Fotosentezde Kullanılan ve Üretilen Maddeler

Bitkiler yaşamlarını sürdürmek için suya ve güneş ışığına ihtiyaç duyar. Sulanmamış mısır bitkileri ve yeterli ışık almayan orkideler bu ihtiyaçlar karşılanmadığında sağlıklı gelişemez; bu gözlem, fotosentezin hangi maddelere bağımlı olduğunu anlamak için bir başlangıç noktasıdır.

Bilim Tarihinde Fotosentez Araştırmaları

Fotosentez mekanizması 1800'lü yıllardan bu yana bilinse de sürecin bazı basamakları çok sayıda bilim insanının kademeli çalışmalarıyla aydınlatılmıştır:

• Jan Baptist van Helmont (17. yüzyıl): 2,5 kg'lık bir söğüt fidanını tarttığı (80 kg) kuru toprağa dikip beş yıl boyunca yalnızca yağmur suyuyla sulamıştır. Beş yıl sonra ağaç 75 kg'a ulaşırken toprağın kütlesi neredeyse değişmemiştir (79,9 kg). Helmont bu deneyden, bitkilerdeki kütle artışının sudan kaynaklandığı sonucuna varmıştır.
• Joseph Priestley (1774): Hava almayan kapalı bir cam kavanoza yanan bir mum ve canlı bir fare koyduğunda mumun söndüğünü ve farenin öldüğünü gözlemlemiştir. Aynı kavanoza canlı bir bitki eklediğinde ise fare hayatta kalmış, mum yanmaya devam etmiştir. Priestley, kirlenen havanın bitkiler tarafından temizlendiğini ortaya koymuştur.
• Jan Ingenhousz (1779): Su bitkilerinin yeşil kısımlarının yalnızca ışıkta hava baloncukları (oksijen) çıkardığını, karanlıkta ise bitkilerin karbondioksit verdiğini tespit etmiştir. Fotosentez için güneş ışığının gerekli olduğunu ve yalnızca bitkilerin yeşil kısımlarının fotosentez yapabildiğini göstermiştir.
• Robert Hill (1937): Işığın kullanıldığı tepkimeler üzerinde çalışarak, açığa çıkan oksijenin kaynağının karbondioksit değil su olduğunu ispatlamıştır. Ortamda ışık, su ve uygun bir hidrojen yakalayıcısı bulunduğunda izole kloroplastların CO₂ olmadan bile O₂ üretebildiğini göstermiş; bu olayı kendi adıyla anılan Hill Reaksiyonu ile ifade etmiştir: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻.
• Melvin Calvin (1946): Işığın kullanılmadığı tepkimeler üzerine çalışarak atmosferik karbondioksidin organik bileşiklere nasıl dönüştürüldüğünü ayrıntılarıyla açıklamıştır. Bu katkısından dolayı 1961'de Nobel Ödülü'ne layık görülmüş, kendi adına ithafen bu tepkimeler dizisi Calvin döngüsü olarak adlandırılmıştır.

Fotosentezin Kimyasal Denklemi

Bitkilerin kloroplast taşıyan yeşil kısımlarında ışık varlığında CO₂ ve H₂O'dan organik maddeler üretilirken bitkiler atmosfere O₂ verir. Fotosentezin kimyasal denklemi şöyle yazılabilir:

6CO₂ + 12H₂O → (Işık, Klorofil) → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

Denklemdeki C₆H₁₂O₆, bir karbohidrat türü olan glikozdur. Eşitliğin her iki tarafında da H₂O bulunması, suyun hem tüketildiğini hem üretildiğini gösterir. Su molekül sayıları sadeleştirildiğinde denklem şu hâle gelir:

6CO₂ + 6H₂O → (Işık, Klorofil) → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

CO₂, fotosentezde kullanılan tek karbon kaynağıdır; ancak hidrojen kaynağı canlı grubuna göre değişir. Bitkiler ve bazı bakteriler H₂O'yu, bazı fotosentetik bakteriler ise hidrojen sülfürü (H₂S) hidrojen kaynağı olarak kullanır:

• Bitkiler, öglena, algler ve siyanobakterilerde: 6CO₂ + 12H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O
• Mor kükürt bakterilerinde: 6CO₂ + 12H₂S → C₆H₁₂O₆ + 12S + 6H₂O

Bu denklemlerin ikisinde de CO₂ tüketilip C₆H₁₂O₆ (glikoz veya farklı monosakkaritler) üretilir; ancak tüketilen hidrojenli bileşikler sabit olmadığından atmosfere verilecek yan ürün çeşidi de değişir (oksijen veya kükürt). Bilim insanları, ağır oksijen izotopu kullanarak fotosentezde üretilen oksijenin kaynağının CO₂ değil H₂O olduğunu ispatlamıştır — bu, Robert Hill'in bulgusunu doğrulayan bağımsız bir kanıttır.

Özet

• Fotosentezle ilgili temel bulgular; kütle artışının sudan geldiğini (Helmont), bitkilerin havayı temizlediğini (Priestley), ışığın ve yeşil kısımların gerekliliğini (Ingenhousz), oksijenin kaynağının su olduğunu (Hill) ve karbon metabolizmasının işleyişini (Calvin) gösteren kademeli deneylerle ortaya konmuştur.
• Fotosentezin genel denklemi 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ şeklinde özetlenir; CO₂ tüm fotosentez türlerinde ortak karbon kaynağıdır, hidrojen kaynağı (H₂O veya H₂S) canlı grubuna göre değişerek farklı yan ürünler (O₂ veya S) oluşturur.