Mars'ta Oksijen Üretebilmek için Bakteri İçerikli Biyokaplamalar Kullanılabilir mi?

Bilimin hızla gelişmesi ile birlikte Dünya dışında yaşama fikri da gitgide gerçekleştirilebilir bir hedef haline gelmektedir. Dünyalaştırma (İng:"Terraforming"), başka gezegenleri insan yaşamına uygun hale getirmek için teorize edilen süreçlere verilen genel addır. Bu kavram, genellikle Mars gibi yaşam barındırmayan veya zorlu çevre koşullarına sahip gezegenlerin atmosferik, termal ve ekolojik özelliklerini düzenleyerek insanların dış bir uzay ortamında koloni kurabilecekleri ve sürdürülebilir bir şekilde yaşayabilecekleri ortamlar oluşturma sürecini ifade eder.

Bu süreç, gezegenin atmosferindeki basıncın ve sıcaklığın ayarlanması, suyun ve temel minerallerin erişilebilir hale getirilmesi ve yaşam için hayati öneme sahip olan radyasyon seviyeleri, yerçekimi ve güneş ışığı gibi faktörlerin optimize edilmesiyle ilgilenir. Dünyalaştırma, sık sık bilimkurgu eserlerinde karşımıza çıkan bir konsept olmakla birlikte, aynı zamanda geleceğin uzay kolonileştirme girişimlerinin de önemli bir unsuru olarak bilimsel ve teknolojik araştırmaların merkezinde yer almaktadır.

Mars; Europa, Titan ve Enceladus gibi diğer Dünyalaştırma adaylarına kıyasla bize daha yakın, yani daha erişilebilir konumda olması nedeniyle üzerinde daha fazla araştırma yapma imkânımız olan ve bu yüzden Dünyalaştırma için daha cazip bir aday haline gelen bir gök cismidir.

Mars'ın atmosferi, Dünya'nın atmosferine kıyasla oldukça ince bir yapıya sahiptir; yaklaşık olarak 100 kat daha az yoğunluktadır. Ağırlıklı olarak karbondioksit (%95), moleküler nitrojen (%2,8) ve argon (%2) içerir.^[1] Yani mevcut durumuyla, bildiğimiz anlamda yaşamı destekleyecek bir atmosfer yapısı sunmamaktadır. Eğer Mars'ta yaşamın sürdürülebileceği alanlar oluşturmayı veya Mars'a uzun süreli ziyaretler gerçekleştirmeyi planlıyorsak ihtiyacımız olan oksijeni kendimiz üretmek zorunda kalacağımız açıktır. Bu bağlamda, bilim insanları Mars'taki oksijen seviyesini nasıl artırabileceğimize dair çeşitli yöntemler üzerinde aktif olarak çalışmaktadır. Bu hususta ortaya atılmış çeşitli fikirler bulunmakta ve bu konu uzay araştırmalarının önemli bir parçasını oluşturmaktadır.

Bakteriler Bu Konuda Nasıl Yardımcı Olabilir?

Bu konudaki fikirlerden birisi; Mars'ta oksijen üretebilmek için çölde yaşayan, güneş ışığıyla beslenen, karbondioksit alıp ve oksijen salan bakterilerin Mars'taki bir habitatın havasını desteklemek amacıyla boya içine dahil edilmesidir. Chroococcidiopsis cubana adı verilen bu bakteri türü, etrafındaki havada bulunan karbondioksit miktarını azaltırken, günlük olarak ölçülebilir miktarda oksijen üreten bir biyokaplama geliştirilmesini mümkün kılmıştır.

Birleşik Krallık'taki Surrey Üniversitesi'nden mikrobiyolog Simone Krings liderliğindeki bir ekip, bunun sadece uzay yolculuğu için değil, aynı zamanda Dünya'daki yaşam için de önemli sonuçları olduğunu belirtmektedir. Surrey Üniversitesi'nden bakteriyolog Suzie Hingley-Wilson şöyle söylemektedir:^[2]

Atmosferdeki sera gazlarının, özellikle de karbondioksitin artması ve küresel sıcaklıkların yükselmesi nedeniyle artan su kıtlıkları konusundaki endişelere yönelik yenilikçi, çevre dostu ve sürdürülebilir materyallere ihtiyacımız var.

Öte yandan mekanik açıdan güçlü ve kullanıma hazır biyolojik kaplamalar, yani "yaşayan boyalar", su kullanımını yoğun biçimde gerektiren geleneksel biyoreaktör işlemlerinin aksine su tüketiminde önemli bir azalma sağlayarak karşılaşılan zorlukları hafifletebilir. Bu tür kaplamalar, su kaynaklarının daha verimli kullanılmasına olanak sağlayarak özellikle suyun kısıtlı olduğu durumlarda sürdürülebilir bir alternatif sunmaktadır.

Chroococcidiopsis Cinsi Bakterilerle Biyokaplama Üretimi

Fotosentetik organizmalar, yani bitkiler ve siyanobakteriler, karbondioksit ve suyu kullanarak glikoz üretirler. Bu süreçte güneş ışığından gelen enerji, atomları bir araya getirerek glikozun temel yapı taşlarını oluşturur. Bu süreç hepimizin bildiği üzere fotosentez olarak adlandırılır.

Bu etkileyici dönüşüm, özellikle "klorofil-a" olarak bilinen bir protein aracılığıyla gerçekleşir. Bu protein, güneş ışığının kırmızı kısımlarını emerek işler ve yeşil, mavi ve mor ışığı geri yansıtır, bu da bitkilere onların özgün yeşil görünümünü kazandırır.

Bilim insanları uzunca bir süre, ışık spektrumunun kırmızı ucunda yer alan yaklaşık 700 nanometrelik dalga boyunun fotosentez için kullanılabilecek enerjinin alt sınırını temsil ettiğini düşünmüşlerdir. Daha uzun dalga boyları, fotosistemleri hasara uğratabilecek enerjiler içerir. Bu yüzden klorofil-a'nın bulunduğu hemen her fotosentetik organizmada bu "kırmızı sınır" kabul görür. Bu sınır, fotosentez sürecinde kullanılabilecek ışığın dalga boyunun bir nevi doğal limitini belirler.

Ancak bu algı 2013 yılında, Acaryochloris marina adında bir siyanobakteri türünün, "d" olarak etiketlenen, tip "a"dan 40 nanometre daha uzun dalga boylarını emebilen farklı bir klorofil türüne sahip olduğu keşfedilmesi ile sona ermiştir. Bu siyanobakteri, deniz süngerlerinin gölgesi gibi az ışık alan yerlerde yaşayarak sınırlı ışığı maksimum şekilde kullanmaktadır.^[5]

Tip "d" klorofilin keşfine, kısa süre sonra klorofil-f'nin keşfi eklenmiştir. Bu pigment, bir organizmanın teorik olarak emebileceği dalga boylarının boyutunu yakın kızılötesi bölgeye, yani 760 nanometrenin üzerine çıkarmıştır. Ancak, klorofil-f'nin keşfi ilk başta bir devrim niteliğinde görülmemiştir. Bunun nedeni, bu pigmentin içinde bulunduğu fotosistemlerdeki toplam pigmentin sadece yaklaşık %10'unu oluşturması ve böylece canlının enerji depolama kapasitesine önemli bir katkıda bulunmamasıydı.^[6]

Fakat Chroococcidiopsis thermalis adlı bir ekstremofil siyanobakteri üzerinde yapılan deneyler, klorofil-f hakkındaki bu görüşü değiştirdi. Normal ışık koşulları altında yetiştirildiğinde, bu bakterinin ışık emilimi ve floresansı dikkate değer bir özellik göstermiyordu. Ancak sadece kızılötesi ışıkla beslendiğinde durum değişti. Klorofil-f özelliğini ortaya koydu ve bakterinin fotosentez yapabilmesi için gereken enerjiyi sağladı. Bu süreçte, klorofil-f daha düşük enerjili 760 nanometreden daha uzun dalga boylarını emebiliyor ve bakteri, 727 nanometre civarında biraz daha yoğun ışık emen bir fotosistem kullanıyordu. Böylece bakteriler, derin mağaraların zifiri karanlığında ve Dünya'nın okyanus tabanının altındaki alt kabukta bile yaşayabiliyordu.^{[3], [4]}

Başka bir deyişle bu klorofil türü bakterinin çok düşük enerjili ışıkta bile fotosentez yapabilmesini sağlamaktadır. Bu adaptasyon, özellikle ışığın kısıtlı olduğu ortamlarda, örneğin gölgeli alanlarda veya suyun derinliklerinde hayatta kalabilmek için kritik öneme sahiptir. Öte yandan bakteri, 727 nanometre civarında daha yoğun ışığı emen bir fotosistem kullanır; bu da onun fotosentez sırasında enerji toplama verimliliğini artırır.

Buradaki ilginç durum; siyanobakterilerin ışığın az olduğu, yani gölgeli zamanlarda daha az enerji toplama stratejisi geliştirebiliyor olmalarıdır. Bu sayede, değişken ışık şartlarında yaşanabilecek olası hasarları minimize etmektedirler. Yani, hücreler hem enerji verimliliğini koruyabilir hem de fotosentetik mekanizmalarında stres veya hasara neden olabilecek faktörlerin etkisini azaltabilir. Bu özel adaptasyon; gelecekte çeşitli ışık durumlarına daha uyumlu, daha güçlü bitkilerin tasarlanmasına olanak tanıyabilir. Bu bitkiler, ışığın yoğunluğundaki değişimlere daha iyi adapte olabilir ve bu sayede daha dayanıklı hale gelebilirler.

Chroococcidiopsis cubana'nın yaşam alanları arasında Mars'taki koşullara benzer şartlara sahip çöller de bulunmaktadır. Aynı zamanda diğer siyanobakteriler gibi bu bakterinin metabolizması da bazı arzu edilen özelliklere sahiptir. Bu özel bakteri, karbondioksiti fotosentezle organik bileşenlere dönüştürerek enerji elde eder ve bu süreçte oksijen üretir.

Bilim insanları işte bu özellikleri bir çeşit kaplama yapımında kullanmayı planladılar. Bu kaplamalar, adeta bir boya gibi bakterileri koruyarak canlı tutacak yapılardır. Kaplamanın dayanıklı olması gerekirken aynı zamanda bakterilere zarar vermemesi esastır. Kaplamanın su ve besin alışverişi için gözenekli olması gerekir, fakat bunun yanında dış etkenlere karşı da koruyucu olmalıdır. Araştırmacılar, bu iki özelliği bir araya getirmek için lateks maddesini, minik kil parçacıklarıyla birleştirdiler. Bu kombinasyon, bakterilerin hem korunmasını hem de yaşamlarını devam ettirmesini mümkün kıldı.

Science Alert

En son aşamada, bu "yaşayan boyanın" gerçekten işe yarayıp yaramadığını test etmek için boyanın üzerindeki bakterilerin aktivitesini takip ettiler. 30 gün süresince yapılan ölçümler, boyanın sürekli olarak oksijen ürettiğini ve karbondioksit absorbe ettiğini gösterdi.^{[7], [8]}

Araştırmalara göre "Yeşil Yaşayan Boya" (İng: "Green Living Paint") adındaki bu özel boya, her gram biyokütle için günlük olarak 0,4 gram oksijen üretiyor ve bu üretim tüm ay süresince istikrarlı bir şekilde devam ediyordu. Bu, her kilogram boya için aylık toplamda yaklaşık 400 gram oksijen üretimi anlamına geliyordu. Boya aynı zamanda karbondioksiti de emmekteydi.

Microbiology Spectrum

Her ne kadar bu boyanın oksijen üretim kapasitesi, Mars'ta bir yaşam alanı oluşturmak için tek başına yeterli olmasa da bu girişim oldukça değerlidir. Bir yıl boyunca Mars'ta kalmayı planlayan bir astronot ekibinin yaklaşık 500 metrik ton oksijene ihtiyaç duyacağını düşünürsek Mars'ta doğrudan oksijen üretimi, uzay görevlerinin Dünya'dan Mars'a göndermeleri gereken oksijen miktarını önemli ölçüde azaltabilir.

Sonuç

Astrobiyoloji evrende yaşamın kökenini, evrimini, dağılımını ve geleceğini anlama çabasında kritik bir rol oynamaktadır. Dünya dışı yaşamın var olup olmadığı sorusu, bilim dünyasının en büyük ve en heyecan verici bilmecelerinden biridir. Öte yandan insanlığın uzaydaki diğer gezegenlerde yaşam olasılığını ciddi olarak düşündüğü ve bu vizyonu gerçekleştirmeye yönelik adımlar attığı da aşikardır. Bilimsel bilgimizin ve genetik mühendislik üzerindeki becerilerimizin sürekli gelişmesiyle, bu tür biyoteknolojik yaklaşımlar, uzay keşiflerinde yeni olanaklar ve büyük fırsatlar sunma potansiyeline sahiptir. Bu bağlamda biyoteknolojik ilerlemeler, uzayın derinliklerine yapılacak olan yolculuklarda kritik bir rol oynamaya devam edecektir.