Biz insanların yaşamak için ihtiyaç duyduğu enerji, oksijen atomları sayesinde oluşur. Bizler ve oksijenli solunum yapan diğer canlılar için oksijen, yeri doldurulamaz bir ihtiyaçtır. Öte yandan üzerinde yaşadığımız Dünya açısından da oksijenin önemi büyüktür. Öyle ki atmosferin %21’ini oksijen gazı oluşturur. Hem bizler hem de Dünya için büyük öneme sahip oksijen atomu, bitkiler ve başka canlılar tarafından fotosentez denilen bir mekanizma sayesinde üretilir.
Doğada fotosentez yapabilen birçok canlı vardır. Bu canlılar besinlerini fotosentez yoluyla elde ederler. Tıpkı fotosentez yapan canlılar gibi kendi besinini kendi üretebilen canlılar ototrof olarak isimlendirilirler (oto: kendi, trof: beslenen). Ototrof canlılar içinde besinini ışık yoluyla elde edenlere de fotoototrof canlılar denir (foto, ışık).
Fotosentez denince akla ilk gelen canlılar bitkilerdir. Bitkiler, besinini fotosentez yoluyla elde eden fotoototrof canlılardandır. Ancak bitkilerin her hücresinde fotosentez yapma yeteneği yoktur. Bunun nedeni bir sonraki başlıkta bahsedeceğim klorofil pigmenti ile ilgilidir. Bitkilerin özellikle yeşil yaprakları fotosentez için elverişlidir. Ancak kök gibi yeşil olmayan kısımları fotosentez yapamaz.
Mavi- yeşil algler, öglena ve algler de fotosentez yapabilen fotoototrof canlılardandır.
Hem bitkilerin hem de diğer fotoototrof canlıların fotosentez yapabilmek için iki temel ihtiyacı vardır: Işık ve Klorofil
Hidrojen kaynağı H2O ise yan ürün; oksijendir.
Hidrojen kaynağı H2S ise yan ürün; kükürttür.
Hidrojen kaynağı H2 ise yan ürün; oluşmaz.
Fotosentezin kelime anlamı ışık ile üretimdir (foto, ışık, sentez, yapım). Fotosentezin en basit anlatımı, inorganik maddelerin ışık ve klorofil pigmenti kullanılarak organik maddelere ve suya dönüşümüdür. Karışık mı geldi, öyleyse önce inorganik madde, organik madde ve klorofilin ne olduğunu öğrenelim.
Bizler renkleri ışığın davranışına göre görebilir veya göremeyiz. Güneş ışığı bir diğer deyişle beyaz ışık, üzerine düştüğü cisimler tarafından ya yansıtılır ya da soğurulur. Beyaz ışıkta kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi, lacivert ve mor olmak üzere yedi temel renk bulunur. Cisimler, beyaz ışık altında yansıttıkları renkle bizlere görünürler. Eğer beyaz ışık barındırdığı tüm ışıkları yansıtıyorsa cisimler beyaz olarak algılanır, eğer hiçbirini yansıtmayıp hepsini soğuruyorsa siyah olarak algılanır. Renkli nesnelerde ise durum şöyledir: Cisimler sahip olduğu renkteki ışığı yansıtıp diğer renkleri soğurur. Örneğin bu yazıyı okurken etrafınızda gördüğünüz herhangi bir nesneye bakarak o nesnenin hangi ışığı yansıttığını rahat bir şekilde söyleyebilirsiniz. Kural basit: Cismi hangi renkte görüyorsanız yansıttığı ışığın rengi de odur.
Klorofil pigmentine dönecek olursak ışığı soğurduğundan bahsetmiştik ama hangi ışığı soğuruyor dersiniz? Klorofil pigmentleri yeşil dışındaki ışıkları yani kırmızı, turuncu, mavi ve mor gibi ışıkları soğururken yeşil ışığı yansıtır, dolayısıyla klorofil yeşil renkli bir pigmenttir. İşte tam da bu yüzden, fotosentezi klorofil pigmenti sağladığı için, bitkilerin yaprak gibi klorofil bakımından zengin olan kısımları, fotosentez olayının yoğun bir şekilde görüldüğü kısımlardır. Bu sayede yukarıda bahsetmiş olduğum, bitkilerin her kısmının fotosentez yapamayacağı konusu açıklık kazanmış oldu. Bitkilerin kök kısımlarına bakacak olursak hem yeşil renkli olmayışları hem de toprağın altında oldukları için ışıktan mahrum kalmaları, fotosentez yapma yeteneklerinin olmamasına birer sebeptir.
Peki fotosentez için gerekli olan klorofil pigmenti, fotoototrof canlıların bünyesinde nerede bulunuyor dersiniz?
Kloroplast, fotosentez yapabilen bitki hücrelerinde, alg ve öglena canlılarında bulunan bir organeldir. Organeli hücre içinde belirli bir görevi yerine getirmek için özelleşmiş yapılar veya hücre elemanı olarak düşünebilirsiniz. Kloroplast organelinin özel görevi ise fotosentezi sağlamaktır. Kloroplastı çevreleyen iki adet düz zar vardır. Organelin içinde ise stroma adı verilen yoğun bir sıvı bulunur. Bu sıvının içinde DNA, RNA, ribozom ve enzimler yer alır. Ancak bu yapıların hiçbiri fotosentezi doğrudan sağlamaz. Fotosentez için olmazsa olmaz ihtiyacın klorofil olduğunu söylemiştim. Peki bu klorofil nerede bulunuyor dersiniz?
Stroma sıvısının içinde fotosentez için özel bir zar sistemi daha vardır ki tilakoid zar sistemi olarak isimlendirilmiştir. Tilakoid zar sistemi, bozuk para şeklinde üst üste dizilmiş granum adı verilen yapılardan oluşur. Klorofil pigmentleri de granumların içinde yer alır. Granumların bütünlüğü, onları birbirine bağlayan tilakoid ara lamel sayesinde sağlanır.
Peki ya kloroplast organeli olmayan fotoototrof canlılar, onlarda klorofil nerede bulunuyor dersiniz? Örneğin mavi-yeşil algler (siyanobakteriler) kloroplast organeli olmayan canlılardır. Bu canlılarda kloroplast olmasa da kloroplastın görevini üstlenen yapılar bulunur. Siyanobakterilerdeki sitoplazma yani hücre sıvısı stromanın yerini alırken, hücre zarı da tilakoid zar sistemi gibi davranır. Klorofil pigmentleri de hücre zarına bağlı bir biçimde sitoplazmada yer alır.
Kloroplastın yapısından bahsettiğimize göre artık fotosentezin nasıl gerçekleştiğini öğrenebiliriz. Fotosentez kabaca iki evrede gerçekleşir. Bunlar ışığa bağımlı ve ışıktan bağımsız evre olarak sınıflandırılır.
Fotosentezin ilk aşaması ışığa bağımlı evredir ve kloroplastın tilakoid zar sisteminde gerçekleşir. Bu evrede ışık ve klorofil pigmenti doğrudan görev alır. Dışarıdan gelen ışık ışınları tilakoid zara ulaşır ve granumlarda bulunan klorofilin ışığı soğurmasıyla fotosentez başlar.
Fotosentezin ışığa bağımlı evresinde su molekülü de yer alır. Bitkilerin köklerinden aldıkları su molekülleri, ışık sayesinde parçalanır. Kimyasal formülü H2O olan su, parçalanma sonucu H2 (hidrojen gazı), O2 (oksijen gazı) ve elektronlarına ayrılır. Oksijen gazı tepkimeden çıkarak doğrudan atmosfere verilir ve canlılar için büyük öneme sahip solunum gibi işlevlerde kullanılır. Açığa çıkan hidrojen gazı ve elektronlar ise elektron taşıma sistemi (ETS) sayesinde ATP ve NADPH2 denilen moleküllerin döngüsel şekilde oluşturulmasını sağlar. Bu moleküller fotosentezin ışığa bağımsız evresinde kullanılmak üzere stromaya gönderilir.
Kalvin döngüsü olarak da bilinen bu evre her ne kadar ışıktan bağımsız olarak adlandırılsa da ışıksız ortamda gerçekleşmesi mümkün değildir. Çünkü bu evre için gerekli olan ATP ve NADPH2 molekülleri ışığa bağımlı evreden gelir. Kısaca bu iki evre birbirine bağımlıdır ve ışıksız ortamda gerçekleşmez.
Kalvin döngüsünde atmosferden alınan karbondioksit molekülü (CO2) tepkimeye girer. Karbondioksit gazı ATP ve NADPH2’nin etkisiyle stromada PGAL (3-fosfogliseraldehit) denen organik madde ve suya dönüşür. PGAL, organik maddelerin oluşumu için gerekli bir moleküldür. Bu molekül sayesinde glikoz, fruktoz, amino asit ve vitamin gibi organik maddeler üretilerek canlıların besin ihtiyacı karşılanır.
Bu evrede karbondioksit molekülü tepkimeye girer ve organik maddeler ortaya çıkar. Kalvin döngüsü 3 aşamada gerçekleşir. Bunlar sırasıyla:
1. Karbon Bağlanması: Atmosferden alınan karbondioksit gazı, bir önceki Kalvin döngüsünden elde dilen beş karbonlu ribuloz bifosfat (RuBP) molekülüne bağlanır. Bu bağlanma sonucunda altı karbonlu bir ara bileşik oluşur ve ikiye bölünür. Karbon bağlanması aşamasının sonucunda iki adet üç karbonlu 3-fosfogliserit molekülü oluşmaktadır.
2. İndirgeme: Bu aşamada 3-fosfogliserit molekülü, ATP’den bir fosfat grubu alarak 1,3 bifosfogliserit molekülüne dönüşür. Bu molekül NADPH’tan elektron alır ve gliseraldehit 3-fosfat (G3P) molekülüne çevrilir. Elektron alan moleküller kimyasal olarak indirgenirler. Bu nedenle bu aşamaya indirgenme aşaması denmektedir.
3. CO2 Alıcısının Yeniden Üretimi: İndirgeme kısmında oluşan G3P molekülü, üç adet ATP harcanarak üç RuBP’ye dönüştürülür. Oluşan RuBP yeniden CO2 almaya yani yeni döngüye girmeye hazırdır. Bu sayede oluşan her ribuloz bifosfat molekülü karbondioksite bağlanarak döngünün devamlılığını sağlamış olur.
Her gün istisnasız soluduğumuz oksijen gazı fotosentezle üretilen bir üründür. Ancak üretilen tek madde oksijen gazı değildir. Fotosentez yapan canlılar, besin ve su ihtiyaçlarını fotosentez sonucu oluşan organik maddeler sayesinde karşılar. Bu sayede hem kendilerini besleyen hem de bize ve Dünyamıza oksijen sağlayan bu canlıların önemini kavrayabiliriz.
