Kartopu Dünya'nın demirini kim yaptı: buz altındaki ışıksız bakteri adayı
Antarktika'da Larsen C buz sahanlığının altından çıkarılan 236 santimetrelik çamur karotunda, güneş ışığı ve oksijen olmadan demiri çökelten yeni bir bakteri soyu bulundu.
Antarktika'nın Weddell Denizi'nde, yüzeyin 324 metre altında, Larsen C buz sahanlığının eskiden kapattığı bir koyun dibinden 236 santimetrelik bir çamur silindiri çıkarıldı. Karotu açtıklarında Koreli araştırmacıları şaşırtan şey içinde ne olduğu değil, ne olmadığıydı: deniz suyunun her yerini dolduran diyatom kabukları yoktu. Bunların yerine ince ince dizilmiş, demir yüklü kil katmanları vardı — kilometrelerce buzun altında, ışıksız ve oksijensiz bir karanlıkta on bin yılı aşan bir süre boyunca üst üste binmiş laminalar.
Yonsei Üniversitesi önderliğindeki ekip, 8 Ekim'de Microbiome dergisinde yayımlanan çalışmasında bu çamurun DNA'sını okudu ve içinden daha önce hiç adlandırılmamış bir bakteri çıkardı. Önemi şu: bu katmanlar, Dünya tarihinin en tartışmalı kaya türlerinden birinin — bantlı demir formasyonlarının — bugün yaşayan bir benzeri olabilir. Ve eğer öyleyse, o kayaları yapanın güneş ışığına hiç ihtiyacı olmamış olabilir.
Kartopu Dünya ne demek
Yerbilimciler, Dünya'nın tarihinde gezegenin yüzeyinin neredeyse tamamının buzla kaplandığı dönemler olduğunu düşünüyor. Bu senaryonun adı Kartopu Dünya. En şiddetli örnekleri, Uluslararası Stratigrafi Komisyonu'nun zaman ölçeğinde Kriyojenyen adı verilen döneme düşüyor: 720 ile 635 milyon yıl öncesi. Bu dönem içinde iki büyük buzullaşma ayrı ayrı adlandırılmış durumda — Sturtian ve Marinoan. Buzullar o sırada ekvator kuşağına kadar inmiş, okyanusun büyük bölümü yüzlerce metre kalınlıkta bir kapakla atmosferden kesilmiş olmalı.
Bantlı demir formasyonu neden bir bilmece
Bantlı demir formasyonu (kısaca BIF), milimetre ile santimetre arasında değişen kalınlıkta demir oksit katmanlarının demir açısından yoksul çört katmanlarıyla sırayla dizildiği bir çökel kayadır. Hematit ve manyetit bu katmanları gümüşi-siyah yapar; aradaki çört genelde kırmızıdır. Dünya'nın bilinen demir rezervlerinin yarısından çoğu bu kayalardadır; bugün çıkarılan demir cevherinin büyük kısmı da oradan gelir.
Bu kayaların garip yanı, tarih boyunca eşit dağılmamış olması. Yığılmanın büyük bölümü 2,8-2,5 milyar yıl öncesine, Geç Arkeen'e düşer; ikinci bir zirve yaklaşık 1,85 milyar yıl öncesindedir. Sonra iş neredeyse durur. Klasik açıklama oksijene dayanır: okyanuslarda çözünmüş halde bekleyen demir, siyanobakterilerin fotosentezle ürettiği oksijenle buluşunca paslanıp dibe iner. Atmosferde oksijenin kalıcı hale gelişi 2,41-2,35 milyar yıl öncesine tarihleniyor; BIF yığılmasının zirvesi de bu aralıkla örtüşüyor. Oksijen her yere yayıldıktan sonra okyanusta çökelecek çözünmüş demir kalmadığı için üretim bitiyor.
Bilmece burada başlıyor. Neoproterozoyik'te, yani Kartopu Dünya buzullaşmalarıyla aynı aralıkta, az sayıda ama gerçek BIF yeniden ortaya çıkıyor. Oysa gezegen buzla kaplıyken fotosentez için gereken ışık suya ulaşamıyordu. Phys.org'un haberinde aktarıldığı gibi, bu durum oksijen-fotosentez açıklaması için ciddi bir güçlük yaratıyor.
| Kriyojenyen dönem | 720-635 milyon yıl önce |
|---|---|
| Sturtian buzullaşması | yaklaşık 717-660 milyon yıl önce |
| Marinoan buzullaşması | yaklaşık 639-635 milyon yıl önce |
| BIF yığılmasının ana dönemi | 2,8-2,5 milyar yıl önce |
| İkinci BIF zirvesi | yaklaşık 1,85 milyar yıl önce |
| Atmosferde oksijenin kalıcılaşması | 2,41-2,35 milyar yıl önce |
Yukarıdaki tarihler çalışmanın kendi ölçümleri değil; dönem sınırları Uluslararası Stratigrafi Komisyonu'nun zaman ölçeğinden, BIF yığılma aralıkları ise bu kayalar üzerine yapılmış tarihleme derlemelerinden geliyor.
Karotun içinden çıkan aday
Ekibin incelediği karot, Weddell Denizi'nin kuzeybatısında, 66° 04' güney ve 60° 28' batı konumundan alındı. Radyokarbon tarihlemesi, kaydın yaklaşık 11.577 takvimlenmiş yıl öncesinden bugüne uzandığını gösterdi. Araştırmacılar karotun üst 181 santimetresinden 37 katman dizileyip derinliğe göre üç ayrı topluluk fazı ayırt etti: en üstte (0-41 cm) açık denize ait oksijenli bir topluluk, ortada (45-166 cm) buz sahanlığının altındaki oksijensiz dönem, en altta (170-181 cm) metan üreticilerinin baskın olduğu daha derin katmanlar.
Oksijensiz fazda ağ analizi tek bir soyu öne çıkardı. Nitrospirota filumuna ait, daha önce kültürlenememiş bu bakteriye çalışmada Candidatus Mariimomonas ferrooxydans adı verildi; yazarlar onu kendi başına yeni bir takıma yerleştirdi. Çamurdan derlenen 20 orta kalitede genomun üçü bu soya aitti.
Oksijen yerine nitrat, şeker yerine demir
Kritik bulgu bir gen: cyc2. Bu genin ürettiği Cyc2 proteini, hücrenin dış zarında oturan ve ortasında hem taşıyan bir kapı gibi çalışıyor. İşleyişi tersine çevrilmiş bir soluk alma gibi düşünülebilir. Biz oksijeni, şekerden kopardığımız elektronları teslim etmek için kullanırız. Bu bakteri ise yakıt olarak çözünmüş demiri (Fe²⁺) kullanıyor, elektronu teslim ettiği yer de oksijen değil nitrat. Demir elektronunu verince paslanmış biçime (Fe³⁺) geçiyor; paslı demir suda çözünmüş kalamadığı için tanecik halinde dibe iniyor. Yani bakteri karnını doyurdukça arkasında demir minerali bırakıyor.
Yazarlar bunu tahminde bırakmadı. Geni kodon optimizasyonundan geçirip laboratuvar bakterisi E. coli'ye taşıdılar, protein yaklaşık 49 kilodaltonda göründü, hem boyamasıyla doğru biçimde katlandığı doğrulandı. Sonra ferrozin yöntemiyle, 562 nanometrede renk değişimini ölçerek demir oksidasyonunu izlediler: Cyc2 taşıyan kültür, kontrol kültüründen belirgin biçimde hızlı oksitledi. Çamurun jeokimyası da aynı yöne işaret etti; oksijensiz katmanlarda illit kristalinitesi ve Fe/Ti oranı artıyor, bakterinin bollaştığı aralıkla örtüşüyor.
Ne kanıtlandı, ne kanıtlanmadı
Burada dikkatli olmak gerekiyor. Çalışma Kriyojenyen kayası incelemiyor; incelediği çökel Holosen'e, yani son on bir bin yıla ait. Yazarların iddiası bu çamurun Neoproterozoyik buzul dönemi BIF'leri için modern bir benzer olduğu — özellikle Sturtian buzullaşmasında görülen, buzdan düşmüş iri taşlar içermeyen laminalı dizilimle benzerlik kurulmuş durumda. Benzerlik güçlü ama kimlik değil.
İkinci sınır işlev kanıtında. Proteinin demiri oksitlediği, kendi bakterisinde değil E. coli içinde gösterildi; bakterinin kendisi hâlâ kültürlenemediği için adının önünde Candidatus duruyor. Topluluğun işlev profili de doğrudan ölçüm değil, PICRUSt2 ile yapılan bir öngörü; yazarlar sınıflandırılamayan ve kültürlenmemiş taksonların bu öngörüde belirsizlik yarattığını kendileri yazıyor. Üçüncüsü, BIF kökeni tartışmasında mikropsuz, tamamen kimyasal oksidasyon senaryoları ortadan kalkmış değil — çalışma mikrobiyal yolun mümkün olduğunu gösteriyor, tek yol olduğunu göstermiyor.
Çalışmanın baş yürütücüsü, Mikrobiyom Araştırma Enstitüsü direktörü Jihyun F. Kim bulguyu phys.org'a şöyle özetledi: "Bu, bir Antarktika buz sahanlığının altında Kartopu Dünya dönemi BIF'lerine benzer bir çökel katmanının bulunduğu ve ileri mikrobiyom analizi teknikleriyle kemolitotrofik demir oksitleyen bakterilerin demir yatağı oluşumuna katkıda bulunabileceğinin doğrulandığı ilk örnek." Yonsei'de araştırma profesörü olan ilk yazar Jaekyung Yoon ise yöntemi öne çıkardı: "On bin yılı aşan kayıtlar içeren Antarktika çökellerinden DNA analiz ederek o dönemin çevre koşullarını ve mikrobiyal ekosistemlerini yeniden kurduk."
Sırada ne var
Yazarların yazıya eklediği bir ayrıntı konuyu Dünya'nın dışına taşıyor: ışıksız ortamda demiri çökelten bir canlı mekanizması varsa, bu bakış açısının başka gök cisimlerindeki demir birikimlerini — özellikle erken Mars'ın demir oksit tozunu — yorumlamakta işe yarayabileceğini söylüyorlar. Makalede Europa gibi buzlu uydular için ayrı bir iddia kurulmuyor; o adımı kaynak atmıyor, biz de atmamalıyız.
Açık kalan sorular somut. Bu bakteri kültürlenebilir mi, kültürlenirse çökelttiği mineral gerçek BIF laminalarıyla aynı dokuyu veriyor mu? Kriyojenyen yaşlı kayalarda, Cyc2 benzeri bir işleyişin geride bırakabileceği bir imza aranabilir mi? İkincisi çok daha zor: 600 milyon yıl, bir proteinin izini silmek için fazlasıyla uzun bir süre.
Fotoğraf: Graeme Churchard from Bristol, UK, CC BY 2.0, Wikimedia Commons
