Saf Enerjiyle Beslenen, "Elektrikli Yaşam" Formlarıyla Tanışın!

Yeryüzündeki diğer tüm canlıların aksine, bu sıradışı bakteriler enerjiyi en saf halinde kullanıyorlar. Elektron yiyip, elektron soluyorlar ve onlar her yerdeler!

Bir elektrotu yere saplayın, elektronları toprağa pompalayın ve bekleyin. Onlar gelecekler: elektrik yiyen canlı hücreler. Bakterilerin hayatta kalmak için çok çeşitli enerji kaynakları kullandıklarını biliyorduk ama hiçbiri bunun kadar tuhaf değildi. Frankenstein’in galvanik enerjiyle hayat verdiği canavarı düşünün, fakat bu “elektrik bakterileri” son derece gerçekler ve her yerde bitiveriyolar. 

Yeryüzündeki diğer tüm canlıların aksine, elektrik bakterileri enerjiyi en saf halinde kullanıyorlar; kayalardan ve metallerden elde edilmiş elektronlar şeklindeki yalın elektriği... Zaten iki türü biliyorduk; Shewanella ve Geobacter. Şimdi biyologlar gösteriyor ki biraz elektrik şerbetiyle bakterileri cezbederek çok daha fazlasını kayalardan ve deniz balçığından çıkarmak mümkün. Pil elektrotlarında bakteri yetiştiren deneyler gösteriyor ki bu tuhaf, akıllara durgunluk veren yaşam formları esas olarak elektrik yiyor ve salgılıyorlar. Los Angeles’taki Güney Kaliforniya Üniversitesi’nden Kenneth Nealson şöyle söylüyor:

Bu pek de sürpriz sayılmaz.

Biliyoruz ki, özüne indiğimizde, hayat tam bir elektron akışıdır: Aşırı miktarda elektron içeren şekerleri yersiniz ve elektronları seve seve taşıyan oksijeni solursunuz. Hücrelerimiz şekerleri parçalar ve elektronlar bir dizi karmaşık kimyasal reaksiyonlarla hücrelerimizin içinde dolaşırlar; ta ki elektrona aç olan oksijene geçirilene kadar.

Bu süreçte hücreler, hemen hemen tüm canlılar için enerji deposu görevi gören bir molekül olan ATP’yi üretirler. Elektronların hücre içerisinde dolaşması, ATP yapımının püf noktasıdır. Nealson diyor ki:

Hayat çok zekidir. Yediğimiz herşeyden elektronları emmenin yolunu bulur ve onları kontrol altında tutar. İşte tüm enerjimizi bu şekilde üretiriz ve bu, dünyadaki her organizma için aynıdır. Enerji elde edilebilmesi için elektronların akışı mecburidir. İnsanlar nefes alamadıklarında bu yüzden birkaç dakika içinde ölürler. Oksijen kaynağını kesmiş olursunuz ve böylece elektron akışı da kesilmiş olur.

Çoğu canlıda vücut, elektronları, oksijene geçirilene kadar hücreler boyunca güvenli bir şekilde taşınacakları, moleküllerin içine yerleştirir. Elektrik bakterilerinin keşfi gösteriyor ki bazı çok basit yaşam formları şekerli besinler olmadan, minerallerin yüzeyinden elektronları toplayarak, enerjiyi en saf halinde kullanabiliyorlar. Nealson şunları ekliyor:

Anlarsınız işte, bu bakteri gerçekten yabancı. Bir bakıma uzaylı. Bunun insanlardaki oldukça tehlikeli karşılığı, parmaklarımızı prize sokarak enerji elde edebilmemiz olurdu.

Nealson’un ekibi, şimdi bu bakterileri, ne şeker ne de başka herhangi bir besin maddesi olmadan, sadece elektrikle canlı tutarak, direkt olarak elektrotlarda yetiştiren bir avuç insandan oluşuyor. Ekip bu bakterileri yetiştirmek için deniz yatağından çökelti toplayarak laboratuvara getiriyor ve elektrotları bu çökeltinin içine yerleştiriyor.

İlk olarak, çok az daha farklı bir voltaj uygulamadan önce, çökelti boyunca var olan doğal voltajı ölçüyorlar. Çok az daha yüksek bir voltaj, aşırı miktarda elektron sunar; çok az daha düşük bir voltaj ise elektrotun elektronlarını vermek isteyen herhangi bir şeyden onları güçlük çekmeden alabilmesi anlamına geliyor. Çökelti içerisindeki böcekler, bir akım oluşturacak şekilde, ya yüksek voltajdan gelen elektronları “yiyebilirler” ya da düşük voltajlı elektrotun üzerine elektron “soluyabilirler”. Bu akım araştırmacılar tarafından, ele geçirdikleri yaşam biçiminin bir işareti olarak algılandı. Nealson sözlerine son veriyor şunları söyleyerek:

Aslında buradaki fikir; çökeltiyi almak, elektrotları içine batırmak ve 'Pekala, kim bundan hoşlanır?' diye sormak.

Şok Edici Solunum

Ağustos 2014'te Kaliforniya, Sacramento’daki Goldschmidt yerbilim konferansında, Nealson’un laboratuvarından Shiue-lin Li, Kaliforniya’daki Santa Catalina limanından toplanmış olan çökelti içerisinde “elektrik soluyanları” yetiştirme hakkındaki deneylerin sonuçlarını sundu. Yine Güney Kaliforniya Üniversitesi’nden Yamini Jangir, Kaliforniya’nın Mojave Çölü’ndeki Ölüm Vadisi’nden toplanmış olan “elektrik soluyanların” yetiştirilmesi hakkındaki ayrı deneyleri sundu.

Ardından, St. Paul’deki Minnesota Üniversitesi’nden Daniel Bond ve meslektaşları, demir bir elektrodtan elektron toplayan bir bakteri türünü yetiştirmeyi başarabildiklerini gösteren deneyler yayınladılar. Jangir’in danışmanı Moh El-Naggar şöyle diyor:

Bu araştırma, ‘elektrik yiyenlerin’ besin maddesi olmaksızın bir elektron kaynağı üzerinde yetişebildiğini gösteren, şu ana kadar sahip olduğumuz en ikna edici örnek olabilir.

Fakat Nealson daha fazlasının geleceğini söylüyor. Nealson’un doktora öğrencisi Annette Rowe, elektrik tüketen sekiz farklı bakteri çeşidi teşhis etti. Şimdi bu sonuçlar yayımlanmaya hazırlanıyorlar. Nealson bilhassa heyecanlı çünkü Rowe her biri diğerinden farklı birçok elektrik bakterisi türü bulmuş ve bunların hiçbiri Shewanella ya da Geobacter gibi birşey değil. 

Jangir ve El-Naggar’ın elektrik bakterilerini yetiştirmeyi istemelerinin asıl sebebi bu gizli biyosferi keşfetmek. El-Naggar şunları sölüyor:

Bu çok büyük bir olay. Bu olay bilmediğimiz bütün bir mikrobiyal dünyanın varlığını gösteriyor. Birbirleriyle etkileşimlerini taklit etmek için elektrotları kullanıyoruz. Eğer yapabilirsek, üretimi yapılamayan bakterilerin üretimini yapmaya çalışacağız.

Araştırmacılar, aşağılarda hangi canlıların yaşadığını görebilmek için Güney Dakota’daki bir altın madeninin içine batarya kurmayı planlıyorlar. Ayrıca NASA da yerin derinliklerinde yaşayan canlılarla ilgileniyor çünkü böyle organizmalar genellikle çok az bir enerjiyle hayatta kalıyorlar ve güneş sisteminin diğer kısımlarındaki yaşam formlarına ışık tutabilirler.

Bununla birlikte, elektrik bakterilerinin dünyamızda da uygulanması mümkün kullanımları olabilir. Yaşadıkları çevreden kendi ihtiyaçları olan elektriği toplarken, aynı zamanda lağım ve pis yeraltı sularının temizlenmesi gibi yararlı işler yapan biyo-makinelerin yapılması gibi... Nealson bu makinelere kendini şarj eden yararlı aletlet diyor.

Pratik kullanımları bir tarafa, bir başka heyecan verici bakış açısı ise elektrik bakterilerinin “Yaşamı sürdürmek için gerekli olan minimum enerji miktarı nedir ?" gibi yaşamla ilgili temel soruların irdelenmesinde kullanılmasıdır. New York, Troy’daki Rensselaer Politeknik Enstitüsü’nden Yuri Gorby:

Bunun için deneylerin bir sonraki aşamasına ihtiyacımız var. Bakteriler tek bir elektrot üzerinde değil ; iki elektrotun arasında yetiştirilmelidir. Bu bakteriler bir elektrottan gelen elektronları etkili bir şekilde yiyeceklerdir ve bir enerji kaynağı olarak kullanacaklardır ve sonra da yedikleri elektronları diğer elektrotun üzerine boşaltacaklardır.

Gorby, hem elektron yiyen hem de elektron soluyan bakteri hücrelerinin yakında keşfedileceğine inanıyor ve şunları söylüyor: 

İki elektrotun arasında yetişmiş bir elektrik bakterisi, hemen hemen sonsuza kadar kendini sürdürebilir. Teorik olarak, eğer hiç birşey bu bakteriyi yemezse veya yok etmezse, o zaman bu organizmayı süresiz olarak yaşatabilmemiz gerekir.

Elektrodlara uygulanan voltaj miktarını değiştirmek de mümkün olabilir. Hücrelere verilen enerji, hücrelerin minimum enerji miktarıyla yaşadıkları noktaya kadar düşürülebilir. Bu durumda, hücreler üreyemeyebilir ve büyüyemeyebilirler fakat hücre makinesinin çalışmasını hala sağlayabilirler. Gorby'nin son sözleri ise şöyle:

Hücrelere verilen enerjinin görevi, bu hücrelerin yaşamlarını ve yaşama yeteneklerini sürdürmek olacaktır.

Bir elektrik bakterisinin hayatta kalmasını sağlamak için ne kadar elektrik şerbeti gerekir? Bu soruyu yanıtlarsanız, var oluşla ilgili en temel sorulardan birinin cevabını da vermiş olursunuz.

Çamurdaki Kablo

Elektrik bakterileri çeşitli şekil ve boyutlarda karşımıza çıkıyor. Birkaç yıl önce biyologlar, bazı tüy benzeri filamentlerin hücreler arasında ve hücrelerin etraflarına bir ileri bir geri elektron taşıdıklarını ve kablolar gibi davrandıklarını keşfettiler. Biyologlar bu filamentleri mikrobiyal nanokablolar olarak isimlendirdiler.

Danimarka’daki Aarhus Üniversitesi’nden Lars Peter Nielsen ve meslektaşları, on binlerce elektrik bakterisinin halka şeklinde zincirler oluşturmak ve bu şekilde birkaç santimetre boyunca elektron taşımak için bir araya gelebildiğini keşfettiler. Bu birkaç santimetre, sadece 3 ya da 4 mikrometre uzunluğundaki bir bakteri için çok büyük bir mesafedir. Bakterilerin yaşadığı deniz yatağı çamurunda oksijen yoktur ve oluşturdukları bu zincir sayesinde arkadaşlarıyla el ele tutuşarak, deniz suyunda çözünmüş oksijene kolayca ulaşabilirler.

Elektron yiyicilerin varlığını tespit etmenin bir yolu da, su dolu sığ bir tabağa bir parça çamur koymak ve tabağı kendi etrafında döndürmektir. Tabağı döndürdüğümüzde içerisindeki çamur parçalara ayrılmalıdır. Eğer ayrılmıyorsa, bakterilerin oluşturduğu kablolar tarafından bir arada tutuluyor olması muhtemeldir. Nielsen:

Böyle bakteriler baktığımız heryerde karşımıza çıkıyorlar.

Elastik Biyokablolar

Kulağa şaka gibi gelebilir ama öyle değil. İlk çalışmalar gösteriyor ki böyle bakteri kabloları, tost makinenizi elektrik şebekesine bağlayan kablolar gibi, elektriği iletebilirler. Bu gelişmeler, elastik ve laboratuvar üretimi biyokabloları kapsayan ilginç araştırma alanları yaratabilir.

Teşekkür: Bu yazıyı çeviren Haydar Bahtiyar'a teşekkür ederiz.