Işık Enerjisi Kullanılmadan Besin Sentezi: Kemosentez

Konu Anlatımı

Bu derste ne öğreneceğiz?

Bu derste Işık Enerjisi Kullanılmadan Besin Sentezi: Kemosentez konusunu işleyeceğiz. Önce yapıyı tanıtıp sonra görevini anlatacağız; yapı ile görev arasındaki bağı kuramayan konuyu gerçekten öğrenmiş sayılmaz.

Dersten sonra şunları yapabiliyor olmanız gerekiyor:

• Kazanım 1: Kemosentezin ışık kullanmadan yürüyen enerji dönüştürme süreci olduğunu açıklar.
• Kazanım 2: Nitrifikasyon, sülfürizasyon ve demir oksidasyonu süreçlerini karşılaştırır.
• Kazanım 3: Oksijenli ve oksijensiz ortamlarda yürüyen kemosentez çeşitlerini ayırt eder.
• Kazanım 4: Kemosentetik bakterilerin yaşam alanlarını ve ekosistemdeki rollerini belirtir.
• Kazanım 5: Kemosentez ile fotosentezin benzerlik ve farklılıklarını ortaya koyar.

Ön bilgi: bundan önce gördüğümüz

Bu konuyu anlamanın ön koşulu Işık Enerjisi Kullanılarak Besin Sentezi: Fotosentez bilgisidir. Işık Enerjisi Kullanılarak Besin Sentezi: Fotosentez konusundaki temel kavramlar bu derste örneklerin üzerinde yeniden karşımıza çıkacak.

• Işık Enerjisi Kullanılarak Besin Sentezi: Fotosentez — bu derste kullandığımız temel kavram buradan geliyor.
• Canlılık İçin Enerjinin Önemi (ATP’nin Yapısı ve Enerji Aktarımında ATP’nin Rolü) — bu derste kullandığımız temel kavram buradan geliyor.

Kemosentez Nedir?

Kemosentez, ışık enerjisi kullanılmadan yürüyen enerji dönüştürme sürecidir. Kemosentetik bakteriler, inorganik maddeleri oksitleyerek kimyasal enerji elde eder ve bu enerjiyi adenozin trifosfat biçimine dönüştürür. Elde edilen enerji, karbondioksitten kendi organik besinini sentezlemek için kullanılır. Bu nedenle kemosentetik canlılar hem ototrof hem kemootrof özellik gösterir.

Kemosentez, yaşamın ışığa bağımlı olmayan temel yollarından biridir. Bitkilerin bulunmadığı ya da ışığın ulaşmadığı ortamlarda organik maddenin kaynağı bu canlılardır. Tüm kemosentetik canlılar prokaryottur; zarla çevrili çekirdekleri ve zarlı organelleri yoktur, tepkimeler sitoplazmada serbest enzimlerle yürür.

Oksidasyon Basamakları

Kemosentezin temeli, oksidasyon basamakları arasındaki enerji farkıdır. Bir inorganik madde oksitlendiğinde elektronlar verir, madde daha yüksek oksidasyon basamağına çıkar ve aradaki enerji farkı hücreye kalır. En yaygın örnekler şunlardır.

Nitrifikasyon iki basamakta gerçekleşir. Birinci basamakta amonyak nitrite, ikinci basamakta nitrit nitrata yükseltilir. Her basamak farklı bir bakteri grubunca yapılır ve her basamakta ayrı enerji kazanılır. Bu nedenle azot döngüsünde amonyaktan nitrata giden yolda, amonyağı doğrudan nitrata çevirmeye çalışan bir basamak bulunmaz.

Oksijenli ve Oksijensiz Kemosentez

Nitrifikasyon, sülfürizasyon ve demir oksidasyonu oksijenli ortamlarda yürür; bu tepkimelerde oksijen elektron alıcısı olarak kullanılır. Oksijensiz ortamlarda ise başka canlılar enerjilerini karbondioksiti metana indirgeyerek elde eder. Bu canlılar metanojenler olarak adlandırılır ve kömür madenleri, atık depoları ve bağırsaklar gibi ortamlarda bulunur. Kemosentezin her türü oksijene ihtiyaç duymaz.

Yaşam Alanları

Kemosentetik bakteriler, inorganik bileşiklerin bol olduğu ve ışığın ulaşmadığı ya da önemsiz olduğu ortamlarda yaşar. Derin deniz bacaları, ılık su kaynakları, kükürt madenleri, mağara duvarları ve şehir atık suyu arıtma tesisleri bu ortamlara örnektir. Atık su arıtma tesislerinde nitrifikasyon bakterileri, sudaki amonyak ve nitriti oksitleyerek zararlı bileşikleri zararsız hâle getirir.

Kemosentezin başka bir uygulaması da madenciliktir. Bakır cevherlerindeki metali oksitleyerek suda çözünebilir hâle getiren bakteriler kullanılır; böylece cevherden metal elde edilir. Bu yöntem, enerji bakımından çok verimli olmayan kemosentez tepkimelerinin pratik bir sonucudur.

Örnek Çözüm

Bir göldeki tortu katmanlarında kükürt bakterileri yoğunlaşmıştır. Bu bakteriler hidrojen sülfürü oksitleyerek enerji elde eder. Süreçte oksijen tüketildiği için sudaki çözünmüş oksijen azalır ve oksijence fakir tabanda metanojenler faaliyet gösterebilir. Tortunun kokusundan sorumlu hidrojen sülfür gazı da bu tabakada birikir. Sonuç, ortamın oksijen bakımından fakirleşmesi ve gaz birikimidir; suyun oksijence zenginleşmesi değildir.

Özet

Kemosentez, ışık enerjisi kullanılmadan inorganik maddelerin oksidasyonuyla enerji elde edilerek organik besin sentezlenmesidir. Kemosentetik bakteriler hem ototrof hem kemootroftur; karbon kaynakları karbondioksit, enerji kaynakları inorganik maddelerdir. Nitrifikasyonda amonyak nitrite, nitrit nitrata yükseltilir; sülfürizasyonda kükürtlü bileşikler oksitlenir; demir bakterileri ise çözünmüş demiri oksitleyerek demir oksitleri oluşturur. Bu tepkimelerin çoğu oksijenli ortamda yürür, metanojenler gibi bazı kemosentetik canlılar ise tamamen oksijensiz ortamlarda yaşar. Kemosentetik bakteriler derin deniz bacaları, kükürt madenleri, mağaralar ve atık su arıtma tesisleri gibi ışıksız ya da ışığın önemsiz olduğu ortamlarda bulunur ve besin zincirinin enerji giriş noktasıdır. Kemosentez ile fotosentezin ortak yanı organik besin sentezlemesi, farkı ise enerji kaynağıdır.

Sık Yapılan Hatalar

• Her kemosentezin oksijene ihtiyaç duyduğunun sanılması: Nitrifikasyon, sülfürizasyon ve demir oksidasyonu oksijenli ortamda yürür; metanojenler gibi bazı kemosentetik canlılar ise tamamen oksijensiz ortamlarda yaşar.
• Kemosentezde oksijen açığa çıktığının düşünülmesi: Fotosentezde oksijeni suyun parçalanması üretir. Kemosentezde su yoktur, oksijen açığa çıkmaz.
• Enerji kaynağının karbondioksit sanılması: Karbondioksit karbon kaynağıdır, enerji kaynağı değildir. Enerji, amonyak, kükürt veya demir gibi inorganik maddelerin oksidasyonundan gelir.
• Nitrifikasyonun tek basamak sanılması: Amonyaktan nitrite ve nitritten nitrata geçiş iki ayrı basamaktır; her basamak farklı bakterilerce yapılır ve ayrı enerji sağlanır.

Günlük hayattan bir uygulama

Şimdi konuyu kendi hayatımızdaki bir duruma uygulayacağız. Işık Enerjisi Kullanılmadan Besin Sentezi: Kemosentez bilgisi olmadan da bu iş yapılabilir, ama nasıl yapıldığını açıklamak zorlaşır; soru tam da bu açıklamayı istiyor.

Uygulama sorusu: Bir gölün tabanında oksijence fakir bir tabaka oluşmasının nedenlerini kemosentez bilgisiyle açıklayınız.

Bu görev için 12 puan dağıtılmıştır; puanlama anahtarı, cevabın hangi adımlarla gösterilmesi gerektiğini ayrıntılı biçimde söyler. Puanlamada işlem sırasının ve sonuç cümlenin ayrı ayrı sayıldığına dikkat et.

Bu konuyu çalışırken işinize yarayacak notlar

• Nitrifikasyon sırasını hatırlamak için amonyağın sırasıyla nitrite ve nitrata yükseldiğini yaz.
• Kemosentez sorularında önce enerjinin nereden geldiğini, sonra karbonun nereden geldiğini belirle; ikisi farklıdır.
• Oksijenle yürüyen süreçlerde oksijen tüketilir, üretilmez. Tabanda metan gazı birikmesinin nedeni bu tüketimdir.
• C3 ve C4 karşılaştırmalarından farklı olarak, kemosentezde ortam koşulunu soran sorularda oksijen varlığını mutlaka denetle.
• Açıklamalarda denklem yazıyorsan madde sayılarını denetle; yazdığın sayı doğru şıkta bulunmalı, yanlış şıklarda tekrarlanmamalıdır.

İki örnek üzerinde çözüm

İki örnek üzerinde çalışacağız. İlk örnek kuralın temel kullanımını, ikinci örnek ise kuralın zorlayıcı bir durumunu gösterir. Adımları kendin yazmayı dene; ikinci adımda nerede durduğunu görmek, sınavda zaman kazanır.

Nitrifikasyon Basamaklarının Sıralanması

Soru: Bir toprak örneğinde amonyak bol, nitrit az, nitrat çok miktardadır. Bu dağılım hangi süreci gösterir?

1. Amonyakın nitrite çevrilmesi, nitrifikasyonun birinci basamağında nitrit bakterileri tarafından yapılır.
2. Nitritin nitrata çevrilmesi, ikinci basamakta nitrat bakterileri tarafından gerçekleştirilir.
3. Ammonyak bol ama nitrit az olduğuna göre ikinci basamak hızlı, birinci basamak yavaş işlemiştir.

Cevap: Nitrifikasyonun ikinci basamağı birinci basamaktan daha hızlı yürümüştür. Amonyak bolluğu birikim nedeni değil, üretimin sürmesinin sonucudur. Nitrata geçiş tamamlandığı için ortamda nitrat fazladır.

Bu örnekte adım sayısını not edin: kural her zaman aynı sayıda işlemle değil, kazanılması gereken bilgiye göre çözülür.

Oksijensiz Tabakada Hava Olayları

Soru: Bir gölün tabanındaki tortularda kükürt bakterileri ve metanojenler birlikte bulunmaktadır. Bu tabakada oksijen neden bulunmaz ve nasıl korunur?

1. Kükürt bakterileri oksijenli süreçte kükürtlü bileşikleri oksitleyerek sudaki çözünmüş oksijeni tüketir.
2. Tortu tabakası kalın ve ölü maddelerle dolu olduğu için oksijen yüzeye kolayca ulaşamaz.
3. Oksijence fakir ortamda metanojenler karbondioksiti metana indirgeyerek yaşayabilir.

Cevap: Oksijen, üstteki kükürt bakterileri tarafından tüketilir ve tortu kalınlığı oksijenin aşağı geçmesini engeller. Böylece alt bölge kalıcı olarak oksijensiz hâle gelir. Metanojenler bu koşullarda enerji elde edebilir.

Terimler ve aralarındaki fark

Bu derste geçen terimler birbirine yakın durur ve sınavda karıştırılır. Aşağıdaki tabloda her terimin anlamı ve sık karıştırılan karşılığı yan yana verilmiştir.

Kurallar, formüller ve ölçüler

Bu konunun dayandığı kurallar aşağıdadır. Tabloyu ezberlemek değil, kuralın hangi soruda işe yaradığını görmek esastır.

Hangi hatalara dikkat edelim?

Hata yapmamak için önce hatanın nereden geldiğini bilmek gerekir. Aşağıdaki listede her hata için yanlış giden yol ve doğru yol birlikte verilmiştir.

• Karbondioksiti enerji kaynağı saymak: Kemosentezde karbondioksit yalnızca karbon kaynağıdır. Enerji, amonyak, nitrit, kükürt veya demir gibi inorganik maddelerin oksidasyonundan elde edilir.
• Kemosentezde oksijen üretildiğini düşünmek: Fotosentezde oksijeni suyun parçalanması oluşturur. Kemosentezde su parçalanmadığından oksijen açığa çıkmaz; aksine oksijenli tepkimelerde tüketilir.
• Nitrifikasyonu tek basamak kabul etmek: Amonyaktan nitrite ve nitritten nitrata geçiş iki ayrı basamaktır. Her basamak ayrı bir bakteri grubunca yapılır ve her birinden ayrı enerji kazanılır.
• Her kemosentezin oksijene ihtiyaç duyduğunu sanmak: Nitrifikasyon, sülfürizasyon ve demir oksidasyonu oksijenli ortamda yürür; metanojenler ise tamamen oksijensiz ortamlarda yaşar. Oksijen tüm kemosentetik türler için zorunlu değildir.
• Kemosentetik bakterilerin ökaryot olduğunu düşünmek: Bu canlılar prokaryottur; zarla çevrili çekirdekleri ve zarlı organelleri bulunmaz, tepkimeler sitoplazmada yürür.

Kısaca özet

Kısaca: Kemosentez, ışık enerjisi kullanılmadan inorganik maddelerin oksidasyonu yoluyla enerji elde edilerek organik besin sentezlenmesidir. Kemosentetik bakteriler hem ototrof hem kemootroftur: karbon kaynakları karbondioksit, enerji kaynakları ise amonyak, nitrit, kükürt ve demir gibi inorganik maddelerdir. Nitrifikasyon iki basamakta yürür; amonyak nitrite, nitrit nitrata yükseltilir ve her basamakta enerji kazanılır. Sülfürizasyonda kükürtlü bileşikler, demir oksidasyonunda ise çözünmüş demir iyonları oksitlenir. Bu…

Sınav öncesi şu maddeleri tekrar etmek yeterli olacaktır:

• Kemosentez, ışık kullanmadan inorganik maddelerin oksidasyonuyla enerji elde edilen süreçtir.
• Kemosentetik bakteriler ototrof ve kemootrof özellik gösterir: karbon kaynağı karbondioksit, enerji kaynağı inorganik maddelerdir.
• Nitrifikasyon iki basamakta yürür: amonyak nitrite, sonra nitrit nitrata oksitlenir.
• Sülfürizasyonda kükürtlü bileşikler, demir bakterilerinde ise çözünmüş demir iyonları oksitlenir.
• Metanojenler gibi bazı kemosentetik canlılar tamamen oksijensiz ortamlarda yaşayabilir.
• Kemosentetik bakteriler prokaryottur; zarla çevrili çekirdekleri ve zarlı organelleri bulunmaz.

Kendin dene: üç soru

Bu üç soru konunun özetidir. Çözmeden önce her biri için hangi kuralı kullanıyorum diye düşün; cevap anahtarı sonda verilmiştir.

1. Kemosentetik bakteriler bir besin zincirindeki hangi basamakta yer alır? (Şıklar: Ayrıştırıcı basamağı, çünkü ölü madde kullanırlar · Birincil tüketici basamağı, çünkü inorganik madde tüketirler · İkincil tüketici basamağı, çünkü avlanırlar · Üretici basamağı, çünkü kendi organik besinini üretirler)
2. Bakır cevherinden bakır elde edilirken kullanılan biyolojik yöntemin temel ilkesi nedir? (Şıklar: Bakteriler metal bileşiklerini oksitleyerek metalin çözeltiye geçmesini sağlar · Bakteriler cevheri organik maddeye dönüştürür · Bakteriler doğrudan yüksek sıcaklıkta metal buharları oluşturur · Bakteriler cevheri ışık enerjisiyle eritir)
3. Aşağıdaki süreçlerden hangisi, enerjisini inorganik maddelerin oksidasyonundan elde eden bir yöntemdir? (Şıklar: Kemootrofların inorganik maddeleri oksitleyerek organik besin sentezlemesi · Hücre dışında gerçekleşen besin sindirimi · Güneş enerjisiyle gerçekleşen karbondioksit bağlanması · Klorofil taşıyan hücrelerde oksijenin tüketilmesi)

Cevap anahtarı: 1) Üretici basamağı, çünkü kendi organik besinini üretirler — Kemosentetik bakteriler ışık kullanmadan kendi organik besinlerini sentezler; bu nedenle besin zincirinde üretici basamağında yer alırlar. İnorganik madde tüketmek onları tüketici yapmaz, tüketiciler…

2) Bakteriler metal bileşiklerini oksitleyerek metalin çözeltiye geçmesini sağlar — Bakteriler, metal sülfürler gibi bileşiklerdeki metali oksitleyerek suda çözünebilir hâle getirir; ardından metal iyonlarından bakır elde edilir. Bu yöntemde bakteriler hem kemosentez yapar hem de ki…

3) Kemootrofların inorganik maddeleri oksitleyerek organik besin sentezlemesi — Kemootroflar, ışık kullanmadan inorganik maddeleri oksitleyerek serbest kalan enerjiyi alır ve bu enerjiyle organik besin sentezler. Güneş enerjisini kullanan süreç fotosentezdir, onun da enerji kayn…

Komşu konular

Bu konuyu öğrenmek şu başlıkları da kolaylaştırır. Aynı üniteden ve sonraki üniteden ikişer konu seçtik:

• Besinlerden Enerjiye: Sindirim — aynı ünitede, bir sonraki adım.
• Canlılarda Sindirim Yapıları — aynı ünitede, bir sonraki adım.
• İnsanda Sindirim, Emilim ve Taşınma — aynı ünitede, bir sonraki adım.
• Hücresel Solunum (Glikoliz, Sitrik Asit Döngüsü, Elektron Taşıma Sistemi) — aynı ünitede, bir sonraki adım.

Bu anlatım hakkında

Işık Enerjisi Kullanılmadan Besin Sentezi: Kemosentez başlığındaki her sayısal iddia elle doğrulanabilir biçimde yazıldı: soruda verilen değer, uygulanan kural ve bulunan sonuç yan yana durur. Metin özgün yazılmıştır, başka bir kaynaktan alıntı yapılmamıştır.

Ayrıca derste şu açık uçlu görevler yer alıyor; her biri puanlıdır ve kendi cevabını yazmanı ister:

• Bir gölün tabanında oksijence fakir bir tabaka oluşmasının nedenlerini kemosentez bilgisiyle açıklayınız. (12 puan)
• Kemosentez ile fotosentezi; enerji kaynağı, karbon kaynağı ve ürün bakımından karşılaştırınız. (15 puan)
• Atık su arıtma tesislerinde kemosentetik bakterilerin kullanılma nedenini, doğal azot döngüsüyle ilişkilendirerek açıklayınız. (12 puan)

İleri Örnek

Daha ileri bir uygulama:

Soru: Bir kükürt madeninde ışık olmayan bir boşlukta kemosentetik bakteriler yaşamaktadır. Bu ortamda hangi koşullar sağlanmış olmalıdır?

1. Ortamda oksitlenecek inorganik bileşikler bulunmalıdır; kükürt madenlerinde kükürtlü bileşikler boldur.
2. Suyun içinde oksijen bulunmalı ya da oksijensiz türler bulunmalıdır.
3. Bitkilerin olmadığı bu boşlukta organik madde kaynağı yalnızca kemosentetik üretimdir.

Sonuç/cevap: Madende ışık bulunmaz, fakat oksitlenebilir inorganik bileşikler boldur. Bakteriler bu bileşikleri oksitleyerek enerji ve organik besin sağlar. Mağara duvarları ve derin deniz bacaları da aynı ölçüde uygun ortamlardır.

Adım Adım Çözülmüş Örnek

Nitrifikasyon Basamaklarının Sıralanması konusunun adımları:

1. Amonyakın nitrite çevrilmesi, nitrifikasyonun birinci basamağında nitrit bakterileri tarafından yapılır.
2. Nitritin nitrata çevrilmesi, ikinci basamakta nitrat bakterileri tarafından gerçekleştirilir.
3. Ammonyak bol ama nitrit az olduğuna göre ikinci basamak hızlı, birinci basamak yavaş işlemiştir.

Karşılaştırma Tablosu