Uzaktan, Biyosfer 2, Pırıltılı bir vaha, cam ve parlak beyaz yapılar kolonisi gibi Sonoran Çölü’nün kaktüsünden ve kreozotundan ortaya çıkar. Arizona, Tucson’un hemen dışında olmasına rağmen, neredeyse başka bir gezegende bir koloniye benziyor.
Tesisin 100.000 yıllık ziyaretçilerinden biri içeri girdiğinde, 50 yeşillikte parıldayan ve yaşamla dolu bir tropikal yağmur ormanından minyatür, deneysel bir okyanusa kadar bütün bir dünya görüyorlar. Turun sonuna doğru, ziyaretçi, hayatın kendisini eski bir Arizonan yanardağından yayılmış ezilmiş volkanik kaya üzerinde kurmak için mücadele ettiği Peyzaj Evrim Gözlemevi adı verilen nispeten kısır görünümlü bir deneye geliyor.
Hayatın zorlu bir manzarayı kolonileştirdiği ve dönüştürdüğü bu kaya yamaçları, ekibimizin insanlığın geleceğinin anahtarı olduğunu düşündüğü – hem yeryüzünde hem de nihayetinde diğer dünyalarda.
Biyosfer 2 ilk olarak 1990’ların insan deneyi olarak ünlü oldu ve iki yıl boyunca 3 dönümlük çeşitli ekosistemlerinde sekiz araştırmacıyı mühürledi. Amaç, uzayda insan yaşamını korumak için kapalı bir ekolojik sistemin uygulanabilirliğini denemekti. Bugün, biz olan küresel bir değişim ekologu, bir gökbilimci ve mikrobiyal biyojeokimya konusunda uzmanlaşmış bir doktora öğrencisi, meslektaş ekibimizle birlikte – biyosfer 2’yi yaşamları yerel bölgelerden tüm gezegenlere nasıl dönüştürdüğünü anlamak için bir test yatağına dönüştürdük.
Biyolojik çeşitliliği korumaya, tatlı suya erişim ve gıda güvenliğine yardımcı olmak için öğrendiklerimizi kullanmayı umuyoruz. Bu sorunları ele almak için toprak, kayaların, su ve mikropların birlikte manzaraların dönüşümünü yerelden gezegensel ölçeklere nasıl yönlendirdiğini anlamalıyız.
Dünyanın ötesinde, aynı ilkeler terraformasyon zorluğu için geçerlidir: diğer dünyaları yaşanabilir hale getirme bilimi.
Dünyadaki Yaşam Dünyayı Nasıl Etkiler?
Hayat sadece Dünya’nın yüzeyinde oturmaz. Organizmalar gezegenin jeolojisini ve atmosferin bileşimini derinden etkiler. Biyoloji, çorak ortamları yaşanabilir ekosistemlere dönüştürebilir.
Bu, oksijen üreten fotosentez kullanan ilk mikroskobik organizmalar olan siyanobakterilerin evrimi ile oldu. Siyanobakteri, 2 milyar ila 3 milyar yıl önce atmosfere oksijeni pompaladı.
Atmosferik oksijen, aerobik veya oksijen kullanma, solunum adı verilen yeni bir süper şarjlı yaşam metabolizmasını sağladı. Aerobik solunum o kadar çok enerji üretti ki, organizmaların yaşam için gereken enerjiyi yapması için baskın bir yol haline geldi ve sonunda çok hücreli yaşamı mümkün kıldı.
Ek olarak, fotosentezleme siyanobakterileri tarafından üretilen oksijen, üst atmosfere de yol açtı ve ozon olarak bilinen başka bir oksijen oluşturdu, bu da toprak yüzeyini sterilize eden ultraviyole radyasyondan koruyarak, yaşamın karaya genişlemesine izin verdi.
Biyoloji, 400 milyon yıl önce toprağa genişleyen yaşam, ayrışma olarak bilinen kimyasal ve jeolojik sürece biyolojik bir destek verdiğinde gezegeni tekrar dönüştürdü. Ayaktan, atmosferdeki karbondioksit, bitkileri ve diğer canlı organizmaları destekleyebilecek besinlerle dolu topraklar yaratmak için Dünya yüzeyinde (kayalar, mineraller ve su gibi) kimyasal olarak reaksiyona girdiğinde ortaya çıkar.
Yeryüzünde, ayrışma ilk olarak tamamen fiziksel ve kimyasal süreçlerle yönlendirildi. Bununla birlikte, bitkiler okyanuslardan karaya genişledikten sonra, kökleri, ayrışma reaksiyonlarının en güçlü olduğu toprağa karbondioksit enjekte etti. Bu işlem atmosferden karbondioksit emdi. Atmosferdeki daha düşük karbondioksit seviyeleri daha sonra toprakları soğutdu, bir Hothouse gezegenini bugün hayatın zevk aldığı gibi daha ılıman bir iklime sahip birine dönüştürdü.
Organizmalar yeni manzaraları nasıl kolonize ediyor
Yaşam yeni, daha önce çorak bir manzarayı kolonize ettiğinde, birincil ardıllık sürecini başlatır. Bu süreçte, ilk biyolojik organizmalar – sıklık mikropları – yeni çevrelerine uyduklarında karmaşıklık ve biyolojik çeşitlilikte artan farklı organizmalardan oluşan etkileşen topluluklara yöneliktir.
Bu mikroplar, metabolit adı verilen organik moleküller üretmek için fotosentez ve solunum yoluyla hava ile reaksiyona girer. Metabolitler toprağı değiştirerek daha büyük bitkileri desteklemesine izin verebilir. Daha sonra ortaya çıkan daha büyük bitkiler, su akışını düzenleyen ve ayrışmaya katkıda bulunan kökler ve yapraklar gibi karmaşık yapılara sahiptir. Sonunda, insanlar bu bitkilerin bazılarını gıda bitkileri için evcilleştirebilir.
Biosphere 2’nin Peyzaj Evrim Gözlemevi, ayrışma ve birincil ardıllığın birlikte nasıl çalıştığına dair dikkatli bir çalışma için idealdir. Bu süreçler her ikisi de küçük, moleküler ölçekte gerçekleşir, ancak sadece geniş alanlarda önemli olarak ortaya çıkar.
Peyzaj Evrim Gözlemevi, dünyadaki herhangi bir deneyden daha büyük ve neredeyse her doğal ortamdan daha basit ve tekdüze olan ezilmiş kaya topraklarından daha büyük yamaçlara sahiptir. Bu özellikler, moleküler ölçümlerin, daha büyük yamaçlardaki farklı yerlerde bile tutarlı ve anlaşılabilir olduğu anlamına gelir.
Gözlemevi, verimli toprak yerine ezilmiş kaya ile dolu üç dev tepsi şekilli, eğimli ekiciler gibi görünen 300 metrekarelik üç tepeden oluşur. Üzerine düşen yağmur yüzeye ısırır ve kimyasal ve biyolojik içeriği için yakalandığı ve dikkatlice ölçüldüğü alt kenar boyunca sürülme eğiliminden aşağı akar.
Mikropların ve basit bitkilerin nasıl daha büyük, başlangıçta çıplak, ezilmiş kaya yamaçlarına yayıldığını anlamak için biyolojik araçlar kullanıyoruz. Bu teknikler, bir yamaçtaki tüm mikrobiyal yaşam formlarını tanımlayabilen metagenomik ve mikropların ve bitkilerin birbirleriyle ve çevreleriyle etkileşimlerinde ürettiği ve kullandığı organik moleküllere bakabilen metabolomikleri içerir.
Bunları bir araya getirerek, fotosentezleme bakterileri kolonilerinin manzara evrim gözlemevinde ardıllık başlattığını görüyoruz. Kritik olarak, bu siyanobakteriler – Dünya oksijen veren aynı organizmaların katkıları – temel besin, azotu havadan yakalar. Azot birikmesi, yosunların – köksüz sıklık bitkilerinin – onlara katılmak için yolunu açar.
Bu bakteri-çoğunluk toplulukları artık gözlemevinin yamaçları boyunca yavaş yavaş yayılıyor ve bir sonraki aşamaya yol açıyor: köklü daha büyük bitkiler tarafından kolonizasyon.
Hayatın kendini nasıl kurduğunu ve daha sonra cansız manzaralar üzerinde nasıl geliştiğini öğrenerek, bilim adamlarının bugün karşılaştığı kilit sorunları ele almak için içgörü kazanacağız. Örneğin, yeni bir manzaradaki yaşam formları başarılı bir şekilde yayıldığında ve çeşitlendiğinde, biyolojik çeşitliliğin nasıl korunduğunu söylerler.
Organizmaları yayanlar bir manzara su kullanma şeklini dönüştürdüğünde, bize su kullanmamız gerektiği konusunda bize dersler veriyorlar. Ve bitkiler stresli koşullar altında üretken olmanın bir yolunu bulduklarında, bize kendi bitkiye bağlı gıda güvenliğimizi artırmak için örnekler veriyorlar.
Mars için çıkarımlar
Dünya bulgularımızı uygulayabileceğimiz tek gezegen değil. Bugün, Mars, Dünya’nın aksine, kısır, cansız bir çöl. Ancak bir zamanlar daha sıcak, daha ıslaktı ve erken Dünya gibi, birkaç milyar yıl önce ilkel canlı organizmalara ev sahipliği yapmış olabilir.
Peyzaj Evrim Gözlemevi’ndeki kaya bir Arizona yanardağından gelirken, bazalt Ay ve Mars’ın yüzeyinde bulunan aynı tür bir kaya.
Amerika Birleşik Devletleri ve Çin gibi ülkeler insanları Mars’a indirmeyi planlıyor ve SpaceX şirketi, orada bir milyon kolonist göndermeyi planlıyor. İnsanlar kırmızı gezegenin yüzeyinde bitki yetiştirmeyi umuyorlarsa, erken ardıllık yaratmayı öğrenmek çok önemli olacaktır.
Mars kolonizasyonu büyük ve sürdürülebilir bir ölçekte gerçekleşmeden önce, ilk adım bitkileri büyütmek ve insan hayatı için yiyecek yaratmaktır. Yani, “Marslı” filmindeki aktörden sonra “Matt Damon problemi” olarak adlandırılabilecek şeyi çözmeliyiz. Hayatta kalabilmek için karakteri, Mars’ta gıda bitkilerini – patatesleri – büyütmeyi hızlı bir şekilde öğrenmek zorunda kaldı.
Matt Damon’un karakteri muhtemelen bugünün gerçek Mars’ında hayatta kalmazdı, çünkü regolit olarak adlandırılan kaya benzeri yüzeyi, patates için perklorat veya toprak benzeri bitkilerin çoğu büyümesi gibi tuzlar ve toksik kimyasallarla dolu.
Peyzaj Evrim Gözlemevi’nde, Mars ortamlarını Mars benzeri toprakları detoksifiye etmek için ne alacağını sormak için simüle eden odalardaki deneylere odaklanıyoruz, böylece mikrop ve bitkilerin orada yaşayabilmeleri.
İlk bir yaklaşım, perkloratın zararsız klorüre dönüştürülmesi için dünyadaki aşırı ortamlardan alınan perklorat azaltıcı bakterileri kullanmaktır.
Bu şekilde, Biosphere 2’deki deneyler terraforming Mars bilimini bilgilendiriyor. Mars’ı sıvı suyu sürdürmek için yeterince sıcak hale getirmenin yollarını bulmak gibi diğer alanlarda yapılan ilerlemelerle birlikte, Dünya’daki çorak ortamları restore etmek, Mars’ta bir gün yaşamanın anahtarı olabilir.
