Siyanobakterilerin Yükselişi: Antik Okyanuslar, Mavi Değil de Pembe Renkte Olabilir mi?

Dünya'da yaşamın evrimi sırasındaki muhtemelen en önemli olay, 2.4 milyar yıl önce gerçekleşti:^[1] Bu, atmosferdeki ve okyanus yüzey sularındaki oksijen miktarının hızla arttığı ve gezegenimizde yeni bir yaşam evresi için zemin hazırlandığı bir zamandı. Erken dönem Dünya atmosferindeki oksijenin, "siyanobakteriler" adı verilen organizmalar tarafından üretildiği düşünülmektedir. Siyanobakteriler, karbondioksitten fotosentez yoluyla oksijen üreten bir bakteri sınıfa ait canlılardır ve bu özellikleri sayesinde Dünya üzerindeki yaşam formlarının çarpıcı bir şekilde değişmesine ve adeta yaşam çeşitliliğinin patlamasına neden olmuşlardır.

Siyanobakteriler, başlangıçta renklerinden ötürü sıklıkla "mavi-yeşil algler" olarak da anılsa, "alg" olmadıkları için günümüzde bu isimlendirme kabul görmemektedir. Bunun en önemli sebebi, basit tek hücreli canlılar olan siyanobakterilerin prokaryot, daha kompleks organizmalar olan alglerin ise ökaryot olmalarıdır. Ortak özellikleri ise, her ikisinin de güneşten gelen enerjiyi oksijene ve besin moleküllerine dönüştürmek için aynı fotosentetik reaksiyonları gerçekleştirmeleridir. İlk gerçek algler, diğer tek hücreli ökaryotlar gibi en az 1.4 milyar yıl önce ortaya çıkmış olsalar da, çeşit ve sayıca hızla çoğalmaları 800 milyon yıl daha gerektirmiştir ve bu uzun zaman diliminde, yaşam sahnesinin arka planında kalmışlardır.^[2]

Avustralya Ulusal Üniversitesi'ndeki yerbilimcilerden olan Nur Gueneli, Jochen Brocks ve arkadaşları tarafından yapılan yeni bir çalışma, siyanobakterilerin erken dönem okyanuslarındaki önemini tekrar ortaya koyuyor ve gerçek alglerin besin zincirinin temeli hâline gelmesinin neden bu kadar uzun sürdüğüne yönelik yeni perspektifler sunuyor.^[3]

Milyar Yaşında Biyobelirteçler

Evrim tarihi ile ilgili bilgilerimizin pek çoğu fosil kayıtlarından gelmektedir. Ne yazık ki, algler gibi yumuşak gövdeli organizmalar, arkalarında çok nadiren fosil kalıntıları bırakır; fakat araştırmacılar, içlerindeki bozunmaya dayanıklı bazı biyomolekülleri kurtarabilir ve inceleyebilirler. Bilim insanları, eski tortullar içinde bulunan ve "biyobelirteçler" olarak da adlandırılan bu moleküler fosilleri, toplandıkları yerde ne tür organizmaların bulunduğunu belirlemek için kullanabilirler.

Avustralya Ulusal Üniversitesi bilim insanlarından Nur Gueneli, Jochen Brocks ve meslektaşlarının bir araştırması, siyanobakterilerin ilkel okyanuslardaki önemini doğrulamakta ve gerçek alglerin besin zincirinin temeli olmasının neden bu kadar uzun sürdüğüne dair fikirler sunmaktadır.

Proceedings of the National Academy of Sciences dergisinde yayınlanan çalışmada, Kuzeybatı Afrika'nın bir zamanlar okyanuslarla kaplı Moritanya bölgesinde yüzeyin 140 ila 200 metre altındaki 1,1 milyar yıllık tortullar incelendi. Araştırmacılar, ökaryotlara ait herhangi bir biyobelirteçe raslamazken, zamanında orada bulunan bir çok türde prokaryotlara ait biyobelirteçler buldular. Bunlar, gerçek algler değildi; fotosentetik bakterilere ait kanıtlardı: fotosentezin moleküler temelini oluşturan klorofil kalıntıları olan "porfirin"ler... Porfirin, içerisinde temelde karbon, nitrojen ve hidrojen barındıran ve halkasal bir bağ sisteminden oluşan moleküler bir yapıdır.^[4]

Bilim insanları, akıllıca bir teknik kullanarak buldukları porfirinlerin kaynağının hangi organizma ait olduğunu belirleyebildiler. Azotun (N) "izotop" adı verilen iki atomik formu vardır ve bunlardan en yaygın olan ¹⁴N'ün atom ağırlığı 14 iken, nadir olan izotop ¹⁵N'in atom ağırlığı 15'tir. Klorofil yapımındaki enzimler tarafından ¹⁴N tercih edilse de çoğu enzim, fotosentetik organizma sınıfları arasında farklılık gösteren oranlarda, ¹⁵N'i de içerir. Dört azot atomu barındıran porfirin molekülündeki ¹⁴N/¹⁵N oranı, onun hangi organizma tarafından üretildiğini gösterebilmektedir. Bu da moleküler tarih incelemesi için harika bir yöntem oluşturur.

Pembe değil, Yeşil!

Gueneli'nin makalesindeki çarpıcı fotoğraf, antik tortulların parlak pembe olduklarını gösterdi. Buna bağlı olarak haber siteleri, "Dünya'nın en eski rengi pembeydi!" şeklinde manşetler bile attılar; fakat bu çok da doğru sayılmaz!

Bitkilerde fotosentezden sorumlu klorofil pigmentindeki porfirin, kimyasal görevini gerçekleştirmek üzere "magnezyum" atomu içerir - ki kendisine yeşil rengi veren de bu atomlardır. Yani yaprakların ve alglerin yeşil görünmesini sağlayan şey budur. Bahsi geçen tortullardaki pembe örneklerde ise, porfirinin, magnezyum yerine "nikel" atomuna sahip olduğu bulundu. Büyük olasılıkla, tortullarda milyarlarca yıldan fazla bir süre boyunca yaşlanan moleküllerde nikel, magnezyumun yerini aldı.^[5] Bu, fosilleşme sürecinde yaşanan bir çeşit atomik yer değiştirmedir; yoksa klorofilin orijinal rengi pembe değil, tıpkı bugün yaşayan bitkilerde olduğu gibi, yeşildi.

Bakterilerden Alglere Doğru...

Araştırmacıların vardığı ana sonuç, 1.1 milyar yıl önce büyük olasılıkla çoğunluğu siyanobakterilerden oluşan fotosentetik bakterilerin, okyanustaki besin zincirinin temeli haline geldiğidir. Bakteriler küçük olduğundan, su kütlesi boyunca yavaşça batarlar ve bu sırada diğer canlılar tarafından tüketildikleri için, içerdikleri değerli besinlerin çok azı okyanusun dibine ulaşır.

Okyanusta besin dağılımı dipten yüzeye doğru sürüklenmeye bağlıdır.^[6] Bu durum, okyanus kütlesinin çoğunluğunun besin açısından fakir kalması ve daha büyük organizmalardan oluşan bir topluluğun gelişiminin kısıtlanmasıyla sonuçlanır.

Ayrıca besin kıt olduğunda, siyanobakteriler ökaryotik alglerden daha iyi hayatta kalırlar; ancak bu durumda da, çok hücreli ya da daha büyük hücreli fotosentetik organizmaların evrimi daha da kısıtlanmış olur.

Peki yaklaşık 650 milyon yıl önce siyanobakterilerin hakim olduğu bir okyanustan gerçek alglerin hakim olduğu bir okyanusa geçişe ne sebep oldu? PNAS dergisindeki makalenin yazarlarından biri olan jeobiyolog Jochen Brocks tarafından daha önceden yazılan bir inceleme makalesinde, bu değişimin, okyanusların 50 milyon yıldan fazla bir süre donduğu dünya çapında bir buzullaşmanın sona ermesinden yalnızca 4 milyon yıl sonra meydana geldiğine dikkat çekiliyor. Muhtemelen yükselen karbondioksit seviyelerinin sera etkisi yaratmasıyla Dünya ısındığı için buzullar eridi, okyanusların sıcaklığı hızla yükseldi ve kalan birçok siyanobakteri öldü. Ek olarak, buzulların erimesi okyanuslarda çok miktarda besini sürüklemiş ve rekabet dezavantajını tersine çevirerek alglerin çoğalmasını ve evrimleşmesini sağlayacak ortamı oluşturmuştur.

Sonunda da daha büyük ve besin zincirinin temeline hızla yerleşen alglerin gelişi, daha büyük ve kompleks ökaryotik canlıların evrimi ve yayılması için zemin hazırlamış oldu.