Fotosentez nedir? Bitkiler havadan nasıl besin üretir

Bir ceviz ağacını düşünün. Küçücük bir tohumdan başlayıp yıllar içinde tonlarca ağırlığa ulaşıyor. Peki bu kütle nereden geliyor? Çoğu insanın ilk cevabı “topraktan” olur. Şaşırtıcı ama doğru cevap şudur: Bir ağacın kuru kütlesinin büyük bölümü havadan, daha doğrusu havadaki karbondioksitten gelir. Bunu mümkün kılan sürecin adı fotosentezdir. Bu yazıda fotosentezin ne olduğunu, nasıl gerçekleştiğini ve neden Dünya’daki hayatın neredeyse tamamının buna bağlı olduğunu anlatacağız.

Fotosentez nedir? Kısa tanım

Fotosentez, bitkilerin, alglerin ve bazı bakterilerin ışık enerjisini kullanarak karbondioksit ve sudan şeker (glikoz) ürettiği, bu sırada da oksijen açığa çıkardığı süreçtir. Kelime de bunu anlatır: “Foto” ışık, “sentez” bir araya getirip üretmek demektir.

Fotosentezin genel denklemi şöyle yazılır:

Yani altı karbondioksit molekülü ve altı su molekülü, ışık enerjisi ve klorofil yardımıyla bir glikoz molekülüne ve altı oksijen molekülüne dönüşür. Denklemin iki tarafındaki atomları sayarsanız (6 karbon, 18 oksijen, 12 hidrojen) eşit olduğunu görürsünüz. Atomlar yok olmaz, yalnızca yeniden düzenlenir.

Bu denklem aslında pek çok küçük adımın özetidir. Ama ana fikir basittir: Işık enerjisi, kimyasal bağlarda depolanan enerjiye dönüştürülür. Bitkinin ürettiği glikoz hem enerji kaynağı olarak kullanılır hem de nişasta ve selüloz gibi daha büyük moleküllere çevrilerek bitkinin gövdesini, yapraklarını ve köklerini oluşturur.

Fotosentez nerede olur? Kloroplast ve klorofil

Fotosentez, bitki hücrelerinin içindeki kloroplast adlı organellerde gerçekleşir. Bir yaprak hücresinde onlarca kloroplast bulunabilir. Kloroplastların içinde ışığı yakalayan yeşil renkli bir pigment vardır: klorofil.

Karbondioksit, yaprağın genellikle alt yüzeyinde bulunan küçük açıklıklardan, yani gözeneklerden (stoma) içeri girer. Su ise köklerle topraktan alınır ve gövdedeki iletim borularıyla yapraklara taşınır. Üretilen oksijenin bir kısmı yine gözeneklerden dışarı verilir.

Yapraklar neden yeşil?

Klorofil, Güneş ışığındaki renklerin hepsini eşit şekilde kullanmaz. En çok mavi-mor ve kırmızı ışığı soğurur; yeşil ışığı ise büyük ölçüde yansıtır ve geçirir. Gözümüze ulaşan bu yeşil ışık yüzünden yapraklar yeşil görünür. Yani ilginç bir şekilde, yaprağın yeşil olması bitkinin en az kullandığı rengin yeşil olduğunu gösterir.

Sonbaharda yapraklar sararınca olan da budur: Bitki klorofili parçalayıp geri kazanır. Yaprakta zaten bulunan ama klorofilin baskın yeşili yüzünden fark edilmeyen sarı ve turuncu pigmentler (karotenoidler) ortaya çıkar.

İki aşamalı bir fabrika

Bilim insanları fotosentezi iki ana aşamada inceler:

1. Işığa bağımlı tepkimeler: Klorofil ışığı yakalar. Bu enerjiyle su molekülleri parçalanır, oksijen açığa çıkar ve hücrenin kullanabileceği enerji taşıyıcı moleküller (ATP ve NADPH) üretilir.
2. Işıktan bağımsız tepkimeler (Calvin döngüsü): İlk aşamada üretilen enerji taşıyıcılar kullanılarak havadan alınan karbondioksit, adım adım şeker moleküllerine dönüştürülür.

Burada çok önemli bir ayrıntı var: Fotosentezde açığa çıkan oksijen karbondioksitten değil, sudan gelir. 1940’lı yıllarda bilim insanları, ağır oksijen izotopu içeren su kullanarak yaptıkları deneylerle bunu gösterdiler. Ağır izotop sudaysa açığa çıkan oksijende de ağır izotop görülüyordu.

Ağaç kütlesini nereden alır?

Yazının başındaki soruya dönelim. 17. yüzyılda Flaman bilim insanı Jan Baptist van Helmont ünlü bir deney yaptı: Tartılmış toprağın içine küçük bir söğüt fidanı dikti ve beş yıl boyunca yalnızca su verdi. Sonunda söğütün kütlesi yaklaşık 74 kilogram artmıştı, ama topraktaki azalma yalnızca yaklaşık 57 gramdı (o dönemin ölçüsüyle iki ons kadar). Van Helmont kütlenin sudan geldiği sonucuna vardı. Kısmen haklıydı; ama o dönemde gazlar hakkında bilinenler çok azdı.

Bugün biliyoruz ki bir ağacın kuru kütlesinin büyük kısmı, fotosentezle havadan alınan karbondioksitteki karbon atomlarından oluşur. Su da hidrojen ve oksijen sağlayarak önemli katkı yapar. Topraktan alınan azot, fosfor ve potasyum gibi mineraller ise hayati önemde olsalar da toplam kütlenin küçük bir bölümünü oluşturur.

Gündelik hayattan örnekler

• Saksı bitkileri ve pencere kenarı: Saksıdaki bitkinin ışığa doğru eğilmesi tesadüf değildir. Işık, fotosentez için yakıttır.
• Seralar: Antalya ve Mersin’deki seralarda üreticiler ışığı, sıcaklığı ve sulamayı dikkatle ayarlar. Bazı modern seralarda havaya kontrollü miktarda karbondioksit verilerek fotosentez hızı artırılır.
• Fındık bahçeleri ve çay tarlaları: Karadeniz’in yeşilliği, bol yağış ve ışıkla çalışan dev bir fotosentez sisteminin görüntüsüdür.
• Okyanuslar: Dünya’daki oksijenin önemli bir kısmı karadaki ormanlardan değil, denizlerdeki mikroskobik alglerden (fitoplankton) gelir.

Sık yapılan yanılgılar

“Bitkiler yalnızca fotosentez yapar, solunum yapmaz.” Yanlış. Bitkiler de bizim gibi hücresel solunum yapar; glikozu oksijenle parçalayarak enerji elde eder. Bu solunum gece gündüz sürer. Gündüz fotosentez, solunumdan daha hızlı olduğu için bitki dışarıya net olarak oksijen verir.

“Bitkiler besinini topraktan alır.” Topraktan mineral ve su alırlar, ama besin olan şekeri kendileri üretirler. Gübre, bitkinin “yemeği” değil, vitamin ve mineral desteği gibidir.

“Fotosentez yalnızca yapraklarda olur.” Klorofil içeren her yeşil dokuda fotosentez olabilir. Genç yeşil gövdeler ve ham meyveler de az miktarda fotosentez yapar.

“Bitkiler gece karbondioksit verdiği için yatak odasında bitki tehlikelidir.” Bir saksı bitkisinin gece solunumla verdiği karbondioksit, odada uyuyan bir insanın verdiğinin yanında son derece küçüktür. Bu yaygın inanış gerçekçi bir tehlike oluşturmaz.

Evde dene: Yüzen yaprak diskleri

Bu deneyle fotosentezin oksijen ürettiğini kendi gözünüzle görebilirsiniz. Bir yetişkinden yardım almanız yeterli.

Malzemeler: Ispanak yaprağı, iğnesiz bir şırınga (eczanelerde bulunan plastik şırınga), bir bardak su, bir çay kaşığının ucu kadar karbonat, birkaç damla bulaşık deterjanı, bir pipet ya da kalın bir kalemin kapağı, masa lambası.

1. Suya bir tutam karbonat ve bir damla deterjan karıştırın. Karbonat suya karbondioksit kaynağı sağlar.
2. Kalem kapağıyla ıspanaktan 10 kadar küçük daire kesin.
3. Diskleri şırıngaya koyun, biraz karbonatlı su çekin. Şırınganın ucunu parmağınızla kapatıp pistonu geri çekin. Bu, yaprağın içindeki havayı dışarı çıkarır. Birkaç kez tekrarlayınca diskler batar.
4. Diskleri karbonatlı su dolu bardağa boşaltın ve bardağı lambanın altına koyun.
5. Birkaç dakika içinde disklerin tek tek yüzeye çıktığını göreceksiniz.

Neden? Fotosentezle üretilen oksijen yaprağın iç boşluklarında birikir ve diski hafifletir. Bir bardağı karanlıkta bırakırsanız disklerin çok daha yavaş yükseldiğini ya da hiç yükselmediğini görürsünüz. Lambayı yaklaştırıp uzaklaştırarak ışık şiddetinin etkisini de araştırabilirsiniz.

Özetle

• Fotosentez, ışık enerjisiyle karbondioksit ve sudan glikoz ve oksijen üretilmesidir.
• Kloroplastlarda gerçekleşir; ışığı klorofil yakalar.
• Klorofil kırmızı ve mavi ışığı soğurur, yeşili yansıtır; bu yüzden yapraklar yeşildir.
• Açığa çıkan oksijen sudan gelir.
• Bir ağacın kuru kütlesinin büyük kısmı havadaki karbondioksitten gelir.
• Bitkiler hem fotosentez hem solunum yapar.

Canlılar ve enerji dönüşümleri üzerine daha fazlası için Fen Bilimleri konularına ve biyoloji yazılarımıza göz atabilirsiniz.