daha kolay bir biçimde şekillenebilirler.