2.500 Metrede Işıksız Bir Orman
1977'de Alvin adlı araştırma denizaltısı Galápagos açıklarında yaklaşık 2.500 metre derinliğe indi. Işığın hiç ulaşmadığı bu karanlıkta araştırmacılar çöl beklerken boyu 2 metreyi bulan tüp kurtları, yengeçler ve midye yatakları buldu. Hepsi deniz tabanındaki çatlaklardan sızan sıcak ve kükürtlü suyun çevresinde toplanmıştı. Sonraki yıllarda bulunan "kara baca"larda bu su 350 °C'yi aşar; yüksek basınç yüzünden kaynamaz.
Fotosentez olmayan bir yerde besin zincirinin ilk halkası kim olabilir? Tüp kurtlarının ağzı ve sindirim kanalı yoktur. Vücutlarındaki bakteriler suda çözünmüş hidrojen sülfürü yükseltgeyip açığa çıkan enerjiyle $\mathrm{CO_2}$'den organik madde üretir. Kurt bu besinle yaşar.
Kemosentez Nasıl İşler?
- Bakteri ortamdaki inorganik bir maddeyi yükseltger (elektron koparır).
- Açığa çıkan kimyasal enerji ATP'ye aktarılır.
- Bu ATP ile $\mathrm{CO_2}$ organik moleküle bağlanır; besin üretilir.
| Bakteri grubu | Yükseltgediği madde | Nerede? |
|---|---|---|
| Nitrit bakterileri | $\mathrm{NH_3 \rightarrow NO_2^-}$ | Toprak |
| Nitrat bakterileri | $\mathrm{NO_2^- \rightarrow NO_3^-}$ | Toprak |
| Kükürt bakterileri | $\mathrm{H_2S}$ | Sıcak su bacaları, kükürtlü kaynaklar |
| Demir bakterileri | $\mathrm{Fe^{2+} \rightarrow Fe^{3+}}$ | Demirli sular |
Topraktaki ilk iki grup, bitkilerin alabildiği nitratı ürettiği için tarım açısından da değerlidir. Üreticiliğin ölçütü enerji kaynağı değil, inorganik maddeden organik besin kurabilmektir; bu yüzden kemosentetik bakteriler de üreticidir. Fotosentezden farkı: ışık kullanılmaz, su ayrışmaz, oksijen açığa çıkmaz.
Oksijenli Solunumun Üç Evresi
$\mathrm{C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O + enerji}$
- Glikoliz (sitoplazma): 1 glikoz (6 karbon) 2 pirüvata (3'er karbon) parçalanır. 2 ATP harcanır, 4 ATP üretilir; net kazanç 2 ATP. Oksijen gerekmez.
- Krebs döngüsü (mitokondri matriksi): Pirüvatın karbonları $\mathrm{CO_2}$ olarak ayrılır. Nefesle verdiğimiz karbondioksit buradan gelir. Az ATP, çok sayıda elektron taşıyıcı (NADH) oluşur.
- Elektron taşıma sistemi (mitokondri iç zarı): Taşıyıcıların getirdiği elektronlar zincir boyunca aktarılır, ATP'nin büyük bölümü burada üretilir. Zincirin sonunda elektronları oksijen alır ve su oluşur.
Toplam kazanç glikoz başına 30'u aşan ATP'dir (ders kitaplarında çoğunlukla 36-38 diye verilir). Glikozun enerjisinin yaklaşık %40'ı ATP'ye geçer, kalanı ısı olur; vücut sıcaklığımızın kaynağı da budur. Bakterilerde mitokondri yoktur; son iki evre hücre zarında yürür.
Fermantasyon Neden Var?
Oksijen yoksa elektron taşıma sistemi durur, NADH'ler boşaltılamaz. Glikoliz çalışmak için boş taşıyıcıya (NAD⁺) ihtiyaç duyar. Fermantasyonun asıl işi budur: pirüvatı etil alkole ya da laktik aside çevirirken NADH'yi boşaltır ve glikolizin sürmesini sağlar. ATP kazancı yalnız glikolizden gelen net 2 ATP'dir.
| Etil alkol fermantasyonu | Laktik asit fermantasyonu | |
|---|---|---|
| Kim yapar? | Maya, bazı bakteriler | Yoğurt bakterileri, yorgun kas hücresi |
| Ürün | Etil alkol + $\mathrm{CO_2}$ | Laktik asit |
| Gaz | Var (hamur kabarır) | Yok (yoğurt kabarmaz) |
Oksijen derişimi–ATP grafiği bu yüzden sıfırdan başlamaz: oksijensizken de az miktarda ATP üretilir; oksijen arttıkça üretim yükselir ve mitokondrilerin kapasitesi dolunca düzleşir.
Yalnız Glikoz mu Yakılır?
Solunum anlatılırken hep glikoz yazılır, ama hücre yağı ve proteini de yakar. Hepsi aynı yola farklı kapılardan girer:
| Besin | Önce neye parçalanır? | Yola nereden girer? | Gram başına enerji |
|---|---|---|---|
| Karbonhidrat | Glikoz | Glikoliz | Yaklaşık 4 kcal |
| Yağ | Gliserol ve yağ asidi | Glikoliz ve Krebs öncesi | Yaklaşık 9 kcal |
| Protein | Amino asit | Amino grubu ayrıldıktan sonra Krebs | Yaklaşık 4 kcal |
Yağın gram başına iki kattan fazla enerji vermesi, göçmen kuşların ve kış uykusuna yatan hayvanların neden yağ depoladığını açıklar: aynı enerjiyi daha hafif taşırlar. Proteinin yakılması ise bir bedel getirir. Ayrılan amino grubu amonyağa dönüşür; amonyak zehirli olduğu için karaciğerde üreye çevrilip böbreklerle atılır. Vücut proteini, karbonhidrat ve yağ azaldığında yakıt olarak kullanır.
Deney: Kireç Suyu Bulanıyor
Çimlenen 50 fasulye tohumu kapalı bir kaba konuyor, çıkan gaz kireç suyundan geçiriliyor ve kireç suyu bulanıyor. Bulanma $\mathrm{CO_2}$ göstergesidir. Çimlenen tohum henüz fotosentez yapamadığı için bu gaz solunumdan gelir. Sonucun güvenilir olması iki kontrole bağlıdır:
- Tohumsuz kap: Havadaki $\mathrm{CO_2}$'nin payını gösterir; fark tohumdan gelir.
- Kaynatılmış tohum: Bulanma olmaz. Kaynatma enzimleri bozar; solunum canlılığa bağlıdır.
Mini soru: Sıcaklığın solunum hızına etkisini ölçmek için ne değişmeli, ne sabit kalmalı? Yalnız sıcaklık değişir (örneğin 10, 20 ve 30 °C). Tohum türü, sayısı, kap hacmi ve ölçüm süresi aynı tutulur.
Mitokondri sayısı da ipucu verir: kalp kası hücresinde binlerce mitokondri bulunur; çok ATP harcayan doku çok mitokondri taşır.
Sık Yapılan Hata
"Solunduğumuz oksijen karbondioksite dönüşür." Öğrencilerin çoğu böyle sanıyor. Oysa oksijen elektron taşıma zincirinin sonunda suya dönüşür; verdiğimiz $\mathrm{CO_2}$'nin karbonu ve oksijeni glikozdan gelir.
"Solunum fotosentezin tersidir." Yalnız özet denklemler birbirinin tersi gibi görünür. Basamaklar, enzimler ve yerler bambaşkadır: biri kloroplastta ışıkla, öteki sitoplazma ve mitokondride enzim dizileriyle yürür.
"Kemosentez karanlıkta yapılan fotosentezdir." Değildir; ışık hiç kullanılmaz ve oksijen üretilmez.
AYT ipucu: Soruda "oksijenin son alıcı olduğu" ya da "su oluşan" evre soruluyorsa cevap elektron taşıma sistemidir; "$\mathrm{CO_2}$ çıkışı" soruluyorsa Krebs.
Sık sorulanlar
Oksijen yokken hiç ATP üretilemez mi?
Üretilir. Glikoliz oksijen gerektirmez ve glikoz başına net 2 ATP verir; fermantasyon NADH’yi boşaltarak glikolizin sürmesini sağlar.
Kemosentetik bakteriler neden üretici sayılır?
İnorganik maddelerden (CO₂) organik besin üretirler. Enerjiyi ışıktan değil, amonyak, hidrojen sülfür ya da demir gibi maddeleri yükseltgeyerek alırlar.
Tohumlar neden serin ve kuru ortamda saklanır?
Tohum canlıdır ve düşük hızda solunum yapar. Nem ve sıcaklık solunumu hızlandırır, depo besin tükenir ve tohum çimlenme yeteneğini yitirir.