Karanlık Oksijen: Yaşamla İlgili Bildiğimiz Her Şey Değişiyor Mu?

Bilim insanları, derin deniz ekosistemlerine dair anlayışımızı kökünden değiştirebilecek bir keşifte bulundular. Okyanus tabanında, daha önce bilinmeyen ve "karanlık oksijen" olarak adlandırdıkları yeni bir oksijen kaynağını keşfettiler. Bu oksijen, bildiğimiz fotosentetik süreçlerden farklı olarak, tamamen yeni ve ışıktan bağımsız bir mekanizma ile üretiliyor.

Oksijen, bildiğimiz gibi, deniz ekosistemlerinin temel bir bileşeni olup, birçok deniz organizmasının hayatta kalması ve Dünya’daki yaşamın sürdürülebilirliği için kritik öneme sahiptir. Okyanuslarda da oksijen, sucul yaşamın solunumunu destekler ve önemli kimyasal süreçleri yönlendirir. Şimdiye kadar, derin deniz ortamlarındaki oksijenin, yüzeydeki fitoplankton gibi fotosentetik organizmalar tarafından üretildiği biliniyordu. Ancak bu yeni keşif, bu anlayışı köklü bir biçimde değiştirme potansiyeline sahip.

Fotosentez için gereken güneş ışığı, ideal koşullarda okyanusa maksimum 1000 metre derinliğe kadar ulaşabilir. Ancak, çoğu durumda, bu ışık yalnızca yaklaşık 200 metre derinliğe kadar nüfuz edebilir. Derinlik arttıkça ışık yoğunluğu hızla azalır ve bu durum fotosentez ve dolayısıyla oksijen üretimini imkansız hale getirir. Işık miktarındaki bu ani düşüş, derin okyanus katmanlarına oksijen ulaşımını zorlaştıran önemli bir engel oluşturur.

Bu derin katmanlara oksijenin ulaşmasını sağlayan mekanizma, öncelikle termohalin sirkülasyonu olarak bilinen bir süreçle yönlendirilir. Termohalin sirkülasyonu, Dünya'nın iklim sisteminin kritik bir bileşeni olup, okyanuslardaki sıcaklık ve tuzluluk seviyelerinin düzenlenmesinde hayati bir rol oynar. Bu dolaşım, suyun yoğunluğundaki farklılıklar tarafından sürdürülür ve bu farklılıklar sıcaklık (termo) ve tuzluluk (halin) değişimlerinden etkilenir.

Soğuk su, ılık sudan; tuz miktarı fazla su da tuz miktarı daha az sudan daha yoğundur. Kutup bölgelerinde, buz oluşumu nedeniyle yüzey suyu çok soğuk ve tuzlu hale gelir. Buz oluşurken tuz buza karışmaz, bu da çevredeki suyun tuzluluğunu artırır. Bu soğuk ve tuzlu su okyanus tabanına doğru batar, batarken de yüzeyden büyük miktarda çözünmüş oksijeni de beraberinde taşır. Oksijen bakımından zengin bu su, deniz tabanı boyunca akarak diğer okyanus havzalarına yayılır ve derin deniz ortamlarına gerekli oksijeni sağlar.

Bu süreç, okyanus akıntılarının yavaş ama sürekli hareketini içerir ve bir döngünün tamamlanması yüzlerce ila binlerce yıl sürebilir. Kutuplardaki soğuk, oksijenli suyun batması, derin akıntıların okyanusların en derin kısımlarına oksijen taşıdığı bir taşıma bandı etkisi yaratır. Bu oksijenli su okyanus tabanı boyunca ilerlerken, derin deniz organizmalarının solunumunu destekler ve çökeltiler içinde çeşitli kimyasal reaksiyonları kolaylaştırır.

Ancak Dr. Andrew Sweetman ve araştırma ekibinin son bulguları, bu uzun süredir kabul gören anlayışa köklü bir meydan okuma getirdi. Derin denizlerdeki oksijen tüketimini daha iyi anlamak isteyen ekip, Pasifik Okyanusu'nun kobalt, manganez ve nikel gibi değerli metaller bakımından zengin polimetalik nodül yataklarıyla tanınan, Clarion-Clipperton Bölgesi'nde deneyler gerçekleştirdi.

Araştırmacılar, deniz tabanının küçük bölümlerini izole edebilen ve çevresel değişiklikleri ölçebilen gelişmiş bentik oda iniş araçlarını kullanarak oksijen seviyelerini inceledi. Bu yüksek teknolojili kapsüller, hem polimetalik nodüllerin bulunduğu hem de bulunmadığı alanlara yerleştirildi. Bazı odacıklar, ölü alg ve çözünmüş inorganik karbon gibi maddelerle çeşitli çevresel koşulları simüle ederken, diğerleri kontrol amaçlı olarak hiçbir ekleme yapılmadan bırakıldı.

Araştırmacılar, 47 saat boyunca odacıklardaki oksijen seviyelerinin mikroplar tarafından tüketilmesini ve tortudaki kimyasal reaksiyonları yansıtacak şekilde düşmesini bekledirler. Ancak, şaşırtıcı bir şekilde, oksijen seviyelerinde beklenenin de ötesinde, fotosentetik organizmalar açısından zengin yüzey sularında tipik olarak görülen oksijen seviyelerini bile geçtiği bir artış gözlemlediler.

Ekip, Clarion-Clipperton Bölgesi'nde olağandışı bir durumun meydana geldiğini fark etti. Bu beklenmedik oksijen üretimine deniz tabanında fotosentetik olmayan bir mekanizmanın sebep oluyor olabileceğini düşündürdü. Ekip, polimetalik nodüllerin suyu hidrojen ve oksijen bileşenlerine ayırarak, doğal bir batarya gibi basit bir elektroliz işlemi gerçekleştiriyor olabileceğini varsaydılar.

Bu olasılığı değerlendirmek için araştırmacılar, yeni oksijen kaynaklarını araştırmada deneyimli bir kimyager olan Profesör Franz Geiger ile işbirliği yaptılar. Geiger, daha önce belirli koşullar altında paslanmış metalin tuzlu suda küçük elektrik akımları üretebildiğini keşfetmişti. Ekip, bu sürecin deniz tabanındaki polimetalik nodüllerde meydana gelebileceğini ve ışık bulunmayan ortamlarda oksijen üreten elektrokimyasal reaksiyonları tetikleyebileceğini düşündü. Bu fenomene, "karanlık oksijen" ismi verildi.

Hipotezi test etmek için ekip, araştırma gemilerinde kontrollü bir laboratuvar ortamında deniz tabanı koşullarını yeniden oluşturdular. Potansiyel biyolojik oksijen üretim kaynaklarını ortadan kaldırmak amacıyla, nodül ve deniz tabanı çökeltisi örneklerini sterilize ettiler ve hava geçirmez kaplarda sakladılar. Ardından, birkaç gün boyunca bu kapların içindeki oksijen seviyelerini izlediler.

Saha gözlemleriyle tutarlı olarak, laboratuvar deneyleri, fotosentetik yaşamın yokluğunda bile kaplardaki oksijen seviyelerinin önemli ölçüde arttığını gösterdi. Bu durum, polimetalik nodüllerin gerçekten de fotosentetik olmayan bir süreçle oksijen ürettiğini doğruladı. Dikkat çekici bir şekilde, oksijen seviyeleri, arka plan konsantrasyonunun üç katına çıktıktan sonra plato yaptı, bu da yeni bir oksijen üretim mekanizmasının mevcut olduğu fikrini daha da destekledi.

Sonraki deneylerde, araştırmacılar nodüllerin elektrokimyasına odaklandılar. Nodüllerin yüzeyini platin elektrotlarla incelediler ve bazı durumlarda voltajın neredeyse bir volta kadar yükseldiğini tespit ettiler. Bu bulgular, nodüllerin küçük jeobataryalar gibi davranabileceğini ve çeşitli metal katmanlar arasındaki elektrik potansiyelindeki farklılıkların oksijen üretimi için su moleküllerini ayıran elektrokimyasal reaksiyonları yönlendirdiğini gösterdi.

Polimetalik nodüllerle ilişkili karanlık oksijen üretiminin keşfi, derin deniz ekosistemlerine dair anlayışımızda köklü bir değişimi işaret ediyor olabilir. Bu nodüller, deniz tabanının sadece pasif bir unsur olmadığını, aynı zamanda derin deniz kimyasal süreçlerinde etkin bir rol oynadığını ortaya koymaktadır. Bu bulgu, okyanustaki oksijen dağılımını anlamamıza yardımcı olarak, derin deniz oksijeninin sadece yüzeyden türetilen süreçlere dayandığı yönündeki geleneksel görüşe meydan okumaktadır.

Karanlık oksijen üretiminin ekolojik etkileri oldukça önemlidir. Bir zamanlar yalnızca yüzey sularından taşınan oksijene bağlı olduğu düşünülen derin deniz ekosistemlerinin, artık içsel bir oksijen kaynağına sahip olduğu görülmektedir. Bu keşif, derin deniz organizmalarının hayatta kalma ve evrimleşme biçimlerini anlama şeklimizde önemli bir değişim yaratabilir. Derin deniz çökeltilerinin kendi oksijenini üretmesi, bu bölgelerdeki yaşam, davranışları ve evrim süreçleri hakkında bildiklerimizi tamamen değiştirebilir. Ayrıca, karanlık oksijen, özel mikrobiyal toplulukların oluşmasını destekliyor ve deniz besin ağında değişikliklere neden olarak besin döngüsünü etkiliyor bile olabilir.

Aynı zamanda bu keşif, derin deniz ekosistemlerinin insan faaliyetlerinden, özellikle de derin deniz madenciliğinden nasıl etkilenebileceğine dair kritik soruları gündeme getirmektedir. Bu fenomenin keşfedildiği Clarion-Clipperton Bölgesi, zengin polimetalik nodül yatakları nedeniyle deniz madenciliğinin kilit noktalarından biridir. Bu nodüller, yeşil ekonominin yenilenebilir enerjiye geçişi de dahil olmak üzere modern teknoloji için gerekli olan değerli metaller içermektedir. Ancak, henüz emin olunmamakla birlikte, bu nodüllerin madenciliği karanlık oksijen üretimini sekteye uğratarak derin deniz ekosistemlerinin hassas dengesine zarar verebilir.

Karanlık oksijen üretiminin altında yatan jeokimyasal süreçler, Dünya'nın jeolojik tarihi ve yaşamın evrimi hakkında büyüleyici bilgiler sunuyor. Bu keşif, oksijenin fotosentezden çok önce elektrokimyasal yollarla üretilebileceğini göstermenin ötesinde, Dünya'nın erken dönem ortamı ve aerobik yaşamın nasıl başladığı hakkında önemli ipuçları sunduğunu da kanıtlıyor. Bu süreçlerin anlaşılması, bilim insanlarının eski ekosistemleri yeniden yapılandırmasına ve karmaşık yaşamın evrimi için yeni modeller geliştirmesine yardımcı olabilir.

Bütün bunların yanında, karanlık oksijen üretim mekanizması, diğer gezegen cisimlerindeki benzer süreçlerin incelenmesi konusunda bilgi verebilir. Dünya'nın deniz tabanındaki metalik nodüller oksijen üretebiliyorsa, benzer jeokimyasal süreçlerin benzer ortamlara sahip diğer gezegenlerde veya uydularda da meydana gelebileceği olasılığını artırır. Bu, fotosentezin ötesinde oksijen üretimi için alternatif yolları vurgulayarak dünya dışı yaşam arayışını etkileyebilir. Yani eğer oksijen yaşama gerek kalmadan kolayca ve yaygın olarak üretilebiliyorsa, dış gezegenlerde moleküler oksijen arayışlarımıza uzay taşlarını da ekleyebiliriz!

Makaleye buradan ulaşabilirsiniz: https://www.nature.com/articles/s41561-024-01480-8