Atmosferden nadir bir gazı çekip katı ahşaba dönüştürmek, tüm yaprak sihirbazlarının en büyük mucizesidir. Sanayi devriminden önce yapraklar bu başarıyı, günümüzdeki seviyenin yarısı olan yalnızca yüzde 0,02'lik bir karbondioksit konsantrasyonuyla elde ediyordu. Her yetenekli sihirbaz gösterisine bir hikâye örer ve bitkiler, her ne kadar niyetten yoksun olsalar da, fotosentezin imza niteliğindeki bu hünnerini sergilerken bundan farklı değildir.
Bu anlatı, genetik kodda yazılı bir evrimsel tarihi gözler önüne serer; ancak senaryo, onu bulmayı bekleyebileceğiniz yer olan bitkinin kromozomlarıyla hücre çekirdeğinde kayıtlı değildir. Fotosentezin tarihi, her yeşil bitki hücresinin içinde yüzen yüzlercesi bulunan kloroplast adı verilen minik cisimciklerde gizlidir. Yaprakları yeşil yapan klorofil pigmentini içerenler kloroplastlardır ve fotosentez sihirbazlığı kloroplastların içinde gerçekleşir.
Yapraklar, doğal seçilim tarafından onları ışığa sergilemek, ihtiyaç duydukları ham maddeleri sağlamak ve ardından ürettikleri şekeri ellerinden almak üzere tasarlanmış kloroplast vitrinleridir. Soyma terimini bilerek kullanıyorum çünkü kloroplastlar bitkilerin esirleridir. Esaretin en net kanıtı, kloroplastların kendilerini çoğaltmak için kullandıkları kendi DNA'larına sahip olmalarıdır; ancak sürece temel olan pek çok gen uzun zaman önce bitki çekirdeğine taşındığı için bir bitki hücresinden bağımsız olarak çoğalamazlar. Karbon yakalamanın tüm kozlarını elinde tutan kloroplastlar nasıl oldu da esir düştü?
Pek çok cinayetin adli tıp çözümünde olduğu gibi, bu evrimsel gizemin çözümü de DNA'da bulunuyor. Kloroplastta kalan DNA, birçoğu toprakta veya suda bağımsız hayatlar süren siyanobakteri adı verilen fotosentetik bir mikroorganizma grubuyla akrabalık ortaya koyuyor. Kloroplast genlerinin anlattığı hikâyeye göre, karasal bitkilerin alg ataları ile bir siyanobakteri arasındaki ilişki yaklaşık 1,5 milyar yıl önce başladı. Tam olarak ne olduğunu araştırmak zordur; ancak iki şüphelinin güçlerini birleştirmeden önce nasıl göründüklerine dair bir eşkal çizmek için yeterli genetik kanıt korunmuştur.
Her ne kadar niyetten yoksun olsalar da bitkiler, fotosentezin imza niteliğindeki hünerini sergilerken bundan farklı değildir.
Henüz fotosentetik hale gelmemiş olan alg ortağı, muhtemelen bakterilerle beslenen, belki de amiplerin günümüzde bakterileri yutup yutması gibi beslenen bir hücre olmalıydı. Günümüzdeki alg hücreleri, herhangi bir şeyi yutmalarını engelleyen katı bir hücre duvarına sahiptir, ancak aradığımız şeye uyanCymbomonas tetramitiformisisimle ilkel bir tür keşfedilmiştir. Bu alg, gelişiminde katı bir hücre duvarından yoksun olduğu ve bakterileri yuttuğu bir aşamadan geçer. Kloroplast atasının, yutanın yutulanı olarak genetik açıdan en yakın eşleşmesi, acı ve tatlı sularda kayalara yapışmış olarak yaşayan Gloeomargarita lithophoraisimli bir siyanobakteridir. Böyle fotosentetik bir bakterinin alg atası tarafından kayalardan otlanarak nasıl yenmiş olabileceğini hayal etmek kolaydır. Belki de ilk öğünler sindirilmişti, ancak sindirimi zayıf olan algler, siyanobakterilerin fotosenteze devam etmesine izin verilirse daha besleyici olduklarını keşfetti. Neyse ki bu hipotezi bir mahkeme salonunda kanıtlamak zorunda değiliz, ancak tanımladığım gibi senaryolar günümüzde deniz salyangozlarında bilinmektedir. Bu yumuşakçalar, yeşil alglerden kloroplastları emer ve fotosentetik bir enerji kaynağı olarak hücrelerinin içinde aylarca sindirilmemiş halde tutarlar.
Atasal bir alg ile bir siyanobakterinin güçlerini birleştirdiği bu ilişki, birlikte yaşamak anlamına gelen simbiyoz olarak bilinir. Kloroplastların simbiyotik doğasından ilk kez on dokuzuncu yüzyılda şüphelenilmiş olsa da, genel kabul görmesi ancak 1960'ların sonunu bulmuştur. İçinde bulunduğumuz yüzyılda, gen dizilimlerini bu sayfadaki kelimeleri okuduğumuz kadar kolay okumamızı sağlayan araçlara sahip olduğumuz için başka bir sürpriz gün ışığına çıktı. Siyanobakterilere ve onların kloroplast torunlarına özgü oksijen üreten fotosentez genlerinin, siyanobakterilerden daha eski olduğu ortaya çıktı, ancak ilk siyanobakteriler görünüşe göre fotosentetik değildi. Bunun anlamı ne olabilir? Buna bir yanıt olarak favori bir benzetmem var. Ailemde hiç kimse daha önce şapka takmadı, ancak ben gerçekten eski, nostaljik bir şapka takıyorum. Bu şapkayı nasıl edindim?
Şapka benden daha eski, yani onu ben yapmış olamam ve miras da almadım, o halde onu Yatay Şapka Aktarımı yoluyla elde etmiş olmalıyım. Siyanobakteriler fotosentez genlerini sıfırdan evrimleştirmediler, onları yatay gen transferi yoluyla edindiler. Bu, genlerin ebeveynlerden kalıtım dışındaki bazı süreçlerle edinilmesidir. Bakteriler arasında son derece yaygındır ve örneğin antibiyotik direnci genlerinin hızla yayılmasından sorumludur.
