Fotosentez

Yaprak, bitkilerde fotosentezin gerçekleştiği başlıca yerdir.

bitkiler

Fotosentez ya da ışılbileşim, klorofil (kloroplastlarda) taşıyan canlılarda ışık enerjisi kullanılarak organik bileşiklerin üretilmesi olayı. Bu yolla besin üreten canlıların tümüne fotosentetik organizmalar denir ve bunların büyük bir çoğunluğunu planktonlar ve bitkiler oluşturur.

Fotosentetik organizmalar, ışık enerjisinden yararlanarak enerjiyi depolarlar ve organik bileşikler üretebilirler. Bitkiler de diğer canlılar gibi yaşamsal etkinlikleri için gerekli enerjiyi organik maddelerin kimyasal enerjisinden sağlarlar. Bunun için de güneş ışığını kullanarak havanın karbondioksitini indirgeyerek organik besinlerini sentez ederler. Bu işlem CO₂'in indirgenmesi ve ancak güneş enerjisiyle gerçekleştiriliğinden "fotosentez" olarak anılır. Bu yolla güneşin ışık enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülür ve organik madde sentezi yapılmış olur.

Yeryüzündeki her canlı, metabolizma etkinlikleri için gerekli olan enerjiyi temelde üç yoldan sağlar. Fotosentez bir özümleme faaliyetidir ve bu yüzden özümleme ya da asimilasyon gibi genel isimlerle de anılır.

Yapraklar, bitkilerin besin üretim merkezidir. Bitki yapraklarını oluşturan hücrelerin içinde kloroplast denilen, çok küçük yapılar vardır. Bu yapıların içindeki yeşil renkli boyar madde (pigment) olan klorofil maddesinin görevi ışık yakalamaktır. Kloroplastlar güneş ışınlarını bir panel gibi toplayıp, kollektör gibi enerjiye dönüştürerek besin üretirler. Üretilen besin yapraklardan, bitkinin beslenmesi gereken diğer bölümlerine götürülür.

Havadaki karbondioksit, güneş enerjisi kullanılarak, nişasta ve diğer yüksek enerjili karbonhidratlara dönüştürülür. Karbon kullanıldıktan sonra ortaya çıkan oksijen ise havaya bırakılır. Bitki daha sonra besine ihtiyaç duyduğunda bu karbonhidratlarda depoladığı enerjiyi kullanır. Bu bitkilerle beslenen canlılar da bitkide bulunan karbonhidratlardan enerji ihtiyaçlarını karşılarlar.

Fotosentezle her yıl yaklaşık olarak 200-500 milyar ton CO₂ dönüşüme uğratılmaktadır. Bu nedenle fotosentezin önemi yalnız kalitatif değil ayrıca kantitafitir. Fotosentezle havanın karbondioksiti ve su, karbonhidratlara dönüştürülür. Karbonhidratlar C elementine ek olarak H ve O₂ elementlerini de içeren organik besin taşlarıdır.

Fotosentez olayının meydana gelebilmesi için gerekli olan maddeler, ışık, klorofil, karbondioksit, su, canlı organizmadır.

Tarihsel süreç

Fotosentezin bilim tarihindeki gelişimi şöyledir:

Aristo, bitkilerin yeşillenmesi için güneş ışığının gerekli olduğunu göstermiştir.

Van Helmont 17. yüzyılda, bitkisel materyal sentezi ile ilk araştırmaları yapmıştır. Araştırmacı 2,5 kg. ağırlığındaki bir söğüt fidanını içinde 100 kg. toprak bulunan bir saksıya dikmiş ve bunu 5 yıl süresince sadece yağmur suyuyla sulamıştır. Süre sonunda fidan 85 kg'lık bir ağaç olmuştur. deneme sonunda toprak kuru ağırlığı 99,994 kg. olarak belirlenmiştir. Aradaki 50 gramlık fark deney hatası olarak kabul edilmiş ve bitki ağırlığında oluşan 82,5 kg'lık madde artışının yalnız sudan kaynaklanndığı kanısına varmıştır.

İlk kez 1771 yılında Joseph Priestley, bitkiler tarafından dışarı verilen oksijenin hayvanlar tarafından kirletilen havayı temizlediği fikrini ortaya atmıştır.

1779'da Jan Ingenhousz havanın temizlenmesinin yeşil bitkiler tarafından ışıkta yapıldığını açıklamıştır. Fotosentezde klorofilin önemini vurgulamıştır.

1782 yılında Senebier yeşil bitkilerin havaya O₂ vermesinin CO₂ almalarına ve bitkiler tarafından meydana getirilen O₂ miktarının tamamen ortamda varolan CO₂ miktarına bağlı olduğunu göstermiştir.

1804 yılında De Saussure fotosentez esnasında eşit hacimde CO₂ ve O₂ alış verişi olduğu, buna benzer eşit hacimde bir gaz alış verişinin solunum esnasında da meydana geldiğini ileri sürmüştür. Bitkilerde biri ışıkta diğeri karanlıkta gelişen iki tip gaz alışverişi olduğunu, ışıkta CO₂ alınımı ve O₂ açığa çıkmasının ancak bitkinin yeşil kısımlarında olabildiğini göstermiştir. Ayrıca fotosentezde suyun rolüne dikkat çekmiştir.

Liebig 1840 yılında, CO₂'in bitkiler için C kaynağı olduğunu vurgulamıştır.

1842 yılında Robert Mayer, ışığın enerji içerdiğini, canlılar tarafından kullanılan enerji kaynağının güneş ışığı olduğunu ve fotosentezde bitkinin yakaladığı güneş enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürdüğünü belirtmiştir.

Engelman 1880 yılında fotosentezde ortama O₂ verilmesinin kloroplastlarca sağlandığını ortaya koymuştur.

Blackman 1905'de fotosentezin yalnızca fotokimyasal bir olay değil aynı zamanda biyokimyasal bir olay olduğunu ileri sürerek, olayın ışık gerektirmeyen bir karanlık reaksiyon safhası olduğunu da vurgulamıştır.

Willstater ve Stoll 1918 yılında CO₂, H₂O ve ışık altında meydana gelen ilk ürünün CH₂O ve O₂ olduğunu ileri sürmüşlerdir.

Robert Hill 1937 yılında fotosentezin ışık reaksiyonu üzerinde çalışarak ortamda ışık, su ve uygun bir hidrojen yakalayıcısı bulunduğunda, izole kloroplastların bile ortamda CO₂ olmadan O₂ oluşturabildiklerini görmüştür. Ayrıca yapraklarda doğal bir hidrojen yakalayıcısı maddenin bulunduğunu ortaya koymuştur. Bugünki bilgilere göre bu maddeler Ferredoksin ve NADP⁺'dır. Hill reaksiyonu adını verdiği bir denklemle olayı açıklamıştır. Reaksiyon, fotosentezde O₂'nin ışık reaksiyonlarında oluştuğu ve bunun kökeninin CO₂ değilde H₂O olduğunu göstermesi yönünden önemlidir.

Fotosentezin karanlık reaksiyonları üzerinde çalışan (1954-1961) Calvin ve arkadaşları ise olaydaki C metabolizmasını tüm ayrıntılarıyla açıklamışlardır. Bunun üzerine Calvin'e Nobel ödülü verilmiştir.

1966'da Hatch ve Slack, bazı bitkilerde fotosentezin karanlık reaksiyonlarında oluşan ilk kararlı ürünün 3C değil de 4C olduğunu bulmuşlar ve söz konusu bitkilerin tamamen farklı bir C metabolizması olduğunu göstermişlerdir.

Yirminci yüzyılın başlarında tek hücreli yeşil su yosunlarında (Chlorella vulgaris) fotosentezle ilgili araştırmalar Warburg tarafından yapılmıştır.

Önemi

Fotosentez, ışık enerjisini kimyasal bağ enerjisine dönüştürerek ilk basamaktaki organik madde üretimini sağlayan mekanizmadır. Bitkiler besin zincirinin ilk halkasını oluşturduğundan, diğer tüm canlıların var olabilmesi ve yaşamlarını sürdürebilmeleri için gerekli enerji fotosentez olayı sırasında elde edilir.

Fotosentezle havanın CO₂ ve O₂ dengesi korunmaktadır.

Fotosenteze ilişkin bulgular, her yeşil bitkinin organik madde üreten bir fabrika olduğu, bu süreçte güneş enerjisini kullanan aygıtların kloroplastlar olduğunu göstermiştir. Yeryüzüne ulaşan güneş ışınlarının yalnızca yarısı fotosentezde kullanılmaktadır. Bu konuda yapılan araştırmaların dünya nüfusunun gıda ihtiyaçları yönünden önemli olduğu bilinmektedir.

Pigmentler

Fotosentezde en önemli olgu güneş enerjisini yakalayıp onu kimyasal bağ enerjisine dönüştürebilme yeteneğidir. Bu işlevi bitkilerin kloroplastlarında veya kromatoforlarında bulunan pigmentler yapmaktadır. Bunların başlıcaları şöyledir:

• Klorofiller
• Karotenoidler
• Fikobilinler

Tepkimeler

Işığa bağlı tepkimeler

Işığa bağlı tepkimeler, canlının ışıklı ortamda ışığa bağımsız tepkimeler için gereken ATP ve NADPH'yi ürettiği bir dizi tepkime zinciridir. Bu tepkimeler tilakoit zar üzerinde gerçekleşir. Işığı soğuran klorofil molekülünden serbest kalan elektronlar elektron taşıma sistemi (ETS) elemanlarından geçer. Bu sırada ATP ve NADPH çıkışı olur.

Klorofile sahip canlıların ADP ve inorganik fosfat (Pi) kullanarak ATP üretmesine fotofosforilasyon denir. Bu olay devirli fotofosforilasyon ve devirsiz fotofosforilasyon olmak üzere iki yolla gerçekleşir. Devirsiz fotofosforilasyonda, devirliden farklı olarak su, fotolize uğrar. Tepkime şu şekildedir.

2 H₂O + 2 NADP⁺ + 3 ADP + 3 P_i + ışık → 2 NADPH + 2 H⁺ + 3 ATP + O₂

Bu tepkimeler sonucu oluşan O₂'nin bir kısmı mitokondrilere gönderilir, artanı ise atmosfere verilir. Oluşan ATP ve NADPH molekülleri stroma sıvısına girer, artık canlı ışıktan bağımsız tepkimeleri gerçekleştirmeye hazırdır.

Işıktan bağımsız tepkimeler

Bu tepkimeler stroma bölgesinde gerçekleşir. Stromalar protein yapılıdır. Bu tepkimeler aydınlıkta da karanlıkta da olabilir. CO₂’nin devreye girmesiyle başlar. Hidrojen ile CO₂ birleşerek karbonhidratları meydana getirir.

Fotosentez hızını etkileyen etkenler

Çevresel etkenler

1. CO₂ miktarı: Karbondioksit arttığında fotosentez hızı belli bir yere kadar artar, sonra sabit kalır.
2. Işık şiddeti: Arttığında fotosentez hızı belli bir değere kadar artar, sonra sabit kalır.
3. Işık rengi: Fotosentez en çok mor ve kırmızı ışıkta gerçekleşir, en düşük hız ise yeşildedir.
4. Sıcaklık: Enzimlerin çalıştığı optimum sıcaklık olan 25-35 derece arası fotosentez hızı maksimumdur. Eğer sıcaklık artmaya devam ederse enzimler bozulur. Sıcaklık çok düşerse enzimler durur.
5. Su miktarı: Su miktarı %15'in altına indiğinde enzimler inaktif olacağından fotosentez durur. Su miktarının belli bir değerden sonra artması fotosentez hızını etkilemez.

Genetik etkenler

1. Kloroplast sayısı
   

   Kloroplast
2. Yaprak sayısı ve yapısı
3. Stoma sayısı
4. Kütikula kalınlığı
5. Klorofil sentezleme geni

Kaynakça

• MEB (2012). Ortaoğretim Biyoloji 10. s. 53-77. ISBN 9789751132161. http://www.meb.gov.tr/Ders_Kitaplari/2012/OrtaOgretim/Devlet/OrtaOgrt/Biyoloji_10.pdf. Erişim tarihi: Aralık 23, 2012. 

Dış bağlantılar

• www.chemsoc.org
• Fotosentez, İngilizce
• Fotosentez
• Fotosentez
• www.biochemweb.org
• Dünya'nın en verimli yapay fotosentez sistemi geliştirildi

Wikimedia Commons'ta Fotosentez ile ilgili çoklu ortam kategorisi bulunur.