Dünyanın gerçek biyoçeşitliliği gözle görülmüyor: Mikrobiyal çeşitlilik

Bugün biyoçeşitliliği korumaya yönelik çalışmalar çoğunlukla gözle görülebilen canlı grupları üzerinde yoğunlaşsa da, ekosistemlerin sürdürülebilirliği için mikroorganizmalar da önemli rol oynamaktadır.

Dr. Hacer Aslan

Biyoçeşitlilik denildiği zaman aklımıza ormanlar, hayvanlar ve bitkiler gelir. Ancak gezegendeki yaşamın en önemli parçasını, gözle göremediğimiz mikroorganizmalar oluşturur. Toprakta, okyanuslarda ve bedeninizde var olan mikrobiyal çeşitlilik; ekosistemlerin sürdürülebilirliğinden iklim dengesine kadar bir çok süreçte kritik rol oynamaktadır.

Görünmeyen bir gezegenin üzerinde yaşıyoruz

Biyoçeşitlilik kavramından bahsedildiğinde zihnimizde hep; ormanlar, kuş türleri, memeliler, sürüngenler, balıklar, mercan resifleri canlanır. Doğayı koruma kampanyalarının odak noktaları da pandalar, kutup ayıları veya kaplanlardır.  Bunun nedeni insan zihninin büyük ve görünür olanı merkeze almaya eğilimli olmasıdır. Oysa gezegenimizin en büyük biyoçeşitliliğini, çıplak gözle göremediğimiz mikroorganizmalar oluşturur. 

Mikroorganizmalar; bakteriler, virüsler, mantarlar ve parazitler gibi dört temel kategoriden oluşan oldukça kapsamlı bir canlılık sınıfıdır. Mikroorganizmalar denildiğinde akla ilk olarak hastalıklar gelse de, aslında bu mikroskobik canlılar azot döngüsünden, fermentasyon süreçlerine kadar birçok noktada önemli işlevlere sahiptir ve bu nedenle de ekosistemlerin önemli bir parçasıdır.

Günümüzde, Dünya üzerindeki toplam mikrobiyal hücre sayısının yaklaşık 10³⁰ olduğu tahmin ediliyor. Bu olağanüstü büyüklük ise gezegendeki mikrobiyal baskınlığı ortaya koymaktadır. Ancak bu sayı sadece buzdağının görünen yüzüdür. Mikroorganizmaların tamamının kültürle belirlenemiyor olması ve yalnızca kültürde gelişebilen mikroorganizmaların belirlenmesi, bu sayıyı tahmin edilebilenin çok daha üzerine taşımaktadır.

Dünya’nın ilk hakimleri: Mikroorganizmalar

Mikroorganizmalar yalnızca günümüzde yaşamın içinde olan yaşam formları değil, Dünya’nın milyarlarca yıllık tarihininin de en eski tanıklarıdır. Yaklaşık 3,5 milyar yıl önce ortaya çıktığı düşünülen mikroorganizmaların; gezegendeki ilk canlılar olduğu düşünülmektedir.

Dünya’nın ilk atmosferi, bugün soluduğumuz oksijenli havadan oldukça farklıydı; atmoferde serbest oksijen bulunmamaktaydı ve atmosferi metan, karbondioksit ve azot gazları oluşturmaktaydı. Okyanuslarda bulunan fotosentetik siyanobakterilerin ürettikleri oksijen ise, milyonlarca yıl süren oksijen birikimine yol açarak bu dengeyi değiştirmiştir ve Büyük Oksidasyon Olayı’na zemin hazırlamıştır. Günümüzde, Büyük Oksidasyon Olayı; dünya tarihinin en önemli biyolojik süreçlerinden biri olarak kabul edilmektedir. Bunun nedeni ise, artan kullanılabilir oksijen miktarının daha karmaşık canlı formlarının ekosistem içinde kendine yer bulabilmesini mümkün kılmasıdır.

Yaşamın kimyasal döngülerini mikroorganizmalar yönetiyor

Yaşamın sürdürebilirliği için sadece canlıların varlığı değil, elementlerin döngüsü de önemlidir. Atmosferde bulunan bu elementlerin döngüsünde ise mikroorganizmalar rol oynamaktadır.

Karbon döngüsü; bakterilerin ve mantarların işbirliğinde organik maddelerin parçalanıp karbonun yeniden doğaya kazandırılmasıyla gerçekleşmektedir. Bu mikroorganizmalar sayesinde organik atıklar doğada birikmemiş ve karbon tekrar doğaya kazandırılır. Azot döngüsünde ise, azot bağlayıcı bakteriler; atmosferdeki kullanılmayan formda bulunan azotu, canlıların kullanabileceği formlara dönüştürerek ekosisteme kazandırır. Azot, protein sentezi ve hücresel işleyiş için kritik öneme sahiptir.  

Toprak: Görünenden çok daha fazlası

Toprak denildiğinde aklımıza bitkilerin yetiştiği yüzey gelse de; toprak düşünülenden çok daha fazlasıdır. Verimli bir toprak, son derece karmaşık ve yoğun bir biyolojik yaşam alanıdır. Bir gram toprak içerisinde milyarlarca bakteri, binlerce mantar türü, protozoalar, mikroalgler ve virüsler bulunabilmektedir. Bu canlılar arasında sürekli bir rekabet, iş birliği ve metabolik alışveriş gerçekleşmektedir. Yani toprak içerisinde çok dinamik bir süreç vardır. Ne yazık ki, modern tarım uygulamaları, yoğun pestisit kullanımı ve kimyasal gübreleme sonucunda topraktaki mikrobiyal çeşitlilik azalmaktadır. Bu durum ise tarımsal verim kaybı yanında ekolojik dayanıklılığın da azalması anlamına gelmektedir.

Okyanusların mikroskobik akciğerleri: Mikroorganizmalar

Okyanuslar; Dünya yüzeyinin yaklaşık yüzde 70’ini kaplarlar ve gezegenin en büyük mikrobiyal yaşam alanıdır. Büyük Oksidayon Olayı’nda siyanobakterilerin rolünden bahsetmiştik. Siyanobakteriler ile beraber fitoplanktonlar da okyanusların ev sahipliği yaptığı, küresel oksijen üretiminde önemli role sahip olan mikroorganizmalardır. Günümüzde, atmosferde bulunan oksijenin yaklaşık yarısının denizel fotosentetik mikroorganizmalar tarafından üretildiği düşünülmektedir. Bu mikroorganizmalar, diğer taraftan da karbon döngüsün de önemli bir parçası olup, iklim değişikliğinin yavaşlaması için kritik öneme sahiptir.

İnsan bedeni: Mikroorganizmalarla ortak evrim

İnsan vücudu, yalnızca tek bir organizma olarak değil, trilyonlarca mikroorganizmanın birlikte yaşadığı dinamik bir ekosistem olarak değerlendirilir. Deri, ağız boşluğu, solunum yolları ve özellikle bağırsaklar; bakteriler, arkeler, mantarlar ve virüslerden oluşan zengin mikrobiyal topluluklara ev sahipliği yapar. Bu topluluklar belirli ekolojik ilişkiler ve denge mekanizmaları içinde organize olmuş “mikrobiyom” adı verilen bütüncül bir yapı oluşturur.

Mikrobiyomun en büyük parçasını bağırsak mikrobiyotası oluşturmaktadır. Bağırsakta bulunan mikroorganizmalar, insan enzimlerinin parçalayamadığı karbonhidratları fermente eder. Ayrıca bu mikroorganizmalar, K vitamini ve bazı B grubu vitaminlerin sentezine katkıda bulunarak beslenme fizyolojisinde tamamlayıcı ve kritik bir rol üstlenirler.

Bağırsak mikrobiyotasının rolü yalnızca sindirim süreçleriyle sınırlı değildir. Bağışıklık hücrelerinin gelişimi ve olgunlaşması, inflamatuar yanıtların dengelenmesi ve patojen mikroorganizmaların baskılanması da bağırsak mikrobiyotasındaki organizmalar tarafından sağlanır.

Ancak bu hassas denge, modern yaşam tarzından olumsuz etkilenir. Geniş spektrumlu ve kontrolsüz antibiyotik kullanımı, bağırsak mikrobiyotasında tür çeşitliliğinin azalmasına yol açar. Ayrıca, lif açısından yetersiz ve yüksek oranda işlenmiş gıdalara dayalı beslenme de, yararlı mikroorganizmaların azalmasına neden olabilir. Bu değişimler ise genel metabolik sağlık üzerinde geniş kapsamlı etkiler oluşturur.

İklim krizinin görünmeyen boyutu

İklim değişikliği yalnızca buzulların erimesi, kuraklık ya da deniz seviyesindeki yükselme gibi olaylarla sınırlı değildir; bu süreçten mikroskobik yaşam da derinden etkilenmektedir. Sıcaklık artışı, nem değişimleri gibi sonuçlar mikrobiyal toplulukların yapısının, yoğunluğunun ve işlevinin yendien düzenlenmesine yol açmaktadır. Sonuç olarak ise; karbon ve azot gibi temel elementlerin döngülerinde ortaya çıkan hızlanma veya yavaşlama ile ekosistemlerin etkilenmesine neden olmaktadır. Örneğin; metan üretiminde rol oynayan anaerobik mikroorganizmalar, özellikle sıcaklık artışına duyarlıdır ve uygun koşullarda daha yüksek gaz üretimine yol açabilmektedir. Buna bağlı olarak organik maddenin daha hızlı ayrışması, karbonun toprakta tutulma süresini azaltarak atmosferdeki CO₂ düzeylerinin artmasına neden olmaktadır. Ayrıca; permafrost bölgeler de bu süreç açısından kritik bir öneme sahiptir. Uzun süre donmuş halde kalan organik karbon, buzulların çözülmesiyle birlikte yeniden mikrobiyal parçalanmaya açık hale gelmektedir. Bu ortamda daha önce inaktif durumda bulunan mikroorganizmalar yeniden aktifleşmektedir ve karbon dioksit ile metan gibi sera gazlarının atmosfere salınmasına neden olmaktadır.  

Sonuç

Bugün biyoçeşitliliği korumaya yönelik çalışmalar çoğunlukla gözle görülebilen canlı grupları üzerinde yoğunlaşsa da, ekosistemlerin sürdürülebilirliği için mikroorganizmalar da önemli rol oynamaktadır. Toprakta, okyanuslarda, atmosferde ve insan vücudunda bulunan mikroorganizmalar; besin döngüleri, enerji akışı ve iklim düzeni gibi temel süreçlerin işleyişinde kritik öneme sahiptir. Bu nedenle biyoçeşitliliğin korunması için yaşamın tüm katmanlarını kapsayan ve mikrobiyal dünyayı da merkeze alan bütüncül bir ekolojik bakış açısına gereksinim vardır.

Kaynaklar

1. Whitman WB, Coleman DC, Wiebe WJ. Prokaryotes: The unseen majority. PNAS, 1998.
2. Bar-On YM, Phillips R, Milo R. The biomass distribution on Earth. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 2018.
3. Rappé MS, Giovannoni SJ. The uncultured microbial majority. Annual Review of Microbiology, 2003.
4. Nisbet EG, Sleep NH. The habitat and nature of early life. Nature, 2001.
5. Lyons, T. W., Reinhard, C. T., & Planavsky, N. J. (2014). The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere. Nature, 506, 307–315.
6. Falkowski PG, Fenchel T, Delong EF. The microbial engines that drive Earth’s biogeochemical cycles. Science, 2008.
7. Kuypers, M. M. M., Marchant, H. K., & Kartal, B. (2018). The microbial nitrogen-cycling network. Nature Reviews Microbiology, 16, 263–276.
8. van der Heijden, M. G. A., Bardgett, R. D., & van Straalen, N. M. (2008). The unseen majority: soil microbes as drivers of plant diversity and productivity in terrestrial ecosystems. Ecology Letters, 11(3), 296–310.
9. Field, C. B., Behrenfeld, M. J., Randerson, J. T., & Falkowski, P. G. (1998).
   Primary production of the biosphere: integrating terrestrial and oceanic components.Science, 281(5374), 237–240.
10. Human Microbiome Project Consortium. (2012). Nature, 486, 207–214.
11. Koh, A., De Vadder, F., Kovatcheva-Datchary, P., & Bäckhed, F. (2016).
    From dietary fiber to host physiology: short-chain fatty acids as key bacterial metabolites.Cell, 165(6), 1332–1345.
12. Belkaid, Y., & Hand, T. W. (2014). Role of the microbiota in immunity and inflammation. Cell, 157(1), 121–141.
13. Cavicchioli, R., Ripple, W. J., Timmis, K. N., et al. (2019). Scientists’ warning to humanity: microorganisms and climate change. Nature Reviews Microbiology, 17, 569–586.
14. Segers, R. (1998). Methane production and methane consumption: a review of processes underlying wetland methane fluxes. Biogeochemistry, 41, 23–51.
15. Natali, S. M., et al. (2019). Large loss of CO₂ in winter observed across the northern permafrost region. Nature Climate Change, 9, 852–857.