.::. bilgidünyasi.net .::.

Fotosentez Mucizesi

Atmosferindeki gazların oranından, güneşe olan uzaklığına, dağların varlığından, suyun içilebilir olmasına, bitkilerin çeşitliliğinden yeryüzünün sıcaklığına kadar kurulmuş olan pek çok hassas denge sayesinde dünya yaşanabilir bir ortamdır. Yaşamı oluşturan öğelerin devamlılığının sağlanabilmesi için de hem fiziksel şartların hem de bazı biyokimyasal dengelerin korunması gereklidir. Örneğin nasıl ki canlıların yeryüzünde yaşamaları için yer çekimi kuvveti vazgeçilmez ise, bitkilerin ürettiği organik maddeler de yaşamın devamı için bir o kadar önemlidir.

İşte bitkilerin bu organik maddeleri üretmek için gerçekleştirdikleri işlemlere, daha önce de belirttiğimiz gibi fotosentez denir. Bitkilerin kendi besinlerini kendilerinin üretmesi olarak da özetlenebilecek olan fotosentez işlemi, bunların diğer canlılardan ayrıcalıklı olmasını sağlar. Bu ayrıcalığı sağlayan, bitki hücresinde insan ve hayvan hücrelerinden farklı olarak güneş enerjisini direkt olarak kullanabilen yapılar bulunmasıdır. Bu yapıların yardımıyla, bitki hücreleri güneşten gelen enerjiyi insanlar ve hayvanlar tarafından besin yoluyla alınacak enerjiye çevirirler ve yine çok özel yollarla depolarlar.

İşte bu şekilde fotosentez işlemi tamamlanmış olur. Gerçekte bütün bu işlemleri yapan, bitkinin tamamı değildir, yaprakları da değildir, hatta bitki hücresinin tamamı da değildir. Bu işlemleri bitki hücresinde yer alan ve bitkiye yeşil rengini veren "kloroplast" adı verilen organel gerçekleştirir. Kloroplastlar, milimetrenin binde biri kadar büyüklüktedir, bu yüzden yalnızca mikroskopla gözlemlenebilirler. Yine fotosentezde önemli bir rolü olan kloroplastın çeperi de, metrenin yüz milyonda biri kadar bir büyüklüktedir. Görüldüğü gibi rakamlar son derece küçüktür ve bütün işlemler bu mikroskobik ortamlarda gerçekleşir. Fotosentez olayındaki asıl hayret verici noktalardan biri de budur.

Sır dolu bir fabrika:Kloroplast

Kloroplastta fotosentezi gerçekleştirmek üzere hazırlanmış thylakoidler, iç zar ve dış zar, stromalar, enzimler, ribozom, RNA ve DNA gibi oluşumlar vardır. Bu oluşumlar hem yapısal hem de işlevsel olarak birbirlerine bağlıdırlar ve her birinin kendi bünyesinde gerçekleştirdiği son derece önemli işlemler vardır. Örneğin kloroplastın dış zarı, kloroplasta madde giriş-çıkışını kontrol eder. İç zar sistemi ise "thylakoid" olarak adlandırılan yapıları içermektedir. Disklere benzeyen thylakoid bölümünde pigment (klorofil) molekülleri ve fotosentez için gerekli olan bazı enzimler yer alır. Thylakoidler "grana" adı verilen kümeler meydana getirerek, güneş ışığının en fazla miktarda emilmesini sağlarlar. Bu da bitkinin daha fazla ışık alması ve daha fazla fotosentez yapabilmesi demektir.

Bunlardan başka kloroplastlarda "stroma" adı verilen ve içinde DNA, RNA ve fotosentez için gerekli olan enzimleri barındıran bir de sıvı bulunur. Kloroplastlar sahip oldukları bu DNA ve ribozomlarla hem kendilerini çoğaltırlar, hem de bazı proteinlerin üretimini gerçekleştirirler. Fotosentezdeki başka bir önemli nokta da bütün bu işlemlerin çok kısa, hatta gözlemlenemeyecek kadar kısa bir süre içinde gerçekleşmesidir. Kloroplastların içinde bulunan binlerce "klorofil"in aynı anda ışığa tepki vermesi, saniyenin binde biri gibi inanılmayacak kadar kısa bir sürede gerçekleşir.

Yeşil bitkilerde fotosentez işlemini yapan, bitki hücrelerinde bulunan kloroplast adı verilen organellerdir. Yukarıda büyütülmüş resmi görülen kloroplast, gerçekte milimetrenin binde biri kadar bir büyüklüğe sahiptir. İçinde fotosentez işlemini yürüten pek çok yardımcı organel vardır. Çok aşamalı olarak gerçekleşen ve bazı aşamaları henüz çözülememiş olan fotosentez işlemi bu mikroskobik fabrikalarda büyük bir hızda gerçekleşmektedir.

Aydınlık evre

Bitkilerin fotosentez işleminde kullanacakları tek enerji kaynağı olan güneş ışığı değişik renklerin birleşimidir ve bu renklerin enerji yükü birbirinden farklıdır. Güneş ışığındaki renklerin ayrıştırılması ile ortaya çıkan ve tayf adı verilen renk dizisinin bir ucunda kırmızı ve sarı tonları, öbür ucunda da mavi ve mor tonları bulunur. En çok enerji taşıyanlar tayfın iki ucundaki bu renklerdir. Bu enerji farkı bitkiler açısından çok önemlidir çünkü fotosentez yapabilmek için çok fazla enerjiye ihtiyaçları vardır. Bitkiler en çok enerji taşıyan bu renkleri hemen tanırlar ve fotosentez sırasında güneş ışınlarından tayfın iki ucundaki renkleri, daha doğrusu dalga boylarını soğururlar, yani emerler.

Buna karşılık tayfın ortasında yer alan yeşil tonlardaki renklerin enerji yükü daha az olduğu için, yapraklar bu dalga boylarındaki ışınların pek azını soğurup büyük bölümünü yansıtırlar. Bunu da kloroplastların içinde bulunan klorofil pigmentleri sayesinde gerçekleştirirler. İşte yaprakların yeşil gözükmesinin nedeni de budur. Fotosentez işlemi bitkilerin yeşil görünmesine neden olan bu pigmentlerin güneş ışığını soğurmasından kaynaklanan hareketlenme ile başlar. Acaba klorofiller bu hareketlenme ile fotosentez işlemine nasıl başlamaktadırlar? Bu sorunun cevabının verilebilmesi için öncelikle kloroplastların içinde bulunan ve klorofilleri içinde barındıran Thylakoid'in yapısının incelenmesinde fayda vardır.

Güneş, dünyanın enerji kaynağıdır. ve devamlı olarak ışın yayar. Bu ışınlardan, canlıların "görünür ışık" olarak algılayabildiği ışın aralığı bitkiler tarafından kullanılır. Resimde görülen kısa dalga boyları (mavi ışık), uzun dalga boylarından (kırmızı ışık) daha yüksek enerjilidir. Bitkiler de fotosentez yaparken daha yüksek enerjiye sahip olan uzun dalga boyuna sahip olan ışık aralığını kullanırlar.

"Klorofiller, "klorofil-a" ve "klorofil-b" olarak ikiye ayrılırlar. Bu iki çeşit klorofil güneş ışığını soğurduktan sonra elde ettikleri enerjiyi fotosentez işlemini başlatacak olan fotosistemler içinde toplarlar. Thaylakoid'in detaylı yapısının anlatıldığı resimde de görüldüğü gibi fotosistemler kısaca, thylakoid'in içinde yer alan bir grup klorofil olarak tanımlanabilir.

Yeşil bitkilerin tamamına yakını bir fotosistem ile tek aşamalı fotosentez gerçekleştirirken, bitkilerin %3'ünde fotosentezin iki aşamalı olmasını sağlayacak iki farklı fotosistem bölgesi bulunur. "Fotosistem I", ve "Fotosistem II" olarak adlandırılan bu bölgelerde toplanan enerji daha sonra tek bir "klorofil-a" molekülüne transfer edilir. Böylece her iki fotosistemde de reaksiyon merkezleri oluşur. Işığın emilmesiyle elde edilen enerji, reaksiyon merkezlerindeki yüksek enerjili elektronların gönderilmesine, yani kaybedilmesine neden olur. Bu yüksek enerjili elektronlar daha sonraki aşamalarda suyun parçalanıp oksijenin elde edilmesi için kullanılır. Bu aşamada bir dizi elektron değiş tokuşu gerçekleşir.

"Fotosistem I" tarafından verilen elektron, "Fotosistem II" den salınan elektron ile yer değiştirir. "Fotosistem II" tarafından bırakılan elektronlar da suyun bıraktığı elektronlarla yer değiştirir. Sonuç olarak su, oksijen, protonlar ve elektronlar olmak üzere ayrıştırılmış olur.2

Yapraklardaki klorofil maddesi, kloroplastlardaki thylakoid adı verilen yapının içine bulunur. Üstte şematik anlatımı görülen thylakoidler incelenirken, bu yapının milimetrenin binde biri büyüklüğünde bir organel olan kloroplastın çok küçük bir parçası olduğu unutulmamalıdır.

Ortaya çıkan protonlar thylakoid'in iç kısmına taşınarak hidrojen taşıyıcı molekül olan NADP (nikotinamid adenin dinükliotid fosfat) ile birleşirler. Neticede NADPH molekülü ortaya çıkar. Suyun ayrışmasından sonra ortaya çıkan protonlardan bazıları ise thylakoid zarındaki enzim kompleksleri ile birleşerek ATP molekülünü (hücrenin işlemlerinde kullanacağı bir enerji paketçiği) meydana getirirler. Bütün bu işlemler sonucunda bitkilerin besin üretebilmesi için ihtiyaç duydukları enerji artık kullanılmaya hazır hale gelmiştir. Bir reaksiyonlar zinciri olarak özetlemeye çalıştığımız bu olaylar fotosentez işleminin sadece ilk yarısıdır. Bitkilerin besin üretebilmesi için enerji gereklidir. Bunun temin edilebilmesi için düzenlenmiş olan "özel yakıt üretim planı" sayesinde diğer işlemler de eksiksiz tamamlanır.

Karanlık evre

Fotosentezin ikinci aşaması olan Karanlık Evre ya da Calvin Çevrimi olarak adlandırılan bu işlemler, kloroplastın "stroma" diye adlandırılan bölgelerinde gerçekleşir. Aydınlık evre sonucunda ortaya çıkan enerji yüklü ATP ve NADPH molekülleri, karanlık evrede kullanılan karbondioksiti, şeker ve nişasta gibi besin maddelerine dönüştürürler. Burada kısaca özetlenen bu reaksiyon zincirini kaba hatlarıyla anlayabilmek bilim adamlarının yüzyıllarını almıştır. Yeryüzünde başka hiçbir şekilde üretilemeyen karbonhidratlar ya da daha geniş anlamda organik maddeler milyonlarca yıldır bitkiler tarafından üretilmektedir. Üretilen bu maddeler diğer canlılar için en önemli besin kaynaklarındandır.

Fotosentez reaksiyonları sırasında farklı özelliklere ve görevlere sahip enzimler ile diğer yapılar tam bir iş birliği içinde çalışırlar. Ne kadar gelişmiş bir teknik donanıma sahip olursa olsun dünya üzerindeki hiçbir laboratuvar, bitkilerin kapasitesiyle çalışamaz. Oysa bitkilerde bu işlemlerin tümü milimetrenin binde biri büyüklüğündeki bir organelde meydana gelmektedir. Sayısız çeşitlilikteki bitki hiç şaşırmadan, reaksiyon sırasını hiç bozmadan, fotosentezde kullanılan hammadde miktarlarında hiçbir karışıklık olmadan milyonlarca yıldır uygulamaktadır.

Ayrıca fotosentez işlemi ile, hayvanların ve insanların enerji tüketimleri arasında da önemli bir bağlantı vardır. Aslında yukarıda anlatılan karmaşık işlemlerin özeti, bitkilerin fotosentez sonucu canlılar için mutlaka gerekli olan glukozu ve oksijeni meydana getirmeleridir. Bitkilerin ürettiği bu ürünler diğer canlılar tarafından besin olarak kullanılırlar. İşte bu besinler vasıtasıyla canlı hücrelerinde enerji üretilir ve bu enerji kullanılır. Bu sayede bütün canlılar güneşten gelen enerjiden faydalanmış olurlar. Canlılar fotosentez sonucu oluşan besinleri yaşamsal faaliyetlerini sürdürmek için kullanırlar. Bu faaliyetler sonucunda atık madde olarak atmosfere karbondioksit verirler. Ama bu karbondioksit hemen bitkiler tarafından yeniden fotosentez için kullanılır. Bu mükemmel çevirim böylelikle sürer gider.

Bu kimyasal fabrikada her şey olup biterken, işlemler sırasında kullanılacak enerjinin özellikleri de ayrıca tespit edilmiştir. Fotosentez işlemi bu yönüyle incelendiğinde de, gerçekleşen işlemlerin ne kadar büyük bir hassasiyetle tasarlanmış olduğu görülecektir. Çünkü güneşten gelen ışığın enerjisinin özellikleri, tam olarak kloroplastın kimyasal tepkimeye girmesi için ihtiyaç duyduğu enerjiyi karşılamaktadır.

Bitkiler hücrelerindeki klorofil maddelerinin ışık enerjisine karşı duyarlı olmaları sayesinde fotosentez yapabilirler. Buradaki önemli nokta klorofil maddelerinin çok belirli bir dalga boyundaki ışınları kullanmalarıdır. Güneş tam da klorofilin kullandığı bu ışınları yayar. Yani güneş ışığı ile klorofil arasında tam anlamıyla bir uyum vardır.

Güneş ışığı yaprağın üzerine düştüğünde yapraktaki tabakalar boyunca ilerler. Yaprak hücrelerindeki kloroplast organellerinin içindeki klorofiller bu ışığın enerjisini kimyasal enerjiye çevirir. Bu kimyasal enerjiyi elde eden bitki ise bunu hemen besin elde etmekte kullanır.

Amerikalı astronom George Greenstein, The Symbiotic Universe adlı kitabında bu kusursuz uyum hakkında şunları yazmaktadır:

"Fotosentezi gerçekleştiren molekül, klorofildir... Fotosentez mekanizması, bir klorofil molekülünün Güneş ışığını absorbe etmesiyle başlar. Ama bunun gerçekleşebilmesi için, ışığın doğru renkte olması gerekir. Yanlış renkteki ışık, işe yaramayacaktır. Bu konuda örnek olarak televizyonu verebiliriz. Bir televizyonun, bir kanalın yayınını yakalayabilmesi için, doğru frekansa ayarlanmış olması gerekir. Kanalı başka bir frekansa ayarlayın, görüntü elde edemezsiniz. Aynı şey fotosentez için de geçerlidir.