Gezegenimizin tarihi, yeryüzündeki yaşamın atmosferin yapısındaki deği-şimlere bağlı olarak geliştiğini söylüyor. Araştırmacılar Dünya’nın ilk atmosferi-nin hidrojen, su buharı, karbon mo-noksit ve azottan oluştuğunu öngörü-yorlar. Yine araştırmalara göre oksijen, Dünya’nın başlangıcındaki atmosferde neredeyse hiç yok. Oysa, bugünün at-mosferinde çok büyük miktarda bulu-nan iki gaz var: azot ve oksijen. Şimdi atmosferde en çok bulunan azot baş-langıçtan beri var. Neredeyse durağan bir gaz olan azotun ömrü yaklaşık bir milyar yıl. Üstelik azotun atmosferdeki varlığı ve bolluğu biyolojik süreçlerle ilintili değil. Atmosferdeki miktar bakı-mından ikinci sıraya yerleşen ve devini-mi çok yüksek olan oksijenin, Dün-ya’nın yaşıyla ya da azotun ömrüyle kar-şılaştırıldığında çok kısa ömürlü olduğu söylenebilir: Yalnızca 4 milyon yıl kadar.
Eğer jeologların yaptığı gibi bir milyon yılı bir saat kabul edecek olursak, bu durumda azotun 1000 saatlik uzun öm-rüne karşın, oksijenin yalnızca 4 saate sığan bir yaşam süresi olduğunu söyle-yebiliriz. Gerçekten de çok kısa, değil mi? Oksijenin yüksek devinimi oksidas-yon denen tepkimeye girmesini çok ko-laylaştırıyor. Yükseltgenme ya da oksit-lenme olarak da tanımlanan oksidasyon, elektronların bir atom ya da molekülden ayrılmasını sağlayan bir kimyasal tepki-meden başka bir şey değil. Güneş’ten ge-len enerjinin suyu ayrıştırmasıyla bu tep-kime durmaksızın sürüyor ve bu sayede oksijenimiz hiç tükenmiyor.
Araştırmalar atmosferdeki kısacık ömrüne karşın oksijenin atmosferde kapladığı yerin, yaklaşık 500 milyon yıl içinde, toplam atmosfer hacminin %10’undan %30’una genişlediğini gös-teriyor. Peki ama hayvan yaşamının
ge-lişmesinde bu kadar önemli bir gaz olan oksijen, nasıl oldu da Dünya üze-rinde ikinci en bol gaz durumuna gele-bildi? Bu sorunun basit bir yanıtı yok. Bugüne dek yapılan araştırmalar oksi-jenin ortaya çıkışının ve varlığını çoğa-larak sürdürmesinin altında yatanların kolay anlaşılır olmadığını ortaya koyu-yor. Bu konudaki bilgiler, yapılan yeni araştırmalardan edinilenlere göre de za-man içinde değişebiliyor. Örneğin, ya-kın bir zamana kadar Dünya atmosfe-rinin oksijen bakımından zenginleşme-sinin, günümüzden yaklaşık 1,2 milyar yıl önce başladığı kabul ediliyordu. 1999’da yapılan iki araştırma, bu süre-yi bir milyar yıl kadar geriye götürdü. Araştırmacılar elbette oksijenin yalnız-ca ilk ne zaman ve nasıl ortaya çıktığı-nı değil, atmosferde bol miktarda kal-mayı nasıl sürdürebildiğini de anlamaya çalışıyorlar.
BiLiMveTEKNiK 52 Aralık 2008
Bugün atmosferdeki oksijenin, fotosentezin bir yan ürünü olarak ortaya çıktığı herkesçe
biliniyor. Kesin olarak bilinen bir başka şey de başlangıçta Dünya’nın oksijenden yoksun olduğu.
O halde oksijen ilk ne zaman ve nasıl ortaya çıktı? Atmosferde nasıl birikti ve günün birinde yok
olabilir mi? Bazı bilim insanları yıllardır bu soruların yanıtını bulmaya uğraşıyor. Bu soruların
tümü henüz yanıtlanamamış olsa da en azından oksijenin nasıl ortaya çıktığı artık kesin olarak
biliniyor. Bilinen bir başka şey de nelerin daha tam olarak bilinemediği. Bu araştırmalarla
edinilen bilgiler, oksijene dayalı yaşamın başlangıcına ve gelişmesine ilişkin bilinmeyenlerin
aydınlanması, gelecekteki uzun erimli atmosfer olaylarının anlaşılması, gezegenin ve yaşamın
geleceğine ilişkin öngörüleri etkileyebilir olması gibi çeşitli nedenlerle özel bir önem taşıyor.
ATMOSFERİN SONRADAN OLuşan GAZI
OKSİJEN
BiLiMveTEKNiK
Aralık 2008 53
Oksijenin Ortaya Çıkışı
Aslına bakılırsa, oksijenin ve yaşa-mın varlığını tümüyle ilkel bir organiz-maya borçluyuz. Yeryüzünde ortaya çı-kan ilk canlılar oksijensiz ortamda ya-şayan prokaryotlardı (hücre çekirdeği bulunmayan bir hücreli canlılar). Gü-nümüzden yaklaşık 3,5 milyar yıl kadar önce fotosentez yapan ilk canlılar yani siyanobakteriler ortaya çıktı. Siyano-bakterilerin ürettiği oksijen atmosferde birikmeye başladı. Bu, oksijenli yaşa-mın ortaya çıkışının ilk adımıydı. Ancak oksijenin atmosferdeki artışı, günü-müzden 2,2-2,4 milyar yıl önce siyano-bakterilerin ortaya çıkışından yaklaşık bir milyar yıl sonra başladı. O dönem-lerde üretilen oksijen daha gelişkin bir yaşam için yeterli değildi. Zaman için-de oksijen bakımından zenginleşen at-mosfer, yeryüzünde yaşamın değişip ge-lişmesinde ve çeşitlenmesinde çarpıcı bir etki yarattı.
Evrende oksijen atomu (O) yıldız-larda art arda olan helyum 4 füzyon tep-kimelerinin sonucunda oluşur. Dün-ya’nın ilk dönemlerinde oksijen başka elementlere kimyasal olarak bağlı oldu-ğundan, ortamda serbest durumda ok-sijen bulunmuyordu. Siyanobakterilerin oksijen üretmeye başlamalarının ardın-dan serbest oksijen, Dünya’nın oluşum hareketlerine bağlı olarak birbirini izle-yen ısıtma ve soğutma çevrimleri için-de, manto ve yerkabuğundaki temel mi-nerallerin yapılanmasında önemli rol oy-nayan silisyum ve karbonla, aynı za-manda da suyu oluşturan hidrojenle tepkimeye girdi. Gezegenin tek su kay-nağı yalnızca bu tepkime değildi. Gök-taşları ve büyük bir olasılıkla da
kuy-rukluyıldızlar tarafından Dünya’ya su taşındı. Bu üç kaynaktan gelen suyun oranları pek iyi bilinmiyor. Su kayna-ğından bağımsız olarak, ölçülen izotop verileri gezegenin ilk 200 milyon yılı içinde Dünya yüzeyinde sıvı halde su bulunduğunu gösteriyor. Ancak yalnız-ca sıvı suyun yeryüzünde bulunması ok-sijenin biyolojik üretimini sağlamak için yeterli olamaz. O durumda oksijen üre-timinde sıvı suyun rolü neydi?
Su morötesi ışığın etkisiyle kendini oluşturan elementlere ayrıştırılabilir ama güçlü olumsuz geri beslemeler yü-zünden, ayrıştırma yoluyla yalnızca çok az miktarda oksijen üretilir. Bilim dün-yası Dünya’daki oksijenin ana kaynağı-nın suyun fotobiyolojik oksidasyonu ol-duğunu neredeyse kesin olarak kabul ediyor. Öte yandan bu olayın hem ge-lişmesi hem de işleyiş mekanizması da-ha tümüyle anlaşılabilmiş değil. Görü-nen o ki en başta, oksijen tek bir bak-teri türünde bir kez ortaya çıktıktan sonra varlığının sürekliliğini tek bir olayla sağladı. Bu olay yeni bir simbi-yotik organizmayı oluşturmak üzere bir hücrenin ötekini yuttuğu bir biyolojik oluşum yani endosimbiyozdu (iç ortak yaşam). İşte, bu olayla ortaya çıkan ye-ni orgaye-nizma, bütün fotosentetik (foto-sentez yoluyla besin üreten canlıların tümü) ökaryot hücrelerin atası duru-muna geldi.
Oksidasyon mekanizması, elektron boşluğu akımı yaratmak için ışığın hız-landırıcı etkisiyle (fotokatalitik) oksitle-nen fotosistem II’ye (ışığa bağımlı foto-sentez olayında suyun ayrıştırılması sı-rasındaki elektron aktarımını düzenle-yen ilk protein bileşiği) dayanır. Oksijen bir yan ürün olarak
2H2O → 4e + 4H++ O2
tepkimesinin sonucunda ortaya çıkar (oksidasyon). Bu tepkimede açığa çıkan proton ve elektronlar,
CO2+ 4e + 4H+→ (CH2O) + H2O
tepkimesiyle organik maddeden karbon dioksiti (CO2) indirgemek (redüksiyon)
için kullanılır. İndirgeme sonunda for-maldehit (CH2O) ve su ortaya çıkar.
Bin-lerce yıl süregiden bu tepkimeler oksije-nin net üretimioksije-nin neredeyse sıfıra yakın olduğu fotosentez olayının temel işleyi-şinin bir parçasıdır.
Atmosferin Oksitlenmesi
Atmosferin oksitlenmesinin başladı-ğı dönemlerde atmosferdeki oksijen miktarı büyük olasılıkla şu anki atmos-ferin oksijen düzeyinin %1’i ya da daha azı kadardı. Üstelik okyanusların derin bölgeleri de büyük olasılıkla hâlâ oksi-jensizdi. Atmosferde oksijen miktarın-daki büyük artışın Dünya tarihinde çok sonra, Neoproterozoyik eonun (yaklaşık 750-550 milyon yıl önce) sonlarında ve Karbonifer devrinde (360-300 milyon yıl önce) oluşmaya başladığı görülüyor. Ay-rıca Karbonifer’de Dünya üzerindeki birçok organik maddenin çeşitli neden-lerle yerin derinliklerine gömülmesinde sıra dışı bir artış yaşandığı da biliniyor (Hatta bugün enerji kaynağı olarak kul-landığımız fosil yakıtları oluşturan hid-rokarbonların da Karbonifer’de yaşanan büyük gömülmenin sonucunda oluştu-ğunu da anımsamakta yarar var).
Araştırmalar organik maddelerin gömülmesiyle atmosferde oksijen bi-rikmesi arasında yakın bir ilişki oldu-ğunu gösteriyor. Başka bir deyişle dün-yanın çevrimsel süreçleri organik mad-delerin Dünya’nın içlerine doğru gö-mülmesine yani karbonun atmosfere akışının durmasına neden olmasaydı, organik maddelerin fotosentez yapmayı sürdürmeleri nedeniyle atmosferde çok az miktarda serbest oksijen olacaktı.
Peki, yerin derinliklerine gömülen organik maddeye ne olur? Gömülen or-ganik madde, gömüldükçe üzerinde oluşan basınç ve ısının etkisiyle kimya-sal bozunmalara uğrar. Bunların sonu-cunda gömülü organik maddeden sıra-sıyla önce su ve su buharı, sonra kar-bon dioksit, daha sonra oksijen, hidro-jen, azot vb. uzaklaşır. Organik madde daha da derinlere gömüldükçe yalnız-ca bir karbon kaynağına dönüşür
(el-Doğada çökelme bir çevrim içinde gerçekleşiyor. oksijenY:Layout 1 30.11.2008 17:40 Page 53
BiLiMveTEKNiK 54 Aralık 2008
masın yerkabuğunun çok derinlerinde bulunmasının nedeni de budur).
Öyleyse atmosferde oksijenin birik-mesi (net oksitlenbirik-mesi) nasıl oldu? Bu-nu anlayabilmek için Dünya’daki bazı çevrimsel süreçlere ve bunların birbir-leriyle olan ilişkilerine bakmak gereki-yor. Atmosferde oksijen birikmesi için öncelikle organik karbon gibi indirge-yicilerin, karbon dioksit üretimine en-gel olacak şekilde, uzun süreli depo-lanması gerekir. Kuşkusuz Dünya’nın kabuk katmanı, karbon indirgeyicileri içinde saklayan en büyük depodur.
Ok-sijen üretimiyle organik maddelerin gö-mülmesi arasındaki ilişkiye ışık tutma-sı bakımından, organik maddenin gö-mülmesine neden olan mekanizmanın anlaşılması da önemlidir. Organik mad-denin gömülmesindeki ana mekaniz-ma, büyük oranda çökelmeye ve çö-kelmenin bir sonucu olarak hareketsiz anakaraların (kıtaların) büyüme süre-cine, daha az oranda da Dünya’nın manto katmanının derinliklerindeki dalma-batma sürecine bir başka deyiş-le deyiş-levha hareketdeyiş-lerine bağlı olarak ça-lışır. Dünya’nın derinlerindeki
radyo-aktif ayrışmadan ortaya çıkan ısı, man-to ısı çevrimine, manman-to ısı çevrimi de levha hareketleri çevrimine neden olur. İşte, özünde levha hareketlerinin yönettiği bu süreçlerin tümü anakara-ların çarpışmaanakara-larına ve ayrılmaanakara-larına yol açar. Bu yolla da yeni okyanus hav-zalarını oluşturur. Bu çevrimsel çar-pışmalar ve ayrılmalar sırasında okya-nusal levhalar da bir şekilde anakara-ların altına dalıp batarlar. Bu sırada çö-kellerde gömülen organik maddenin bir bölümü tektonik olarak anakaraya katılıp, kıyısal dağ kuşaklarını oluştu-rur. Bu da anakaranın kütlesini artırır. İşte, bu süreçle deniz çökellerinde bi-riken organik maddenin büyük bir bö-lümü hareketsiz anakaralardaki hare-ketlerini sürdürürlerse, yeniden dalıp batırılacak, yeniden ısıtılacak ve oksit-lenmenin yeniden başladığı yanardağ oluşumlarıyla, çok miktarda karbon di-oksiti de içerecek şekilde yeniden at-mosfere salınacaktır. Salınan karbon dioksit redüksiyon tepkimesine neden olacaktır. Bu tepkimenin sonucunda su oluşacağı için atmosferdeki serbest oksijen miktarı azalacaktır. İşte, tüm bu çevrimsel zincir süreçler, suyun bi-yolojik oksidasyonundan türeyen in-dirgeyici maddeleri de içeren gömülü organik maddeyi kendi süreçlerinin bir parçası durumuna getirir. Bu nedenle gömülü organik maddeler atmosferde oksijen birikmesinin bir göstergesi olur.
Anlatılanlar oksijenin atmosferde birikmeye başlamasının ve birikimdeki artışının, fotosentezle oksijenli solu-num arasında milyonlarca yıl süren dengesiz bir durumun oluşması gerek-tiğini gösteriyor. Bu gereklilik oksijeni bol bir atmosferin oluşabilmesi için jeo-lojik zamanlar boyunca, solunum ya-pan canlılara göre çok daha fazla orga-nik maddenin Dünya’nın derinliklerine gömülmüş olduğunu ortaya koyuyor.
Atmosferde oksijen birikmesinin an-laşılmasına yönelik önemli araştırmalar jeolojik zamanlarda olan bitenleri de çok önemsiyor. Bu nedenle araştırma-cılar o olayları araştırmayı da ihmal et-miyorlar. Buradaki temel soru şu: Jeo-lojik zamanlar boyunca, Dünya atmos-ferindeki oksijen miktarı ne kadar iyi biliniyor? Henüz pek iyi bilindiği söyle-nemezse de değişik yöntemlere daya-nan bu yöndeki araştırmalar bütün hı-zıyla sürüyor.
Bazı Kavramlar
Elektronların bir atom ya da mo-lekülden ayrılmasını sağlayan kimya-sal tepkimeye oksidasyon, oksitlenme ya da yükseltgenme deniyor. Bir ele-mentin, kimyasal bir tepkimede elek-tron alması olayına da redüksiyon ya da indirgenme deniyor. Tepkimede elektron vererek yükseltgenen ele-ment karşısındakini indirgediği için indirgen, elektron alarak indirgenen element karşısındakini yükseltgediği için yükseltgen olarak tanımlanıyor. “A → A++ e-” Oksidasyon
tepkimesi-ni gösterir. A maddesi bir elektron ve-rir. “B + e-→ B-” ise indirgenme tep-kimesini gösterir: B maddesi bir elek-tron alır.
Bilimsel sınıflandırmada ökaryot-lar, bakteriler ve arkeler tüm canlıları
kapsayan üç ana grubu oluştururlar. Ökaryotların tanımlayıcı özelliği gene-tik malzemelerinin zarla çevrili bir ya da birkaç çekirdek içinde bulunması-dır. Çekirdeğin yanı sıra, ökaryotların mitokondri ya da kloroplast gibi zarla çevrili çeşitli organelleri bulunur.
Ökaryot hücrelerdeki temel çekirdek yapısının şeması
Süreçler, oksijenin akışını ve birikimini düzenliyor. Su, güneş enerjisinin de yardımıyla okyanusta suyosunları, karada da bitkiler tarafından fotobiyolojik olarak ayrıştırılıyor. Bu organizmaların üretiği organik maddenin
çok az bir bölümü çökellerde gömülüyor, Dünya’nın derinliklerine dalıp-batırılıyor, en sonunda da levha hareketleri çevrimiyle anakaralara ekleniyor. Bu süreçler bütünü, oksijenin atmosferde birikmesine yol açıyor. Gömülü organik maddeyle bu maddenin oksitlenmesi arasındaki denge, geçmiş 500 milyon yıl boyunca sıkı bir
şekilde kontol edilmiş görünüyor.
Etkin karasal sınır Edilgin karasal sınır
Elmas oluşma bölgesi
Okyanusal çukur Gömülen suyosunu tabakasıSuyosunu tabakası
Karasal kabuk Karasal kabuk Yanardağ
oluşumu
Elmas CorgM
CorgM: Manto
CorgEtkin
CorgEtkin: Etkin sınır
CorgEdilgen
CorgEdilgen: Edilgen sınır
Manto Manto
BiLiMveTEKNiK
Aralık 2008 55
İzotop Verileri Ne
Söylüyor?
Karbon izotop verilerinden çıkan sonuçlara göre Proterozoik eondaki oksijen artışıyla, bir hücreli suyosunu-nun büyük miktardaki artışı, biyolojik olarak uyuşuyor. Fitoplankton da de-nen bu suyosunları, tıpkı manto kat-manının soğumasından ve dalma-bat-maların aşırılaşmasından ileri gelen jeofiziksel düzenlemelerin yaptığı gibi organik maddenin deniz çökellerinde gömülmesini büyük ölçüde hızlandır-mıştı. Başkalaşım kayalarının tarih bo-yunca tuttuğu kayıtlar, gezegen yavaş yavaş soğudukça Dünya’nın içlerindeki ısı akışının da azaldığını ve hidroksit içeren sulu minerallerin mantonun da-ha derinlerine dalıp batırıldığı yerler-de, iç sıcaklık değişiminin bir eşik de-ğere ulaştığını gösteriyor. Bazı araştır-malar bu sürecin, büyük olasılıkla çok büyük miktarda yüzey suyunun man-tonun derinliklerine taşınmasına, ana-karaların da daha hızlı büyümesine ön-cülük etmiş olabileceğini gösteriyor. Oksijen izotoplarının tarihsel kayıtları-nın da bu kuramı daha çok destekledi-ği vurgulanıyor.
Organik karbonun 750 milyon yıl boyunca büyük miktarlarda gömülme-si, atmosferdeki oksijenin büyük artışı-na yansımış görünüyor. Hatta bu oksi-jen artışının Kambriyen Patlaması’nı te-tiklemiş olabileceği savunuluyor. Kar-bonifer’de gömülme verimliliğinin hız-lanarak artışında kara bitkilerinin, özel-likle de ağaçların, gezegenin gömülme üretkenliğini ikiye katlamasının etkisi olduğu düşünülüyor. Gerçekten de kar-bon ve kükürtün izotop kayıtlarına da-yanan modeller, Dünya tarihinin bu dö-neminde atmosferdeki oksijen oranının %30’a kadar yükseldiğini gösteriyor.
Triyas Devri’ndeki yok oluşun son-larında, oksijen miktarlarının çok daha düşük olduğu görülüyor: Şimdiki at-mosferde bulunan oksijenin neredeyse %10-12’si kadar. 200 milyon yıl boyun-ca oksijen miktarları en düşükte %10’dan en yüksekte %23’e kadar de-ğişti. Sınırları görece dar olan bu deği-şim, yeryüzündeki organik maddenin gömülme ve oksitlenme oranlarının sı-kı sısı-kı denetlendiğinin işareti kabul edi-liyor. Gerçekten de eldeki veriler iki mil-yar yıl boyunca karbonatlardaki karbon 13 izotopunda uzun süreli düzensiz bir
artışı değil, gömülü organik maddenin az olması nedeniyle Dünya’nın manto-sundaki inorganik karbon depolarının aşırı büyük olduğunu; organik karbon gömülmesinin de oksitlenme ve hava koşullarına bağlı ayrışmayla kabaca dengelendiğini gösteriyor.
Şimdilik
Bilmediklerimiz
Yaşamın karmaşıklaşmasıyla oksije-nin milyarlarca yıl boyunca duraksa-malı çoğalışına ilişkin parçaları bir ara-ya getirmeye uğraşan araştırmacılar, oksijen üreten canlıların ortaya çıkışıy-la atmosferdeki oksijen düzeyinin yük-selmesi arasındaki sürenin neden bu kadar uzun olduğunu bulmaya çalışı-yorlar. Öte yandan da oksijenin atmos-ferde nasıl biriktiğine ilişkin bazı ku-ramları da ortaya koymaktan geri dur-muyorlar. Ancak araştırmacıların işi pek kolay değil. Oksijenin atmosferin büyük bir parçası haline nasıl geldiği genel olarak anlaşılmışsa da edinilen bilgiler, süreçteki birçok ayrıntıyı ya-nıtlamada şimdilik yetersiz. Oksijenli fo-tosentezde suyun ayrışmasını sağlayan mekanizma hâlâ anlaşılabilmiş değil. Atmosferdeki gaz miktarlarını neyin, nasıl kontrol ettiği de şimdilik bilinme-yenler arasında. Su ayrışma mekaniz-masıyla ilgili sürecin önümüzdeki 10 yıl
içinde çözülebileceği öngörülüyor. An-cak gaz miktarlarının kontrolüyle ilgili sorunun açıklığa kavuşmasının daha çok zaman alacağına da kesin gözüyle bakılıyor. Çünkü araştırmacılar bu so-runun sınırlarını çizmenin bile başlı ba-şına çok zor bir iş olduğu görüşünde birleşiyor. Yine de daha geliştirilmiş ve bütünleştirilmiş eksiksiz modellerle bu sorunun da günün birinde aydınlana-cağı umuluyor.
Oksijen yaşamın sürdürülmesi için olmazsa olmaz bir öğe. Öte yandan Dünya’daki oksijenin varlığının sonsu-za kadar süreceğine ilişkin bir garanti ne yazık ki yok. Atmosferdeki her bir oksijen molekülünün oluşabilmesi için yaklaşık 450 kilo Joule’lük foton ener-jisine gereksinme var. Dört milyon yılda yenilenen oksijen moleküllerinin gü-nümüz atmosferindeki sayısının 4x1019
dolayında olduğu göz önünde tutulur-sa, bu oluşumun ne kadar büyük bir enerjiye gereksinim duyduğu kolayca anlaşılır. Neyse ki doğa Dünya’daki ya-şamın gelişmesi için inanılmaz bir ener-ji kaynağını sağlamayı sürdürüyor. Ter-si bir durumu hiç kimse hayal bile et-mek istemez, değil mi?
Serpil Yıldız
Kaynaklar
P. G. Falkowski, Y. Isozaki, The Story of O2, Science, 24 Ekim 2008.
R. A. Kerr, The Story of O2, Science, 17 Haziran 2005.
A. Zülal, O2’nin Öyküsü, Bilim ve Teknik Dergisi, Eylül 2001.
www.wikipedia.org
İrlanda kıyılarındaki mikroskopik su yosunu patlamaları
