“Muhtemelen 49 milyon yıldır hiç dokunulmamışlar”: Uzaylı yaşam arayışımızı genişleten New Mexico mağarası
Mağara biyoloğu Hazel Barton zifiri karanlığa adım attığında, bulmayı beklediği son şey ışıktan enerji elde eden canlılardı. Karanlıkta gerçekleşen fotosentezle ilgili bu yeni anlayışın, evrenin başka yerlerinde, hiç mümkün olduğunu düşünmediğimiz yerlerde yaşamın var olabileceği anlamına geldiğini fark etti.
“Duvar parlak yeşildi. Gördüğünüz en parlak yeşil renkteydi, ancak mikroplar tam karanlıkta yaşıyordu,” diyor Alabama Üniversitesi jeoloji bilimleri profesörü Barton.
New Mexico'nun güneyindeki Chihuahuan Çölü'nün derin kayalık kanyonlarının altında, 119 mağaradan oluşan bir ağ yatıyor. Carlsbad Caverns Ulusal Parkı'nın bir parçası olan bu mağaralar, sülfürik asidin kireçtaşı kayaları eritmesi sonucu 4 ila 11 milyon yıl önce oluşmuştur.
Parkın en önemli cazibe merkezi, sergi mağarası olan Carlsbad Cavern'dir. Burada, parıldayan sarkıtlar, yaklaşık 4.000 fit (1.220 m) uzunluğunda ve 625 fit (191 m) genişliğinde devasa bir yeraltı odası olan Big Room'un tavanına tutunmuş durumda.
Uppsala Üniversitesi'nde mikrobiyal biyolog olan Lars Behrendt, “Carlsbad Mağarası'na ulaşım çok kolaydır. Turistlerin ziyaret edebileceği, merdivenleri ve basamakları olan çok büyük bir kireçtaşı mağaradır ve herkes aşağı inebilir” diyor. Mağara sisteminin bazı kısımlarının tekerlekli sandalyeyle bile erişilebilir olduğunu ekliyor.
Her yıl yaklaşık 350.000 kişi Carlsbad Mağarası’nı ziyaret ediyor, ancak çoğu kişi bu mağaranın son on yılın en şaşırtıcı bilimsel keşiflerinden birine sahne olduğunu hiç bilmiyor. Görünüşte zifiri karanlıkta, mikroplar enerji için ışığı kullanabiliyordu – galaksimizdeki en yaygın yıldız türü olan kırmızı cüce yıldızların yaydığı ışıkla aynı türden bir ışık. Barton, bunun, daha önce düşünülenden daha fazla yerde dünya dışı yaşam arayabileceğimiz anlamına geldiğini söylüyor.
2018'de Behrendt doktora tezini yeni bitirmişti. Ayrıca kendisine bir miktar para ödülü kazandıran bir akademik ödül de kazanmıştı. Barton ile iletişime geçerek ona bir keşif gezisine eşlik edip etmeyeceğini sordu. Şans eseri, Barton kabul etti.
“Carlsbad Mağarası'nda yaptığınız ilk şey, turistik patikadan aşağı inmek ve sonra bir köşeyi dönmektir,” diyor Barton. “O yolu kaç kez yürüdüğümü bilmiyorum, muhtemelen 40 kez. O noktada köşeyi dönüyorsunuz ve arkanızda tamamen karanlık bir oyuk var.”
Barton, 20 yılı aşkın bir süredir yeraltının derinliklerinde bulunan mikroskobik yaşamı inceliyor. Ancak sonra olanlar, kendisi için bile bir sürpriz oldu.
Behrendt duvara bir el feneri tuttu. Girinti zifiri karanlık olmasına rağmen, ışık duvara yapışmış yeşil mikroplardan oluşan bir tabakayı ortaya çıkardı. Daha sonra yapılan testler, bunların siyanobakteriler olduğunu ortaya çıkardı; bakterilerle akraba olan tek hücreli organizmalar. Ancak çoğu bakteriden farklı olarak, siyanobakteriler (mavi-yeşil algler olarak da bilinir) besin üretmek için Güneş'ten gelen ışığı kullanır.
“Mağaranın derinliklerine doğru ilerlemeye başladık,” diyor Barton. “Sonunda, el fenerleri olmadan hiçbir şey göremeyeceğimiz bir noktaya geldik. Yüzümüzün önündeki elimizi görebilmek için kafa lambası kullanmak zorunda kaldık; ama yine de duvarlarda yeşil pigmentler görünüyordu.”
Bitkiler, ışık enerjisini emen klorofil adlı bir kimyasal madde sayesinde yeşildir. Fotosentezde bu enerji, karbondioksit ve suyu glikoz ve oksijene dönüştürmek için kullanılır. Bu süreç, siyanobakterilerde de hemen hemen aynıdır. Ancak burada, mağarada güneş ışığı yoktu.
Peki neler oluyordu?
Görünüşe göre mağaradaki siyanobakteriler, yakın kızılötesi ışığı yakalayabilen özel bir klorofil türüne sahip. Bu ışığın dalga boyu görünür ışıktan daha uzun ve elektromanyetik spektrumda kızılötesi ışığın hemen öncesinde yer alıyor. İnsan gözüyle görülemiyor.
Bitkiler ve siyanobakteriler fotosentez için klorofil a'yı kullanırken, Carlsbad mağaralarındaki siyanobakteriler, yakın kızılötesi ışıktan enerji üretebilen klorofil d ve f'yi kullanır.
Görünür ışık mağaraların içine sadece birkaç yüz metre girebiliyor olsa da, yakın kızılötesi ışık kireçtaşı kayaların yansıtıcı yapısı sayesinde çok daha uzağa ulaşabilir. Barton, “Mağaranın yapıldığı kireçtaşı kayası neredeyse tüm görünür ışığı emer, ancak yakın kızılötesi ışık açısından mağaralar adeta bir ayna salonu gibidir,” diyor.
Nitekim, araştırmacılar mağaranın en karanlık olan arka kısmındaki ışığı ölçtüklerinde, yakın kızılötesi ışık seviyelerinin girişe göre 695 kat daha yoğun olduğunu tespit ettiler. Aynı zamanda, klorofil d ve f içeren siyanobakteriler mağaranın her yerinde mevcut olsa da, özellikle en karanlık ve en derin yerlerde yoğunlaşmışlardı.
Araştırmacılar ayrıca Carlsbad Caverns Ulusal Parkı'ndaki diğer mağaralara da yürüyüş yaptılar ve insan elinin değmediği diğer mağara ve oyukları incelediler. Her durumda, yeraltının derinliklerinde fotosentez yapan mikroplar buldular.
Behrendt, “Sadece orada yaşadıklarını değil, aynı zamanda muhtemelen 49 milyon yıldır hiç dokunulmamış, tamamen korunaklı bir ortamda fotosentez yaptıklarını da gösterdik” diyor.
Karanlıkta yaşayabilen mikropları keşfeden bilim insanları sadece Barton ve Behrendt değil.
1890 yılında, öncü Ukraynalı-Rus mikrobiyolog Sergei Nikolaevich Vinogradskii, bazı mikropların “kemosentez” adı verilen bir süreçle yalnızca inorganik maddelerle beslenerek yaşayabildiğini keşfetti. Bu mikroplar, çevredeki kayalardan ve sudan metan veya hidrojen sülfür gibi kimyasalları alarak kimyasal reaksiyonlar yoluyla enerji elde ederler.
1996 yılında, o dönemde NASA'nın doktora sonrası programında öğrenci olan Hideaki Miyashita, hem görünür hem de yakın kızılötesi ışığı kullanarak fotosentez yapabilen Acaryochloris marina adlı bir deniz siyanobakterisi keşfetti. Bu keşif, fotosentez için gerekli ışık dalga boyları üzerine on yıllarca sürecek araştırmaların başlangıcı oldu.
Ardından, 2018'de Imperial College London'daki bilim insanları, Yellowstone Ulusal Parkı'ndaki bakteri tabakalarında ve Avustralya'daki bazı sahil kayalarının içinde gölgeli koşullarda yaşayan fotosentez yapan siyanobakteriler buldu. Hatta kızılötesi LED'lerle donatılmış karanlık bir dolapta fotosentez yapan mikropları yetiştirmeyi bile başardılar. Her durumda, siyanobakteriler görünür ışık kullanarak fotosentez yapmak için klorofil a'yı kullandılar, ancak daha sonra insan gözünün algılayamadığı yakın kızılötesi ışık kullanarak fotosentez yapmak için klorofil f'ye geçtiler.
Bu bulgular, diğer gezegenlerdeki yaşamın nasıl olabileceği konusunda önemli çıkarımlar sunuyor. Yaşam barındırabilecek bir ötegezegen – başka bir güneş sistemindeki bir yıldızın yörüngesinde dönen bir gezegen – ararken, gezegenin yörüngesindeki yıldızın türünü dikkate almak önemlidir. Astronomlar, yıldızları ürettikleri ışığın rengine göre gruplandırmaya çalışmış ve en sıcak olandan en soğuğa doğru azalan sıcaklık sırasına göre düzenlenmiş yedi yıldız sınıfı (O, B, A, F, G, K ve M) oluşturmuştur. O ve B tipi yıldızlar, evrendeki en sıcak, en kütleli ve en parlak yıldızlardır. Mavi-beyaz renkleriyle tanınırlar.
“Çok fazla UV radyasyonu üretirler, bu yüzden yaşam için zehirlidirler,” diyor Barton.
Güneşimizi de içeren G tipi yıldızlar sarı renktedir ve görünür spektrumda çok fazla ışık üretir. Bu yıldızlar teorik olarak yaşanabilir dünyalar aramak için iyi yerler olabilir, ancak G tipi yıldızlar evrendeki tahmini bir milyar trilyon yıldızın sadece %8'ini oluşturur.
Bununla birlikte, galaksimizde görülen en bol yıldız türü, kırmızı cüceler veya M tipi yıldızlardır. Bugüne kadar keşfedilen kayalık ötegezegenlerin çoğu, bu tür yıldızların yörüngesinde bulunmuştur.
Kırmızı cüceler düşük kütleli yıldızlar olduğundan, etraflarında dönen gezegenler genellikle yıldızlara çok yakın yörüngelerde bulunur; bu da onları tespit etmeyi kolaylaştırır. M yıldızlarının bilim insanlarının ötegezegen arayışında bu kadar verimli olmasının bir başka nedeni de, çok bol miktarda bulunmalarıdır. Ancak şu anda kırmızı cüce yıldızların çok dar bir yaşanabilir bölgeye sahip olduğu düşünülmektedir – bu bölge, gezegenin yüzeyinde sıvı suyun var olabilmesi için koşulların ne çok sıcak ne de çok soğuk olduğu, yıldıza en yakın alandır. (Tıpkı Dünya gibi bir gezegenin epik arayışı hakkında daha fazla bilgi edinin.)
Sıvı suyun varlığı Dünya'daki yaşam için vazgeçilmez olduğundan, yıldızın “Goldilocks bölgesi” olarak bilinen bu ölçü, astrobiyologların dünya dışı yaşam ararken odaklandıkları noktadır. Şimdiye kadar düzinelerce aday buldular. Ancak bu gezegenlerin hepsi yaşamı sürdüremeyebilir ve James Webb Uzay Teleskobu (JWST) gibi teleskopları yönlendirmek zaman ve önemli miktarda kaynak gerektirir.
Yaşamın var olup olmayacağını belirleyen bir diğer önemli faktör, fotosentezin gerçekleşip gerçekleşemeyeceğidir. Dünya’da fotosentez, çoğu besin zincirinin temelini oluşturur ve soluduğumuz oksijeni sağlar. Bu nedenle, araştırmayı fotosentezi destekleyebilecek gezegenlerle sınırlamak mantıklıdır. Bu, bir yıldızın çevresinde yaşamın var olabileceği alanı önemli ölçüde daraltabilir.
Geçmişte, astrobiyologlar fotosentez için sınırı ışık spektrumunda 700 nm dalga boyu olarak belirlemişlerdi; bu, kırmızı rengin dalga boyuna eşdeğerdir. Bu, klorofil a kullanılarak yapılan fotosentezin verimliliğinin azaldığı noktadır. Ancak, Carlsbad mağara sistemlerinde keşfedilen siyanobakteriler, klorofil f kullanarak 780 nm dalga boyuna kadar ışığı toplayabilmektedir. Barton, “Galaksimizdeki yıldızların büyük çoğunluğu M ve K tipi yıldızlardır” diyor. “Bu, galaksimizdeki yıldızların çoğunun yakın kızılötesi ışık yaydığı anlamına gelir, ancak bu tür bir yıldızın üreteceği ışık koşullarında fotosentezin ve yaşamın nasıl varlığını sürdürebileceği konusunda neredeyse hiçbir şey bilmiyoruz.”
Barton bunu değiştirmeyi planlıyor. Behrendt ile birlikte, fotosentetik yaşamın hayatta kalabileceği sınırları belirlemek amacıyla NASA’ya bir teklif sundu. Bu çalışma, siyanobakterilerin hayatta kalabilmesi için tam olarak ne kadar ışığa ihtiyaç duyduğunu ölçmek üzere en karanlık mağaraların derinliklerine inmeyi gerektirecek. Bu bilgiler daha sonra yaşanabilir gezegenlerin aranmasını daraltmak için kullanılabilir. Örneğin, JWST ile bilim insanları, ötegezegenlerin aldığı ışığın miktarını ve türünü ölçebilirler.
Barton, “Çalışmamızla yapmaya çalıştığımız şey, fotosentez yapılabilen en uzun dalga boyu ve en düşük ışık seviyesinin ne olduğunu bulmak,” diyor.
“Böylece, James Webb Uzay Teleskobu'nu yöneltebileceğimiz 100 milyar potansiyel yıldızı alıp, bunu [yaşam barındırabilecek] 50 yıldıza kadar azaltabiliriz.”
Başka bir deyişle, bu durum astrobiyologların yaşamı barındırabileceğine inandıkları dünya türlerini genişletmelerine yol açabilir. Geriye kalan tek şey, JWST’yi söz konusu yıldıza yöneltmek ve ardından yıldızın önünden geçen gezegenleri aramak olacaktır. Yıldızdan gelen ışık gezegenin atmosferinden geçerken, mevcut elementlere bağlı olarak ışığın belirli frekansları emilir. Bu nedenle astronomlar, emilim spektrumlarında eksik çizgileri arayarak, oksijen gibi yaşamın varlığını işaret edebilecek belirli elementlerin ötegezegenin atmosferinde mevcut olup olmadığını belirleyebilirler.
Barton, “Yaşamın olmadığı bir atmosferde oksijenin oluşabileceği çok, çok az yol vardır” diyor. “Dolayısıyla, bu ötegezegenlerden birinin atmosferinde oksijen bulabilirseniz, bu potansiyel yaşam için çok, çok güçlü bir göstergedir.
