Yaprağın üzerine gelen Güneş ışığı hızla değiştiğinde, bitkilerin aniden yükselen bu Güneş enerjisi karşısında kendilerini koruması gerekir. Bitkilerden bakterilere kadar fotosentez yapan canlılar, böyle değişimlerle birçok şekilde başa çıkabiliyor. Fakat bilim insanları, bu durumun altında yatan tasarımsal ilkeleri şimdiye kadar belirleyememişlerdi.
Şimdiyse, Riverside California Üniversitesi’nde çalışan fizikçi Nathaniel M. Gabor’un önderlik ettiği uluslararası bir araştırma takımı, bu konuda yeni bir model geliştirmiş. Model, pek çok fotosentetik canlıda gözlemlenen fotosentetik ışık toplama sürecinin genel bir özelliğini taklit ediyor.
Işık toplama işlemi, proteine bağlı klorofil molekülleri tarafından Güneş enerjisinin toplandığı bir süreç. Yeşil bitkiler ile bazı diğer canlıların Güneş ışığını kullanarak, karbon dioksit ve sudan besin sentezlediği fotosentez işleminde, ışık enerjisi Güneş ışığının emilimiyle başlıyor.
Araştırmacıların modelinde, karmaşık ağlar biliminden faydalanılıyor. Bu bilim dalında cep telefonu şebekelerinin, beynin ve elektrik şebekelerinin nasıl verimli çalıştığı araştırılıyor. Söz konusu model, iki farklı renkten ışık girdisi sağlayabilen ve çıkışta sabit oranlı Güneş enerjisi sunan basit bir ağı tarif ediyor. Yalnızca iki girdiden oluşan bu sıradışı seçim, bazı önemli sonuçlar barındırıyor.
Dün Science bülteninde yayınlanan çalışmaya önderlik eden fizik ve gökbilim yardımcı profesörü Gabor, şöyle söylüyor: “Bizim modelimiz, fotosentetik canlıların yalnızca çok belirli renklerde yaptıkları ışık emilimiyle, kendilerini Güneş enerjisindeki ani değişimlere (veya ‘gürültülere’) karşı otomatik olarak koruyabileceğini ve bu durumun, kayda değer bir enerji dönüşümüyle sonuçlandığını gösteriyor. Yeşil bitkiler yeşil; mor bakteriler ise mor görünüyor çünkü tayfın (emilim yapılan) sadece belirli kısımları, hızlı şekilde değişen Güneş enerjisine karşı korunmaya uygun.”
Gabor, fotosentez araştırmasına kafa yormaya ilk defa Cornell Üniversitesi’nde doktora öğrencisiyken başlamış. Bitkilerin, en yoğun Güneş ışığı olan yeşil ışığı neden geri çevirdiklerini merak etmiş. Yıllar boyunca dünya çapındaki fizikçiler ve biyologlar ile çalışarak, fotosentez biyolojisinin istatistiksel yöntemleri ve kuantum biyolojisi hakkında daha fazla şey öğrenmiş.
Araştırma makalesinin diğer yazarı ve İngiltere’deki Glasgow Üniversitesi’nde bitkibilimci olan Richard Cogdell, ani Güneş tayfının çok farklı olduğu ortamlarda büyüyen fotosentetik canlıları daha geniş ölçüde kapsaması amacıyla; Gabor’u modeli genişletmesi için teşvik etmiş.
“Ardından, modelin yeşil bitkilerin ötesindeki diğer fotosentetik canlılarda da işe yaradığını ve modelin, fotosentetik ışık toplama işleminin genel ve temel bir yönünü tanımladığını gösterdik” diyor. “Yaptığımız çalışma, ani Güneş tayfına bağlı biçimde Güneş enerjisinin emilim noktasını seçerek, çıkışta meydana gelen gürültüyü en aza indirebileceğinizi gösteriyor; bu bilgiler, Güneş hücrelerinin verimini artırmada kullanılabilir.”
Fotosentezin temel fiziksel işlemleri üzerinde çalışan ve Hollanda’daki Vrije Üniversitesi’nde deneysel fizikçi olan eş yazar Rienk van Grondelle’e göre takım; belirli fotosentetik sistemlerdeki emilim tayfının, gürültüyü etkisiz hale getiren ve depolanan enerjiyi en yükseğe çıkaran belirli tayf uyarım bölgelerini seçtiğini gösteriyor.
Fotosentetik ışık toplama işlemi konusunda epey deneyimli olan var Grondelle, “Bu çok basit tasarım ilkesi, insan yapımı Güneş hücrelerinin tasarımına da uygulanabilir” diyor.
Gabor, bitkiler ile diğer fotosentetik canlıların, Güneş’e aşırı maruz kalma sebebiyle meydana gelen hasarları önlemek üzere; moleküler enerji yayma mekanizmalarından, yaprağın fiziksel hareketle Güneş’i takip etmesine kadar çok geniş çeşitlilikte taktiklere sahip olduklarını açıklıyor. Bitkilerde, tıpkı Güneş kremi gibi morötesi ışığa karşı etkili koruma yöntemleri gelişmiş.
“Canlıyı aşırı şekilde maruz kalmaktan korumak, karmaşık fotosentez sürecindeki başarılı enerji üretiminde belirleyici etmen. Modelimizi geliştirirken kullandığımız ilham da buradan geliyor. Geliştirdiğimiz modelde, nispeten basit fakat biyolojideki büyük bir gözlem dizisiyle tutarlı olan fizik kuralları kullanılıyor. Bu durum epey nadir görülen türden. Eğer modelimiz önümüzdeki zamanlarda yapılacak deneylere dayanırsa, kuram ile gözlemler arasında çok daha fazla uyuşma bulabilir ve doğanın iç işleyişlerini daha iyi anlayabiliriz.”
Modeli inşa etmek için biyolojinin karmaşık detaylarına düz ağ fiziği uygulayan Gabor ve meslektaşları, büyük oranda farklı fotosentetik organizmalar hakkında açık, nicel ve genel açıklamalar yapmayı başarmışlar.
“Modelimiz, bitkilerin neden yeşil renkli olduğu sorusuna verilen hipotez tabanlı ilk açıklama. Ayrıca, bu modeli daha detaylı deneyler üzerinden test etmek için yol haritası sunuyoruz” diyor Gabor.
Fotosentezin bir mutfak lavabosu şeklinde düşünülebileceğini ve burada musluktan su aktığını, borunun da suyun dışarı akmasına olanak sağladığını söylüyor Gabor. Eğer lavaboya gelen akış, çıkan akımdan çok daha büyük olursa, lavabo taşar ve su zemine dökülür.
“Fotosentezde ışık toplama ağına gelen Güneş enerjisi akımı, dış akımdan önemli oranda daha fazlaysa; fotosentetik ağın birden meydana gelen bu fazla enerji akışına uyum sağlaması gerekir. Ağ, bu dalgalanmaları idare etmeyi başaramadığında, canlı bu fazladan enerjiyi atmaya çalışır. Canlı, böyle yaparak oksitleyici baskıya maruz kalır ve bu durum hücrelere zarar verir” diyor.
Araştırmacılar, modellerinin ne kadar genel ve basit olduğunu görünce şaşırmışlar.
“Doğa sizi her zaman şaşırtır” diyor Gabor. “Çok karmaşık ve anlaşılması zor gibi görünen bir şey, birkaç temel kurala göre işliyor olabilir. Bu modeli, farklı fotosentetik nişlerdeki canlılara uyguladık ve kesin emilim tayfını tekrarlamaya devam ettik. Biyolojide, her kuralın istisnası vardır. O kadar ki; bir kural bulmak genelde çok zordur. Şaşırtıcı biçimde, fotosentetik yaşamın kurallarından birini bulmuş gibi görünüyoruz.”
Gabor, son birkaç on yıldaki fotosentetik araştırmaların çoğunlukla, fotosentetik süreçteki mikroskobik bileşenlerin yapısı ve işlevine odaklandığını belirtiyor.
“Biyologlar, biyolojik sistemlerin genelde ince şekilde ayarlanmadığını çünkü canlıların dış şartlar üzerinde çok az kontrolü olduğunu iyi bilir” diyor. “Bu tezat durum şimdiye kadar yeterince ele alınmadı çünkü mikroskobik süreçlerle makroskobik özellikleri birbirine bağlayan hiçbir model bulunmuyor. Bizim yaptığımız çalışma, bu çelişkiyi ele alan ilk nicel fiziksel modeli temsil ediyor.”
Araştırmacılar yakın zaman önce kazanılan birkaç ödenek desteğiyle beraber, fikirlerini test etmek üzere yeni bir mikroskobi yöntemi tasarlayacak ve kuantum optik araçlar kullanarak, foto-biyolojik deney teknolojisini geliştirecekler.
“Doğaya dair anlaşılması gereken pek çok şey var. Doğanın gizemlerini ortaya çıkardıkça, doğa daha güzel görünüyor” diyor Gabor.
Yazar: İkbal Pittalwala/Riverside California Üniversitesi. Çeviri: Ozan Zaloğlu.
