Siyanobakteriler, atmosferik oksijeni ilk kez ortaya çıkardıkları için Dünya tarihinde kilit bir türdür. Bu nedenle evrimlerinin analizi, modern aerobik ekosistemlerin oluşumuna dair önemli bilgiler sağlamaktadır. Uzun bir süre boyunca, 2-metilhopanlar olarak adlandırılan belirli bir fosil lipid türünün, bazıları yüz milyonlarca yıllık olan tortulardaki Siyanobakteriler için önemli bir biyomarker olduğu düşünülmüştür.
Ancak, sadece Siyanobakterilerin değil aynı zamanda Alfaproteobakterilerin de genetik olarak bu lipitleri üretebildiği ortaya çıkınca bu durum şüpheye düştü.
GFZ Alman Yerbilimleri Araştırma Merkezi’nden Yosuke Hoshino ve Bremen Üniversitesi MARUM-Deniz Çevre Bilimleri Merkezi’nden Benjamin Nettersheim liderliğindeki uluslararası bir araştırma ekibi, HpnP de dahil olmak üzere 2-metilhopan için ana lipitlerin sentezinden sorumlu genlerin filogenetik çeşitliliğini ve dağılımını inceledi. Araştırmacılar, bu genlerin belirli organizma grupları tarafından ne zaman edinildiğini deşifre etti.
HpnP’nin muhtemelen iki milyar yıldan daha uzun bir süre önce Siyanobakterilerin son ortak atasında zaten mevcut olduğunu, genin ise sadece yaklaşık 750 milyon yıl önce Alfaproteobakterilerde ortaya çıktığını gösterebildiler. Bu nedenle 2 metilhopan oksijen üreten Siyanobakteriler için net bir biyomarker görevi görebilir.
Nature Ecology & Evolution dergisinde yayımlanan çalışma, genetiğin sedimantoloji, paleobiyoloji ve jeokimya ile etkileşim halinde biyomarkerlerin tanısal değerini nasıl artırabileceğini ve erken ekosistemlerin yeniden yapılandırılmasını nasıl iyileştirebileceğini gösteriyor.
Siyanobakterilerin Dünya Tarihindeki Önemi
Siyanobakteriler, Dünya’nın başlangıçtaki oksijensiz durumundan giderek daha karmaşık yaşamın mümkün olduğu modern, oksijen bakımından zengin bir sisteme dönüşmesinde çok önemli bir rol oynamıştır.
Siyanobakteriler muhtemelen inorganik maddeleri organik maddelere dönüştüren (birincil üreticiler olarak adlandırılan) ve Prekambriyen’in (Dünya tarihinin başlangıcından yaklaşık 540 milyon yıl öncesine kadar olan ilk dört milyar yılı) uzun bir bölümünde oksijen üreten tek ilgili organizma grubuydu.
Bu nedenle, evrimlerinin analizi, yaşamın ve Dünya’nın ortak tarihinin anlaşılması açısından büyük önem taşımaktadır.
Fosil Lipitlerin Biyomarker Olarak Önemi
Prensip olarak, bütün Siyanobakterilerin fosil kalıntıları jeolojik geçmişte oksijenik fotosentezin varlığının bir göstergesi olarak hizmet edebilir. Ancak, fosil siyanobakteriyel hücrelerin tanınmasındaki koruma önyargıları ve belirsizlikler nedeniyle, jeokimyagerler 2-metilhopanlar gibi fosilleşmiş tanısal lipidleri kullanmaktadır.
2-Metilhopanoidler (fosilleşmemiş ana moleküller) bakteriler tarafından üretilir ve bakterilerin aksine yüz milyonlarca yıl sonra bile iyi kalitede ve orijinal oluşumlarına karşılık gelen miktarlarda tortul kayaçlarda fosilleşebilir ve tespit edilebilir.
Bununla birlikte, son zamanlarda 2-metilhopanın Siyanobakteriler için bir biyomarker olarak uygunluğu konusunda şüpheler bulunmaktadır. Lipid biyosentez geninin keşfi, Alfaproteobakterilerin de bu lipidleri üretebildiğini ortaya çıkarmıştır. Bu da 2-metilhopanlarla Dünya’daki oksijen üreten süreçlerin zamansal olarak izlenmesinin artık mümkün olmadığı anlamına geliyor.
Yeni Bir Yaklaşım: Yeni, Yüksek Saflıkta Sediment Analizleri İle Birleştirilmiş Kapsamlı Genetik Analiz
GFZ Bölüm 3.2 “Organik Jeokimya” bilim insanları Yosuke Hoshino ve Christian Hallmann ile Bremen Üniversitesi MARUM’dan Benjamin Nettersheim liderliğindeki uluslararası bir araştırma ekibi, 2-metilhopanoid üretimi için gerekli genlere (SC ve HpnP genleri olarak kısaltılır) Siyanobakteriler dışında hangi organizmaların sahip olduğunu ve evrim sürecinde bu genleri ne zaman edindiklerini sistematik olarak araştırdı.
Bu şekilde ekip, fosil lipid 2-metilhopanın, 750 milyon yıldan daha eskiye dayanan zamanlar için Siyanobakterilerin varlığı için hala net bir biyomarker olarak kullanılabileceğini gösterebildi.
Buna ek olarak araştırmacılar, Dünya tarihi boyunca 2-metilhopan üretiminin entegre bir kaydını oluşturdular. Bunun için moleküler verilerini yüksek saflık koşulları altında gerçekleştirilen yeni sediment analizleriyle birleştirdiler.
Hoshino, “Önerdiğimiz yöntem prensipte jeolojik arşivlerdeki herhangi bir organik maddeye uygulanabilir ve farklı ekosistemlerin evrimini öncekinden çok daha yüksek zamansal ve mekânsal çözünürlükle izlemek için büyük bir potansiyele sahiptir” diye özetliyor.
Metodoloji I: Genetik Analiz için Hesaplamalı Çalışma
Genetik ilişkilerin analizi için Hoshino, SC ve HpnP genlerine sahip organizmalar için milyonlarca gen ve protein sekansı içeren kamuya açık veri tabanlarını araştırdı.
Bu genetik veri setine dayanarak, SC ve HpnP genlerinin farklı organizmalar arasında nasıl aktarıldığı ve gen aktarımının kalıtım yoluyla dikey olarak mı yoksa evrimsel olarak ilgisiz organizmalar arasında yatay olarak mı gerçekleştiği hakkında bilgi sağlayan filogenetik ağaçlar oluşturdu.
Araştırmacılar ayrıca, DNA mutasyon oranını dikkate alan ve gen evrimi için zaman çizelgesini tahmin eden moleküler saat tekniğini kullanan önceki çalışmaları karşılaştırarak genlerin evrimsel tarihinde bireysel gen transferlerinin ne zaman gerçekleştiğini de belirleyebildi.
Metodoloji II: Yeni Tip Ultra-temiz Numune Hazırlama
Ayrıca, Prekambriyen biyomarker kayıtları kontaminasyona karşı son derece hassas olduğundan, araştırmacılar sediment karotlarından organik madde çıkarmak için ultra temiz bir yöntem kullandılar. Karot şeklindeki jeolojik örnekler 16 ülkeden çok sayıda ortak yazar tarafından toplanmıştır. Paleoproterozoik dönemden (2,5 milyar yıl önce) günümüze kadar farklı jeolojik dönemleri temsil etmektedirler. 2-metilhopanların nispi bolluğu daha sonra organik maddede ölçülmüştür.
Sonuçlar
Hem SC hem de HpnP genlerine sahip olan birçok bakteri vardır ancak bunlar çoğunlukla Siyanobakteriler ve Alfaproteobakterilerdir. Her iki grubun da bu iki geni bağımsız olarak edindiği tespit edilmiştir.
Bu durum, Siyanobakterilerin bu genleri evrimlerinin geç bir aşamasında Alfaproteobakterilerden aldığı sonucuna varan daha önceki çalışmaların aksine bir durumdur. Yeni çalışma ayrıca, Siyanobakterilerin ortak atasının, Büyük Oksidasyon Olayı olarak adlandırılan dönemde atmosferde oksijen birikmeye başladığında, 2,4 milyar yıldan daha uzun bir süre önce her iki gene de sahip olduğunu ortaya koydu.
Buna karşılık, Alfaproteobakteriler SC ve HpnP genlerini en erken sadece 750 milyon yıl önce edinmiştir. Bundan önce 2-metilhopanoidler sadece Siyanobakteriler tarafından üretiliyordu. Araştırmacılar, yaklaşık 600 milyon yıl önce sediment 2-metilhopanların biraz gecikmeli artışını, ökaryotik alglerin eş zamanlı evrimsel yükselişini desteklemiş olabilecek Alfaproteobakterilerin küresel yayılımının bir işareti olarak yorumluyor.
Özet
Hoshino, “Yukarıda bahsedilen bireysel analitik yöntemler yeni değil, ancak daha önce çok az araştırmacı SC ve HpnP için kapsamlı analizler yapmaya ve genetik verileri sediment biyomarker verileriyle entegre etmeye çalıştı çünkü bu tamamen farklı iki bilimsel disiplini (moleküler biyoloji ve organik jeokimya) birleştirmeyi gerektiriyor” dedi.
Christian Hallmann ise şunları ekliyor: “Sediment 2-metilhopanların kaynağı uzun süredir tartışılan bir konu olmuştur. Bu yeni çalışma sadece 2-metilhopanların tanısallığı ve Siyanobakterilerin derin zamandaki rolü hakkında netlik sağlamakla kalmıyor; metodolojisi, biyosentez genleri bilindiğinde teorik olarak herhangi bir biyomarker lipidin tanısallığını iyileştirmek için yeni bir yol sunuyor”. [1]“Genetic methods enable the use of fossil lipids as biomarkers for oxygen-producing primordial bacteria” yazısından çevrilmiştir.[2]Öne çıkan görsel
[cite]
Kaynaklar ve İleri Okuma
| ↑1 | “Genetic methods enable the use of fossil lipids as biomarkers for oxygen-producing primordial bacteria” yazısından çevrilmiştir. |
|---|---|
| ↑2 | Öne çıkan görsel |
