Yazan: Iqbal Pittalwala
Çeviren: Birsel Kızıltepe
Düzenleyen: Esranur Maral
Riverside şehrinde bulunan Kaliforniya Üniversitesindeki araştırma ekibinin fotosentezi açıklayan modeli, yeşil bitkilerin ışık enerjisini kimyasal enerjiye nasıl dönüştürdüğü üzerine bir sonraki zorlu araştırma aşamasını ortaya koyuyor.
Bir yaprak üzerinde parlayan güneş ışığı hızla değiştiğinde bitkiler kendilerini gelen güneş enerjisinin ani dalgalanmalarından korumalıdır. Bu değişikliklerle başa çıkmak için bitkilerden bakterilere kadar olan tüm fotosentetik organizmalar çok sayıda taktikler geliştirmiştir. Ancak bilim insanları, bu durumun altında yatan temel ilkeyi belirleyememiştir.
Riverside şehrinde bulunan Kaliforniya Üniversitesindeki fizikçi Nathaniel M. Gabor liderliğindeki uluslararası bilim insanları ekibi, birçok fotosentetik organizmada gözlemlenen fotosentetik ışık hasadı/toplanması genel özelliğini üreten bir model oluşturdu.
Işık hasadı, proteine bağlı klorofil molekülleri tarafından güneş enerjisinin toplanmasıdır. Yeşil bitkilerin ve diğer bazı organizmaların karbondioksit ve sudan besinleri sentezlemek için güneş ışığını kullanma süreci olan fotosentezde, ışık enerjisinin hasadı/toplanması güneş ışığının soğurulması ile başlar.
Araştırmacıların modeli geliştirilirken cep telefonu ağlarında, beyinlerde ve enerji şebekelerinde verimli çalışmayı araştıran bir çalışma alanı olan karmaşık ağların biliminden fikir alınıyor. Model, iki farklı renkteki ışığın girebildiği ancak sabit bir güneş enerjisi oranı veren basit bir ağı ifade etmektedir. Sadece iki girdinin bu sıra dışı seçimi dikkate değer sonuçlar doğurmaktadır.
Science dergisinde yayımlanan bu çalışmanın öncüsü Astronomi ve Fizik alanındaki Doç. Gabor: Modelimiz, ışığın sadece çok özgül renklerini soğurarak, fotosentetik organizmaların kendilerini güneş enerjisindeki ani değişikliklere veya ‘kirliliğe/gürültüye’ karşı otomatik olarak koruyabileceğini ve bunun da son derece verimli enerji dönüşümü ile sonuçlanacağını göstermektedir.” diyor. “Yeşil bitkiler, yeşil; mor bakteriler, mor görünür çünkü soğurumu gerçekleşen tayfın sadece belirli bölgeleri hızla değişen güneş enerjisine karşı koruma için uygundur.” diye ekliyor.
Gabor, ilk olarak on yıldan uzun bir süre önce, Cornell Üniversitesinde doktora öğrencisi olduğu zamanlarda, fotosentez araştırmaları hakkında düşünmeye başladı. Bitkilerin en yoğun güneş ışığı olan yeşil ışığı neden reddettiğini/geri çevirdiğini merak etti. Yıllar boyunca, istatistiksel yöntemler ve fotosentezin kuantum biyolojisi hakkında daha fazla bilgi edinmek için dünya çapında ün salmış fizikçiler ve biyologlarla çalıştı.
Birleşik Krallık’taki Glasgow Üniversitesinde ünlü bir botanikçi ve araştırma makalesinde ortak yazar olan Richard Cogdell, Gabor’u, modeli güneş tayfının çok farklı olduğu ortamlarda büyüyen daha geniş yelpazedeki fotosentetik organizmaları içerecek şekilde genişletmeye teşvik etti.
“Heyecan verici bir şekilde, modelin yeşil bitkilerin yanı sıra diğer fotosentetik organizmalarda çalıştığını ve modelin fotosentetik ışık hasadının/toplanmasının genel ve temel bir özelliğini belirlediğini gösterebildik.” dedi. “Çalışmamız, güneş tayfıyla ilgili olarak güneş enerjisinin nereden soğurulmasının gerçekleşeceğini seçerek, güneş pillerinin performansını artırmak için kullanılabilecek çıktı bilgilerindeki kirliliği nasıl en aza indirebileceğinizi gösteriyor.”
Hollanda’daki Amsterdam Vrije Üniversitesinde fotosentezin birincil fiziksel süreçleri üzerinde çalışan sözü geçen bir deneysel fizikçi olan ortak yazar Rienk van Grondelle, belirli fotosentetik sistemlerin soğurma tayflarını gürültüyü/kirliliği iptal eden ve depolanan enerjiyi en üst düzeye çıkaran belirli tayfsal uyarma bölgelerinin seçildiğini çalışma ekibinin bulduğunu söyledi.
Fotosentetik ışık hasadı konusunda engin deneyime sahip olan van Grondelle: “Bu çok basit tasarım ilkesi, insan yapımı güneş pillerinin tasarımına da uygulanabilir.” dedi.
Gabor, bitkilerin ve diğer fotosentetik organizmaların güneşe aşırı maruz kalmanın neden olduğu hasarı önlemek, enerji salınımındaki moleküler mekanizmalardan güneşi takip etmek için yaprağın fiziksel hareketine kadar çok çeşitli taktiklere sahip olduğunu açıkladı. Bitkiler, güneş kreminde olduğu gibi UV ışığına karşı da etkili koruma geliştirmişlerdir.
“Fotosentezin karmaşık sürecinde, organizmanın güneş ışığına aşırı maruz kalmasından korunmasının başarılı enerji üretiminde itici faktör olduğu açıktır ve modelimizi geliştirmek için kullandığımız ilham kaynağı budur. Modelimiz nispeten basit fizik içermekte, ancak biyolojide çok çeşitli gözlemlerle tutarlıdır. Bu oldukça nadirdir. Eğer modelimiz devamlı deneylere dayanıyorsa kuramın ve gözlemlerin arasında doğanın iç işleyişine zengin bir bakış açısı kazandırarak daha fazla uzlaşma bulabiliriz. ”dedi.
Gabor ve meslektaşları bu modeli oluşturmak için biyolojinin karmaşık ayrıntılarına basit bir ağ fiziği uyguladılar ve çok çeşitli fotosentetik organizmalar hakkında net, nicel ve kapsamlı açıklamalar yapabildiler.
Gabor: “Modelimiz, bitkilerin neden yeşil olduğuna dair ilk hipotez odaklı açıklamadır ve modeli daha ayrıntılı deneylerle test etmek için bir yol haritası sunuyoruz.” dedi.
Fotosentez, bir musluktan su akan ve suyun akmasına imkân verip boşaltılabilen mutfak lavabosu olarak düşünülebilir, diye ekledi Gabor. Eğer lavaboya akan su akışı dışarıya akan akıştan çok daha büyük olursa lavabo taşar ve zeminin her yerine su dökülür.
“Fotosentezde güneş enerjisinin ışık toplama/hasadı ağına akışı, dışa akıştan önemli ölçüde daha büyükse fotosentetik sistem ani ve aşırı enerji akışını azaltmak için uyum sağlamalıdır.” dedi. “Bu sistem, dalgalanmaları yönetemediğinde organizma fazladan enerjiyi atmaya çalışır. Organizma, bunu yaparken hücrelere zarar veren oksidatif strese maruz kalır.”
Araştırmacılar, modellerinin ne kadar genel ve basit olduğu konusunda şaşırdılar.
“Doğa her zaman sizi şaşırtacak.” dedi Gabor. “Çok karmaşık ve anlaşılması zor gibi görünen bir şey, birkaç temel kurala dayanarak çalışılabilir. Modeli, farklı fotosentetik nişlerdeki organizmalara uyguladık ve doğru soğurma tayflarını yeniden üretmeye devam ettik. Biyolojide her kuralın istisnaları vardır, öyle ki bir kural bulmak genellikle çok zordur. Şaşırtıcı bir şekilde, fotosentetik yaşamın kurallarından birini bulduk gibi görünüyor.” diye ekledi.
Gabor, son on yıldır fotosentez araştırmalarının ağırlıklı olarak fotosentetik süreçlerin mikroskobik bileşenlerinin yapısı ve işlevine odaklandığını belirtti.
“Biyologlar, organizmaların dış koşulları üzerinde çok az kontrole sahip oldukları gerçeği göz önüne alındığında biyolojik sistemlerin genellikle ince bir şekilde ayarlanmadığını iyi biliyorlar.” dedi. “Mikroskobik süreçleri makroskobik özelliklerle birleştiren bir model bulunmadığından bu çelişki şimdiye kadar ele alınmamıştır. Çalışmamız, bu çelişkiyi ele alan ilk nicel fiziksel modeli temsil ediyor.”
Sonrasında birkaç yeni ödeneklerle desteklenecek araştırmacılar, fikirlerini test etmek ve kuantum optik araçlarını kullanarak biyolojik deneylerinin fotoğraflama teknolojisini ilerletmek için yeni bir mikroskopla inceleme tekniği tasarlayacaklar.
Gabor: “Doğayı anlamak için çok şey var ve biz onun gizemlerini çözdükçe sadece daha güzel görünüyor.” dedi.
Gabor, Cogdell ve van Grondelle, UCR’de (Riverside şehrinde bulunan Kaliforniya Üniversitesinde) Trevor B. Arp, Jed Kistner-Morris ve Vivek Aji tarafından araştırmaya katıldı.
Bu araştırma; Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi Genç Araştırmacı Programı, Ulusal Bilim Vakfı ve ABD’nin Deniz Kuvvetleri Tarihsel Siyah Kolejleri ve Üniversiteleri / Azınlık Kurumları ödülü ile desteklendi. Gabor ayrıca Cottrell Bilim İnsanı Ödülü ve Kanada İleri Araştırmalar Enstitüsü Azrieli Evrensel Bilim İnsanı Ödülü ile desteklendi. Diğer finansman kaynakları NASA MUREP Kurumsal Araştırma Fırsatı programı, ABD Enerji Bakanlığı, Biyoteknolojik ve Biyolojik Bilimler Araştırma Konseyi, Hollanda Kraliyet Bilim ve Sanat Akademisi ve Kanada İleri Araştırma Enstitüsüdür.
Araştırma makalesinin başlığı ise: “Gürültülü bir antenin susturulması, fotosentetik ışık toplama/hasadı tayflarını yeniden üretir.”
