Fotosentez Nedir, Nasıl Gerçekleşir?
Bir yeşil yaprağın ardında, saniyenin çok küçük bir bölümünde dört kimyasal tepkime birden gerçekleşiyor. Bitki, güneş ışığını yakıyor; bu ışığı kimyasal enerjiye çeviriyor; karbondioksit alıyor ve bunu şeker hâline getiriyor. Bu sürecin adı fotosentez. Kısaca tanımı bu kadar kolay, ama ne olduğunu gerçekten anlamak biraz daha fazlasını gerektiriyor.
Bitkinin yaptığı iş, bizim yaptığımızın tersi
Fotosentezin en çok karıştırılan yanı şudur: bitki “yemek üretmez”, tam tersini yapar. Bitki ışık enerjisini yakıp kimyasal enerji depolayan tek canlı organizma grubudur. Bu depolanan enerji, daha sonra bitkinin büyümesi, tohum üretimi ve onarım için harcandığı gibi, zincirin devamındaki canlıların da temel besin kaynağı olur.
Yani bir ağacın büyümesi için gerekli olan organik besinlerin neredeyse tamamı, o ağacın kendisinin veya çevresindeki diğer bitkilerin ürettiği şekerlerden gelir. Hayvanlar bu şekerleri yiyerek beslenir, biz de hayvanları yiyerek besleniriz. Fotosentezin durması, yeryüzündeki organik madde döngüsünün tamamen durması anlamına gelirdi.
İki temel aşama
Fotosentez iki aşamada gerçekleşir ve bunları ayrı ayrı düşünmek konuyu çok kolaylaştırır.
Işığa bağlı reaksiyonlar (ışık tepkimeleri)
Bu aşama, yaprağın içindeki kloroplast organelinin tilakoit zarında olur. Yeşil pigment olan klorofil, güneş ışığını soğurur ve bu enerjiyle su molekülleri parçalanır. Bu sırada açığa çıkan iki şey vardır:
- ATP — hücrenin kısa vadeli enerji deposu
- NADPH — elektron taşıyıcı
Klorofilin gerçek işi ışığı emmek değil, o ışığı yakıp kimyasal değişim için gerekli enerjiyi üretmektir. Bu yüzden klorofil çoğunlukla yaprakların üst yüzünde, ışığın en yoğun olduğu bölgede toplanmıştır.
Kalvin döngüsü (karanlık reaksiyonlar)
İkinci aşama, kloroplastın stroma sıvısında gerçekleşir. Burada önceki aşamada üretilen ATP ve NADPH kullanılarak karbondioksit şeker moleküllerine dönüştürülür. Ürün çoğunlukla glikozdur, ancak glikoz doğrudan üretilmez; önce üç karbonlu ara ürünler oluşur, sonra bunlar birleşir.
Bu döngüde kullanılan enzimlerden biri Rubisco‘dur. Rubisco, fotosentezde görev alan enzimler arasında yeryüzündeki en bol proteinlerden biridir. Dünyada her yıl yaklaşık 20 milyar ton Rubisco üretildiği tahmin edilir.
Ancak Rubisco’nun ciddi bir sorunu var: oksijenle de tepkimeye giriyor. Hava %21 oksijen içerdiği için, Rubisco’nun çoğu zaman doğru madde olan karbondioksiti değil, oksijeni yakalıyor. Bu durum “fotorespirasyon” adı verilen bir yan süreç oluşturur ve bitkinin verimliliğini düşürür.
Bu nedenle bilim insanları uzun süredir Rubisco’nun etkinliğini artırmaya çalışıyor. Bir yaklaşım, bitkinin Rubisco’yu daha az kullanmasını sağlayan alternatif yollar geliştirmek. Başka bir yaklaşım ise C4 fotosentez kullanan bitkilerden (mısır, şeker pancarı) yararlanmak. C4 yolunda karbondioksit önce ayrı bir moleküle bağlanır, bu da Rubisco’nun oksijene takılma ihtimalini azaltır.
Nerede gerçekleşiyor
Fotosentez yapraklarda gerçekleşir, ama sadece yapraklarda değil. Yeşil gövdelere sahip bitkilerde, özellikle genç dallarda de yapılır. Yapraklar bu iş için özelleşmiştir: geniş yüzey alanı ışık toplamaya, ince tabaka gaz alışverişine, stom adı verilen küçük delikler bu gaz alışverişini düzenlemeye uygundur.
Stomların açılıp kapanması, tüm fotosentez sürecini kontrol eden bir düğme gibidir. Su kaybını azaltmak için stomlar çoğunlukla kapalıdır; ancak fotosentez için karbondioksit alınması gerektiğinden, aydınlık saatlerde açılırlar. Kısa süreli kuraklıkta bitkiler stomları kapatarak suyu korur, ama bunun karşılığında fotosentez yavaşlar. Bu denge, bitkinin suyunu ve büyümesini nasıl önceliklendirdiğinin somut bir göstergesidir.
Gün ışığı önemlidir
Klorofil yalnızca belirli dalga boylarındaki ışığı emer. En etkili olduğu aralık mavi ve kırmızı bölgedir; yeşil ışığı yansıttığı için yapraklar bize yeşil görünür. Bu yüzden karanlıkta büyüyen bitkiler genellikle soluk yeşildir; yeterli kırmızı ve mavi ışık alamadıkları için klorofil üretimi düşmüştür.
Işık şiddeti arttıkça fotosentez hızlanır, ancak bir noktadan sonra artış durur. Bitki ışığa “doymuş” hale gelir ve artan ışık, daha fazla enerji üretmek yerine yaprağı yakma riskini artırır. Bu yüzden örtüaltı yetiştiriciliğinde ışık şiddiği ile sıcaklık birlikte kontrol edilir; tek başına ışığı artırmak çoğu zaman zarar verir.
Tarihsel bir yanılgı
Fotosentezin çalışma mekanizması 17. yüzyılda keşfedildi. Jan Ingenhousz, 1771’de bitkilerin ışıkta küçük parçacıklar bıraktığını ve bu parçacıkların yeşil yapraklarda oluştuğunu gösterdi. Bu parçacıkların oksijen olduğu 19. yüzyılda anlaşıldı.
Ancak adı “fotosentez” olan bitki olayının kendisi değil. Joseph Priestley’in 1771’deki deneyi daha önce bir adım atmıştı: Priestley, mumun yanında bitki bulunan kapalı bir kavanozu gözlemlediğinde, bitkinin havadaki “bozucu” bileşeni tükettiğini fark etti. Bitkilerin, hayvanların solumasının tersi bir işleve sahip olduğunu gösteren ilk deneydi bu.
Priestley’in deneyinde önemli bir eksik vardı: deneyi bir süre sonra tekrarladığında sonuç değişmişti. Sonradan anlaşıldı ki bitkinin temizlediği şey tek başına değil, bitkinin de solumasıyla birlikte ürettiği bir şeydi. Yani Priestley eksik iki etkeni görmüştü. İşte tam da bu iki etkenin dengesi, fotosentezin kalbini oluşturur: karbondioksit alınır, oksijen verilir.
Günümüzde neden bu kadar önemli
Sanıldığının aksine atmosferdeki karbondioksit oranı hâlâ %0,04 civarında; bitkilerin kullanabileceği miktarın çok altında. Bu düşük oran, fotosentezin verimini sınırlayan temel etkenlerden biri. Açık alanda yetiştirilen birçok üründe verim, artık gübre veya ilaçla değil, bitkinin karbondioksiti daha iyi yakalayacak şekilde yetiştirilmesiyle artırılmaya çalışılıyor.
Sera yetiştiriciliğinde de durum farklı değil: kapalı ortamda hava sirkülasyonu ve karbondioksit seviyesi kontrol altına alınır. Yeterli karbondioksit verilmezse, kapalı ortamdaki bitkiler dış ortamdakilere göre belirgin şekilde daha yavaş büyür. Bu, fotosentezin tarımsal üretimdeki yerini göstermek açısından oldukça çarpıcı bir gerçektir.
Özet
Fotosentez, ışık enerjisini kimyasal enerjiye çeviren bir süreçtir. Klorofil aracılığıyla yutulan ışık, suyun parçalanmasını sağlar; ortaya çıkan ATP ve NADPH, karbondioksitin şekere dönüştürülmesinde kullanılır. İşin sonunda bitki şeker üretir ve oksijen bırakır.
Bu ilk bakışta basit görünen tablo, arkasında Rubisco’nun isabet oranından stomların su yönetimine kadar çok katmanlı bir denge barındırır. Bitkinin hayatta kalma stratejisi çoğu zaman bu dengeleri korumakla ilgilidir.
Yorum gönder