Bugün öğrendim ki: 2,4 milyar yıl önce, oksijen üreten bakterilerin evrimi kitlesel bir yok oluşa neden oldu. Oksijen, gezegendeki mevcut yaşam için zehirliydi ve metanla reaksiyonu, 300 milyon yıl süren "Kar Topu Dünya" buz çağına yol açtı.
Dünyamızda oksijenin varlığına o kadar alışkınız ki, bunu kanıksıyoruz. Ancak oksijen, Dünya’nın ömrünün neredeyse yarısı boyunca atmosferde yoktu. Dünya yaklaşık 4,5 milyar yıl önce oluştuğunda, çok farklı koşullara sahipti. O dönemde Dünya, günümüzün temel olarak azot ve oksijenden oluşan atmosferinin aksine; karbondioksit, metan ve su buharından oluşan indirgeyici bir atmosfere sahipti. Güneş ışığı atmosferdeki su buharını oksijen ve hidrojene ayırsa da, oksijen hızla metanla reaksiyona girerek yer kabuğuna hapsolmuş ve atmosferde neredeyse hiç iz bırakmamıştı. Sessiz, gizemli bir güç, atmosferin bileşimi tamamen değişene kadar istikrarlı bir şekilde oksijen salmak için çalıştı. Bu gizemli varlık bir mikroptu: Siyanobakteri.
Siyanobakteri ile Tanışın
Yaşamın kökenleri üzerine yaptığı araştırmalarla öncü olan ünlü biyokimyacı Leslie Orgel'e göre, gezegenimizdeki en erken yaşam başlangıcı yaklaşık 3,8 milyar yıl önce gerçekleşti. O dönemde oksijenin Dünya'da olmadığı öngörüldüğünden, canlı organizmalardaki metabolizma anaerobikti ve enerji üretmek için okyanusta bulunan minerallerin kullanımını içeriyordu. Ancak yaklaşık 2,7 milyar yıl önce, siyanobakteri olarak bilinen tuhaf bir mikrop grubu evrildi. 16S ve 23S rRNA'ya dayalı filogenetik analizler, genom rekonstrüksiyonları ve fosil kanıtları, bu erken dönem canlı organizmaların evrimsel özelliklerini anlamak için kullanılmıştır. Bu mikroplar, fotosentez yapma (yani güneş ışığından enerji üretme) gibi dikkate değer bir yeteneğe sahipti. Siyanobakteriler, suyu oksitleyerek bir yakıt kaynağı olarak kullanma mekanizmasına sahipti. Daha da önemlisi, fotosentezin yan ürünü oksijendi.
Küçücük siyanobakteriler nasıl bu denli büyük bir değişimin habercisi olabilirdi? Yaşamın tasarlayabileceği tüm biyokimyasal icatlar arasında, siyanobakterilerin suyu oksijen üretimi için yakıt olarak kullanma yeteneği en dahiyane olanlardan biri olmalıdır. Araştırmacılar, siyanobakteriler tarafından deniz suyuna salınan oksijen seviyelerinin zamanla kademeli olarak arttığını ve 200-300 milyon yıllık bir süre zarfında oksijenin, diğer elementlerle reaksiyona girmesinden veya mineraller tarafından tutulmasından daha hızlı üretildiğini varsaymaktadırlar. Siyanobakterilerin saldığı oksijen, okyanusun geniş alanlarında istikrarlı bir şekilde birikti ve suyu oksijen bakımından zenginleştirdi. Biriken oksijen yavaş yavaş atmosfere kaçmaya başladı ve burada metanla reaksiyona girdi. Daha fazla oksijen atmosfere çıktıkça metan nihayetinde yer değiştirdi ve oksijen atmosferin ana bileşenlerinden biri haline geldi. "Büyük Oksidasyon Olayı" olarak bilinen bu olay, 2,4 ile 2,1 milyar yıl önce bir tarihte gerçekleşti.
Dünya'nın Kimyasını Değiştirmek
Büyük Oksidasyon Olayı, evrimsel zaman çizelgesinde çığır açan bir andı ve sadece Dünya'nın iklimi üzerinde (dolaylı olarak) değil, aynı zamanda canlı organizmaların adaptasyonu ve evrimi üzerinde de birtakım ciddi sonuçlar doğurdu. Araştırmacılar, kütle modellemesi kullanarak ve redoks duyarlı geçiş metali izotoplarını içeren çalışmalar yürüterek, Dünya'nın erken atmosferindeki moleküllerin jeokimyasal ve izotopik imzalarını titizlikle tahmin ederek Büyük Oksidasyon Olayı'nın Dünya'nın iklimi üzerindeki etkisini varsaymışlardır.
Bu çalışmalar, oksijen seviyeleri yükselip metanın yerini aldıkça (metan bugün hala mevcuttur, ancak çok küçük miktarlarda) Dünya atmosferinin kimyasının önemli ölçüde değiştiğini göstermektedir. Ayrıca, atmosferde oksijen birikiminin Dünya'daki en erken buzul çağlarından birine yol açtığı varsayılmaktadır. Metan, güneşten gelen ısıyı hapsettiği ve gezegeni ısıttığı için bir sera gazıdır. Metan oksijenle yer değiştirdikçe, küresel sıcaklıklar kutuplardan tropik bölgelere kadar uzanan buz tabakaları oluşturacak kadar soğudu.
Oksijen ayrıca atmosferdeki ozon tabakasının oluşumundan da sorumluydu. Güneşten gelen UV radyasyonu, oksijen moleküllerini (O2) 2 oksijen atomuna ayırdı; bunlar daha sonra ozon (O3) oluşturmak için başka bir oksijen molekülü ile reaksiyona girdi. Ozon, zararlı UV radyasyonunun Dünya'ya ulaşmasını önlemek için doğal bir güneş kremi görevi görür.
Büyük Oksidasyon Olayı ve Aerobik Metabolizmanın Ortaya Çıkışı
Siyanobakterilerin evrildiği 2,7 milyar yıl önce yaşam tamamen anaerobik olduğundan, oksijenin bir zehir görevi gördüğü ve anaerobik yaşamın çoğunu yok ederek bir kitlesel yok oluş olayına yol açtığına inanılmaktadır. Somut fosil kanıtlarının eksikliği ve tür kaybını tahmin etmedeki zorluklar nedeniyle, hangi soyların yok olduğunu tahmin etmek araştırmacılar için zor bir görev olduğunu kanıtlamıştır. Ancak, evrimdeki bir sonraki büyük adım olan aerobik metabolizma için koşullar olgundu.
Yaşam, oksijenin solunumdaki zengin potansiyelinden yararlanarak zehirli oksijen ortamında hayatta kalmanın bir yolunu buldu. Oksijen yüksek bir redoks potansiyeline sahip olduğundan, besin parçalanmasından sonra enerji üretmek için ideal bir terminal elektron alıcısı olarak işlev gördü. Oksijen kısa sürede metabolik faaliyetler için vazgeçilmez hale geldi. Organizmalar ayrıca aerobik metabolizmadan kaynaklanan reaktif oksidatif türleri detoksifiye etmek için stratejiler geliştirdiler. Sıralama ve filogenetik analizler, ROS detoksifiye edici enzimlerin evrimini aerobik mikropların gelişinden önce bile tahmin etse de, Büyük Oksidasyon Olayı, süperoksit dismutaz ve katalaz gibi enzimlerin yönlendirilmiş evrimini şekillendirmek için katalizör görevi gördü. Oksijene yeterince uyum sağlayamayan organizmalar anaerobik ortamlarda kaldı.
Böylece siyanobakteriler tarafından salınan oksijen; Dünya'nın atmosferik bileşimindeki değişikliklerden, aerobik metabolizmanın yükselişinden ve nihayetinde çok hücreliliğin evriminden sorumlu olmuştur. Oksijen, Dünya'yı bugünkü haline getiren, onu erken dönemdeki Dünya'dan çok daha misafirperver ve güzel kılan birincil moleküldür. Bugünkü varlığımızı siyanobakterilere borçlu olduğumuzu söylemek kesinlikle abartı olmaz.