Güneşsiz fotosentez şaşkına çevirdi

Mağara biyoloğu Hazel Barton zifiri karanlığa girdiğinde, bulmayı beklediği son şey, ışığı enerjiye dönüştüren organizmalardı.

Karanlıkta fotosenteze dair bu yeni anlayış, evrenin başka yerlerinde, hiç mümkün olmadığını düşündüğümüz yerlerde yaşamın var olabileceği anlamına geliyordu.

Alabama Üniversitesi jeoloji bilimleri profesörü Barton, "Duvar parlak yeşildi. Görebileceğiniz en parlak yeşil renkti ama mikroplar tam karanlıkta yaşıyordu" diyor.

Amerika'nın New Mexico eyaletinin güneyindeki Chihuahuan Çölü'nün derin kayalık kanyonlarının altında, 119 mağaradan oluşan bir ağ uzanıyor.

Carlsbad Mağaraları Milli Parkı'ndaki bu mağaralar, sülfürik asidin kireçtaşı kayaları eritmesi sonucu dört ila 11 milyon yıl önce oluşmuş.

Parkın başlıca cazibe merkezi, yaklaşık 1.200 metre uzunluğunda ve 200 metre genişliğindeki devasa mağaranın tavanından sarkan parıldayan sarkıtlarıyla Carlsbad Mağarası.

Her yıl yaklaşık 350.000 kişi Carlsbad Mağarası'nı ziyaret ediyor, ancak çoğu kişi bu mağaranın son on yılın en şaşırtıcı bilimsel keşiflerinden birine sahne olduğunu hiç bilmiyor.

Görünüşte zifiri karanlıkta, mikroplar enerji için ışığı kullanabiliyorlar. Bu, galaksimizde en yaygın yıldız türü olan kızıl cüce yıldızların yaydığı ışığın aynısı.

Barton, bunun, daha önce düşünülenden daha fazla yerde uzaylı yaşamı arayabileceğimiz anlamına geldiğini söylüyor.

Uppsala Üniversitesi'nden mikrobiyal biyolog Lars Behrendt, 2018 yılında doktorasını yeni bitirmişti. Ayrıca bir akademik ödül almış ve bu sayede bir miktar para kazanmıştı. Barton ile iletişime geçerek ona bir keşif gezisine eşlik edip etmeyeceğini sordu. Şans eseri, Barton kabul etti.

Barton, Carlsbad Mağarası'nda turistlerin izlediği yoldan inip bir köşeyi döndüğünü belirterek, "O yolu belki 40 kez yürüdüm. O köşeyi dönüyorsunuz ve arkanızda tamamen karanlık bir oyuk var" diye anlatıyor.

20 yılı aşkın bir süredir yeraltının derinliklerindeki mikroskobik yaşamı incelemesine karşın sonrasındaki manzara Barton'ı da çok şaşırttı.

Behrendt, duvara bir el feneri tutmuştu. Girinti zifiri karanlıktı ama ışık, duvardaki yeşil mikroplar örtüsünü ortaya çıkarmıştı.

Daha sonra yapılan testler bunların bakterilerle akraba tek hücreli organizmalar olan siyanobakteriler olduğunu gösterdi. Ancak çoğu bakteriden farklı olarak, siyanobakteriler (mavi-yeşil algler olarak da bilinir) güneş ışığını kullanarak besin üretiyor.

Araştırmacılar, mağaraların derinliklerinde, gerçek ışık olmasa bile duvarların kalın yeşil canlı organizmalarla kaplı olduğunu gördüler.

Barton, "Mağaranın derinliklerine doğru ilerlemeye başladık" diyerek anlatmaya devam ediyor:

"Sonunda el feneri olmadan göremeyeceğimiz kadar karanlı bir noktaya geldik. Yüzümüzün yaklaştırdığımız elimizi görebilmek için bile kask lambası kullanmak zorunda kaldık. Buna karşın yine de duvarda yeşil pigment vardı."

Bitkiler, ışık enerjisini emen klorofil adlı bir kimyasal madde sayesinde yeşil renk taşıyor. Fotosentezde bu enerji, karbondioksit ve suyu glikoz ve oksijene dönüştürmek için kullanılıyor. Bu süreç siyanobakterilerde de hemen hemen aynı. Ancak burada, mağarada güneş ışığı yoktu.

Peki neler oluyordu?

Mağaradaki siyanobakterilerin, yakın kızılötesi ışığı yakalayabilen özel bir klorofil türü olduğu ortaya çıktı. Bu ışık, görünür ışıktan daha uzun dalga boyuna sahip ve elektromanyetik spektrumda kızılötesinin hemen önünde yer alıyor. İnsan gözüyle algılanamıyor.

Bitkiler ve siyanobakteriler fotosentez için klorofil a kullanırken, Carlsbad'deki mağaralarda siyanobakteriler, yakın kızılötesi ışıktan enerji üretebilen klorofil d ve f kullanıyor.

Görünür ışık mağaraların içine sadece birkaç yüz metre girebilirken, yakın kızılötesi ışık kireçtaşı kayaların yansıtıcı özelliği sayesinde çok daha uzağa ulaşabilir.

Barton, "Mağaradaki kireçtaşı kayalar görünür ışığın neredeyse tamamını emer. Ancak yakın kızılötesi ışık için mağaralar adeta ayna dolu bir salon gibidir" diyor.

Aslında, araştırmacılar mağaranın en karanlık olan arka kısmındaki ışığı ölçtüklerinde, yakın kızılötesi ışığın yoğunluğunun girişe göre 695 kat daha fazla olduğunu gördüler.

Aynı zamanda, klorofil d ve f içeren siyanobakteriler mağaranın tüm bölümlerinde mevcut olsa da, özellikle en karanlık ve en derin yerlerde yoğunlaşmışlardı.

Araştırmacılar ayrıca milli parktaki diğer mağaralara da girerek ve diğer az bilinen oyukları incelediler. Hepsinde yeraltının derinliklerinde fotosentez yapan mikroplar buldular.

Behrendt, "Onların sadece orada yaşadıklarını değil, aynı zamanda, muhtemelen 49 milyon yıldır hiç dokunulmamış, tamamen korunaklı bir ortamda fotosentez yaptıklarını da gösterdik" diyor.

Carlsbad'deki mağaraların derinliklerinde olağandışı görüntüler kaydedildi.

Karanlıkta yaşayabilen mikropları keşfeden sadece Barton ve Behrendt değildi.

1890 yılında, alanında öncü olan Ukraynalı mikrobiyolog Sergei Nikolaevich Vinogradskii, bazı mikropların kemosentez adı verilen bir süreç kullanarak yalnızca inorganik maddelerle yaşayabildiğini keşfetti.

Bu mikroplar, çevrelerindeki kayalardan ve sudan, metan ile hidrojen sülfür gibi kimyasalları alarak kimyasal reaksiyonlar yoluyla enerji elde ediyor.

1996 yılında, o zamanlar NASA'nın doktora sonrası programında öğrenci olan Hideaki Miyashita, hem görünür hem de yakın kızılötesi ışığı kullanarak fotosentez yapabilen Acaryochloris marina adlı bir deniz siyanobakterisi keşfetti.

Bu keşif, fotosentez için gerekli ışık dalga boyları üzerine onlarca yıllık araştırmaların başlangıcı oldu.

Ardından, 2018 yılında Londra'daki Imperial College'dan bilim insanları, ABD'deki Yellowstone Ulusal Parkı'ndaki bakteri tabakalarında ve Avustralya'daki bazı deniz içi kayalıklarında, gölgeli koşullarda yaşayan fotosentez yapan siyanobakteriler buldular.

Hatta kızılötesi LED'lerle donatılmış karanlık bir dolapta fotosentez yapan mikropları yetiştirmeyi bile başardılar.

Her durumda, siyanobakteriler ilk olarak fotosentez sırasında görünür ışıkla, klorofil a'yı kullandılar. Daha sonra insan gözünün göremeyeceği yakın kızılötesi ışığı kullanarak fotosentez yapmak için klorofil f'ye geçtiler.

Bu bulgular, başka gezegenlerdeki yaşamın nasıl olabileceği konusunda önemli ipuçları sağlıyor.

Dünya dışında yaşam olasılığı bulunan güneş sistemi dışı uzak gezegenler üzerine yapılan araştırmalarda, o gezegenin yörüngesinde döndüğü Güneş gibi bir yıldız da dikkate alınıyor.

Astronomlar, yıldızları ürettikleri ışığın rengine göre gruplandırmaya çalışmışlar ve en sıcak olandan en soğuk olana doğru azalan sıcaklık sırasına göre yedi yıldız sınıf (O, B, A, F, G, K ve M) oluşturdular.

O ve B tipi yıldızlar, evrendeki en sıcak, en kütleli ve en parlak yıldızlardır. Mavi-beyaz renkleriyle karakterize edilirler.

Barton, bu tür yıldızların çok fazla UV radyasyonu üretmeleri nedeniyle yaşama el verişli olmadıklarına işaret ediyor.

Güneş'in de konumlandırıldığı, G tipi yıldızlar, sarı renktedir ve görünebilen spektrumda çok fazla ışık üretir.

Bu tür yıldızların çevresi teorik olarak, yaşanabilir gezegenler aramak için doğru hedef olabilir. Ancak G tipi yıldızlar, evrende tahmin edilen bir milyar trilyon yıldızın sadece %8'ini oluşturuyor.

Ancak, galaksimizde en bol bulunan yıldız türü, kızıl cüceler veya M tipi yıldızlardır. Bugüne kadar keşfedilen kayalık uzak gezegenlerin çoğu, bu tür yıldızların yörüngesinde bulunmuştur.

Kızıl cüceler düşük kütleli yıldızlar olduğundan, gezegenleri genellikle yakın yörüngelerde dönerler, bu da onları tespit etmeyi kolaylaştırır. M yıldızlarının bilim insanlarının uzak yaşam arayışında bu kadar verimli kılan bir başka neden de evrende çok sayıda bulunmalarıdır.

Ancak, şu anda kırmızı cüce yıldızların yörüngesinde, çok dar bir yaşanabilir alan bulunduğu düşünülüyor.

Bu alan, yıldıza en yakın noktada, gezegenin yüzeyinde suyun var olması için koşulların ne çok sıcak ne de çok soğuk olduğu bölge olarak tanımlanıyor.

Sıvı suyun varlığı tıpkı Dünya'daki gibi yaşam için gerekli olduğundan, astrobiyologlar incelenen yıldız yörüngelerinde "Goldilocks bölgesi" olarak adlandırılan bu alana odaklanıyor.

Şimdiye kadar hayat olasılığı bulunan onlarca aday tespit edildi.

Ancak bu gezegenlerin hepsi bir yaşam barındırabilecek durumda değil. Ve onları gözleyebilecek olan James Webb gibi (JWST) teleskopları yönlendirmek zaman ve önemli miktarda kaynak gerektiriyor.

Bir gezegende yaşamın var olup olamayacağını belirleyen bir diğer önemli faktörse, fotosentezin gerçekleşip gerçekleşmediğidir.

Dünya'da fotosentez, besin zincirinin temelini oluşturuyor. Soluduğumuz oksijen böyle açığa çıkıyor. Bu nedenle, yaşam olasılığını ararken, fotosentez gerçekleşme ihtimali olan gezegenlere bakmak daha mantıklı.

Bu, Güneş gibi bir yıldızın çevresinde yaşam var olabilecek bölgeyi önemli ölçüde sınırlıyor.

Geçmişte, astrobiyologlar fotosentez için sınırı, ışık spektrumunda 700 nm dalga boyunda, yani kızıl renge eşdeğer dalga boyu olarak belirlemişlerdi.

Bu, klorofil a kullanılarak fotosentez verimliliğinin azaldığı noktaya karşılık geliyor. Ancak, Carlsbad mağara sistemlerinde keşfedilen siyanobakterilerin, klorofil f kullanarak 780 nm dalga boyuna kadar ışığı toplayabildikleri görüldü.

Barton, "Galaksimizdeki yıldızların büyük çoğunluğu M ve K tipi yıldızlardır" diyor ve anlatıyor:

"Bu, galaksimizdeki yıldızların çoğunun yakın kızılötesi ışık yaydığı anlamına gelir, ancak bu tür yıldızların ürettiği ışık koşullarında fotosentez ve yaşamın nasıl devam edebileceği hakkında neredeyse hiçbir şey bilmiyoruz."

Barton bunu değiştirmek için Behrendt ile birlikte, fotosentetik yaşamın hayatta kalabileceği sınırları keşif için NASA'ya bir araştırma projesi sundular.

Bu çalışma, siyanobakterilerin hayatta kalabilmesi için tam olarak ne kadar ışığa ihtiyaç duyduğunu ölçmek amacıyla, en karanlık mağaraların derinliklerine inmeyi gerektirecek.

Teoride elde edilecek bilginin daha sonra yaşanabilir gezegenler arayışını daraltmak için kullanılabileceği düşünülüyor. JW teleskobuyla uzak gezegenlerin aldığı ışığın miktarının ve türü ölçülerek bu sınırlar belirlenebilir.

Barton, "Çalışmamızın amacı, fotosentez yapabilmek için en uzun dalga boyu ve en düşük ışık seviyesinin ne olduğunu bulmak" diyor.

"Ardından, James Webb Uzay Teleskobu'nu yönlendirebileceğimiz 100 milyar potansiyel yıldızı alıp, bunu [yaşam barındırabilecek] 50 yıldıza indirgeyebilirsiniz" diye hedeflerini anlatıyor.

Sonrasında yapılacak tek şey, JW teleskobunu söz konusu yıldıza yönlendirmek ve ardından onun önünden geçen gezegenleri incelemek olacak.

Yıldızın sağladığı ışık, takip edilen gezegenin atmosferinden geçerken, hangi elementlerin mevcut olduğuna bağlı olarak belirli frekanslarda ışık yayıyor.

Bu nedenle astronomlar, absorpsiyon spektrumunda eksik çizgileri arayarak, oksijen gibi yaşamın varlığını işaret edebilecek belirli elementlerin bu uzak gezegenin atmosferinde mevcut olup olmadığını belirleyebilirler.

Barton, "Yaşamın olmadığı bir atmosferde oksijenin üretilebilmesinin çok az yolu vardır" diyor ve devam ediyor:

"Dolayısıyla, bu ötegezegenlerden birinin atmosferinde oksijen bulabilirseniz, bu potansiyel yaşam için çok güçlü bir göstergedir."

(Cumhuriyet)