Mor Dünya Hipotezi: Fotosentez Nasıl Başladı?

Biyologlar yüzde 70’i okyanuslarla kaplı mavi Dünyamızın 2,4 milyar yıl önce atmosfer oksijenlenmeden evvel mor renkli olduğu kanısında. Bunun sebebi de güne ışığından enerji üretmek anlamına gelen fotosentezi bitkilerinin icat etmemiş olmasıdır. Peki fotosentezin kökeni ve Mor Dünya hipotezi nedir? Kaç tür fotosentez var ve 1 milyar yıl sonra Güneş yüzde 10 daha parlak olduğunda yaşam bahçesi Dünyamıza neler olacak? Mor dünyalarda hayat aramayı görelim.

Neden mor dünya?

1980’de yayınlanan ilk Kozmos belgeselinin sunucusu olan astrofizikçi ve bilim elçisi Carl Sagan, bugün Güneş Sistemi dışına çıkmış olan Voyager 1 sondasının 14 Şubat 1990’da bizden 6,5 milyon km uzaktan çektiği fotoğrafa bakarak gezegenimize mavi soluk nokta demişti. Yüzde 70’i okyanuslarla kaplı Dünyamızın beyaz bulutlarla ve yakından bakınca da yeşil ormanlarla süslü masmavi bir gezegen olduğunu biliyoruz.

Oysa yaşamın ortaya çıkışını açıklayan yeni teoriye göre ve atmosfer 2,4 milyar yıl önce oksijenlenmeden evvel Dünya mor renkliydi! Bunun sebebi de eski dünyada yaşamakta olan ilkel bakterilerdi; çünkü sanılanın tersine fotosentezi bitkiler değil, bakteriler icat etti. Bugünlerde Corona virüsü, ekonomik kriz ve yapay gündem derken hiç de toz pembe bir dünyada yaşamıyoruz; ama fena morardık. Öyleyse insanlığı kurtaracak olan bilime ve Mor Dünya hipotezine geri dönelim.

İlgili gezegen: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Mor dünya ve öte gezegenler

Mor Dünya hipotezinin öyküsü başka yıldızların çevresinde dönen öte gezegenlerde başladı. 2013’te astronomlar ilk kez bir gezegenin rengini gördüler ve HD 189733B kod adlı bu öte gezegen mavi renkliydi. Biz de uzayda mavi dünyamızı temel alarak yaşam aramayı planlıyoruz. Oysa bazı bilim insanları Dünya’nın 3,5 milyar yıl önce mor renkli olduğunu düşünüyor. Bu durumda mor gezegenlerde yaşam aramak da gerekebilir ama sırayla gidelim:

Şimdi diyeceksiniz ki “Hocam, bilim insanları çok mu ayran içmişler? Fotosentezi bitkiler icat etmese bile hücrelerin yeşil renkli bir pigment olan klorofille fotosentez yaptığını biliyoruz. Neden eski dünya bakteriler yüzünden mor olsun?” Bunun için kısaca fotosentezi açıklamak gerekiyor.

Bitkiler yeşildir; çünkü klorofille fotosentez yaparlar ve klorofil de yeşildir. Bunu hepimiz biliriz. Çoğumuzun bilmediği nokta ise renklerin kökenidir. Klorofil yeşildir; çünkü yeşil hariç güneş ışığının bütün dalga boylarını soğurur (emer) ve sadece yeşil ışığı yansıtır (bu da tam olmadı ama kuantum fiziğinde renklerin kökenini ayrıca yazacağım 😊). Fotosenteze gelince:

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Fotosentez nasıl ortaya çıktı?

Güneş ışığı klorofile vurduğu zaman ışığı oluşturan fotonların bir kısmı klorofil atomları tarafından soğurulur ve bu da atom çekirdeklerinin yörüngesindeki elektronları bir üst enerji düzeyine, yani bir üst yörüngeye çıkarır. Bu durum dış yörüngelerdeki klorofil elektronlarının atomlarla bağını zayıflatır ve elektronların bitkilerdeki diğer molekülleri oluşturan atomlar tarafından yakalanmasını kolaylaştırır.

Klorofilin bitkiye sunduğu elektronlarla birçok kimyasal tepkime gerçekleştirebilir ve bitkilerin enerji çıkarmakta kullandığı molekülleri üretebilirsiniz. Bu sayede gün ışığı enerjisini kimyasal olarak depolarsınız. Bitki hücreleri acıktıkça bunları parçalar ve açığa çıkan enerjiyi yaşamakta kullanırlar.

Buna fototropi deriz ki kelimesi kelimesine ışığı yemek demektir. İnsan hücrelerinin ATP moleküllerini parçalayarak açığa çıkardığı enerjiyle çalışması da kabaca fototropiye benzer; ama biz ATP’yi gün ışığıyla parçalamak yerine, bitkileri yiyen hayvanları VE bitkileri yiyerek onların depolamış olduğu enerjiyi kullanırız. Aradaki fark budur.

Ne yaparsınız? Hayvanız biz! 😊 Nitekim besin zincirinin ana temeli olan fototropi 2,7 milyar yıl önce ortaya çıktı ve evrim geçirerek fotosenteze dönüştü: Klorofilin sağladığı enerjiyle atmosferdeki karbondioksiti parçalar ve oksijenle şeker üretirsiniz buna fotosentez denir.

Mor dünya ve fotosentez teknolojisi

Bilim insanları fototropiden yararlanarak güneş enerjisini 18 yıl boyunca saklayan solar termal yakıt geliştirdiler ve bununla güneş enerjisinden üretilen elektriği depolama sorununu (yetersiz pil kapasitesi) çözmeye çalışıyorlar. Ayrıca elektrik, oksijen ve hidrojen üretmek için yapay yaprak geliştiriyorlar. Peki bitkiler neden yeşil klorofil kullanıyor?

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Yeşil fotosentez saçmadır

Bunu oturup mantıklı bir şekilde düşünün: Klorofil kırmızı ve mavi ışığı soğurduğu için yeşildir ama Güneş en çok yeşil ışık yayar. Bu Güneş’i yeşil yapmaz (yeşil yıldızlar imkansızdır) ama güneş ışığının en çok enerji içeren kısmı yeşil dalga boyudur. Demek ki yeşil klorofille fotosentez yapan bitkiler ışığın en enerjik ve en besleyici kısmını kullanmıyorlar. İlk bakışta bu çok saçma ama 2006’da sebebini bulduk:

Yeni teoriye göre bitkilerin yeşil ışığı kullanmamasının asıl sebebi yeşilin zaten kullanımda olması olabilir. Tabii ki bakterilerden söz ediyoruz! Bakteriler bitkilerden eskidir ve fotosentez yaparken retinol denilen başka bir pigment kullanırlar. Retinol de evet, bildiniz: Mor renklidir! Neden yeşili emip moru kusuyorlar derseniz prokaryot bakterilerle ökaryotların farkına değinmeliyiz:

Dünyada yaşam sığ havuzlarda ortaya çıktı ve sığ denizlerde yayıldı. O zamanlar çokhücreli canlılar olmadığı için ışıktan enerji üretmek, bakterilerin atalarının birbirini yemesinden daha kolaydı. Oysa ışık 25 metreden derine inmez ve deniz yüzeyine ne kadar yakınsanız fototropi ile fotosentez için o kadar ışık alırsınız. Aşırı tuzlu ortamlarda yaşayarak gölleri pembeye boyayan hal bakteriler de (aslında arkeler) deniz yüzeyine yakın bölgelerde fotosentez yapmaya başladılar.

Dolayısıyla klorofilli bakteriler (siyan bakteriler) belirdiğinde deniz yüzeyi kullanımdaydı. Böylece 25 metre derinliğe kadar fotosentez yapmaları gerekiyordu. Bunun için derine nüfuz edebilen yüksek frekanslı mavi ve düşük frekanslı kırmızı ışığı kullanmaya başladılar. Siyan bakteriler elinde ne ışık varsa onu kullandılar. Kısacası eski dünya denizleri retinolle fotosentez yapan mor bakteriler, hal bakterilerle kaplıydı. Bu da eski dünyanın mosmor olmasına yol açtı.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Mor dünya yerine mavi dünya

Peki bugün Dünya neden mavi renkli? Siyan bateriler, yeşil bitkiler, klorofil kullanan birhücreli canlılar ve elbette hayvanlar yaygınlaştığı için mor bakterilerin sayısı azaldı. Dünya enerji kaynaklarına klorofil kullanan bitkiler ve hayvanlar egemen oldu. Peki neden öyle?

Prokaryot bakterilerin DNA’yı saran çekirdek zarı yoktur; çünkü bunlar birhücreli canlılardan bile daha basit ve genellikle daha küçüktür. Basit canlılarda çekirdek zarı DNA’nın işleyişini kolaylaştıran bir avantaj sağlamaz. Tersine DNA’nın, mini su torbalarına benzeyen bakterilerin zarına, yani yüzeyine yakın yerlerde toplanması daha yararlıdır.

Böylece retinol fotosentezi yapan bakteriler DNA sentezlemek için gereken güneş enerjisini direkt zardan alıp kullanabilirler. Oysa insan gibi daha karmaşık bir canlının evrim geçirmesini istiyorsanız iki şeye gerek var: 1) DNA için çekirdek zarı (buna geleceğim) ve 2) Oksijenli atmosfer. Basit retinol fotosenteziyle yaşayan prokaryot hücrelerden canlı türemez.

Neden derseniz: Birhücreli çekirdek zarlı bir ökaryot olan amibin DNA’sını oluşturmak bile sıradan bakterilerin üretebileceğinden 250 bin kat daha fazla enerji gerektirir. Şimdi diyeceksiniz ki “Hocam, bunun yeşil fotosentezle ne ilgisi var?” O zaman canlıların son 3 milyar yıldaki evrimiyle ilgili size heyecanlı bir özet geçeyim:

İlgili yazı: Virüsler Canlı mı ve RNA Yaşamın kökeni mi?

 

Mor Dünya yok oluyor

2,7 milyar yıl önce bakterilerin bir kısmı DNA’yı korumak için çekirdek zarı geliştirdiler. Bunun da çok ilginç bir sebebi vardı: Bakteriler basit birer su torbası olduğu için yanal gen transferi yoluyla birbirine sürekli gen aktarır. Bu da mutasyon hızını artırarak değişen çevre koşullarına uyarlanmalarını kolaylaştırır. Oysa bazen bu zararlıdır: Yararlı mutasyonlar yerine zararlı mutasyonlar gelişir ve bu da bakteriyi öldürür. Çekirdek zarı bakteri DNA’sını işgalci genlerden koruyan bir kılıftır.

Çekirdek zarı olan birhücreli amip benzeri canlılara ökaryot hücreler deniz. 2,7 milyar yıl önce evrim geçiren çekirdek zarı o kadar önemlidir ki bu iş insanların ortaya çıkmasına kadar varmıştır. Çekirdek zarı meselesini aklınızda tutarak okumaya devam edin: 2,4 milyar yıl önce klorofil kullanan siyan bakteriler denize oksijen vererek solunum yaparsa enerjiyi daha verimli kullanabileceğini gördü.

Böylece okyanuslardaki siyan bakteri sayısı ve oksijen miktarı arttı. Dolayısıyla Dünya atmosferi de oksijenlenmeye başladı ama bakteriler serbest oksijeni bizim nefes alırken karbondioksit vermemiz gibi atık olarak kullanıyordu. Bu yüzden oksijenli atmosferde zehirlenerek öldüler. Birçok bakteri ile hal bakterisinin (arkenin) soyu tükendi ve bu çok iyi oldu!

Sonuç olarak Dünya’da yeni canlıların evrim geçirip doğal kaynak kullanımında açılan boşlukları doldurmaya fırsatı oldu. Bütün bu süreçte bakteriler fototropi ve retinol fotosentezi yaparak veya birbirini yiyerek yaşıyordu. Oysa artık Dünya’da bol miktarda serbest oksijen vardı ve bunu kullanabilen bakteriler daha kolay enerji üretip çoğalabilecekti. Daha çok oksijenle karmaşık genler üretebilecekti!

İlgili yazı: Virüslerin Uzaydan Bulaşması Mümkün mü?

 

Mor dünya ve ökaryotlar

2,1 milyar yıl önce arkelerden biri akıllık ederek (aslında kör saatçi evrimin rastlantısal süreçleriyle) kloroplast denilen bir bakteriyi yuttu ve onu sindirmek yerine bakteriyle ortakyaşarlık kurdu. Bol oksijen sayesinde kloroplastların atasını yemek yerine içinde taşıyıp fotosentez yapmak da yüksek enerji üretmek anlamına geliyordu. Özetle fotosentez yapan yeşil bakteri ve ökaryotlar hızla yayıldılar.

1,45 milyar yıl önce müthiş bir şey oldu: Bir arke günümüzdeki birçok canlının solunum yapmasını sağlayan ve hücrelerin güç santrali olarak çalışan mitokondrilerin atası olan bakteriyi yuttu. Sevgili arkemiz onu sindirmek yerine bakteriyle ortakyaşarlık kurdu. Hatta çekirdek zarı sayesinde kloroplastlardan daha iyi işbirliği yaptı.

Mitokondrinin solunum genleri dışındaki bütün genleri ya imha oldu ya da arkenin çekirdek zarından geçip arke DNA’sıyla birleşti. Bu da enerji verimliliğiyle yararlı mutasyon hızını artıran bir gelişme oldu ve hücrelerinde hem kloroplast hem de mitokondri barındıran bitkilerin önü açıldı. 650 milyon yıl önce denizler dahil tümüyle buzullarla kaplı olan Dünyamız metanojen bakterilerin havaya saldığı metanla çözülmeye başladı. Metan karbondioksitten 28 kat etkili bir sera gazı olarak Dünya’yı ısıttı.

Böylece soğukta yaşamaya alışmış türlerin soyu tükendi. Bakterilerin darbe almasıyla ilk bitkilerin evrim geçirmesinin önü açıldı. Bakteriler günümüzden 2 milyar yıl önce koloniler halinde yaşamaya başlamıştı; ama devir çokhücreli ökaryot devriydi. Fırsattan yararlanan suyosunları 600 milyon yıl önce Dünya’nın ilk bitkileri olarak ortaya çıktılar. O sıralarda yaprak benzeri ilk deniz hayvanları da geldi.

Mor dünya ve çekirdek

500 milyon yıl önce önemli bir jeolojik gelişme oldu: Dünya’nın iç çekirdeği katılaştı. Bu sırada atmosferi Güneş radyasyonundan koruyan manyetik alan yok olmak üzeriydi fakat iç çekirdeğin katılaşmasıyla eskisinden de güçlü oldu. Atmosferdeki oksijen miktarı da günümüz seviyesine yaklaşarak zararlı morötesi ışınları kesmeye başladı. Manyetik alan ve ozon tabakası sayesinde ilk canlılar karaya ayak bastılar. Kambriyen Patlamasıyla Dünya’daki bitki ve hayvan türleri hızla çoğaldı.

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Mor dünya ve karaya çıkış

400 milyon yıl önce ilk bitkiler ve 360 milyon yıl önce de ilk hayvanlar karaya çıktılar. Gerisi ayrı bir yazının konusu ama unutmayın: Bütün bunlar Mor Dünya yerine bol oksijenli mavi dünyanın oluşması sayesinde oldu. Ancak, hikayeyi tamamlamak için yeşil klorofil fotosentezine geri dönmemiz lazım. Mademki oksijen solumanın faydalarını öğrendik, neden illa klorofil diye sorabiliriz.

Klorofil fotosentezi daha az güneş enerjisi kullanır ama bununla daha çok iş yapar. Yeşil fotosentez bitkilerin yaşam kalitesini yükseltir ve bünyesinde daha çok enerji depolamalarını sağlar. Bu da otçul hayvanların daha çok enerji alması ve dolayısıyla daha karmaşık hayvanların evrim geçirmesine izin verir. Bu da dönüp dolaşıp ilk insanı ortaya çıkaran süreçtir.

Günümüzde et yemek şart değil; ama veganların da bilmesi gereken bir şey var: İnsanların ataları et yemeseydi asla büyük insan beyni gelişemezdi. Bitkiler toplamda daha çok enerji depolar ama hayvan eti gram başına daha çok enerji içerir; yani Homo erectus keyiften et yemiyordu. Biz de böylece yazımızın son kısmına geldik: Kaç tür fotosentez var?

Dünya’da C3, C4 ve CAM (karbon 3, karbon 4 ve krassulasean asit metabolizması) olmak üzere üç tür fotosentez bulunuyor; ama önce temel fotosentez formülünü verelim: 6CO₂+ 6H₂0 + (enerji – ışık) → C₆H₁₂O₆+ 6O₂ . Türkçe söylersek bitkiler karbondioksit ve suyu alır, güneş ışığı enerjisiyle parçalar ve glikozla serbest oksijen üretir. Glikoz şekerdir (çok yemeyin, dişleriniz çürür) ve oksijeni de biliyorsunuz. Nefes alıp yaşarsınız. 😊

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Nefes almak derken…

Oksijenin yüzde 70’ini ormanlar değil, algler ve diğer deniz canlıları üretir. Gerçi Dünya’da tüm oksijen üretimi dursa bile herkese 60 milyon yetecek kadar oksijen var (kusura bakma Interstellar filmi, bu konuda yanlışsın) ama yine de çevreyi yok etmek kötü bir fikir; çünkü insanların soyu oksijenden çok önce, 100-150 yılda küresel ısınmayla tükenecektir. Şimdi fotosentez türlerini tek tek görelim:

Ekinler, yeşil yemler ve yabani otlar C3 ve C4 fotosentezinde uzmanlaşmıştır. Bu fotosentez türlerinde RuBisCO (Ribuloz-1,5-bisfosfat karboksilaz/oksijenaz) enzimi (bir protein) kullanılır. RuBisCO karbondioksit moleküllerini alır ve montaj zincirinde dizerek karbonhidrat üretir ki dünyadaki en yaygın protein budur. Yeşil yemlerin kalitesi de içerdiği besin miktarına, yani RuBisCO oranına göre belirlenir. Hayvanları beslerken saman yerine RuBisCO zengini yaprakları tercih ederiz.

C3 fotosentezinde RuBisCO karbondioksiti tek seferde indirger, yani bu reaksiyon fotosentez yapan kloroplast hücresinde gündüz vakti, bitkinin gözenekleri açıkken gerçekleşir. Bundan kasıt bir gözenekten karbondioksit girerken suyun da aynı gözenekten dışarı çıkmasıdır. Bu da bitkide su kaybını artırır ve gün ışığı yoğunluğunun artmasıyla fotosentezin doruğa çıktığı Temmuz aylarında bitkinin kurumasına yol açar. Üstelik oksijen bitkinin fotosentez verimliliğini azaltır.

Oksijen fazlası fotosentezin doruğa ulaştığı Temmuzda bitkiyi strese sokar. Siz de ilk bakışta bunun dezavantajlı olduğunu düşünebilirsiniz fakat fotosentezin yavaşlaması bitkinin ışık enerjisiyle aşırı yüklenip yanmasını önler. İşte bu yüzden soğuk hava buğdaygilleri Temmuz ve Ağustosta yavaş büyür. Bunlar C3 fotosentez mekanizmasını kullanırlar.

İlgili yazı: Yapay Zeka Nedir ve Nasıl Çalışır?

 

Mor dünya karşıtı C4 fotosentezi

Geldik sıcak mevsim buğdaygillerine. Nedir bunlar? Mısır, süpürgedarısı, çatal otu, şekerkamışı, bermuda çimeni, tilkikuyruğu… Bu bitkilerde RuBisCO ile karbondioksiti havadan çeken molekül ayrı hücrelerde bulunur. Hücreler birlikte çalışarak fotosentez yapmak için plasmodesmata denilen açıklıklarla birbirine bağlanır. Bu ne işe yarar derseniz:

Karbondioksiti RuBisCO hücresine sonradan basarsınız ve su kaybını azaltarak serbest oksijenin fotosentezi yavaşlatmasını önlersiniz. Bu bitkiler Temmuzda hızlı büyür ve karbondioksitteki azalmaya göre ortalama yüzde 40 daha az su kullanır. C4 fotosentezinin özü budur ve dolayısıyla bu bitkiler sıcağa daha dayanıklıdır. Aynı nedenle yazın otlakları sıralı otlatmayla kullanırız. Sonuçta bitkiler Temmuz-Ağustosta büyümeyi sürdürerek kaynak kullanımında C3 bitkilerinden az rekabetle karşılaşır.

Ancak, yanlış bilinen bir nokta vardır. İkiçenekli yayvan yapraklılar da genellikle C4 fotosentezi yapar, yani C4 buğdaygillere özgü değildir. Sazlar ve birçok horozibiği türü C4 bitkisidir. Hatta yayvan yapraklılar arasında en büyük C4 ailesini oluştururlar. Sonuçta Elayası horozibiği, dikenli horozibiği ve sazlar Temmuz-Ağustosta bol serpilir. Böylece çiftçiler soğuk mevsim ekinleri yavaş büyür veya uykuya yatarken yabani otları tarladan hızla temizleyebilirler. Bu da bir fırsat penceresi oluşturur.

İlgili yazı: 14 Yaşında Kendini Donduran Kız

 

CAM fotosentezi

Bitki türlerinin yalnızca yüzde 1’i C4 fotosentezi yapar ve daha azı CAM metabolizması kullanır. CAM fotosentezi çöl bitkilerinde bulunur. Bunlar gözeneklerini gece açarak karbondioksit çeker ve sıcak gündüzlerdeki su kaybını en aza indirger. Karbondioksit geceleyin kofullarda elma asidi içinde saklanır. Güneş doğunca karbondioksit asitten çekilip RuBisCO’ya katılır ve karbonhidrat üretir.

CAM, çöl bitkilerinde su kaybını önler ve C3 fotosentezinden yüzde 83 daha verimli su kullanır. Kaktüsler, birçok sukulent türü ve ananas CAM fotosentezi yapar. 1 milyar yıl sonra Güneşimiz yüzde 10 daha parlak olacak ve küresel ısınmayla okyanuslar tümüyle buharlaşacak. 600 milyon yıl sonra C3, 800 milyon yıl sonra C4 ve 1 milyar yıl sonra CAM fotosentezi sona erecek. 750 milyon yıl sonra yeraltı bakterileri hariç Dünya’da yaşam kalmayacak. Bakın Mor Dünya bizi ta nereye getirdi?

Artık uzaylıları küçük yeşil adamlar olarak görmekten vazgeçmenin zamanı geldi. Evrende bakteri hayatının hayvan ve bitkilerden daha yaygın olması gerektiğini biliyoruz. Siyan bakteriler (mavi-yeşil algler) ve hal bakterilerin de en eski türler arasında yer aldığını biliyoruz. James Webb uzay teleskopuyla öte gezegenlerde hayat ararken mavi dünyalar kadar mor dünyalara da odaklanmalıyız.

Peki bunları nasıl görürüz derseniz yaşanabilir gezegenleri bulmak için geliştirilen güneş şemsiyeli Starshade uzay teleskopuna bakabilir ve öte gezegenlerin röntgenini nasıl çektiğimizi inceleyebilirsiniz.  Hızınızı alamayarak sıcaktan buharlaşan yumurta gezegen WASP-121b’ye dalabilir, Mısır’ın hal bakterilerle pembeye dönen ve hayvanları taşa çeviren Natron Gölünü görebilir ve evrenin en sıcak gezegenleri KELT 9b ve KEPLER 70b ile tanışabilirsiniz. Muhteşem bir hafta sonu dilerim.

Hillier Gölü ve hal bakterileri

¹Polarized Reflected Light From The Exoplanet Hd189733b: First Multicolor Observations And Confirmation Of Detection
³Early evolution of purple retinal pigments on Earth and implications for exoplanet biosignatures
⁴Chlorophylls, Symmetry, Chirality, and Photosynthesis
⁵Life in extreme environments
⁶Marine Bacterial and Archaeal Ion-Pumping Rhodopsins: Genetic Diversity, Physiology, and Ecology