3.2.2 Bitkilerde Su ve Minerallerin Taşınması

Giriş ve Öğrenme Hedefleri

Bitkiler, yaşamları boyunca kökleriyle topraktan aldıkları su ve çözünmüş mineralleri yüzlerce metre yüksekliğe kadar taşıyabilen muazzam sistemlere sahiptir. Bu taşıma işlemi, insanlarda kalbin kanı pompalaması gibi merkezi bir güçle değil, çeşitli fiziksel ve fizyolojik kuvvetlerin birleşimiyle gerçekleşir. Bu bölümde, ksilemde suyun ve minerallerin nasıl taşındığını ve bu süreçte kilit rol oynayan kök basıncı, kılcallık ile terleme-kohezyon mekanizmalarını inceleyeceğiz. Ayrıca su kaybını dengeleyen stomaların açılıp kapanma mekanizmalarını detaylandıracağız.

Ksilemde Su ve Mineral Taşınmasını Sağlayan Kuvvetler

Su ve suda çözünmüş minerallerin ksilem (odun boruları) içerisinde taşınması tamamen tek yönlüdür (kökten yapraklara doğru) ve bu süreçte bitki enerji (ATP) harcamaz. Taşıma hızını ve etkinliğini belirleyen üç temel faktör vardır:

1. Kök Basıncı

Geceleri veya terlemenin çok az olduğu nemli havalarda aktif rol oynar. Kök hücreleri, topraktaki mineralleri ksileme doğru aktif taşıma ile pompalar. Kaspari şeridi sayesinde geri kaçamayan bu mineraller ksilem içinde yüksek bir ozmotik basınç yaratır. Bu durum kökteki suyun osmozla ksileme girmesine neden olur. İçeri giren suyun yarattığı bu itme kuvvetine kök basıncı denir. Kök basıncı, suyun bitkide çok yükseklere taşınması için tek başına yeterli değildir, ancak kısa boylu otsu bitkilerde etkilidir. Hatta havanın neme doygun olduğu zamanlarda, kök basıncı sayesinde yaprak kenarlarındaki hidatot adı verilen açıklıklardan suyun sıvı halde damlalar halinde dışarı atılması (Gutasyon/Damlama) görülür.

2. Kılcallık (Kapilarite)

Suyun ksilem borularında bir miktar yükselmesini sağlayan fiziksel bir olaydır. Su molekülleri ile ksilem borusunun iç çeperi arasındaki çekim kuvvetine adhezyon (farklı moleküller arası çekim) denir. Ksilem boruları ne kadar dar (ince) olursa, adhezyonun etkisi o kadar artar ve sıvı daha çok yükselir. Ancak kılcallık, diğer faktörlere göre suyun taşınmasında en az etkili olan kuvvettir. Kılcallık olayı hem canlı hem de cansız dar borularda gerçekleşebilir.

3. Terleme ve Kohezyon-Gerilim Teorisi

Bitkilerde ksilem özsuyunun metrelerce yükseğe taşınmasını sağlayan en büyük etki terleme ve kohezyon-gerilim mekanizmasıdır. Bitki yapraklarındaki stoma (gözenek) açıklıklarından suyun gaz halinde atmosfere verilmesine terleme (transpirasyon) denir. Yaprak, terleme ile su kaybettikçe mezofil hücrelerinin ozmotik basıncı artar. Bu hücreler ksilemden osmozla su çeker. Suyun yapraklardan çekilmesi, yukarıdan aşağıya doğru bir emme (negatif basınç) kuvveti oluşturur (Tıpkı pipetle meyve suyu içmek gibi). Aynı tür moleküller arasındaki çekim kuvvetine kohezyon denir. Su molekülleri, aralarındaki zayıf hidrojen bağları sayesinde birbirine kopmaz bir zincir gibi tutunur. Yukarıdan gelen emme kuvveti, ksilem içindeki kopmayan su sütununu bir bütün halinde yukarı doğru çeker. Bu sisteme Terleme-Kohezyon-Gerilim Teorisi adı verilir. Terleme kohezyon kuvveti cansız (ölü) ksilem borularında gerçekleşir.

Stomaların Açılıp Kapanma Mekanizması

Stomalar yapraklardaki gaz alışverişini ve terlemeyi düzenleyen, iki adet bekçi (kilit) hücresi ve arasındaki stoma açıklığından oluşan yapılardır. Bekçi hücrelerinin iç çeperleri (açıklığa bakan yüzeyi) kalın, dış çeperleri incedir. Turgor basıncındaki değişimlere bağlı olarak çeperlerin gösterdiği farklı esneme özelliği stomanın açılıp kapanmasını sağlar.

Stomaların Açılması (Gündüzleri)

Gündüz ışığın varlığında stomalar genellikle açılır: 1. Bekçi hücrelerinde fotosentez başlar, CO2 tüketilir. CO2 azaldığı için pH artar (bazikleşme). 2. Artan pH ortamında fosforilaz enzimi aktifleşir ve bekçi hücrelerinde depo edilmiş nişastayı glikoza hidroliz eder. 3. Ayrıca epidermis komşu hücrelerinden bekçi hücrelerine potasyum (K+) iyonları pompalanır. 4. Glikoz ve K+ artışı, bekçi hücrelerinin hücre içi yoğunluğunu (ozmotik basıncını) artırır. 5. Bekçi hücreleri komşu epidermis hücrelerinden osmozla su çeker. 6. Su alan hücrenin turgor basıncı artar. İnce dış çeperler şişkinleşerek dışarı doğru kavis yapar, kalın iç çeperleri de birbirinden uzaklaştırır ve böylece stoma açıklığı açılır.

Stomaların Kapanması (Geceleri veya Su Stresinde)

Gece karanlığında veya aşırı sıcak/kurak durumlarda stomalar kapanır: 1. Işık olmadığından fotosentez durur, solunum devam eder. CO2 birikir ve pH düşer (asitleşme). 2. Düşük pH, glikozların tekrar nişastaya dönüşmesini (sentezini) sağlar. 3. Potasyum (K+) iyonları komşu hücrelere geri döner. 4. Çözünmüş madde miktarının (glikoz ve K+) azalmasıyla bekçi hücrelerinin ozmotik basıncı düşer. 5. Bekçi hücreleri fazla suyunu komşu hücrelere verir. 6. Turgor basıncı düşen hücreler eski haline döner, kalın iç çeperler birbirine yaklaşır ve stoma kapanır. (Not: Kuraklık stresi altında köklerden salgılanan Absisik Asit (ABA) hormonu da potasyum çıkışını tetikleyerek stomanın gündüz vakti bile kapanmasını sağlayabilir.)

Özet

Ksilemde su ve mineral taşınması; terleme, kohezyon, adhezyon ve kök basıncı sayesinde enerjisiz bir şekilde gerçekleşir. Suyun çıkışını denetleyen stomalar, bitkinin sıvı dengesini turgor basıncı değişimleriyle ince bir şekilde ayarlar.