Bitkiler karaya çıkıp gezegeni değiştirdiğinde Understand article

Author(s): Susanna Streubel
Translator(s): Keriman Gökbayrak, Alara Gül

Günümüzde bitkiler son derece çeşitli, bol ve gösterişlidir. Bununla birlikte, Dünya’daki flora ve faunada büyük bir değişiklik başlatan ilk kara bitkileri çok farklıydı.

Paleozoyik çağın başlangıcında, yani 500 milyon yıl önce, Dünya’nın yüzeyi su ve çorak kayalarla kaplıydı ve modern yaşam formları için yaşanmazdı. Atmosfer 20 kat daha fazla karbondioksit içeriyordu, ancak bugünün sadece yarısı kadar oksijen içeriyordu. Bugün Dünya’da yaşayan büyük hayvanlar için bu tür koşullar kötü haber olacaktır çünkü vücudun enerji santralleri olan mitokondrinin yaşam enerjisini sağlamak için oksijene ihtiyacı vardır. Paleozoyik çağda, bu enerji gereksinimlerini karşılayacak yeterli oksijen yoktu ve bu nedenle erken Paleozoyik zaman hayvanları küçüktü. Ayrıca su, zararlı UV ışınlarını filtrelediği için Paleozoyik zaman hayvanları çoğunlukla su ortamlarında yaşıyorlardı. Günümüzde bizi UV ışınlarından koruyan ozon tabakasının oluşması için oksijene ihtiyaç vardır. Bu, bir oksijen molekülünü (O₂) oluşturan iki oksijen atomunun güneş ışığından gelen enerjiyle ayrıldığı, fotoliz adı verilen bir süreçle başlar. Daha sonra tek bir oksijen atomu başka bir O₂ molekülü ile birleşerek ozon (O₃) oluşur:
O + O₂ → O₃
Paleozoyik’in başlarında, ozon oluşumuna izin verecek kadar oksijen mevcut değildi.

Atmosferdeki ozon (O₃), güneşten gelen zararlı UV radyasyonunu, özellikle de en zararlı türleri olan UV-C ve UV-B’yi emer.
*Resim: Taha Mzoughi/Wikimedia*, *CC BY-SA 4.0*

Karadaki fotosentez atmosferik oksijen seviyelerini yükseltti

287 milyon yıl sonra, Paleozoyik çağın sonlarına doğru, orta ve büyük hayvanlar hem suda hem de karasal habitatlarda gelişiyordu. Ne değişti?

Karadaki büyük hayvanların evrimi, atmosferik karbondioksitin tükenmesi ve kloroplast taşıyan organizmaların güneş ışığından gelen enerjiyi kullanarak karbondioksit ve suyu glukoz ve oksijene dönüştürdüğü bir süreç olan fotosentez yoluyla atmosferik oksijenin birikmesiyle mümkün olmuştur. Paleozoyik çağın başlarında fotosentez suda yaşayan siyanobakteriler ve yeşil algler tarafından gerçekleştiriliyordu. Yeşil algler tek hücreli, kolonyal ya da ipliksiydi ve su dışında hayatta kalma özelliklerine sahip değildi. Küçük boyutları ve karbondioksit ile güneş ışığının seyreltildiği suya gömülmeleri nedeniyle fotosentetik aktiviteleri düşüktü.

Jeolojik zaman içinde atmosferik oksijen konsantrasyonundaki değişimler
*© 2014 Costa, Accorsi-Mendonça, Moraes and Machado, reproduced from Ref. [1],* *CC BY 3.0*

Yaklaşık 480 milyon yıl önce, Dünya’daki fotosentetik aktiviteyi destekleyen büyük bir geçiş gerçekleşti; tatlı su algleri (karofitler), suyun dışında hayatta kalmalarını sağlayan özellikler geliştirdi. Sonuç olarak, daha fazla güneş ışığına ve karbondioksite erişebildiler ve daha verimli bir şekilde fotosentez yaparak daha fazla oksijen üretebildiler. Karada büyüyebilen ilk bitkiler, çökelmiş kayalara tutunmak için rizoid adı verilen kök benzeri yapılara ve onları kurumaya karşı koruyan mumsu ve geçirimsiz bir üst katmana (kütikül) sahipti. İlk ortaya çıkan kara bitkilerinin çoğunun soyu daha sonra tükendi, ancak fosil kayıtlarından küçük oldukları ve gerçek gövdeleri, kökleri, yaprakları ve çiçeklerinin olmadığı açıktır.

Bir göletin kenarında Erkek *Marchantia* bitkileri. Bunun gibi briyofitler ilk kara bitkileriyle akrabadır.
*Resim: F. Lamiot/Wikimedia,* *CC BY-SA 3.0*

İlk kara bitkileri neye benziyordu?

Tüm kara bitkilerinin son ortak atası ortaya çıktıktan sonra, ondan iki soy evrimleşti: damarlı bitkiler ve damarsız bitkiler. Birinci grup, bugün Dünya’nın biyokütlesinin çoğunluğunu oluşturur ve kökleriyle alınan suyu bitkinin toprak üstü kısımlarına taşıyan, su ileten bir sistem olan damar sisteminin varlığıyla karakterize edilirler. Damar sistemi, bu kara bitkilerinin çok uzamasına izin verdi. Birkaç yüz milyon yıl sonra bazı damarlı bitkiler çiçek geliştirmiş ve bunlar bugün aşina olduğumuz çiçekli bitkilere dönüşmüşlerdir.

Tüm kara bitkilerinin son ortak atası, karofit yeşili bir algten evrildi ve model organizmalar *Marchantia polymorpha* ve Physcomitrium *patens* dahil olmak üzere damarlı ve damarsız bitkilere yol açtı.^[2]

Öte yandan, damarsız bitkiler yere yakın ve nemli ortamlarda büyürler çünkü suyun dağıtımı için difüzyon ve kılcal hareket gibi daha az verimli süreçlere bağımlıdırlar. Bu iki kara bitki soyu, farklı hızlarda kendi evrim yollarını izlemeye devam etti.^[3] Bugün hala var olan damarsız kara bitkileri kladına (grup) briyofitler denir.

Çeşitli briyofitler (burada ciğer otları ve yapraklı yosunlar)
*Resie: Petter Bøckman/Wikimedia*, *CC0*

Briyofitler, evrimleri boyunca damarlı bitkilere göre daha fazla ata karakterini koruduklarından (yani daha az değiştiklerinden), araştırmacılar, sudan karaya geçişi mümkün kılmak için hangi temel adaptasyonların gelişmesi gerektiğini anlamak için onları inceliyorlar. En çok incelenen iki tür Physcomitrium patens yosunu ve ciğer otu Marchantia polymorpha‘dır.^[4] Bizi aksi yönde ikna edecek fosiller bulamazsak, bu briyofitler ilk kara bitkisini hayalimizde canlandırabileceğimiz en yakın örnek olabilir. Yabani yaşam alanları nemli ve genellikle ılımandır; onlarla akarsu kıyılarında veya su havuzlarının kenarlarında karşılaşabilirsiniz. Büyüme ve üreme için nemli ortamlara olan bu bağımlılık, sudaki atalarıyla ayrılmaz bir şekilde bağlantılıdır.

Karaciğer otu *Marchantia polymorpha* (solda) ve *Physcomitrium patens* yosunu (sağda)
*Resim*: Sharon Pilkington/*British Bryological Society* *(solda) and* Claire Halpin/*British Bryological Society* *(sağda),* *izin alınarak kullanılmıştır.*

Karadaki hayata ilk adaptasyonlar

Fosil kayıtlarının bulunmaması ve mevcut fosilleri kara bitkilerinin ilk gruplarıyla eşleştirme konusundaki mevcut yetersizliğimiz nedeniyle, kara bitkilerinin ortak atasının neye benzediğini kesin olarak bilmiyoruz. Bununla birlikte, briyofitleri inceleyerek aşağıdaki adaptasyonların bitkilerin karada hızlı bir şekilde gelişip çoğalması için ilk gelişenler arasında olduğunu biliyoruz.^{[2, 5]} Bunlardan bazıları artık tüm kara bitki grupları tarafından paylaşılıyor, bazıları ise bazı gruplarda zamanla kayboluyor.

Karofitlerde, yumurta hücresinin bir sperm hücresi tarafından döllenmesinden sonra, zigot maternal algten düşer ve suda dağılır, bu da zigotu yeni bir bitkiye dönüşeceği bir yere taşır. Ancak, tüm kara bitkilerinde zigot, ana bitki içinde tutulan çok hücreli bir embriyoya dönüşür. Marchantia‘da embriyo, bitki gövdesinin üzerinde bir sap ile yükselen şemsiye benzeri dişi üreme yapısının ‘parmaklarının’ altında gelişir.

Erkek ve dişi çiçekleri farklı bitkilerde olan ciğerotu *Marchantia polymorpha*’nın dişi gametofitleri (solda) ve erkek gametofitleri (sağda)
*Resim: Plantsurfer/Wikimedia*, *CC BY-SA 3.0*

İlk kara bitkilerinde diploid embriyo, mayoz yoluyla bölünerek çok sayıda haploid ve genetik olarak çeşitli sporlar oluştu. Sporlar, çok sayıda dağılan ve mitoz yoluyla haploid bitkilere dönüşen tek hücreli üreme birimleridir. Döllenmenin suyla kolaylaştırılmadığı karada bu mekanizma, genetik olarak çeşitli birçok yavrunun üretilmesini sağladı. Yeni bir diploid embriyo üretmek için döllenme, yalnızca haploid bitkiler olgunlaşıp cinsel üreme organlarını geliştirdikten sonra gerçekleşir.

Biryofitlerin olağandışı yaşam döngüsü. Gördüğümüz ana yeşil kısımlar (gametofitler), yaşam döngülerinin çoğunda diploid olan damarlı bitkilerin (ve çoğu hayvanın) aksine haploiddir. Döllenmeden sonra embriyodan diploid bir sporofit büyür ancak bağlı kalır.
*Resim: Htpaul/Wikimedia*, *CC BY-SA 3.0*

Günümüzde tüm briyofitler ve eğrelti otları gibi bazı damarlı bitki grupları hâlâ sporlar aracılığıyla çoğalmaktadır. Çok hücreli üreme dağılım birimleri olan tohumlar ancak daha sonra damar soyunda evrimleşmiştir.

Solda: Gametofit aşamasını (yeşil) ve sporofitleri (kahverengi) gösteren selvi yapraklı kıvrım yosunu. Sağda: İçinde sporların oluştuğu sporangia’yı (kahverengi lekeler) gösteren bir ağaç eğrelti otu yaprağının alt tarafı.
*Resimler: Kıvrım yosunu Aconcagua/Wikimedia*, *CC BY-SA 3.0* *Ağaç eğreltiotu yaprağı:* Anca Mosoiu/*Wikimedia*, *CC BY-SA 3.0*

Kara bitkileri, bitki dokusunun üst katmanlarında biriken ve UV radyasyonunu emen ikincil metabolit moleküller olan flavonoidleri ortaya çıkardı. Bu metabolitler, UV ışığı için bir filtre görevi gören suyun yokluğunda, UV kaynaklı DNA hasarından korunmak için bir ‘güneş koruyucu’ görevi görürler.
Tüm kara bitkilerinde, karasal ortamı keşfetmek için yönsel olarak büyümelerine izin veren kök hücreler olan meristemler bulunur. Kök hücreler, üç boyutlu büyümeyi ve çok katmanlı, spesifik organların gelişimini sağlayan çoklu bölünme düzlemlerine sahiptir. Meristemler bu nedenle kara bitkilerinin uzamsal olarak sudan çok daha değişken bir ortamda büyümeyi yönlendirmelerini sağlar.
Bu tür spesifik organlar arasında, bir taşıma maddesi olarak suyu kullanmadan karbondioksit ve oksijen alışverişini kolaylaştıran hava gözenekleri veya stomalar bulunur.
İlk kara bitkileri, kenetlenme, su ve besin alımı için özel hücreler veya organlar olan köklenme yapıları geliştirdi. Bu yapılar vasküler olmayan bitkilerde basit rizoidler ve vasküler bitkilerde karmaşık, çok katmanlı köklerdir.
Kara bitkileri, bitki büyümesi için çok önemli olan fosfat gibi besinlerin alımını kolaylaştırmak için mantarlarla simbiyotik ilişki içindedir. Mantarlar, Paleozoyik’in çorak kayalarından mineralleri parçalayabilir ve bunları karbohidratlar ve yağlar karşılığında bitkilere verebilir.

Bu temel özelliklerle bitkilerin karada hayatta kalma yeteneği tesis edildi. Ardından vasküler ve vasküler olmayan bitkilerin çeşitli soylarının hızlı bir evrimi geldi. Birçok vasküler bitki, karasal habitatları fethetmek ve çok fazla suya ihtiyaç duymadan yoğun topluluklarda yaşamak ve üremek için uzun gövdeler, çiçekler, sulu meyveler, etoburlar ve daha fazlası gibi inanılmaz özellikleri geliştirdi ve mükemmelleştirdi. Su ile değil rüzgar ve tozlayıcılar tarafından yayılan polenin evrimi ile bazı bitki grupları sudaki soylarından tamaen ayrıldı.

Kara bitkilerinin çoğalmasından kaynaklanan atmosferik oksijendeki artış, kara hayvanlarının çeşitlenmesini ve yayılmasını teşvik etti. Daha fazla oksijen sadece enerji gereksinimlerini karşılamakla kalmadı, aynı zamanda koruyucu bir ozon tabakasının oluşmasını da sağladı. Çiçekli bitkiler daha sonra üstünlük sağladı ve bugün yaşamamız için gerekli oksijenle bizi beslemeye devam ediyorlar. Onlar ve onların çiçeksiz, ilkel ataları olmasaydı, gezegenimiz muhtemelen çok farklı olurdu.

Sözlük

Briyofit: sporlar yoluyla çoğalan ve yaşam döngülerinin çoğunda haploid olan bir grup vasküler olmayan kara bitkisi (ciğerotu, boynuz otu ve yosun) oysaki vasküler bitkilerin çoğu baskın şekilde diploiddir.

Karofit: ağırlıklı olarak tatlı suda yaşayan (bazıları tuzlu suda yaşayan) ve kara bitkileriyle yakından ilişkili bir grup yeşil alg.

Klad: ortak bir atadan geldiğine inanılan bir grup organizma.

Diploit: çift kromozom setine, yani her türden bir çift kromozoma sahip olmak.

Embriyo: bölünmelere uğramış bir zigotun çok hücreli, diploid ürünü.

Haploit: eşleşmemiş tek bir kromozom setine sahip olmak.

Mayoz bölünme: diploid çekirdeğin, her biri ana hücrenin kromozomlarının yalnızca yarısını içeren iki yeni haploid çekirdeğe bölündüğü bir hücre bölünmesi.

Meristem: bölünen ve özel hücrelere yol açan, bitki büyümesine ve gelişmesine katkıda bulunan bir kök hücre bölgesi.

Mitoz bölünme: Çekirdeğin bölündüğü ve her iki yeni çekirdeğin de tam bir ebeveyn kromozom setini içerdiği, yani ana hücrelerin haploid mi yoksa diploid mi olduğuna bağlı olarak haploid veya diploid olacağı bir hücre bölünmesi.

Ozon tabakası: Dünya atmosferinde, güneşin zararlı ultraviyole (UV) radyasyonunun çoğunu bloke eden yüksek ozon içeriğine sahip bir tabaka. Ozon (O₃), tek bir oksijen atomu bir O₂ molekülü ile birleştiğinde oluşan reaktif bir oksijen şeklidir.

Fotosentez reaksiyonu:

Rizoid: briyofitlerde bulunan, sabitleme (kenetlenme) organı olarak işlev gören ve su ve besinlerin emilimine yardımcı olan tek hücreli veya çok hücreli ipliksi bir yapı. Vasküler bitkilerdeki köklerin aksine, rizoidler çok sayıda özel hücre tipinden oluşmaz.

İkincil metabolitler: canlı organizmalar tarafından üretilen, büyüme ve üreme gibi temel yaşam süreçleri için gerekli olmayan moleküllerdir. Doğal ürünler olarak da adlandırılan bitki, mantar ve bakteriyel ikincil metabolitlerden birçok ilaç geliştirilmiştir.

Stomalar: Yunanca ağız kelimesinden gelir. Stomalar, yeşil bitkilerin epidermisindeki oksijen ve karbondioksit değişim hızını kontrol eden gözeneklerdir.

Simbiyoz: iki farklı tür arasında, her ikisinin de fayda sağladığı veya en az bir organizmanın fayda sağladığı, diğerinin ise önemli ölçüde zarar görmediği uzun süreli bir ilişki.

Damarlı bitki: Köklerden bitkinin yüksek kısımlarına su ve mineralleri taşıyan ksilemden ve sürgün ve kökler boyunca yapraklardan fotosentetik ürünler taşıyan floemden oluşan özel damar dokusuna sahip bitki.

Zigot: eşeyli üreme sırasında sperm ve yumurta hücresinin kaynaşmasıyla oluşan ilk diploid hücre.

References

[1] Costa KM et al. (2014) Evolution and physiology of neural oxygen sensing. Front. Physiol. 5: 302. doi: 10.3389/fphys.2014.00302.

[2] Delwiche CF, and Cooper, ED (2015). The evolutionary origin of a terrestrial flora. Curr. Biol. 25: R899–R910. doi: 10.1016/j.cub.2015.08.029.

[3] Harris BJ et al. (2022). Divergent evolutionary trajectories of bryophytes and tracheophytes from a complex common ancestor of land plants. Nat. Ecol. Evol. 6: 1634–1643. doi: 10.1038/s41559-022-01885-x.

[4] Naramoto S et al. (2022). The bryophytes Physcomitrium patens and Marchantia polymorpha as model systems for studying evolutionary cell and developmental biology in plants. Plant Cell 34: 228–246. doi: 10.1093/plcell/koab218.

[5] Bowman JL, Briginshaw LN, Florent SN (2019). Chapter Two: Evolution and co-option of developmental regulatory networks in early land plants. In Ueli Grossniklaus (1st ed) Current Topics in Developmental Biology pp 35–53, Elsevier. ISSN: 0070-2153

Resources

Chara tatlı su yosununun yaşam döngüsü ve üremesi hakkında bir video izle.
Briyofitlerin olağandışı yaşam döngüsü hakkında bilgi edin.
Jeolojik zaman dilimleriyle ilgili bir podcast dinle: Backpacker’ın Tarih Öncesi Rehberi David Mountain tarafından (Podcast’ler belli sıralamada verilmemişlerdir; Paleozoyik’in jeolojik zaman dilimleri sırayla: Kambriyen – Ordovisyen – Silüriyen – Devoniyen – Karbonifer – Permiyen)
Bir bataklık safarisine katılın ve içinde yaşayan çeşitli organizmalar hakkında bilgi edinin: Chandler-Grevatt A (2023) Moss Safari: what lives in moss? Science in School 63.
Bitki büyümesini etkileyen faktörleri araştırın: Hardie K, Cardoso C (2020) Astrofarmer: how to grow plants in space. Science in School 49: 33–37.
Yapraklara rengini veren pigmentleri keşfetmek için kromatografi kullanın: Tarragó-Celada J, Fernández Novell JM (2019) Colour, chlorophyll and chromatography. Science in School 47: 41–45.
Milyonlarca yıla yayılan bitki ve patojen arasındaki düşmanlık hakkında bilgi edinin: Harant A, Pai H, Cerfonteyn M (2023) Plant pathology: plants can get sick too! Science in School 63.
Ağaç kanopilerinin (ağaç tepelerinin yeri örtme derecesi) faydalı etkileri hakkında bilgi edinin: Guerrieri R (2019) The secret life of forests. Science in School 46: 20–24.
Ağaç kanopilerinin (ağaç tepelerinin yeri örtme derecesi) faydalı etkileri hakkında bilgi edinin: Hubbard K (2019) How plants beat jet lag. Science in School 48: 8–11.
Ağaçların atmosferi nasıl etkilediği hakkında bilgi edinin: Harrison TG, Khan MAH, Shallcross DE (2022) How trees affect the climate: is it just through photosynthesis? Science in School 58.

Author(s)

Susanna Streubel, Oxford Üniversitesi’nden doktora derecesine sahiptir ve burada briyofitlerde gen düzenleme ve evrim mekanizmalarını araştırmıştır. Bilim iletişimi konusunda; bitkiler, genetik ve insanlar ile doğa arasındaki ilişki hakkında büyük bir istekle yazıyor.

Review

Makale, dinamik gezegenimizin örneklerine, jeolojik zaman dilimlerinde koşulların nasıl değiştiğine ve yaşamın buna göre nasıl geliştiğini anlamk için faydalıdır. İnsanların etrafta dolaştığı kısa zaman aralığı, Dünya’nın sabit ve durağan olduğunu düşünmemize neden olabilir. Bu nedenle bu makale, dünyadaki değişiklikleri ve bugün gezegendeki briyofitler gibi erken kara yaşamının örneklerini nasıl görebileceğimizi öğretmemize yardımcı olur. Makale, biyoloji, kimya, fizik ve yer bilimlerinin doğa anlayışımızda bize nasıl yardımcı olduklarının güzel bir örneğidir. Ayrıca, insanlar olarak gezegeni değiştirdiğimiz şu anki jeolojik zaman dilimi olan Antroposen’deki değişiklikler hakkında fikir sahibi olmamıza da yol açabilir.

Kavramaya yardımcı olabilecek sorular:
Oksijen ve karbondioksit seviyelerinin 500 milyon yıl önce nasıl olduğunu açıklayın.
Ozon tabakasının 500 milyon yıl önce nasıl olduğunu açıklayın.
Fotosentezde neler olduğunu açıklayın.
Vasküler ve vasküler olmayan bitkiler arasındaki temel farkları açıklayın.
Araştırmacıların briyofitleri incelemesinin neden ilginç olduğunu açıklayın.

Ingela Bursjöö, Fen Bilgisi öğretmeni ve araştırmacı, Montessori school Elyseum, Göteborg, İsveç

License

CC-BY

Download

Download this article as a PDF