Judith Klatt yıllardır siyanobakteri adı verilen mikropları inceliyordu ve bazı meslektaşları ona bir fikirle geldiğinde başlangıçta şüpheciydi: Erken Dünya’da bir günün uzunluğu, bildiğimiz şekliyle yaşamın yükselişi için önemli olabilir miydi?
Gün uzunluğu, Dünya tarihi boyunca önemli ölçüde arttı. Üç milyar yıldan fazla bir süre önce, tüm günler sadece altı saat uzunluğunda olabilirdi. Ve yaklaşık 2,4 ila 2,2 milyar yıl önce, jeolojik kayıtlar atmosferdeki oksijen miktarının arttığını, karbondioksit hacminin ise azaldığını gösteriyor . Oksijendeki bu hızlı artış, genellikle bazıları güneş ışığından enerji emen ve oksijen üreten deniz siyanobakterilerinin çoğalmasına borçludur.
Gün uzunluğundaki değişiklikler ve atmosferik oksijenin yükselişi onlarca yıldır bilimsel olarak araştırıldı, ancak şimdiye kadar hiç kimse bunları bir arada ele almayı düşünmedi.
Almanya’daki Max Planck Deniz Mikrobiyolojisi Enstitüsü’nden bir mikrobiyolog olan Klatt ve onun Michigan Üniversitesi’ndeki işbirlikçileri, daha uzun günlerin eski siyanobakterilerin gelişmesine izin verip vermediğini araştırmaya koyuldular, bu da erken hayvanların patlamasına zemin hazırladı ve nihayetinde, bugün var olan yaşam formları.
Bu modeli araştırmak için ekip, Huron Gölü’nün dibindeki Orta Ada Düdeni adı verilen benzersiz bir ekosisteme yöneldi. Siyanobakteri açısından zengin düdendeki oksijen konsantrasyonu ölçümlerini ve laboratuvardaki deneyleri Dünya’nın dönüşünün bilgisayar modelleriyle eşleştirdiler.
Klatt düden için, “Oraya gitmek ve tüm Dünya’nın benzeyebileceği bu dünyayı görmek büyük bir ilham kaynağı oldu” diyor. “Gerçekten akıllara durgunluk veriyor.”
Sonuçlar gizemi tamamen çözmüyor. Ancak ekibin Nature Geosciences dergisinde bildirdiği gibi, veriler, gün uzunluğu ve biyolojinin Dünya’da ve ötesinde nasıl birlikte evrimleşmiş olabileceği konusunda heyecan verici olasılıklar sunuyor.
Araştırmada yer almayan Princeton gezegen bilimcisi Christopher Spalding, “Biyolojinin gece-gündüz döngüsünün 24 saat mi yoksa 12 saat mi olduğunu umursadığını gösterdiler” diyor . “Bu yüzden birinci dereceden bulguya daha fazla bakmaya değer olduğunu düşünüyorum.”
Bir ay dansında kilitli
Şu anki kabaca 24 saatlik günümüz, Dünya’nın dönüşünün 4,5 milyar yıl boyunca yavaşlamasının bir sonucudur ve bu değişikliğin çoğu gelgitlerle ilişkilendirilebilir.
Okyanusun yakınında bir gün geçirdiyseniz, muhtemelen gelgitlerin kıyı boyunca yükselip alçalmasını izlemişsinizdir. Bu görünüşte nazik hareket, Dünya, okyanusu ve Ay arasındaki muazzam bir enerji alışverişinden kaynaklanmaktadır. Ay, Dünya’nın yörüngesinde dönerken yerçekimsel olarak okyanusu çeker ve su geri çekilir. Okyanus bu çekişe gelgit şeklinde tepki verir ve bu da su ile altındaki kayalık deniz tabanı arasında sürtünmeye neden olur.
Bu sürtünme Dünya’nın dönme enerjisini tüketir, dönüşünü yavaşlatır ve günü uzatır. Bu süreç yüz milyonlarca yılda çok ama çok yavaş gerçekleşir, bu nedenle değişen gün uzunluğu kolayca gözlemleyebileceğimiz bir şey değildir ve derin jeolojik kayıtlarda bunu takip etmek zor olmuştur.
Spalding, “Dünyanın dönüş hızından yaklaşık 550 milyon yıl öncesine kadar oldukça eminiz… çünkü büyüme bantlarına sahip deniz kabuklarımız var ve büyüme bantlarından bir günün ne kadar uzun olduğunu söyleyebiliriz” diyor. “Ama sorunlar [bundan] daha erken gelir çünkü mercanlarımız veya deniz kabuklarımız yok.”
Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nde çalışmaya dahil olmayan bir gezegen bilimcisi olan Woodward Fischer, Dünya tarihinin derinlerinde “model bir dünyadayız” diyor . “Gün uzunluğunun sistematik bir geçmişi olduğunu biliyoruz ve [değişimin] hangi yönde olduğunu biliyoruz, ancak çok fazla ayrıntı bilmiyoruz.”
Dünya’nın dönüş hızı için pek çok model mevcut olsa da, 1980’lerin sonlarından beri kullanılan bir model, gün uzunluğunun yaklaşık 21 saatte sabitlendiği ve milyonlarca yıl boyunca nispeten değişmeden kaldığı yaklaşık 2,5 milyar yıl öncesine kadar günlerin aşamalı olarak uzadığını öne sürüyor.
O sıralarda, gelgitler, Dünya ve Ay, modelcilerin rezonans dediği şeye ulaşmış olabilirdi. Dünyanın dönüşünü etkileyen gerçekten iki dönme kuvveti vardır. Gelgitler gezegeni sürükleyerek yavaşlatır. Ancak güneş aynı zamanda gün içinde bir tarafı daha fazla ısıtarak okyanusların ve atmosferin genişlemesine neden olur ve bu da Dünya’yı dönme yolunda biraz ileri doğru çeker.
Gelgitler, bu iki karşıt güç birbirini yok edene kadar sistem rezonansa girene kadar bu çekişmeyi kazanıyordu. Ve o “sihirli” frekansa bir kez ulaştığında, dönme hızının bir süre daha değişmesi pek mümkün olmayacaktı.
Klatt ve ekibi bu modeli yeni çalışmalarının temeli olarak kullandılar. Şaşırtıcı bir şekilde, yankılanan 21 saatlik günün, jeolojik kayıtların atmosferdeki bir oksijen patlamasını yansıttığı zamanla hemen hemen aynı zamanda başladığını buldular. Klatt, “Oksijen modeli ile dönüş hızı arasındaki benzerliği görmek hoşuma gitti” diyor. “Çok heyecanlanmıştım.”
Siyanobakteriler günlerini güneşte geçiriyor
Siyanobakteriler bugün Dünya’nın sularında gelişmeye devam ediyor ve Middle Island Sinkhole’daki “mat” topluluklarda yaşayanlar, ekibe yapbozun başka bir parçasını sundu.
75 fit derinliğindeki düdendeki su, yüksek konsantrasyonlarda kükürt içerir ve fazla oksijen içermez. Bilim adamları, bu koşulların milyarlarca yıl önceki antik okyanusa benzeyebileceğini düşünüyor. Bu ortamı inceleyerek, Klatt’ın ekibi benzer antik ekosistemlerin nasıl davranmış olabileceğine dair yaklaşık bir fikir edinebilir.
Klatt, bu mikropların tehlikeli bir oksijen üretimi ve kaybı dengesi içinde uçlarda yaşadıklarını buldu.
“Mikrobiyal paspaslar sıfır toplamlı oyunlara çok yakın. Çok fazla oksijen üretiyorlar ama aynı zamanda çok fazla oksijen tüketiyorlar” diyor Fischer. “Gerçekten sadece kenarlarda çalışıyorlar… dışarı sızan bir miktar oksijenle. Bu gazetenin kabul ettiği şey bu.” O halde soru, siyanobakteriler tarafından yapılan oksijenin mikrobiyal örtüleri terk etmesi ve atmosferi zenginleştirmesi için ne gerekiyor?
Cevap, yüksek konsantrasyonlu noktalardaki oksijen gazının daha düşük konsantrasyonlu alanlara hareket etme eğiliminde olduğu, difüzyon adı verilen fiziksel bir mekanizmadır. Bu, bir şişe gazozu açtığınızda karbondioksit kabarcıklarının dışarı fırlaması gibidir.
Kısa günler siyanobakterilerin sürekli olarak açılıp kapanmasına neden olurken, daha uzun günler onların daha uzun süreler boyunca fotosentez yapmasına izin vererek, bir kısmı atmosfere atılana kadar etraflarında oksijen konsantrasyonları oluşturur. Gerçekten de Klatt’ın laboratuvar deneyleri, göl yatağı mikroplarının örneklerinin daha uzun süre gün ışığına maruz kaldıklarında atmosfere daha fazla oksijen kattıklarını gösterdi.
Klatt’ın kullandığı dönüş hızı modeli, günlerin 3,5 ila 2,25 milyar yıl önce istikrarlı bir şekilde uzadığını tahmin ediyor. Dünya, ay ve gelgitler günde 21 saatte rezonans durumuna ulaştıktan sonra, yaklaşık 550 milyon yıl öncesine, Dünya’nın dönüşü yeniden yavaşlamaya başlayana kadar orada sabitlendiler. Bu uzun, istikrarlı gün uzunluğuna yerleşmek, siyanobakterilerin adımlarını atmasına izin vermek, değişen gün uzunluğuna sürekli olarak uyum sağlamak yerine biyolojik süreçlerini 21 saatlik bir gün için optimize etmek için anahtar olabilirdi.
Dünyanın ötesindeki gün uzunluğu
Sonuçlar, erken Dünya ve ötesindeki çeşitli koşullara yönelik gelecekteki araştırmalar için yeni bir yola işaret ediyor.
Çalışmayı Klatt ile birlikte yazan Max Planck Enstitüsü’nde hesaplamalı bir biyoloji modelleyicisi olan Arjun Chennu, “Gün uzunluğu etkisi, Dünya’nın oksijenlenmesinin bu kalıcı gizeminin nasıl çözüleceği konusunda bir temel taşı olabilir” diyor.
“Diğer küresel jeokimyasal süreçlerin değişen gün uzunluğundan nasıl etkilenebileceğini düşünmek de yararlı olabilir.” Örneğin, gün uzunluğu ve oksijen seviyelerindeki değişiklikler, erken kıtalardaki küresel karbon döngüsünü ve hava durumunu etkilemiş olabilir.
Ve Georgia Institute of Technology’de bir jeobiyolog olan Devon Cole için, çalışmanın diğer gezegenlerdeki yaşamın evrimi için potansiyel etkileri var. Astrobiyologlar daha önce ötegezegenlerdeki dönüş hızını yaşam aramada bir faktör olarak görüyorlardı, ancak Klatt’ın çalışmasıyla artık gün uzunluğunun uzaylı biyosferlerini ve atmosferlerini nasıl etkileyebileceği konusunda daha net bir fikre sahipler.
Diğer yıldızların yörüngesinde bulunan binlerce gezegenden bazıları, bir tarafı sürekli gün ışığını, diğer tarafı daimi geceyi deneyimleyecek şekilde gelgit kilitlidir. “Böyle bir gezegende gerçekten tespit edebileceğimiz, atmosferi yeniden yapılandırma yeteneğine sahip bir biyosferiniz olabilir mi?” Cole soruyor. “Gerçekten yaşanabilir tek yerin kenardaki kalıcı ‘gün batımı’ çemberi olması mümkün.”
Oksijen ve yaşamın yükselişiyle ilgili bu soruları düşünmeye gelince, gün uzunluğunun “insanların hemen atlayacağı açık bir şey olmadığını, bu yüzden bence incelenmesi harika bir şey olduğunu düşünüyorum” diye ekliyor.
