Küçük Şeyler Çok Önemlidir: Siyanobakteriler
İnsanlar bakteri dendiğinde genellikle mikropları, yani insan sağlığını tehdit eden hastalık yapıcı etkenleri düşünürler. Oysa gerçekte, Dünya’daki yaşamı mümkün kılan onlardır.
Bir bakteri grubu olan siyanobakteriler, uzun tarihleri boyunca Dünya’nın çehresini bütünüyle dönüştürmüşlerdir. Üç milyar yıl önce siyanobakterilerin ataları, fotosentezlerinin yan ürünü olan oksijeni Dünya’nın eski atmosferine salarak gezegenin kimyasını değiştirdi ve oksijen soluyan tamamen yeni yaşam biçimlerinin ortaya çıkmalarının önünü açtı. Siyanobakteriler olmasaydı, insanlar da dâhil olmak üzere çevremizde gördüğümüz yaşam var olamazdı.
1970’ten önce siyanobakterilerin tatlı su ve karasal yaşam alanlarında yaygın olarak bulunduğu biliniyordu ancak modern okyanuslarda nispeten önemsiz oldukları düşünülüyordu. Bu algı, Woods Hole Oşinografi Enstitüsü ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’ndeki bilim insanlarının fotosentez yapan pikoplanktonu keşfetmesiyle 1970’lerin sonlarında ve 1980’lerde büyük ölçüde değişti.
Yeni keşfedilen bu siyanobakteri grubunun küçük üyeleri olan Synechococcus ve Prochlorococcus’un bugün gezegendeki en çok bulunan organizmalar olduğu ortaya çıktı. Bunlar okyanusun besin zincirinin temelinde yer alıyor; havayı, ışığı ve suyu diğer canlılar için besine dönüştürüyorlar. Günümüzde, yeni biyoteknolojik tekniklerden yararlanarak bunların genlerini inceliyor ve bu olağanüstü organizmaların sırlarını açığa çıkarıyoruz.
Beklenmedik Bir Parıltı
1977 yılında, Arap Denizi’nde Atlantis II gemisinde WHOI (Woods Hole Oceanographic Institution) mikrobiyoloğu Stanley Watson ile birlikte bakteri bolluğunu ve biyokütlesini ölçüyordum. Epifloresans mikroskopisi kullanan yeni bir teknikten yararlanıyorduk: bu teknikle floresan boyaların nükleik asitleri spesifik olarak işaretlemesi sağlanıyor ve mavi ışıkla uyarıldıklarında bakteri hücrelerinin yeşil renkte floresan ışığı yaymaları sağlanıyordu.
Ancak, büyük bir şaşkınlıkla gördük ki, bazı örnekler, herhangi bir boya eklenmeden önce, parlak turuncu renkte ışıldayan hücreler içeriyordu. Bu renk, birçok siyanobakteride ışığı yakalayan temel pigment olan fikoeritrinin yaydığı doğal floresan ışığından kaynaklanıyordu. Synechococcus ile ilk kez böyle tanıştık.
Bu yeni siyanobakteriyi incelemek amacıyla, söz konusu seferimizde doktora çalışmalarım sırasında geliştirdiğim besiyerleri (besi/kültür ortamı) kullanarak onu kültüre almaya çalıştık. Ancak hücreler 24 saat içinde öldü. Synechococcus’un başarıyla izole edilip laboratuvarda yetiştirilebileceği bir besiyeri geliştirmemiz neredeyse bir yıl sürdü.
Deniz suyu örneklerinde bulduğumuz etkileyici sayılarına bakarak Synechococcus’un önemli bir şey olduğunu hemen anladık. 1977’den bu yana, mevsim ve besin maddelerine bağlı olarak, su sıcaklığının 5°C’nin (41°F) üzerinde olduğu dünya okyanuslarının her yerinde; mililitrede (yaklaşık bir çay kaşığının beşte biri) birkaç hücreden 500.000’den fazla hücreye kadar değişen yoğunluklarda bulunmakta olduklarını gördük. Bu olağanüstü bolluk, onları mikroskobik protozoalar için bir besin kaynağı hâline getiriyor. Bu protozoalar, balıklar ve memelilerle son bulan besin zincirinde bir sonraki halkayı oluşturuyor.
Yaşam döngüleri
Bakteriler, yaşam için temel öneme sahip elementleri özellikle karbon ve azotu bünyelerine alır ve bunları, bakterilerle beslenen daha gelişmiş organizmaların büyüme amacıyla kullandığı moleküllere dahil ederler. Bakteriler ayrıca bu dönüşümü tersine çevirip elementleri çevreye geri kazandırarak, besin döngüleri olarak bilinen reaksiyon dizilerini tamamlayabilirler. Bu elementlerin sürekli döngü hâlinde hareket etmesi olmadan, biyokimyasal yaşam süreçlerinin tümü çıkmaz bir yola girerdi.
Siyanobakteriler, okyanustaki iki temel besin döngüsü açısından hayati öneme sahiplerdir. Karbon döngüsünde, fotosentez yoluyla havadaki karbonu besin zincirinin tabanında yer alan organik maddeye “bağlar” ve aynı anda oksijen açığa çıkarırlar. Bunların birçoğu, havadaki azotu dönüştürüp hücresel bileşiklere dahil eden azot bağlanması/fiksasyonu gibi süreçleri de kapsayan karmaşık bir dizi reaksiyon ve dönüşümden oluşan azot döngüsünde de önemli bir yere sahiptir. Buradaki temel nokta, siyanobakterilerin hücreleri için azot kaynağı olarak moleküler azotu (N2 veya diazot) kullanabilme yeteneğidir.
Siyanobakteriler; açık okyanuslarda, el değmemiş veya kirlenmiş göl ve akarsularda, topraklarda, sıcak ve soğuk çöllerde, kaplıcalarda, tuzlu su havuzlarında ve tuz göletlerinde ışık ve nem bulunan her yerde yaşarlar. Algler ve bitkilerle simbiyotik ilişkiler kurduklarında, üzerinde yaşayabilecekleri bir alan karşılığında ev sahiplerine azot sağlarlar.
Birçok durumda siyanobakteriler çıplak gözle görülebilirler. Okyanusların kıyı sularında siyanobakteriler, gelgit havuzlarındaki kayaları ve yumuşakça kabuklarını kaplayan koyu mavi-yeşil örtüler oluştururlar. Kireçtaşından oluşan kıyıların üst kesimlerinde ise kayaları aşındıran siyah kabuklar meydana getirirler.
Dünyanın dört bir yanındaki tuzlu bataklıklarda çeşitli siyanobakteri türleri, yoğun ve katmanlı örtüler oluşturarak tortulların birbirine bağlanmasında önemli bir ekolojik rol oynarlar. Tropik bölgelerde, stromatolit adı verilen bu tabakalar oldukça kalınlaşır; bunların içindeki siyanobakteriler, 3 milyar yıllık fosil stromatolitlerdeki siyanobakterilerden neredeyse ayırt edilemez durumdadır. Bu, Dünya henüz gençken siyanobakterilerin denizlerde yaşadığının kanıtıdır.
Atmosfere oksijen nasıl girdi?
Üç milyar yıl önce Dünya’nın atmosferinde çok az oksijen bulunuyordu. Ancak, oksijensiz erken dönem okyanuslarında gelişip çoğalan siyanobakterilerin ataları, su moleküllerini parçalayarak hücresel enerji üretmek ve bu süreçte oksijen açığa çıkarmak amacıyla ışığı kullanan biyokimyasal bir fotosentez mekanizması geliştirdiler.
Bunlar, bir milyar yıl boyunca denizde büyüyüp çoğalarak atmosferdeki oksijen düzeyini yavaş yavaş, oksijen soluyan yaşamı destekleyen yüzde 20’lik düzeye yükselttiler. Doğrudan veya dolaylı olarak havamızdaki tüm oksijeni yalnızca siyanobakterilere borçluyuz.
Her durumda, tek hücreli alglerden ağaçlara kadar en aşina olduğumuz yeşil bitkiler, fotosentez yeteneklerini hücreleri içinde bulunan ve siyanobakterilere büyük ölçüde benzeyen, klorofil içeren küçük yapılar olan kloroplastlara borçludur. Aslında çoğu mikrobiyolog, kloroplastların siyanobakterilerden geldiğine ya da daha doğrusu, siyanobakteri atalarının daha büyük hücrelerin içine girip orada simbiyotik bir yaşam sürerek bu hücreleri fotosentez yapabilir hale getirdiğine ve böylece bitkileri oluşturduğuna inanmaktadır.
Kadim bir süreç
Hem bitkiler hem de siyanobakteriler, hücre karbonunu sentezlemek için havadaki karbondioksiti kullanır. Ancak yalnızca bakteriler, hücrelerindeki tek azot kaynağı olarak diazotu (moleküler azotu) bağlayabilir. Mikrobiyologlar, gerekli enzim olan nitrojenazın oksijen tarafından etkisiz hale getirilmesi nedeniyle, bu kadim sürecin Dünya atmosferinin henüz oksijensiz olduğu çok erken bir dönemde evrildiğine inanmaktadır.
Siyanobakteriler, oksijen üreten fotosentez ile moleküler azot bağlanması gibi birbirine zıt iki fizyolojik sürecin aynı organizmada bir arada gerçekleşmesini sağlayan mekanizmalara sahiptir. Bazılarında bu iki süreç zamansal olarak birbirinden ayrılır: fotosentez gün ışığında, moleküler azot bağlanması ise gece gerçekleşir. Daha karmaşık türlerde ise bu iki süreç mekânsal olarak da ayrılır; moleküler azot bağlanması yalnızca filamentler içindeki özelleşmiş hücrelerde (heterosistlerde) meydana gelir.
İpliksi bir siyanobakteri olan Trichodesmium, diğer deniz mikroorganizmalarının gelişimi için gerekli olan azot gibi besin maddelerinin normalde kıt olacağı okyanus ortasındaki geniş akıntı döngüleri (okyanus girdapları) bölgelerinde azotu yenileyerek önemli bir ekolojik rol oynamaktadır. Sakin havalarda, suyun üzerinde kalabilen kırmızı renkli kolonileri yüzeye çıkarak binlerce kilometrekarelik bir alanı kaplayabilen devasa çoğalmalara yol açıyor. Kızıldeniz adını bu çoğalmalardan almıştır.
Kültür versiyonlarını yetiştirmede çığır açan gelişmeler
Trichodesmium, denizde toplandığında hızla parçalanıyor ve laboratuvar ortamında kültüre alınması son derece zor olmasıyla biliniyor. 1990 yılında, WHOI’deki (Woods Hole Oceanographic Institution) laboratuvarım, çok sıkı temizlik önlemleri uygulayarak kültür işlemini rutin ve güvenilir hale getiren koşulları oluşturdu. Meğer bu siyanobakterilerin ihtiyaç duyduğu bir şeyi eklemeyi başaramadığımız için değil, kimyasallarımızda ve cam malzemelerimizin üzerinde bulunan eser miktardaki kirleticilerle onları farkında olmadan zehirlediğimiz için başarısız oluyormuşuz.
Artık Trichodesmiumun beş türünden dördünü laboratuvarda yetiştirebiliyor ve bunları incelemek için moleküler genetik yöntemler kullanabiliyoruz. (Bkz. Okyanusun Derinliklerinde Zamanın Derinlikleri.) ABD Enerji Bakanlığı’na bağlı Ortak Genom Enstitüsü ile iş birliği içinde, bir Trichodesmium türünün tüm genomunun dizilimini gerçekleştirdik. Bu gelişmeler, WHOI’deki ve başka yerlerdeki bilim insanlarına Trichodesmiumun başarısının ardındaki genetik nedenleri ortaya çıkarma olanağı sağlıyor.
Synechococcus’u da kültür ortamında yetiştirebiliyoruz; bilim insanları moleküler yöntemler kullanarak, her biri kabaca bir türe denk gelen 12 farklı deniz Synechococcus’u grubu (veya klad) tespit etmiştir. ABD Enerji Bakanlığı’nın Ortak Genom Enstitüsü’ndeki bilim insanları bir türün genomunu şimdiden dizdi; diğer türler de yakında bunu izleyecek.
Bilim insanları, Synechococcusun okyanusta özellikle de besin zincirindeki rolünü daha iyi anlamak amacıyla, bu organizmanın büyümesini ve dağılımını kontrol eden faktörleri inceliyor. Diğer araştırmacılar ise Synechococcusun, çeşitlilik gösteren ve bol miktarda bulunan bir siyanofaj grubuyla nasıl bir arada var olduğunu araştırıyor.
Mikrobiyal kütüphaneler
Synechococcus’u incelerken bile bizi yeni sürprizler bekliyordu. 1985 yılında WHOI’den Robert Olson ve MIT’den Sallie Chisholm, Kuzey Atlantik Okyanusu’nun merkezindeki Sargasso Denizi’nde, daha da küçük fotosentez yapan ikinci bir pikoplankton grubunu keşfetti. Olson, bakteriyel hücrelerin yaydıkları floresan ışığını kullanarak sayabilen bir cihazı, Akış Sitometresini, ilk kez denizde kullandı. Bu cihaz, Prochlorococcus adı verilen ve boyutları 0,7 ila 1,0 mikrometre arasında değişen siyanobakterilerin keşfedilmesini sağladı.
Bu siyanobakterilerin laboratuvarda da yetiştirilebilmesi büyük bir şans. MIT’deki bilim insanları, çeşitli yerlerden toplanan Prochlorococcus suşlarından (hücre dizilerinden) oluşan bir koleksiyon oluşturdu. WHOI ise Synechococcus, Trichodesmium ve yakın zamanda keşfedilen başka bir siyanobakteri olan Crocosphaera’ya ait koleksiyonları muhafaza ediyor. Hücreler için bir tür ödünç verme kütüphanesi işlevi gören bu iki merkez, dünyanın dört bir yanındaki mikrobiyologlara araştırmalarında kullanmaları için kültürler sağlıyor.
Denizde Prochlorococcus ölçümleri yapan oşinograflar, bu organizmanın okyanusların merkezindeki girdaplarda şaşırtıcı derecede bol bulunduğunu ve bir mililitre deniz suyunda 100.000 hücreyi aşan yoğunluklara ulaşabildiğini keşfetti. Bu organizma, söz konusu sulardaki toplam fotosentetik üretimin yarısını oluşturuyor olabilir. Okyanusların yüzey alanı ile Synechococcus ve Prochlorococcus’un bolluğu ve dağılımı temel alınarak yapılan kabaca hesaplamalar, bunların Dünya gezegenindeki en bol bulunan iki organizma olduğunu düşündürüyor.
Siyanobakteriler şaşırtmaya devam ediyor
Siyanobakterilerle ilgili keşifler sürüyor. Yakın zamanda, tropikal Atlantik ve Pasifik okyanuslarından, moleküler azot bağlayan yeni bir siyanobakteri cinsi olan Crocosphaera’yı izole ettik. Şaşırtıcı bir şekilde, normalde okyanusun geniş alanlarında bulunabilecek bu 2 ila 4 mikrometre büyüklüğündeki hücreler, fizyolojilerindeki sıra dışı bir özellik nedeniyle tropik bölgelerle sınırlı kalıyor: 24°C’nin (75°F) altındaki sıcaklıklarda büyüyemiyorlar!
Bilim insanları ayrıca, bazı diyatomlar da dâhil olmak üzere tek hücreli deniz bitkilerinin içinde yaşayan ve moleküler azot bağlanması için özelleşmiş hücrelere sahip siyanobakteriler olan Richelia’yı da keşfetti. (Bkz. Okyanusun Görünmez Bolluğunu Ortaya Çıkarmak.) Richelia onlar için azot bağlanması gerçekleştirdiğinde, diyatomlar geniş alanlara yayılan yoğun çoğalmalar meydana getiriyorlar. Fitoplanktonlar ile moleküler azot bağlanması gerçekleştiren siyanobakteriler arasındaki bu tür simbiyotik ilişkilerin laboratuvar ortamında başarılı bir şekilde kültüre alınabilmesi bunların, okyanusların karbon ve azot döngülerinde önemli bir rol oynadıklarını ortaya çıkarabilir.
Açıkça görülüyor ki Dünya’daki yaşam açısından son derece merkezi bir öneme sahip olmuş siyanobakteriler, bilim insanları dünya okyanuslarını keşfederek onlar hakkında daha fazla bilgi edindikçe pek çok yeni sürpriz sunmaya devam edecekler.
Ele veren floresan
Klorofiller ve fikobiliproteinler gibi fotosentetik pigmentler de dahil olmak üzere birçok biyolojik bileşik, ışıkla uyarıldıklarında doğal olarak floresan ışığı yayarlar. Yayılan bu doğal floresan ışığı, deniz fotosentetik pikoplanktonlarının keşfinde kilit bir rol oynamıştır.
1977 yılında, bakteriyel nükleik asitleri boyayan floresan boyaların yardımıyla deniz suyundaki bakterileri saymak için epifloresans ışık mikroskopisi kullanıyorduk. Synechococcus, tamamen tesadüfen boyanmamış örnekleri incelediğimizde keşfedildi. Çok sayıda küçük hücrenin parlak turuncu renkte floresan ışığı yaydığını hemen fark ettik. Bu parlak turuncu renk, siyanobakterilerde bol miktarda bulunan fikobiliproteinlerden biri olan fikoeritrinin yaydığı doğal floresan ışığından kaynaklanıyor.
1985 yılında WHOI bilim insanı Rob Olson, yeni bir cihaz olan Akış Sitometresini denizde kullanan ilk kişi oldu. Bu cihaz, tek tek hücreleri incelemek için yayılan floresan ışığından yararlanıyor. Olson ve MIT’den Sallie Chisholm, bu cihazla, klorofillerinin yaydıkları doğal floresan ışıklarıyla birlikte çok küçük hücreleri tespit etti. Bu benzersiz “imza”, Dünya’da en fazla bulunan organizmalar arasında yer aldığı ortaya çıkan Prochlorococcus’un keşfedilmesini sağladı.
İlgilenenler için:
https://kritikbakis.com/gezegenimiz-oksijenini-nasil-elde-etti/
https://kritikbakis.com/sitrat-olum-sarmali/
https://kritikbakis.com/michael-behe-ile-evrim-ve-akilli-tasarim-uzerine-roportaj/
https://kritikbakis.com/el-cahiz-evrim-teorisinin-babasi/
https://kritikbakis.com/musluman-alimler-dokuzuncu-yuzyilda-evrimi-kesfetti-mi/
https://kritikbakis.com/beyninizin-evrimi-emiliano-bruner-ile-roportaj/
https://kritikbakis.com/insana-donusmek-icin-kat-edilen-milyonlarca-yillik-yol-sizce-olduk-mu/
Dr. John B. Waterbury, emekli bir bilim insanı ve Falmouth Sağlık Kurulu üyesidir.
Kaynak: https://www.whoi.edu/oceanus/feature/little-things-matter-a-lot/
Tercüme: Ali Karakuş