Fotosentez ve Enerji Dönüşümü

Konu Anlatımı

Fotosentez ve Enerji Dönüşümü

Bu derste ne öğreneceğiz?

Fotosentez, ototrof canlıların ışık enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürerek kararlı organik maddeleri üretmesidir. Bu derste fotosentezin iki aşamasını, ışığın klorofil tarafından nasıl soğurulduğunu, depolanan enerjinin nereye gittiğini, ortam etkenlerinin hızı nasıl sınırladığını ve C3 ile C4 bitkilerinin bu işi neden farklı yaptığını öğreneceğiz.

Dersten sonra şunları yapabiliyor olmanız gerekiyor: fotosentezin genel denklemini denklem kurarak açıklamak, bir bitkinin günde ne kadar karbondioksit tükettiğinden yola çıkarak üretebileceği glikoz miktarını hesaplamak, enerji dönüşümündeki yüzde kayıpları yorumlamak, ışık ve karbondioksit tablolarından sınırlayıcı etkeni belirlemek.

• Kazanım 1: Fotosentezin ışık ve karanlık tepkimelerini ayırarak açıklar.
• Kazanım 2: Klorofilin soğurduğu dalga boylarını ve kloroplastla ilişkisini belirtir.
• Kazanım 3: Enerji dönüşümündeki temel kayıpları hesaplar ve yorumlar.
• Kazanım 4: Sınırlayıcı etken kuralını örnek veriyle uygular.
• Kazanım 5: C3 ve C4 bitkilerinin karbondioksit bağlama biçimlerini karşılaştırır.

Ön bilgi

Bu konunun ön bilgisi Hücre bölümündeki kloroplast ve mitokondri bilgisidir. Fotosentezde kloroplast görev alır ve orada üretilen organik madde mitokondride yakılarak enerji açığa çıkar. İki organel arasındaki bu bağı kurmadan enerji dönüşümünü anlamak eksik kalır.

İkinci ön bilgi, Canlıların Temel Bileşenleri konusundaki enerji tanımıdır. Enerji yalnızca bir değil, farklı biçimlere dönüşebilen bir büyüklüktür; fotosentez ışık enerjisini kimyasal enerjiye çevirir. Üçüncü ön bilgi hücre zarından madde geçişi ve stomalardan gaz alışverişi kavramıdır.

Fotosentezin Genel Denklemi

Fotosentezin özeti şu toplam denklemle verilir: altı molekül karbondioksit ve altı molekül su, ışık ve klorofil aracılığıyla bir molekül glikoz, altı molekül oksijen ve altı molekül su açığa çıkar. Oluşan glikozun kendisi de bir enerji deposudur; ancak bitki bu enerjinin büyük kısmını kullanmaz, kimyasal bağlarda saklar.

Karbondioksit ile suyun sayılarının altıda altı olması tesadüf değildir. Bir glikoz molekülünde altı karbon atomu vardır; bu altı karbonun tamamı karbondioksitten gelir. Oksijen ise suyun parçalanmasıyla açığa çıkar, karbondioksitten gelmez. Bu ayrım sınavlarda sıkça karıştırılan bir noktadır.

Işık Bağımlı Tepkimeler ve Klorofil

Işık bağımlı tepkimeler kloroplastın tilakoit zarında gerçekleşir. Klorofildeki elektronlar ışık enerjisiyle uyarılır ve yüksek enerjili hâle geçer. Bu elektronlar elektron taşıma zincirinden geçerken enerjilerini kullanarak adenozin trifosfattan adenozin difosfat ve fosfatı birleştirir; böylece adenozin trifosfat üretilir.

Klorofil iki bölgede ışığı en iyi soğurur: mavi-mor bölgede yaklaşık 430 nanometre dalga boyunda ve kırmızı bölgede yaklaşık 660 nanometre dalga boyunda. Yeşil ışık en az soğurulur ve yansıyarak yaprağın yeşil görünmesine yol açar. Işık bağımlı tepkimelerde oksijen açığa çıkar, su parçalanır ve elektron taşıyıcıları üretilir.

Kalvin Döngüsü: Karbonun Bağlanması

Karanlık tepkimeler stromada gerçekleşir. İlk adımda kalvin döngüsü adı verilen enzim, karbondioksiti bağlar ve iki karbonlu bir ara ürün oluşur. Bu molekül kararlı değildir, parçalanır; parçalanma sonucu üç karbonlu iki molekül ve bir molekül oksijen açığa çıkar.

İkinci adımda ışık tepkimelerinde üretilen yüksek enerjili elektron taşıyıcısı kullanılır. Bu taşıyıcı elektronlarını verir, karbonlu bileşikleri indirger ve ATP ile birlikte kimyasal enerji sağlar. Üçüncü adımda düşük enerjili elektron taşıyıcısı yeniden yükseltilir. Döngü sonunda altı karbonlu bir şeker çıkar; bu şekerin bir kısmı tekrar döngüye girer, kalan kısmı ise glikoz gibi maddelere dönüştürülür.

Enerji Dönüşümünde Kayıplar ve Verim

Gelen ışığın tamamı kimyasal enerjiye dönüşmez. Yaprak ışığın bir bölümünü yansıtır, bir bölümünü ısı olarak kaybeder, bir bölümünü fotosentez için kullanmayan enerji olarak geçirir. Geriye kalan enerjinin bir kısmı da fotosentez işlemi sırasında ısı olarak kaybolur. Bu yüzden verim yüzde düzeyinde hesaplanır.

Verim hesabı basittir: depolanan enerji, gelen enerjiye bölünür. Örneğin bitki yüzeyine günde 2400 megajoul ışık enerjisi düşüyor ve bitki 84 megajoule kimyasal enerji depoluyorsa verim yüzde 3,5'tir. Bu oran düşük görünse de toplam güneş enerjisinin yalnızca çok küçük bir bölümünün fotosentezle biyokütle dönüştüğü gerçeğini yansıtır.

Ortam Etkenleri: Işık, Karbondioksit, Sıcaklık ve Su

Fotosentez hızını dört temel etken belirler. Işık şiddeti arttıkça hız artar; karbondioksit derişimi arttıkça hız artar; sıcaklık optimuma kadar hızı artırır, sonra enzimlerin bozulmasıyla hızı düşürür; su ise hem reaksiyonların hammaddesi hem de stomaların açılıp kapanmasını ve hücrelerin şişkinliğini sağlayan vazgeçilmez bir etkendir.

Su yetersizliği en hızlı görünen etkendir; su olmayınca stomalar kapanır, karbondioksit girişi durur ve fotosentez hızı hızla düşer. Bu nedenle kuraklık stresi altındaki bitkide yaprak alanı azalır, bitki daha az terler ve daha az karbondioksit kullanır.

Sınırlayıcı Etken Kuralı

Sınırlayıcı etken kuralı şunu söyler: Bir hız, kendisini sınırlayan en düşük etkenin düzeyine bağlıdır. En düşük etkenin düzeyi yükseltilir, o etkene ulaşıldıktan sonra sıradaki en düşük etken hızı sınırlar. Bu yüzden tek bir etkeni artırmak, o etken sınırlayıcı değilse hızı değiştirmez.

Örnek olarak ışık şiddeti düşük, karbondioksit bol, sıcaklık uygun olan bir ortamda hızı ışık sınırlar. Işık iki katına çıkarılırsa hız iki katına çıkar; karbondioksit daha da artırılsa bile hız değişmez. Ancak karbondioksit kısıtlanırsa artık hızı karbondioksit sınırlar ve hız düşer.

Stomalar, Terleme ve Gaz Alışverişi

Bitkiler karbondioksit alır ve oksijen verir; bu gaz alışverişi stomalar denen hücrelerden yapılır. Stoma sayısı türe ve yaprağa göre değişir; çoğu bitkide alt yüzde üst yüzden daha fazladır. Bir yaprağın alt yüzünde 320, üst yüzünde 90 stoma varsa aradaki fark 320 − 90 = 230 stoma olur.

Su buharı çıkışı terlemedir. Terleme hem su kaybına yol açtığı için hem de yaprağı soğuttuğu için iki yönlü bir işlev görür. Terlemeyle su kaybeden bitkide stomalar kapanır, karbondioksit girişi azalır ve fotosentez hızı düşer. Bu yüzden terleme ile fotosentez hızı arasında ters bir ilişki kurulur.

C3, C4 ve Kamçı Bitkileri

C3 bitkileri, karbondioksiti doğrudan kalvin döngüsüne bağlayan ilk enzimle çalışır. Bu enzim karbondioksitle tepkimeye girerken yanlış molekülle de tepkimeye girebilir; bu yüzden sıcak ve kurak ortamda verim düşer. Bu gruptaki bitkilere buğday, pamuk, pirinç ve soya örnektir.

C4 bitkileri karbondioksiti önce yaprak hücrelerinde bağlar ve dört karbonlu bir bileşik oluşturur. Bu bileşik daha sonra demet kılıcı hücrelerine taşınır ve orada karbondioksit serbest bırakılır. Böylece kalvin döngüsünün bulunduğu yerde karbondioksit derişimi çok yüksek olur. Mısır, şeker pancarı ve darı bu gruptadır. Karbondioksit derişimi dört katına çıkarıldığında 40 parça milyonda bir ortam 4 × 40 = 160 parça milyona yükselir.

Basit örnek

Bir sera bitkisinin yaprak yüzeyine günde 800 watt büyüklüğünde ışık enerjisi düşmektedir. Yaprak bu ışığın yüzde 85'ini soğurmakta, kalanını yansıtmaktadır. Soğurulan enerji şu şekilde bulunur: 800 × 0,85 = 680 watt büyüklüğündedir. Sınavda sorulan soru genellikle şudur: yüzde kaç ışık yansıtılmıştır? Cevap, 800 ile 680 arasındaki farktır ve yansıma oranı yüzde 15'e denk gelir.

İleri örnek

Bir sera ortamında ışık şiddeti kademeli artırılmış ve karbondioksit derişimi değiştirilerek ölçüm yapılmıştır. Önce karbondioksit bol bırakılmış, ışık şiddeti artırıldıkça hızın 18, 34, 52 ve 56 birim olarak yükseldiği görülmüştür. Hızın son iki basamakta neredeyse sabitlenmesinin nedeni, artık hızı sınırlayan etkenin ışık olmaktan çıkıp başka bir etkene geçmesidir. Aynı ortamda karbondioksit azaltıldığında hız 56 birimden 34 birime düşmüştür. Bu düşüş, hızı sınırlayan etkenin artık karbondioksit olduğunu kanıtlar.

Adım adım çözülmüş örnek

Bir bitki günde 3 mol karbondioksit almaktadır. Bu miktarın kaç gram glikoz karşılığı geldiği adım adım bulunacaktır.

• Adım 1: Genel denkleme göre altı mol karbondioksitten bir mol glikoz oluşur, oran altıda birdir.
• Adım 2: Mol sayısı oranla çarpılır: 3 ÷ 6 = 0,5 mol glikoz elde edilir.
• Adım 3: Glikozun mol kütlesi 180 gram olduğundan kütle hesaplanır: 0,5 × 180 = 90 gram glikoz.
• Adım 4: Kontrol: aynı miktarda oksijen de açığa çıkar; karbondioksitten oksijen gelmez, suyun parçalanmasıyla oluşur.

Kavram karşılaştırma tablosu

Sık Yapılan Hatalar

• Açığa çıkan oksijen karbondioksitten gelir: Oksijen, suyun parçalanmasıyla oluşur; karbondioksitten değil.
• Fotosentezde oksijen tüketilir: Fotosentez oksijen üretir; oksijenin tüketildiği süreç hücresel solunumdur.
• Karanlık tepkimeler yalnızca karanlıkta olur: Adı karanlık olsa da kloroplastın stroma bölümünde ve aydınlıkta yürür.
• Sınırlayıcı etken en yüksek değerdir: Hızı en düşük değere sahip etken sınırlar; en yüksek değer sınırlayıcı olamaz.
• Işık arttıkça hız hep artar: Optimum ışık yoğunluğunun üstünde hız doygunluğa ulaşır ve sabitlenir.
• Klorofil yeşil ışığı en iyi soğurur: Klorofil mavi-mor ve kırmızı bölgede en iyi soğurur, yeşili yansıtır.
• Verim yüzde 100 olmalıdır: Işığın bir bölümü yansır, bir bölümü ısı olarak kaybolur; verim yüzde düzeyindedir.
• Terleme bitkiye yalnızca zarar verir: Terleme su kaybı olsa da yaprağı soğutarak fotosentez sıcaklığını dengeler.

Özet

Fotosentez, ışık enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürerek kararlı organik madde üretmektir. Altı molekül karbondioksit ve altı molekül su, ışık ve klorofil aracılığıyla bir molekül glikoz ve altı molekül oksijen verir; oksijen suyun parçalanmasıyla oluşur. Tepkimeler iki aşamada yürür: ışık bağımlı tepkimeler kloroplastın tilakoit zarında olur ve oksijen, ATP ile yüksek enerjili elektron taşıyıcıları üretir; karanlık tepkimeler stromada olur ve karbondioksit bağlanarak glikoz oluşur. Klorofil mavi-mor ve kırmızı bölgede en iyi soğurur, yeşili yansıtır. Gelen ışığın tamamı kimyasal enerjiye dönüşmez; verim, depolanan enerjinin gelen enerjiye oranıdır. Hızı ışık, karbondioksit, sıcaklık ve su belirler; sınırlayıcı etken kuralına göre hız, kendisini sınırlayan en düşük etkenin düzeyine bağlıdır. Gaz alışverişi stomalardan yapılır; terleme su kaybına yol açarken yaprağı da soğutur, su yetersizliğinde stomalar kapanır ve hız düşer. C3 bitkiler karbondioksiti doğrudan kalvin döngüsüne bağlarken C4 bitkiler önce dört karbonlu bir bileşik oluşturarak karbondioksiti hücre içinde yoğunlaştırır ve sıcak kurak ortamda daha verimli olur.

Kendini dene

Üç soruyu yanıtlamadan önce her biri için puan ver. Birincisi, fotosentezde açığa çıkan oksijenin hangi molekülden geldiğini denklem üzerinden açıklamaktır. İkincisi, ışık şiddeti düşük ama karbondioksit bol olan bir ortamda hızı hangi etkenin sınırladığını gerekçesiyle söylemektir. Üçüncüsü, bir bitkinin günlük karbondioksit tüketiminden glikoz miktarını nasıl hesaplayacağınızı adımlarıyla yazmaktır. Puanlarken kavramı doğru kullanıp kullanmadığınızı, hesabın adımlarını ve yorumunuzu ayrı ayrı not edin; eksik bulduğunuz kısma dönerek tamamlayın.

İlgili konular

• Hücrenin Yapısı ve Organeller — kloroplast mitokondriyle birlikte açıklanır.
• Enzimler ve Enzim Aktivitesi — kalvin döngüsündeki enzimler ve sınırlayıcı etken.
• Hücresel Solunum ve Enerji Üretimi — fotosentezle karşılaştırma tablosu.
• Bitkisel Doku ve Bitki Organları — yaprak yapısı ve stomaların bulunduğu doku.