Yeryüzündeki ana enerji kaynağı güneştir. Canlılar güneşten gelen ışık enerjisini doğrudan kullanamaz ve depolayamaz. Güneş enerjisinin kullanılabilir hâle gelmesi için başka bir enerji türüne dönüştürülmesi gerekir. Fotosentez bu dönüşümü gerçekleştiren olaydır.
Klorofil pigmenti bulunduran canlılar, ışık enerjisini organik moleküllerde depolanan kimyasal bağ enerjisine dönüştürür. Bu dönüştürme sürecine fotosentez denir. Besinlerini sentezlerken ışık enerjisini enerji kaynağı olarak kullanan üreticilere de fotoototrof veya fotosentetik canlılar denir. Bitkiler, bazı bakteriler, Euglena (Öglena) ve algler fotoototrof canlılara örnektir.
Fotosentezin Canlılar İçin Önemi
Canlıların yapısını oluşturan hücreler, dokular ve enzimler fotosentez sonucu üretilen organik moleküllerden oluşturulur. Fotosentezle üretilen organik besinler, canlıların besin kaynağıdır. Canlılar, bu besin maddelerini solunum olayı ile parçalayarak yaşamı için gerekli enerjiyi kazanır. Böylece fotosentez ile doğadaki enerji dönüşümü sağlanır.
Fotosentetik canlılar, CO2‘i kullanarak (özümleyerek) kendisi ve diğer canlılar için gerekli besin ile O2‘i üretir. O2‘li solunum yapan canlılar da enerjiyi üretmek için bu besin ve O2‘i kullanarak atmosfere CO2 verir. Böylece CO2 ve O2 döngüsü gerçekleştirilmiş olur.
Bitkilerin küçük bir tohumdan zamanla nasıl büyük bir bitki hâline geldiği, kütlece nasıl büyüdüğü bilim insanları tarafından merak edilmiş ve günümüze kadar araştırma konusu olmuştur.
Aristo (MÖ 384-322), bitkilerin besin maddelerini kökleri aracılığıyla topraktan ve sudan hazır aldıklarını ileri sürmüştür.
17. yüzyılda Belçikalı bilim adamı Jan Baptist van Helmont (Cen Baptist ven Helmant), bitkilerin beslenmesi, büyümesi ve gelişimi alanında araştırmalar yapmış, bitkilerdeki kütlesel artışın sadece sudan kaynaklandığını ve bitkisel maddenin doğrudan sudan geldiği sonucunu çıkarmıştır.
1775 yılında Joseph Priestley (Cozıf Prizley), bitkiler tarafından üretilen oksijenin hayvanlar tarafından kirletilen havayı temizlediği fikrini ortaya atmıştır.
1779 yılında Jan Ingenhousz (Yan İnginhus), havanın temizlenmesinin bitkinin yeşil kısımları tarafından güneş ışığında yapıldığını açıklamıştır. Fotosentezde klorofilin önemini vurgulamıştır.
1804 yılında İsviçreli kimyacı Nicolas Theodore De Saussure (Nikola Teodo Dö Sösyü), bitki ağırlığındaki artışın sudan kaynaklandığı bilgisinden yola çıkarak bitkinin besin üretiminde suyu kullandığını göstermiştir.
1840 yılında Justus von Liebig (Castıs van Libig), CO2‘in bitkiler için karbon kaynağı olduğunu vurgulamıştır.
1842 yılında Robert Mayer (Rabırt Mayır), ışığın enerji içerdiğini, canlılar tarafından kullanılan enerji kaynağının güneş ışığı olduğunu ve fotosentezde bitkinin yakaladığı güneş enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürdüğünü belirtmiştir.
1883 yılında Theodor Wilhelm Engelmann (Teodor Vilhelm Engelman), ışığın dalga boyunun fotosentez hızına etkisini “Engelman deneyi” olarak ifade edilen basit bir düzenekle açıklamıştır.
1905 yılında Frederick Blackman (Feriderik Blekmın), fotosentezin yalnızca fotokimyasal bir olay değil aynı zamanda biyokimyasal bir olay olduğunu ileri sürerek, olayın ışık gerektirmeyen bir karanlık reaksiyon safhası olduğunu da vurgulamıştır. Ayrıca Blackman fotosentezde “minimum yasasını” bulmuştur.
1931 yılında Cornelis Bernardus Van Niel (Kornalis Börnardis Ven Niyıl) atmosfere verilen oksijenin kaynağının su olduğunu ileri sürmüştür. Van Niel, CO2 kullanarak kendi besinini kendisi üreten ancak atmosfere oksijen vermeyen bakterilerle çalışmalar yapmış, bu çalışmalar sonucunda su yerine H2S kullandığında yan ürün olarak kükürt çıktığını saptamıştır. Kullanılan hidrojen kaynağına göre oksijen, kükürt gibi farklı son ürünler açığa çıkabilir. Hidrojen kaynağı olarak su kullanılırsa son ürün olarak oksijen gazı açığa çıktığından atmosferdeki oksijen dengesi korunmuş olur.
1937 yılında Robert Hill (Rabırt Hil), 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. Hill reaksiyonu adını verdiği bir denklemle olayı açıklamıştır. Reaksiyon, fotosentezde O2‘in ışık reaksiyonlarında oluştuğu ve bunun kökeninin CO2 değil de H2O olduğunu göstermesi yönünden önemlidir.
1941 yılında Samuel Ruben (Semuul Ruben) ve arkadaşlarının ağır oksijen atomu (18O2) taşıyan su (H218O) molekülleri ve normal oksijen atomu (16O2) taşıyan karbondioksit (C16O2) molekülleri ile yaptığı çalışmalar bunu doğrulamıştır.
Fotosenteze katılan su molekülündeki hidrojen atomu, glikozun ve açığa çıkan suyun yapısına katılır. Su molekülündeki oksijen ise atmosfere verilir. Fotosentez sonucu açığa çıkan oksijenin kaynağı sudur. Karbondioksitteki karbon atomu glikozun yapısına katılırken oksijen atomu hem glikozun hem de açığa çıkan suyun yapısına katılır.
1960 yılında Peter Dennis Mitchell (Pitır Dönis Mişel), mitokondrilerde ATP sentezi mekanizmasını açıklamıştır. Yapılan araştırmalar kloroplastlardaki ATP üretiminin de benzer şekilde olduğunu ortaya çıkarmıştır.
1961 yılında Melvin Calvin (Melvin Kelvin), fotosentezin ışıktan bağımsız reaksiyonları üzerinde çalışmış, olaydaki karbon metabolizmasını Kelvin döngüsü olarak açıklamıştır.
Kloroplast
Fotosentez ökaryotlarda kloroplastlarda gerçekleşir. Kloroplast; bazı protistlerde, bitkilerin yeşil yapraklarında, olgunlaşmamış meyvelerinde ve genç dallarda bulunur. Kloroplast organeli, çift zarlı bir yapıya sahiptir. Kloroplast- ların iç kısmı bir zar ağı ile örülmüştür. Bu yapı; tilakoitler denilen ince, yassı ve tabak benzeri keseciklerden oluşur. Tilakoitlerin üzerinde ışığın emilimini sağlayan pigmentler yer alır.
Tilakoitlerin sütunlar hâlinde üst üste dizilmesi ile de granum denilen yapılar oluşur. Granumlar ara lameller ile birbirlerine bağlıdır. Granumların meydana getirdiği bütün yapıya grana denir. Tilakoitler, stroma denilen yapışkan bir sıvı içerisine gömülmüştür. Bu sıvının içinde ışıktan bağımsız reaksiyonlarda görev alan enzimler ile kloroplastın kendine ait DNA, RNA, ribozom, amino asitler, bazı proteinler, lipit ve nişasta bulunur.
Kloroplast, kendisine ait DNA’sı olduğundan belli bir büyüklüğe geldiğinde veya ihtiyaç duyulduğunda hücre çekirdeği kontrolünde kendini eşleyerek çoğalabilir. Kloroplast içerisinde gerçekleşen tepkimelerde görevli enzimlerin üretimini stroma içindeki ribozomlar yapar. Kloroplastlarda üretilen ATP’ler, fotosentez tepkimelerinde kullanılır.
Tilakoitler ve stroma, fotosentez olayının farklı evrelerinin meydana geldiği yerlerdir. Tilakoitlerde güneş enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülür. Stromada ise güneşten alınan bu enerji, karbondioksidi basit şekere indirgemek için kullanılır.
Işık Enerjisi
Işık enerjisi dalgalar hâlinde yayılan bir elektromanyetik enerji biçimidir. Dalgalar hâlinde yayılan ışığın oluşturduğu iki ardışık tepe noktası arasındaki mesafeye ışığın dalga boyu denir. Işığın dalga boylarına göre sıralanmasıyla elektromanyetik spektrum elde edilir. Elektromanyetik spektrumda yer alan ışığın yaklaşık 380 nm ile 750 nm arasındaki dalga boyları insan gözüyle görülebildiğinden görünür ışık olarak isimlendirilir.
Tüm renklerin karışımı olan beyaz ışık; prizmadan geçirildiğinde mor, mavi, yeşil, sarı, turuncu ve kırmızı renkli ışık bantları oluşturur. Görünür ışık spektrumunda dalga boyu en uzun olan kırmızı ışık, en kısa olan ise mor ışıktır. Enerji miktarı, ışığın dalga boyu ile ters orantılıdır. Dalga boyu uzun olan ışığın enerjisi düşük, dalga boyu kısa olan ışığın enerjisi yüksektir.
Bitkiler, fotosentez yaparken spektrumdaki görünür ışığı kullanır. Görünmeyen ışık ise klorofil tarafından tutulmaz ve fotosentezde kullanılmaz. Görünür ışığı emen maddelere pigment denir. Farklı pigmentler, farklı dalga boyundaki ışığı soğurur, soğurulmayan ışınları ise geçirir ya da yansıtır. Bitkilerde klorofil dışında başka pigmentler de bulunur. Bu pigmentlere turuncu renkli karoten, sarı renkli ksantofil, kırmızı renkli likopin örnek verilebilir.
Karotenoitler, çiçek ve meyvelere renklerini verir. Ayrıca klorofilin soğuramadığı farklı dalga boylarındaki ışınları da soğurabilir. Soğurulan ışınlar daha sonra klorofile aktarılarak fotosentezde kullanılır. Bununla birlikte bazı karotenoitler, klorofile zarar verecek olan aşırı ışığı da emerek yayar.
Işığın yapısında yüksek hızla hareket eden ve enerji yüklü olan taneciklere foton denir. Güneş’in yaydığı elektromanyetik ışınlardan görünür dalga boyunda olanların fotonlarındaki enerji, fotosentezde kullanılır.
