Fotosenteze ışığın gücü ile üretim diyebiliriz. Güneşten gelen ışığı, yeryüzünü aydınlatan, sadece dev bir lambadan yayılan hüzmeler demeti olarak göremeyiz. Güneş ışığı aynı zamanda, Yaratıcımızın dünyadaki hayata sebep olması için perde olarak koyduğu dört temel unsurdan birisidir (diğerleri, toprak, hava ve su). Diğer unsurları bir yemeğin içindeki malzemeler olarak görebiliriz, fakat yemeği pişirmek için bir enerji gerekir. İşte hava, su ve topraktaki elementlerin pişirilerek önce şeker, sonra yağ ve protein olarak gıda paketlerine dönüştürülmesi için gerekli enerji Güneş ışığıdır.
Güneş ışığını teşkil eden ve hem parçacık hem de dalga özelliği gösteren fotonlar belirli bir enerjiye sahiptir. Güneşte kaldığımızda nasıl yandığımızı biliriz; derimiz kavrulur ve bazen bu kansere bile dönüşür. Bizi yakan Güneş ışığı, nasıl oluyor da bitkileri yakmıyor ve üstelik onların birer kimya laboratuvarı gibi olan bünyelerindeki faaliyetler için enerji kaynağı oluyor? Bir fabrikada, modern cihazlar bulunsa bile elektrik kesilirse üretim yapılamaz. Benzer şekilde, bitkilerin mükemmel hücre fabrikalarının üretim yapmaları için Güneş enerjisi şarttır.
Peki, bu Güneş enerjisi nasıl oluyor da şeker haline geliyor? Bitkilerin yapraklarının yaratılmasının bir hikmeti de budur. Sonbaharda kuruyup toprağa düşen ve ilkbaharda yeniden ortaya çıkan yemyeşil yaprakların her biri, aslında birer Güneş pili veya kolektörü gibi çalışır. Yapraklara ulaşan Güneş ışınları, tesadüfen ortaya çıkması katiyen mümkün olmayacak bir şekilde, elektron transfer zinciri gibi çalışan biyokimyevî süreçlerin işlediği kloroplast isimli organeller vasıtasıyla işleme tabi tutulur. Kloroplastlar, bitkiye yeşil rengini veren klorofil isimli bir pigment molekülü ile dolu makineler gibi çalışır. Kanımıza kırmızı rengini veren hemoglobinin yapısına benzer klorofil molekülünde, kanımızdaki demirin yerine bitkilerde magnezyum atomu yerleştirilmiştir.
Fotosenteze yüklenmiş birinci vazife, ışık enerjisini karbon atomlarının kimyevî bağları vasıtasıyla şekere dönüştürmektir. İkinci ve belki daha önemli bir vazifesi ise insanların ve hayvanların nefesle havaya verdiği veya yangınlar vasıtasıyla havaya karışan ve boğucu bir gaz olan karbondioksiti (CO2) parçalayarak karbon atomunu şeker molekülünde kullanmak, oksijen atomunu da havaya vererek kirli havayı temizlemektir. Böylece atmosferimizdeki oksijen yoğunluğu %21 nispetinde tutulur. Bütün ormanlar, çayırlar ve meralar, denizlerdeki yeşil alglerin hepsi, havamızı temizlemek için seferber olmuşlardır. Fotosentez için gerekli diğer önemli madde ise su olup toprakta zaten bol miktarda bulunur.
İnsan ve hayvanların hayatlarının devam etmesi için hem glikoz (yani şeker) hem de oksijen gereklidir (1. Şekil). Fotosentez, birbirini takip eden iki grup büyük reaksiyonlar serisidir. Akıl almayacak kadar kompleks bu kimyevî işlemler zinciri, ışığa bağımlı reaksiyonlar ve ışıktan bağımsız (karanlık) reaksiyonlar (Calvin devresi) olarak bilinir (2. Şekil). Işığa bağımlı reaksiyonlar, 1. ve 2. fotosistemler olarak sınıflandırılır. Bu kimyevî denklemleri yazıya dökmek bile saatlerimizi alır. Bu reaksiyonlarda iş gördürülen enzimler ve asitlerin, anahtar-kilit sistemleriyle, saniyeden çok daha küçük zaman aralıklarında faaliyet göstermesi akıllara durgunluk vericidir. Reaksiyonların her birinde, çok sayıda organik molekül tek tek işlenir ve ortaya değişik ürünler çıkar. Bu çok karmaşık süreçlerden sadece 2. fotosistemi ele alıp bunun hidrojen yakıtlı taşıtlarla olan ilişkisinden bahsedeceğiz.[1]
Calvin Devresi
Bu girift sistemi kavramak için, önce bir bitki hücresinin mikro anatomisini anlamalıyız. Her bitki hücresinde; çekirdek, endoplazmik retikulum, koful, mitokondri, golgi, lizozom ve sadece yeşil bitkilere has olan kloroplast gibi özelleşmiş organeller vardır. Bu organellerin her birinin farklı bir fonksiyonu bulunur.[2] Fotosentezin cereyan ettiği kloroplastın yapısı 3. Şekil’de görülmektedir.
Kloroplastlar, bitkilerin yaprak içi dokularını teşkil eden hücrelerin içinde, keseye benzer zar yığınları arasında bulunur. İki katlı (iç ve dış) zardan yapılan kloroplastın içindeki bir tür bağ dokusu olan stroma denilen bölge içinde, yüzer vaziyette olan klorofil molekülleri, resimde yeşil renkli madeni paralar gibi üst üste dizilmiş vaziyette (granum) gösterilmiştir. Işık reaksiyonları, klorofil moleküllerinin yığın olarak bulunduğu bu granum kısmında, karanlık reaksiyonları veya Calvin devresi ise stromada gerçekleşir. Granuma çarpan ve elektromanyetik spektrumun bir parçası olan ışık emilir.[3]
Görünür ışık, 400–710 nm dalga boyları arasında olup mor, menekşe, mavi, yeşil, sarı, turuncu ve kırmızı renkler tarzında dizilir. Daha uzun dalga boyları daha düşük enerji, daha kısa dalga boyları ise daha yüksek enerji ihtiva eder. Klorofil molekülü kümesi olan granum, spektrumun ortasında yer alan yeşil rengi yansıtırken bütün ışığı emer. Bu yüzden, bitkileri genellikle yeşil renkte görürüz.[4]
Akıl, irade ve ilimden yoksun bir bitkinin ekosistem için olmazsa olmaz bu reaksiyonlar zincirini kendi kendine kurması mümkün değilken insanlar, bugün bu mükemmel sistemin nüfuz edebildiği bazı kısımlarından ilham alarak teknolojik ürünler geliştirmeye çalışmaktadır.
Reaksiyonlar zincirinin belirli bir safhasında (2. fotosistem), su parçalanır ve hidrojen (iki proton), oksijen ve bir elektron yaratılır. Bu nokta çok önemlidir, çünkü reaksiyonun geri kalanının gerçekleşmesi için gereken enerji bu elektronlardan elde edilir. Ayrıca, bu kimyevî reaksiyonda atık ürün olan oksijen, diğer canlıların kullanımı için serbest bırakılır.[5] Bu süreç, pikosaniyeler içinde gerçekleşir.[6]
Hidrojen Yakıtlı Taşıtlar
Fotosentezin ikinci safhasında olduğu gibi, su molekülünü parçalayıp araçlar için güvenli ve verimli bir yakıt sağlamak üzere yeterli miktarda hidrojen üretebilirsek fosil yakıtlara bağımlılık ve hava kirliliği azalacaktır. Ancak hidrojen yakıtlı otomobillerin üretiminde iki önemli problem vardır. Bunlardan birisi yakıt hücresi, diğeri de hidrojenin üretimi ve depolanmasıdır.[7]
Yakıt hücresi, yakıtı oksitleyerek kimyevî enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmek için kullanılır. Bu cihazlar son derece çevre dostudur, zira ortaya çıkan ürünler sadece ısı ve sudur, fakat yakıt hücrelerinin üretim maliyeti çok yüksektir.
İkinci büyük problem, gerekli hidrojeni güvenli bir şekilde üretmek ve depolamaktır. Hidrojen moleküllerinin, mevcut bir kaynaktan ayrıştırılarak üretilmeleri gerekir.[8] Depolama da çok hayatî bir meseledir, çünkü hidrojen molekülleri sıkıştırılırsa aslında bir hidrojen bombasına dönüşebilirler. Şaşırtıcı olan ve bizim anlamakta bile aciz kaldığımız husus, bitkilerde hidrojen iyonlarının sıkışırken patlamamasıdır.
Nanoteknoloji geliştikçe 2. fotosistem mekanizmasını daha iyi anlayabilir ve uygulayabiliriz. Suyun parçalanmasıyla ışık enerjisinin elektronları nasıl harekete geçirdiğinin detaylarını öğrenmek, suyla çalışan arabalar gibi gelecekteki yeşil teknolojiler için son derece önemlidir. Yakıt olarak su kullanan arabalar icat edilmiştir, ancak verimlilikleri %25’in altındadır.
Kanada’daki McGill Üniversitesinde, hidrojen temelli yakıt hücrelerinin verimliliğini artırmak maksadıyla sun’î fotosentez konusunda bir araştırma yapılmıştır. Araştırma sonunda, fotosentezde olduğu gibi, güneş enerjisini kimyevî yakıt olarak depolamayı hedefleyen “doğrudan güneş enerjili su parçalama işlemi” gerçekleştirilmiştir. Yalnızca güneş ışığı ve deniz suyu ile çalışan, sektöre hazır bir tasarım da tamamlanmıştır.[9]
Araştırma ekibinin geliştirdiği cihaz, emdiği güneş enerjisinin %3’ünden biraz fazlasını hidrojene çevirebilmektedir. Kârlı bir yatırım seviyesine ulaşmak için %5’lik bir dönüşümün gerekli eşik olduğu dikkate alındığında, biraz daha zamana ihtiyaç olduğu görülmektedir. Daha önceki cihazların yalnızca %1 dönüşüm seviyesine ulaştığı düşünüldüğünde, bu yine de önemli bir gelişmedir.
Rabbimizin sonsuz ilim, kudret ve hikmetiyle yarattığı fotosentez olayındaki %100 verimli 2. fotosistem devresini, bizim geliştirdiğimiz sistemlerle karşılaştırdığımızda, İlahî sanat eserlerinin kopyasını bile yapmaktan aciz kaldığımız daha iyi anlaşılacaktır.
Not: “Photosystem II: Can It Be Applied in Hydrocar Technology?”, Ceyda Şablak, The Fountain, Sayı: 124 (Temmuz–Ağustos 2018)’den adapte edilmiştir.
Dipnotlar
[1] Freeman, Scott. Biological Science. San Fransicso: Benjamin Cummings, 2011.
[2] A.g.e.
[3] A.g.e.
[4] Campbell, Neil A. Biology. [S.l.]: Benjamin-Cummings, 2005.
[5] Pushkar, Y. ve ark. “Structural Changes in the Mn4Ca Cluster and the Mechanism of Photosynthetic Water Splitting.” Proceedings of the National Academy of Sciences 105.6 (2008): 1879–1884.
[6] Ruban V. ve ark. Natural light harvesting: principles and environmental trends. Energy and Environmental Science. 2011, 4(5): 1643–1650.
[7] Bossel, U. “Does a Hydrogen Economy Make Sense?” Proceedings of the IEEE 94.10 (2006): 1826–1837.
[8] Suplee, Curt. “Hydrogen-powered Car Still Seems Improbable.” Washington Post: Breaking News, World, US, DC News & Analysis. 17 Kasım 2009.
[9] Newman, Dan. Harvesting clean hydrogen fuel through artificial photosynthesis. The Michigan Engineer News Center. news.engin.umich.edu/
