Çocuklar ve Gençler İçin Fotosentezin Evrimi: Canlılar Dünyaya Nasıl Yayıldı?

Tebrikler! Zaman yolcusu olmaya hak kazandınız. Geçmiş zamana doğru bir maceraya atılıyorsunuz.

Yolculuğunuz bugünle başlıyor, yürüdükçe geçmişe doğru gidiyorsunuz. Bir ormandasınız. Ormanın girişinde küçük bir patikada başlıyor ve ormanın derinliklerine doğru yürüyorsunuz. Kuş cıvıltılarını ve ırmağın akış sesleri kulağınıza geliyor. Rengârenk çiçekler, kocaman heybetli ağaçlar, ağaçların dallarında oradan oraya zıplayan sincaplar, etrafta uçuşan böcekler ve üzerine bastığınız nemli toprak... Rüzgâr tatlı tatlı esiyor, güneş teninizi ısıtıyor. Etrafınızı sarmalayan yaşamın tadını çıkarıyorsunuz. Henüz yolculuğunuzun başındasınız ve burası tam size göre bir yer.

İlerledikçe, aslında geçmişe gidiyorsunuz. Etrafınızda gördüğünüz hayvanlar bildiğiniz hayvanlara benziyor fakat bir farklılık da var. Yürüdükçe bilmediğiniz, soyu çoktan tükenmiş hayvanlar da karşınıza çıkıyor. Dinozorların koca gövdelerini uzaktan seçiyorsunuz. Etrafta artık kuş ve memeli neredeyse kalmamış, varsa yoksa dinozorlar… Fakat onlar da küçülüp sonra yok oluyorlar. Yılanlar, böcekler ve ağaçlar, hepsi yok oluyor.

Etraf, ıssızlaştı. Üzerinize bir yalnızlık çöküyor. Şu an değişmeyen tek şey sizsiniz. Her şeye rağmen yürümeye devam ediyorsunuz. Artık etrafınızda canlılığa dair tek şey, her yanı kaplamış yemyeşil bir örtü. Su kaynaklarına yakın yerler yemyeşil, kayalıklar ve ırmak yeşil bir örtünün altından belli belirsiz görünüyor. Çevrede hiçbir hayvan yok, hiçbir ağaç yok… Bir de tuhaf bir şekilde, sulak yerlerde kule gibi yükselen kayalıklar görüyorsunuz. Şimdiden 2020'li yılların cıvıltılı, yaşam dolu dünyasını özlediniz. Fakat neyse ki hala içinize çekebildiğiniz temiz hava ve teninizi tatlı tatlı ısıtan Güneş var.

Ama size kötü bir haberimiz var: Yürümeye devam ettikçe, havayı içinize çekmekte zorlanıyorsunuz. Sulak alanlardaki garip görünüşlü kayaların boyutları yavaş yavaş ufalıyor mu ne? Güneş de fena halde yakmaya başlıyor. Dayanıyorsunuz, çünkü gerçekleştirmeyi umduğunuz amaca henüz ulaşamadınız, hayatın başlangıcına kadar olan süreci keşfetmek. Canlıları bulmak ümidiyle ekipmanınızı kuşanıp, denize atlıyorsunuz.

İşte, meğer aradığınız canlılar buradaymış! Çeşit çeşit kabuklular, geldiğiniz zamandakine çok benzeyen ve hiç benzemeyen balıklar. Deniz, karadaki kadar çok değişmemiş. Siz yüzerken oksijen seviyesi de giderek düşüyor ve artık gözle görülebilir canlılara rastlamıyorsunuz. Küçüklerini görmek için özel mikroskobunuzu çıkarıyorsunuz. Her yerde çok sayıda hücre… Kimi gruplar halinde, kimi tekil… Biri birlerini kovalıyor, yakalayıp yutuyor veya kaçıyorlar. Sakinlik ve dinginliğin mikroskobik dünyaya bakınca yanılsama olduğunu anlıyorsunuz. Canlılar arasındaki ezeli rekabet, hücre boyutunda hala tam hızıyla devam ediyor. Bir ara sıkılıp dışarı çıkıp karaya göz gezdiriyorsunuz, etrafta canlıya benzer pek bir şey yok, ama varsa yoksa göllerde, sulak alanlarda kayalara benzeyen tuhaf yapılar hala orda, ama iyice kısa boylular şimdi. Aşağıdaki fotoğrafı çekiyorsunuz.

Pixabay

Denizin yüzeyinde artık hücreler görünmüyor. Suyun derinliklerine bakıyorsunuz, orda da kaybolmaya başladılar. Ne kara ne de suda artık canlı görebiliyorsunuz. İyice derinlere, en derinlere dalma vaktinin geldiğini anlıyorsunuz… Şimdi, en diptesiniz. Burada da hiçbir canlı yok.

Uzakta, kabarcıklar gördünüz; nereye doğru gideceğinizi şimdi buldunuz! Kabarcıklar, okyanus diplerindeki bacalara benzeyen deliklerden çıkıyor. Bacalara yaklaştıkça hareketi fark ettiniz, bütün dünya ıssızken burada gözle görülebilen tuhaf yaratıkları fark ediyorsunuz. Yaklaştıkça iyice geçmişe döndünüz ve bu tuhaf yaratıklar da yok oldular. Mikroskobunuzu çıkarıyorsunuz, hücreleri seçebildiniz, ama az sonra onlar da yok oldular. Belki o ilk hücrelerin de öncesindeki yapılar şu anda bacaların içerisindeler, kim bilir?

Görebileceğiniz en erken noktayı gördünüz! "Buradan ötesi..." diyor bilimciler, sizi yattığınız mekikten çıkartırken. "...henüz keşfedilmedi. Keşfedildikçe, simülasyonun yeni sürümlerini çıkaracağız."

Akşam yatağınıza uzandığınızda aklınızda hala birtakım sorular var; bizzat tanık olduğunuz, milyonlarca yıl öncesinin cehennemi, bugünün konforlu dünyasına nasıl dönüştü, arada neler oldu? Ve bir şekilde sanki dünyanın değişimini kontrol ediyormuş gibi görünen o kayalıklar, onlar neyin nesiydi öyle? İnternet ansiklopedilerinde gördükleriniz hakkında detaylı bilgi bulmak için araştırmaya başlıyorsunuz.

Fotosentez Öncesi Canlılık Mikroskobikti!

Kayalık zannettiğiniz yapılar, meğerse fotosentez yaparak oksijen üreten bakterilermiş. Siyanobakteri denilen bu canlılar biri birinin üstüne tabaka tabaka büyüyor altta kalan tabakalar ise sıkışarak zaman içerisinde taşlaşıyormuş. Bu canlılar atmosferdeki oksijen seviyesini belirliyormuş ve bir zamanlar nem içeren karaların ve denizlerin tamamına yakınını kaplıyorlarmış. Siyanobakterilerden önce atmosferde oksijen hemen hemen yokmuş!

Flickr

Geçmişe gittiğinizde nefes almanızın gittikçe zorlaşmasının nedeni de buydu demek. Siyanobakteriler, atmosferi yavaş yavaş dönüştürdüler, geçmişe gittikçe oksijen seviyesi de git gide düşmüş olmalı. Güneşin sizi yakmaya başlaması da muhtemelen bununla ilintiliydi, güneşin zararlı ışınlarını etkisiz hale getiren ozon atmosferdeki oksijenin varlığına bağlıydı. Geçmişe gittikçe oksijen düştü, oksijen düştükçe güneş ışınları cildinizi daha çok yaktı. Atmosferde henüz oksijen azken karada hiçbir canlı yaşayamıyordu, fakat nasıl ozon zararlı ışınların etkisini azaltıyorsa, deniz suyu da benzer bir işlev gördüğü için hala orada hayata rastlayabildiniz. Bugün canlıların ezici çoğunluğu oksijen gazını solunumda kullanıyor, o zamanlar ise oksijen canlılar için toksik bir atık gibiydi.

Yine de dalışınız sırasında denizin derinliklerinde siyanobakterilerden önce yaşayan canlılar da gördüğünüzü hatırlıyorsunuz. Fakat oksijen yoksa solunum da olamazdı, peki siyanobakteriler oksijen üretmeden önce canlılar solunum yapmadan nasıl yaşayabiliyorlardı o halde?

Yanılmışsınız, oksijen olmadan da solunum mümkünmüş! Evet, bugün yaşayan gözle görülebilen bütün canlılar, fil, balık, kertenkele oksijenle solunum yapıyor. Fakat gözle görülmeyecek kadar küçük tek hücreli canlıların bir kısmı oksijen solumuyor. Hatta insan vücudunda bile zorunlu hallerde oksijensiz solunumla enerji üretiliyor. Mesela uzun süre koştuğunuzda kaslar yeterli oksijene ulaşamayabilir ve oksijensiz solunum yaparak hareket etmelerini sağlayan enerjiyi üretmeye devam ederler.

Atmosferdeki oksijenin tamamının kaynağı fotosentezmiş. Ama fotosentez en başından beri oksijen üretimine sebep olmuyormuş! Eskiden fotosentez yapan canlılar oksijen çıkarmadan enerji üretiyormuş. Fakat ürettikleri bu enerji azmış. Daha sonra bazı bakteriler teknolojilerini geliştirerek suyu tüketerek oksijen çıkarabilmeye başlamışlar. Bu gelişmiş fotosentez büyük bir devrim yaratmış. Oksijenin atmosferde giderek artması bu devrimin bir ayağı olmuş. Devrimin diğer ayağını anlamak için fotosentezden önce canlıların ne kadar dar alanlarda yaşıyor olduğunu anlamamız lazım. Kitabın sayfalarını çeviriyorsunuz, amacınız ilk canlıları anlamak…

Modern Fotosentezden Önce Yaşam Alanları Sınırlıydı!

Tektonik hareketler ve volkanik patlamalar karalarda olduğu gibi okyanus diplerinde de meydana gelir. Okyanus dibinde bulunan hidrotermal bacalarda birçok tepkime meydana gelebilir ve bu oldukça doğaldır çünkü elementler uygun sıcaklık ve koşullarda tepkimeye girmeye yatkındırlar.

Burada bahsedilen hidrotermal bacalar, yolculuğunuzun sonlarına doğru denizin dibinde karşınıza çıkan ve içinden kabarcıklar çıkan bacalar olmalı diye düşünüyorsunuz. Google görsellerden hemen "hidrotermal bacalar"ı aratıyorsunuz ve bingo, evet bunlar onlar!

Wikimedia

4 milyar yıl önce, ilk hücre okyanus diplerindeki hidrotermal baca çevrelerinde meydana geldi. Yaşamına devam etmek için enerjiye ihtiyaç duydu, çünkü canlılık tepkimelerin devamına, tepkimeler de enerjinin varlığına bağlıydı. İlk hücre benzeri yapılar, hidrotermal bacalardan çıkan enerji yüklü gazları kendilerini çoğaltmak için kullanabilmeye başladılar. Fotosentezden çok önce, ışığın hiç ulaşmadığı yerde gerçekleşen kemosentez de denilen bu işlem, dünyada ilk defa bacaların çevresinde canlılık görülmesini sağladı. Bu aşamada canlılık muhtemelern denizde enerji yüklü gazların ulaşabildiği alanlara kadar yayıldı. Denizin sığ kesimlerinde ve dışında ise güneşin süzülmeden gelen ışınları canlıların yaşamasına izin vermiyor olmalıydı.

Canlılar muhtemelen dar alanlarda çok yüksek sayıya ulaşmışlardı. Bunların aralarından birinde veya birkaçında günesin zararlı ışınlarına normalden biraz daha fazla dayanıklı olmalarını sağlayan mutasyonlar gerçekleşti. Bu mutasyonlar birikerek pigment adı verilen zararlı ışınlara karşı canlıları koruyabilen proteinler üretebildiler. Sonrasında, pigmentlere sahip bakteriler güneş ışınlarının ulaştığı bölgeye de yayılıp buradaki rekabet eksikliğinden yararlanarak çoğalabildiler. Bu pigmentler fotosentezin öncülüdürler. Varlıkları ve evrimleri sayesinde canlılar daha geniş alanlarda yaşama olanakları bulabildiler.

Canlı yaşam alanındaki artışta ikinci eşik fotosentez ile enerji üretebilen bakterilerin evrimiyle aşıldı. Bakteriler güneşin öldürücü enerjisini bertaraf etmekle yetinmemişti, artık bu enerjiyi kendi üremesini artırmaya yönlendirebiliyordu. İlk defa böylece bu bakteriler yüksek enerjili gazların bulunmadığı ortamlarda da enerji üreterek çoğalabilmeyi, böylece daha önce hiç bir canlının yaşayamadığı geniş alanlara yaşamı taşımayı başardılar.

Fakat bu ilkel versiyonda fotosentez fazla bir enerji üretimi sağlayamıyordu. Fotosentezin evriminde en büyük eşik ilk defa suyun kullanılmasıyla yaşandı. Suyun fotosentezde kullanılabilmesi hem ışığın enerjisinden daha fazla verim alınmasını hem de canlılığın artık su ve güneş ışığı olan her yerde canlı sayısının yüksek miktarlara ulaşabilmesini sağladı. Fotosentez yapan bakteriler yani siyanobakteriler dünyanın mutlak egemeni oldular. Su ve güneşin olduğu yerlerde siyanobakteriler bir biri üzerine binerek simüslasyonda gördüğünüz stromatolit kayalarının yükselmesini sağladılar.

Yolculuğunuzun üzerinden günler geçti, fakat bu eşsiz deneyimin etkileri hala aynı şekilde sürüyor. Daha önce sadece ismini duyduğunuz ve belki de pek umursamadığınız, ilgilenmediğiniz konular, şimdi günler boyunca aklınızı kurcalıyor. Gerçi, artık kayalıkların sırrını ve iki dünya arasındaki büyük farkın sebebini az çok biliyorsunuz. Yani şimdi siz etrafınızda gördüğünüz her şeyi bir nevi siyanobakterilere ve onların yaptığı fotosenteze borçlusunuz. İnanması hala zor geliyor. Bu arada, şu ana kadar öğrendiğiniz bilgiler sizi kesmediyse ve fotosentez hakkında daha çok şey öğrenmek isterseniz eğer, sizi şöyle alalım; ki bizce, yaşamın oluşumunda çok kilit bir noktaya sahip olan bu süreç, daha ayrıntılı bir incelemeyi fazlasıyla hak ediyor! Kahvenizi alın gelin...

Su, Hayattır: Fotosentez, Yaşamı Dünya'ya Yaydı!

Güneş Işığı, Pozitif Yüklerin Kloroplast Dışında Birikmesini Sağlar!

Yaşayan her canlı enerjiye gereksinim duymaktadır. Canlılar bu ihtiyaçlarını şekerlerden karşılar. Enerji, şekerlerin içinde bulunan karbon atomlarının birbirleriyle olan bağlarında saklıdır. Bu enerji karbonlar oksijen ile tepkimeye sokulduğunda ortaya çıkar. Yanma dediğimiz olay moleküler düzeyde karbon-karbon bağının karbon-oksijen bağına dönüşmesi ve aradaki enerjinin açığa çıkmasından ibarettir. Oksijenin dünyada bol miktarlara ulaşmasını sağlayan mekanizma ise fotosentezdir.

Güneş'in merkezinde üretilen foton uzayda milyonlarca kilometrelerce yol kat ederek dünyanın atmosferine ulaşır. Güneş’ten gelen ışınlar Dünya’mızın atmosferine ulaştığında canlılar için oldukça zararlı olan ışın türleri (gama, X-ray veya UV ışını gibi) oksijenin oluşturduğu ozon tabakası sayesinde soğurularak ayıklanır. Yalnızca bu ayıklanmadan kalan ışık türleri yer yüzüne ulaşabilir. Dünya’nın atmosfer katmanlarından geçen foton eğer yeryüzünde bir bitkinin kloroplastının (fotosentezin gerçekleşebildiği hücre içi organcığı), yada siyanobakterinin zarına denk gelirse fotosentezin başlamasını tetikler.

Pixabay.com

Kloroplastların ve siyanobakterilerin zarlarında fonksiyonel ve yapısal protein kompleksleri bulunur. Bu yapılar fotonun enerjisini elektrona aktarabilme yetisine sahiptir. Foton bu yapılara çarptığında yapılarda bulunan elektronlar uyarılarak ‘elektron transfer zinciri’ adı verilen bir dizi molekülden geçer, bu geçiş sırasında elektronların enerjilerinde düşüş yaşanarak kloroplastın zarının içine doğru çekilirler ve bu çekilme sırasında pozitif yüklü iyonları da beraberlerinde sürüklerler. Sürüklenme sonucu elektronlar uyarılma ile kazanmış oldukları enerjiyi protonlara aktarmış olurlar ve başta bulundukları yapıya geri dönerler. Dolayısıyla ışık zarın iki tarafında yüksek bir elektrik potansiyeli meydana getirmiştir.

Pozitif Yükler Kloroplasta Dönerken ATP Ürettirir!

Protonlar, hareketleri sırasında siyanobakterilerin ve kloroplastların içinde yer alan paket halinde bulunan zarla çevrili yapılar tarafından yakalanır. Bu yapılar yapıca keseye benzetilebilirken, çalışma prensipleri gereği pillere benzemektedirler. Piller; bir uçta fazlaca birikmiş yüklerin, aynı yükün daha az bulunduğu uca doğru hareketi prensibine göre çalışır. Benzer bir şekilde keseye benzeyen yapılarda biriken pozitif yükler de, hücrenin pozitif yük bakımınca daha az yoğun olduğu bölgelere gitme eğiliminde bulunurlar. Ancak kese gibi olan bu yapılardan tek çıkış yolu "ATP Sentaz" adı verilen hücre zarında bulunan karmaşık ve moleküler bir kanal aracılığıyla gerçekleşebilmektedir. Protonlar bu kompleks kanaldan geçerken ATP’nin, kullanılabilecek enerji barındıran bir molekül, sentezlenmesini sağlarlar.

Özetle, fotosentezin en basit formunda güneş ışığı, elektronların dolaşımı, protonların hareketi ve ATP’nin sentezi birbirine bağlı olan dişli çarklar gibidir; Güneş foton yayar, foton uygun protein kompleksine çarparak yapıdaki elektronu uyarır ve dolaşımına neden olur. Elektronlar hareketleri esnasında protonları da beraberlerinde sürükleyerek onlara uyarılmadan gelen fazlalık enerjilerini aktarırlar. Protonların kese şeklinde bulunan yapılar tarafından yakalanıp belli bir seviyeye kadar birikmesinin ardından ATP Sentaz kanalı aracılığıyla hücrede daha az bulundukları yerlere geçişi sırasında ATP sentezlenir.

ATP, yaşayan tüm canlı hücreler için birinci dereceden enerji sağlayıcı moleküldür. Her türlü yaşamsal faaliyette ATP kullanılmaktadır. Dünya ATP’nin çıkışı ile büyük bir değişim geçirmiş olup, bir fosfat biriminin ADP (adenosine diphosphate) molekülüne eklenerek yüksek enerjili bağ oluşturması sonucu ATP (adenosine triphosphate) molekülü oluşmuştur.

Fotosentezde Parçalanan Su, Oksijenin Kaynağıdır!

Bir diğer yüksek enerjili bağ ise NAD molekülünün fosfat ile bağlanmasıyla oluşur (NADP). NADP enerjiyi yalnızca bir süreliğine taşıyarak şekerlere aktarır. Fosfatını aktaran NAD molekülü yeni fotonların enerjilerini tekrardan almaya hazırdır. İlkel klorofile -yeşil fotosentetik pigment- sahip bir bakteri çeşidi hem ATP hem de NADPH, elektron ve proton vermeye yatkın olan ve bazı enzimlerin çalışması için gerekli olan protein yapılı olmayan bileşen, sentezleyebilecek şekilde modifiye olmuş klorofil içeren fonksiyonel ve yapısal protein kompleksi kullanmıştır. Bu kompleksteki klorofile ışık çarptığında uyarılan elektronlar klorofile geri gelmeden enerjilerini NADPH moleküllerine vererek onların bir parçası haline gelmekte ve bu nedenle bu mekanizmada döngüsel bir özellik görülmemektedir. Bu olayın döngüsel olabilmesi için ise ilkel klorofil moleküllerinden ayrılan elektronların başka bir kaynaktan temin edilmesi gerekir ki bu kaynak sıklıkla hidrojen sülfat olmuştur. Ancak zaman içinde kullanılan kaynak değişmeye başlamıştır.

Günümüzde birçok canlının muhtaç olduğu oksijenin atmosferde artmasını sağlayan olay, fotosentezde suyun elektron kaynağı olarak kullanılması olmuştur. NADPH üretebilme yetisi fotosentezde büyük bir gelişme olarak düşünülebilir ancak fotosentezin bu gelişim aşamasında kalması fotosentezi yalnızca az ve sınırlı besin zincirlerinde desteklemekte kâfi olabilirdi. Sonucunda ise atmosferde oksijen olmayacağı gibi oksijene bağlı olan üst düzey hayat formları da var olamazdı. Suyun elektron kaynağı olarak kullanılmaya başlanması bitkisel hayatın başlangıcı için birçok yeni habitat oluşturmakla kalmamış, oksijenin yan ürün olarak ortaya çıkmasını da sağlamıştır. Ancak elektronların sudan koparılması hidrojen sülfattakine göre çok daha zordur bu yüzden çok daha güçlü elektron çekme kuvveti gerekir. Elektronu sudan koparma işlemi eski zamanda yaşayan Siyanobakteriler tarafından başarılmış olup bu başarı iki farklı fonksiyonel ve yapısal protein kompleksin ardı sıra birlikte kullanılmasının yanı sıra çok daha gelişmiş bir pigmentin evrimleşmesinin de sonucudur. Eğer fotosentetik bakterilerde bulunan bir çeşit ışığa duyarlı pigmentten ayrılan elektronların hareketinin hidrojen sülfattan elektron koparabilecek büyüklükte bir vakum etkisi yarattığını düşürsek bu kompleksten iki tane olması durumunda vakumun gücü artarak sudan elektron koparabilecek büyüklükte bir çekim kuvveti oluşturur.

Sonuç

Odanız iyice ısındı. Gece okuyarak geçti, saat öğle vakitlerine gelirken her tarafınızın tutulmuş olduğunu yeni fark ediyorsunuz. Önce zaman yolculuğu, sonra dinlenmeden daldığınız kitaplar, sonra uykusuzluk (ve sonra okumak üzere kaydettiğiniz bu Evrim Ağacı yazısı)... Güneş kızgın kızgın pencere kenarındaki sardunyanın yapraklarına vuruyor. Sardunyaya dikkatle bakıyorsunuz. Şimdi biliyorsunuz, siz ona bakarken, sardunyanın yaprakları, Güneş'in sert ışıklarını akşama katık olarak hazırlamakta...