Fotosentez gezegende gerçekleşen en önemli biyolojik süreçlerden biridir. Dünya üzerindeki karbonun tamamına yakınını üretmesinin yanında, atmosferde oksijenin artmasına yol açarak gezegenin bugünkü halini almasında da önemli rol almıştır.
Organizmaların ilk defa ne zaman güneş enerjisini kullanmaya
başladığı araştırılmaya devam edilen bir konudur. Ancak birçok bilim insanı, fotosentezin yaşam ortaya çıktıktan kısa bir süre sonra ortaya çıktığını öne sürmektedir (3,5 milyar yıl kadar önce).
Günümüzde fotosentez yapan organizmaların çoğu oksijen ve elektron (hidrojen) kaynağı olarak suyu kullanırken, ilk defa güneş ışığını kullanan hücreler daha farklı kaynaklar kullanmış olmalılar. Bunun temel nedeni ilk atmosferin ve okyanusların oksijen bakımından çok fakir olmasıdır. Fotosentez, oksijensiz ve oksijenik olmak üzere temelde ikiye ayrılabilir. İlk fotosentez türü “oksijensiz fotosentezdi”. Bu yolu kullanan organizmalara mor ve yeşil kükürt bakterilerini örnek olarak verebiliriz. Elektron kaynağı olarak H2S ya da H2 kullanılırken, dışarıya oksijen verilmez. Atmosferin ve ozon tabakasının günümüz şeklini alması ise daha sonra gelişecek olan oksijenli fotosentezin evrilmesiyle mümkün oldu.
Mor ve yeşil kükürt bakterileri, ışık enerjisini sıradışı kullanma yollarıyla, fotosentezin ve hücresel enerji metabolizmasının evriminin anlaşılması açısından oldukça önemlidir. Oksijensiz ortamda fotosentez yapabilmeleri evrimsel açıdan özellikle önemlidir, çünkü ilk Dünya atmosferinde çok az miktarda oksijen bulunuyordu. Bu yüzden bilim insanları bu bakterilerin ilk fotosentetik organizmalar olduğunu öne sürmektedir. Genetik çalışmalarla da mor ve yeşil kükürt bakterilerinin ilk fotosentetik organizmalar olduğu desteklenmiştir. Çoğunlukla oksijenin az olduğu, ancak indirgenmiş kükürt bileşiklerinin yoğun bulunduğu sularda bulunan yeşil kükürt bakterisinin gen yapısı incelendiğinde de fotosentezle ilgili çok sayıda gen ortaya çıkarılmıştır.
Diğer yandan, “oksijenik fotosentez” ise elektron kaynağı olarak suyun kullanıldığı ve dışarıya oksijenin verildiği bir işlemdir. Siyanobakteriler, su yosunları (algler) ve bitkiler bu yolla enerji üretir.
Oksijen felaketi
Dünya’nın ilk atmosferinde oksijen miktarı çok azdı ve ilk organizmalar da oksijensiz ortamda yaşamaya alışmıştı. Ancak siyanobakterilerin atası, hidrojen (elektron) kaynağı olarak suyu kullanabilince, dışarıya canlılar için toksik olabilecek oksijeni de salmaya başladı.
Jeolojik kayıtlar bu dönüşümün en az 2,4 milyar yıl önce gerçekleştiğini gösterse de, çok daha önceleri de olabilir. Arkean Dönemi’nden kalan stromatolitler üzerinde 3,5 milyar yıllık siyanobakteri fosilleri bulunmuştu. Ancak oksijenli fotosenteze ne zaman geçildiği kesin bilinmiyor. Günümüzden 2,4 milyar yıl öncesinden itibaren 50-100 milyon yıl içerisinde atmosferdeki oksijen miktarında artış gerçekleşti. Benzer şekilde okyanuslardaki çözünmüş oksijen miktarı da artmaya başladı.
Oksijen miktarındaki bu artışa “oksijen felaketi” adı verilir. Bunun nedeni de, şimdi bizim için vazgeçilmez olan oksijenin, o dönemdeki canlılar için zehirli bir gaz oluşuydu. Oksijen çok iyi bir elektron tutucudur, bu yüzden canlılar için çok tehlikeli olabilir. Oksijenin yayılmasıyla birlikte organizmalar yaşamlarını devam ettirip ettirememe konusunda çok önemli bir testle karşı karşıya kaldı. Oksijeni kullanabilecekleri sistemleri geliştiren organizmalar yaşama devam ederken, birçok bakteri kısa sürede yok oldu.
İlk başlarda ortama salınan oksijen, denizlerde yüksek miktarda bulunan demiri oksitliyor ve çöküyordu. Deniz yataklarında bulunan çökmüş demir tabakaları bu sürecin kanıtlarıdır. Bu dönemde Dünya paslanıyordu denilebilir. Ancak belirli bir zaman sonra oksijen arttıkça, atmosferde ve sularda demirin tutabileceğinden daha fazla oksijen birikmiş oldu. Artık canlılar için tehlike başlıyordu. Çoğu organizma kısa sürede yok oldu, bir kısım organizma oksijensiz ortamda yaşamaya devam etti, bir kısım organizma ise bağımsız olarak oksijenli solunumu gerçekleştirmeye başladı.
Oksijenli solunuma geçiş
Hücresel solunumun ilk hali büyük ihtimalle fermentasyondu. Glikoliz her hücrede meydana gelen temel bir yöntem olsa da, daha basit bir şekli ilk başlarda ortaya çıkmış ve zamanla da gelişmiş olmalı. İlk hücreler büyük ihtimalle organik moleküllerden enerji elde etmeye başlamadan önce, inorganik moleküllerden enerji elde ediyorlardı.
Oksijenli solunum ise çok daha yeni bir gelişme olmalı. İlk atmosferde oksijen bulunmadığından, ilk başta fotosentez gelişerek atmosfere oksijen salınmış ve devamında da oksijenli solunumun gelişmiş olması mantıklı görünüyor. Mor bakteri, elektron taşıma sistemlerinde değişiklik yaparak oksijeni kullanmayı öğrenmiş ve böylece ökaryotların aerobik (oksijeni kullanan) olmalarının da yolunu açmış olmalı. Ökaryotlarda bulunan mitokondri organeli solunumun gerçekleştiği yer halini alırken, sonraki nesillerden bazıları bağımsız olarak kloroplastı yapılarına kattıklarında, ökaryotik bitkilerin de yolu açılmış oldu. Oksijenli solunumun sağladığı en önemli avantaj, elde edilen enerji miktarının oksijensiz solunuma oranla çok daha fazla olmasıdır.
Tekhücreli yaşam formlarından devasa ve hareketli canlılara geçiş, oksijenli solunumla sağlanan enerjiyle mümkün oldu.
Kaynak: Deniz Şahin, 50 Soruda Yaşamın Tarihi, Bilim ve Gelecek Kitaplığı, Mart 2011, s. 164-167
