Stromatolit Nedir? Soluduğumuz Oksijeni Borçlu Olduğumuz, İlk Çok Hücreli Kompleks Canlıyı Tanıyın!

Günümüzden 3.5 milyar yıl öncesine gidelim. Gözümüze "canlı" namına çarpan şu olacaktır: Dünya'nın dört bir yanında bolca bulunan stromatolitler.^{[3], [4], [5]} Bu yapılar, Proterozoik Çağ'ın sonlarına kadar, iki milyar yıldan fazla bir süre boyunca varlıklarını korumuş ilk çok hücreli ve karmaşık canlılardır. Canlılığın başlamasından sonraki 3-3.5 milyar yıl boyunca, yani Kambriyen canlılarının çeşitlenmesinden önceki en eski biyosfer, mikrobiyal kökenli bu yapılardır.^[18]

Bu deniz tabanından çıkmışa benzeyen; mantar, dağ veya kayacı andıran yapılar, siyanobakteriler gibi canlı mikroorganizmaların birbirlerine ve tortulara biyofilmler yardımıyla tutunması sonucu oluşur ve katmanlaşır.^[8] Oluşumlarının üst kısımları siyonabakteri ve diğer fotosentetik bakterilere ev sahipliği yaparken, oksijensiz alt bölgeler metan ve sülfat tüketen mikroplar ile doludur. 3.5 milyar yıl önce stromatolitler, okyanusu oksijenle doldurmuş ve oksijen sudaki demiri paslandırmıştır. Oluşan paslar demir zengini kaya birikintileri oluşturmak için okyanus tabanına çökmüş ve orada birikmiştir. Belki de kim bilir bugün gemi, köprü ve gökdelen yapmak için kullandığımız demirin kaynağı bu zamana dayanıyor.^[35]

Güneş ışığı ve karbondioksiti kullanarak yiyecek elde edip oksijen üreten siyanobakteriler, atmosferin şekillenmesinde çok büyük rol üstlenir.^[1] Öyle ki, bu canlıların evrimleşmesi sonucunda ortaya çıkan oksijen ile başlayan Büyük Oksitlenme Olayı, hem canlılık için yepyeni bir devrim yaratmıştır, hem de canlılık tarihinin en eski ve en ölümcül kitlesel yok oluşlarından birini tetiklemiştir. Yani fotosentezin en eski kayıtları bu sistemlerde saklıdır.^[20]

Günümüz gelişen ekosistemi ve çevresel şartlar stromatolitlerin eskisi gibi yayılmalarına fırsat vermemektedir. Yine de diyeti siyonabakteri olan canlıların olmadığı, uygun koşullara sahip yerlerde onları görmek mümkündür. Avustralya, Brezilya, Meksika, Amerika, Güney Kazakistan, Ural Dağları ve Bahamalar gibi ülkelerin sığ sularında (derinliği 1,5- 2 metre) özellikle güneş gören yerlerinde yani lagün ve koylarda onlara rastlamak mümkündür.^{[2], [11], [12], [13], [15], [29]} Günümüzde aşırı tuzlu deniz ortamlarında oluşan stromatolitlerin en iyi örnekleri Batı Avustralya'daki Shark Bay'deki Hamelin Havuzu'ndadır.^[21]

Wikimedia, Paul Harrison

Stromatolitlerin Önemi, Oluşumu ve Evrimine Yolculuk

Stromatolitler en eski fosillerdir; bu nedenle yaşamın çok basitten karmaşık formlara nasıl evrimleştiğine dair ipuçları barındırır.^[33] Kitlesel yok oluşlar ile nesli tükenen binlerce canlı bulunur; lakin stromatolitler oluşumlarından bu yana dünya üzerinde yaşamlarını devam ettirmektedir. Stromatolitlerin varlığı hem erken Dünya atmosferi için hem de evrimsel süreçler bakımından büyük önem taşır. Hatta o kadar önemlilerdir ki yaşamın çeşitlenmesine sebep olan etkenlerin nedeni de bu canlılardır.^{[19], [21]}

Modern stromatolitler ilk olarak 1956 yılında Avustralya'nın Shark Körfezi'nin tuzlu sularında büyürken keşfedilmiştir. Erken Dünya stromatolitlerinden farklı olarak günümüz stromatolitleri, yapıları etrafında tek hücreli organizmalar olan foraminiferleri içerir. Herhangi bir yeni malzemenin eklenmesi, tarifi bozabilir yani kaçınılmaz olarak bir stromatolitin genel şeklini değiştirecektir. Bu ve diğer sebeplerden ötürü, erken Dünya stromatolitleri ile modern stromatolitlerin oluşumları arasındaki benzerlikler tartışmalıdır.^{[1], [6], [15], [17]}

Günümüz stromatolitleri üzerine yapılan araştırmalar, tek bir tip olmadıklarını doğrular. Sahip oldukları mikroplar ve şekiller bakımıyla birbirlerinden oldukça farklı yapıda çok geniş bir yayılımda birçok türleri bulunur.^{[13], [17]} Mesela Amerika'nın Yellowstone Millî Parkı'nda bulunan stromatolitler, siyanobakteri yönünden oldukça fakirdir.^[1] Bunun nedeni, parktaki göllerin çok uç ortamlara sahip olması özellikle stromatolitlerin erken dönem oluşumlarındaki ortamdan oldukça farklı olduğudur. Yine de bu tür ortamlara adaptasyon mümkündür. Aşırı habitatlarda hayatta kalan stromatolit yapılarında bulunan siyanobakteriler ikincil metabolit kimyasallar içerir.^{[16], [29]}

Batı Avustralya'nın Pilbara bölgesindeki Strelley Pool Chert'te bulunan stromatolitlerin canlı organizmalardan oluşup oluşmadığı jeologlarca incelenmiştir. Canlılığı tespit etmek için kullandıkları yöntem; kayaların üzerindeki noktalı, dalgalı ve konik şekilde bulunan izlerin incelenmesidir.^{[2], [18]} Bu izlerin doğal jeolojik süreçler sonucunda oluşamayacak kadar farklı olduğu sonucuna varılmıştır. Güneş ışığına ulaşmak için birbirleri ile yarışan ve üzerlerinden kayan ipliksi mikroorganizmalar tarafından yapıldığı düşünülen bu izler, 10 kilometrelik bir alana yayılmıştır.^{[3], [10]}

Batı Avustralya, Shark Bay genelinde bulunan stromatolitler birçok arkenin yanı sıra 19 soydan oluşan tanımlanabilir bakteri içeren karmaşık bir topluluğa sahiptir. Stromatolitlerin Amerika versiyonu daha ilkel bir türü, Avustralya versiyonu ise biraz daha gelişmiş bir formu temsil ettiği düşünülür.^[1]Güney Afrika'nın Transvaal bölgesinde kalsiyum ve magnezyumlu karbonat oluşumu olan dolomitik yapılı stromatolitler incelenmiştir. Morfolojik olarak siyanofit cinsi Raphidiopsis'e benzeyen mikrofosil izlerine rastlanır. Bu izler 2,2 milyar yıl önce hücrelerin çeşitlendiğine dahil ilk kanıt olma özelliğini taşır. İzlerin oluşumu yeni bir tür ve cins olan Petraphera vivescenticula'nın varlığına delil sayılmıştır.^[7]

Wikimedia, Ruth Ellison

Yukarıda bahsettiğimiz gibi eski ve modern stromatolitler genellikle siyanobakteriler tarafından oluşan yığınlardır. Bitkiler ve mavi-yeşil algler olarak bilinen siyanobakteriler, karbondioksit ve suyu kullanarak besin ve oksijen üretir. Bu, yaşamın çeşitlenmesi için oldukça önemli bir süreçtir. Anoksijenik fotosentez ise, moleküler oksijen üretmeyen ve bakteriyoklorofillere sahip bazı bakteri grupları tarafından kullanılan bir fotosentetik işlemdir. Yani oksijen olmadan kimyasal enerjiye dönüşüm direkt olur. Bu işlem yeşil kükürt ve sülfür taşımayan bakteriler, heliobacteria ve acidobacteria gibi çeşitli bakteri grupları ve mor bakterilerde görülür.

Fosil kayıtlarından elde edilen veriler, oksijenik fotosentez ve siyanobakteriler için jeokimyasal kanıtları değerlendirmektedir. Eski bir anoksijenik olan fotosentetik bakterinin, oksijenik fotosentetiklerce oluşan stromatolitlerden önce bu yapıları oluşturma potansiyeli öğrenilmek istenir. Çubuk şeklinde gram negatif, mor sülfür olmayan bir bakteri olan Rhodopseudomonas palustris ile yapılan deney sonucunda oluşumun mümkün olduğu tespit edilmiştir.^{[26], [27]}

Stromatolitlerin Zaman İçinde Azalmasının Olası Nedenleri

Atmosferin oluşumu ve günümüz yaşantısına çok önemli katkıları olan bu canlıların azalış sebebi için birçok araştırma yapılmıştır.^[22] Bir milyar yıl önce dünyanın her yerine yayılan bu yapılar garip bir şekilde birden azalmaya başlamıştır. Azalma, hem çeşitlilik hem de yayılım yönünden olmuştur.^{[9], [14]} Proterozoik Çağ sırasında oldukça yaygın olan stromatolitler, Kambriyen sonrası çok hücreli yaşamın çeşitlenmesi sebebiyle azalmıştır. Ordovisyen Çağ zamanında ise daha büyük bir düşüş yaşanır. Kuzey Amerika'nın batısında Geç Ordovisyen dönemin ardından yeninden bir yükselişe geçilse bile hiçbir şey eskisi gibi olmaz.^[23] Bu acı tablo, paleontologlar tarafından dinozorların yok oluşu kadar olmasa da oldukça dramatik bulunur.

Wikimedia, Vincent Poirier

Dinozorların yok oluşu için oldukça popüler iddialar bulunmaktayken, aynı durum stromatolitler için geçerli değildir. Stromatolitlerin gelişimini kontrol eden fiziksel, kimyasal ve biyolojik süreçler hakkında bildiklerimiz sınırlı olması da cabası...^{[4], [18], [21]} Olası açıklama, yok oluşun ana etkeni olarak görülen, foraminifer adı verilen kabuklu tek hücreli organizmalardır. Bu organizmalar; avlarını yutmak, hareket etmek ve yakın çevrelerini sürekli olarak keşfetmek için ayak benzeri çok sayıda çıkıntıları ile çökel ve tortuların yapısını bozdukları bilinmektedir.^{[2], [14]} Çökeller ise stromatolitlerin oluşum yerleridir.

Araştırmacılar, Bahamalar'daki Highborne Cay'de modern stromatolitleri ve trombolitleri, foraminifer varlığı açısından incelemişlerdir. Stromatolitler gibi bir yapıya sahip olan bir diğer mikroorganizma kümeleri de trombolitlerdir. Bu oluşumlar, stromatolitler kadar ince tabakalı olmayıp benzer şekilde mikroorganizmaların biyofilmleri tarafından üretilir. Daha çok pıhtılaşmış bir yapıyı andıran trombolitlerin ortaya çıkışı ve evrimsel süreci araştırılmıştır. Stromatolitlerin trombolit haline gelip gelmediği eğer durum bu değilse oluşumlarının bağımsızlığına bakılmıştır. Trombolitlerin daha fazla forminifer içerdiği tespit edilmiş ve incelenen izler forminiferlerin, stromatolitlerin azalmasından çok zaman geçmeden oluşan ilk türler olduğu yönündedir.^{[2], [9]} Yani foraminiferlerin evrimi, trombolitlerin ortaya çıkmasına yakın zamanlara denk gelmekteydi.

Flickr, Cyrille Lemoing

Araştırmacılar günümüz stromatolitlerinin parçalarına foraminifer tohumladı ve oluşacaklar gözlemlendi. Yaklaşık altı ay sonra, stromatolitlerin ince katmanlı dizilimi trombolitlerinkine çok benzeyen karışık bir düzene dönüştü. Yapılan bu gözlemin sonuçları, hipotezin doğruluğu için yanlışlama yöntemi kullanılarak olası ihtimaller üzerinden araştırıldı. Stromatolitlerin laboratuvara getirilmesi değişikliklere neden olmuş olabilir ve foraminiferlerin hiçbir etkisi olmayabilir diye düşünüldü. Bu yüzden daha fazla araştırma ve farklı yöntemler denendi. Bu yöntemlerden birisi foraminiferlerin hareketini engelleyen kimyasalların uygulanmasıydı. Bir önceki deney gibi olmasa da değişim gözlendi ve foraminiferlerin yaşadığı görüldü. Araştırmacılar, aktif foraminiferin stromatolitlerin dokusunu yeniden şekillendirebileceği, bu oluşumlarının kaybına ve trombolitlerin ortaya çıkmasına neden olabileceği sonucuna vardı.^[2]

Kısaca Stromatolitlerin azalışındaki ana etken, avlanma ve rekabettir. Stromatolitlerin üzerindeki mikrobiyatayı ve oluşum yüzeylerinin yok olmasına sebep olan mekanizmaların artması nesillerinin giderek azalmasına yol açmıştır. Bir diğer olası açıklama ise karbon fiksasyonu döngüsündeki değişimdir. (Y.N.: İnorganik karbonun organik organizmalara canlı organizmalar tarafından dönüştürülmesi işlemidir. En belirgin örnek fotosentezdir, ancak kemosentez güneş ışığının yokluğunda meydana gelebilecek başka bir karbon fiksasyon şeklidir.) Stromatolitlerin azalmasının bir başka nedeni de mevcut CO₂'deki azalma olabilir.^{[22], [33]}

Wikimedia, PaAt 56

Astrobiyoloji ve Yaşamın Başlangıcı İçin Oldukça Önemli Bir Örnek

Mikroorganizmalar karbon-12 izotopunu karbon-13'ten daha hızlı yutar, bu nedenle bir stromatolitteki karbonat C-12 bakımından zengin olduğunda, muhtemelen yaşam tarafından yapılmıştır.^[1] Bu fark gerçekten de önemlidir. Bahsettiğimiz gibi doğal jeolojik süreçler sonucunda tortu birikimi gibi yollar ile de benzeri yapılar oluşabilir. NASA'nın Ames Araştırma Merkezi'nden David Des Marais bu konu için şöyle der:

Pek çok belirsiz örnek olacak, çünkü yaşamı taklit eden özelliklerin ortaya çıkmasına neden olacak süreçlerin çoğu, yaşamı destekleyen süreçlerle aynı türden süreçlerdir.

Yani, herhangi bir yaşanabilir gezegen ortamının potansiyel olarak yaşamı taklit eden jeolojik özellikler yaratması mümkündür. Bu yüzden daha fazla araştırma ve abiyogenez ile evrim hakkında detaylı bilgiye sahip olmak gerekir. Mars'ın erken tarihinin, Dünya ile birçok benzerliğe ev sahipliği yaptığı öne sürülür ve bu nedenle Dünya'daki Archean ve Proterozoik yaşam tarihinin Mars'ta bir karşılığı olabileceği olasılığını gayet yüksektir. Mars'ın termal kaynakları yüzeye su ve çeşitli çözünmüş türler göndererek, imkansız olmasa da zor olabilecek, hayata uygun bir ortam yaratmış olabilir.^{[2], [34]}

Flickr, Jane Australia

Mineral yüklü kaynak suları sıklıkla mikroorganizmaları içeren ve onları fosil olarak koruyan silika ve karbonatın kimyasal çökeltilerini biriktirir. Yeryüzünde termal kaynaklar, uzaktan algılama ile tespit edilebilen farklı jeomorfik özellikler ve kimyasal imzalar oluşturur. Mars'ta tespit edilen bu izler gerçekten tahmin ettiğimiz gibiyse o zaman yaşamın bir zamanlar orada bulunduğunu (hatta belki de bugün) söylemek mümkün olabilir.^{[24], [34]} Çünkü kaplıcaları karbonatlamak için adapte edilen bazı mikroplar, biyofilm olarak bilinen canlı hücreler ve hücre kalıntıları ile üç boyutlu bir matris oluşturan hücre dışı bir polimerik madde üretir. Silikon ve demir oksitler, genellikle biyofilmi kaplayarak uzun vadeli korumaya yol açar. Kalsiyum florür veya silikadan oluşan mikrometre altı mineralli küreler karbonatlı kaplıca yataklarında yaygındır. Kaplıca yatakları, Mars'ta canlı yaşamın keşfi için öncelikli aday gözüken başlıca yerlerdir.^{[25], [34]}

Üstelik araştırmacılar stromatolitlerin, modern mercan resiflerinin barındırdığı gibi karmaşık bir mikrobiyota içerdiğini tespit etmiştir. Yapılan çalışma sonucunda oldukça önemli bir noktayı vurgulamak gerekirse, o da bu kadar gelişmiş bir sistemin bu kadar eski bir tarihte oluşumu biyologların önceden düşündüğünden daha hızlı ortaya çıkabilecek yaşam ihtimalidir. Bu yüzden Sydney'deki Macquarie Üniversitesi'nden Abigail Allwood şöyle diyor:

Mars sadece kısa bir süre için de yaşanabilir olsaydı, hayat yine de ortaya çıkabilecekti.

3,4 milyar yıl önce Dünya ve Mars'taki koşulların, hem su hem de atmosfer yönünden genel olarak benzer olduğu düşünülmektedir. Londra'daki Birkbeck Koleji'nden gezegen bilimci Ian Crawford bu benzerlik ve araştırma hakkında şunları söylüyor:

Bu koşullar altında Dünya'da hayat ortaya çıkabiliyorsa (bu kadar geniş ve karmaşık), Mars'ta da (benzer koşullar sağlandıysa) evrimleşebileceğini varsaymak kesinlikle meşru ve doğrudur.

Jeolojik Yönden Stromatolit ve Stromatolit Mikrobiyotası

Stromatolitler, Dünya'nın en eski makroskopik fosilleri olabilir; ancak, eğer varsa, biyolojik süreçlerin morfolojilerine nasıl etki ettiği tartışmalı bir konudur. Pek çok stromatolit morfolojisinin yorumunda sedimantasyonun (tortu oluşması, çökelme) etkisinden bahsedilir.

Konik stromatolitler ise sedimantasyonun yokluğunda oluşur ve bu nedenle biyofiziksel süreçlerin en sağlam kayıtları olarak kabul edilir. Modern mikrobiyal incelemeler ile bu biyofiziksel süreçler sonucunda oluşan izler eski stromatolitler için fotosentetik bir köken olduğunu düşündürmektedir.^[28] Stromatolitler basit kubbelerden özenle dallanmış sütunlara kadar değişen şekillerde, lamine edilmiş tortul yapılardır ve milimetrik ölçeklerden 10 metreden fazla boyuta kadar uzayabilir.^[32]

Flickr, Imágenes Geológicas

En erken yaşam biçimlerinin, gıda maddeleri için abiyotik olarak üretilen organiklere bağlı olan heterotroflar olması muhtemeldir. Oksijenik fotosentezin başlangıç ​​zamanını belirlemek için, ana sorunun yanıtlanması gerekir: "Siyanobakteriler ilk ne zaman ortaya çıktı?" Bu mikroorganizmaların varlığına dair sağlam fosil kanıtları oksijenli solunum yapabilen en erken evrimleşmiş "tam aerobik organizmaların" ortaya çıkmasına yol açan metabolik yenilikler dizisinin o zamana kadar çoktan gelişmesidir. Süreç eski, ancak metabolik olarak tamamen modern bir ekosisteme sebep olunmuştur.^[30]

Örneğin, günümüzde ipliksi ve kokoid siyanobakterilerin baskın olduğu mikrobiyal tabakalı birikintiler olan stromatolitler, bilinen jeolojik kayıtların hemen hemen tamamında mevcuttur. Hücresel olarak korunmuş siyanobakteri fosilleri, Prekambriyen yaşamının belgelenmiş kayıtlarına hakimdir. Kayadan türetilmiş karbon izotop verileri 3,8 milyar yıla kadar uzanan fotosentetik mikroorganizmaların varlığıyla tutarlıdır. Bununla birlikte, oksijenli fotosentezin başlangıç ​​zamanına kesin bir cevap henüz mevcut değildir.^{[2], [29], [30]}

Wikimedia, Mark Wilson

Jeolojik kayıtlarda görüldüğü gibi, stromatolitler tipik olarak karbonat minerallerinden (örneğin kalsit, yani CaCO₃) oluşan ince katmanlı kaya yapılarıdır. Eski bir deniz tabanının veya göl tabanının yüzeyinden mikrobiyal aracılıklı laminaların katman katman birikmesi ile oluşurlar. Katmanlı yapıları oluşturan mikroorganizmaların fotosentetik metabolizması çoğalmalarına neden olur. Güneş ışığını engelleyen kırıntılı veya çökelmiş mineral tanecikleri aralıklı olarak kaplanmış yüzeylere yayılır. Bu tür mikroplardan ince (milimetre kalınlığında) matlar oluşur. Fotosentezi sürdürmek için, osilatör siyanobakterileri gibi kayan mikrobiyal bir mat oluşturmak için birikmiş mineral madde içinde yukarı doğru hareket sürekli tekrarlanır. Bu tür hareketler tekrar tekrar gerçekleştiğinde yığılma, ipliksi ve konik izler oluşur.^{[29], [30]}