Jan Baptist van Helmont
Söğüt fidanını yıllarca yalnızca suyla büyüttü. Ağacın kütlesi çok arttı, toprağın kütlesi ise neredeyse hiç azalmadı. Bitkinin kütlesinin sudan geldiği sonucuna vardı (havadaki CO₂'nin rolünü fark etmedi).
Tema 1 · Enerji
Fotosentez: Deney ve Model
Amaç: Su bitkisiyle kontrollü bir fotosentez deneyi yaparak ışık, karbondioksit ve sıcaklığın fotosentez hızına etkisini ölçmek; fotosentez tepkimelerinin işleyişini bir modelle açıklamak.
1 Su bitkisiyle deney
O₂ kabarcıkları
CO₂ (küp)
Su bitkisi
—Işık katkısı
—CO₂ katkısı
—Sıcaklık katkısı
Katkı değerleri her etmenin tek başına izin verdiği en yüksek hızı (%) gösterir. Fotosentez hızı bunlardan en küçüğüyle sınırlanır (minimum kuralı).
2 Grafik ve ölçüm tablosu
Yatay eksen (bağımsız değişken)
Grafik, seçilen etmen değişirken diğer ikisi şimdiki değerlerinde sabit tutulursa hızın nasıl değişeceğini gösterir. Ölçümlerin yalnızca diğer iki etmenin şimdiki değerle aynı olanları grafiğe işaretlenir.
Fotosentez hızı (model)
Diğer etmenlerin izin verdiği sınır
◆ Ölçümün · ● Şimdiki durum
| # | Işık | Renk | CO₂ | °C | Kabarcık/dk | Sınırlayan |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Henüz ölçüm yok. “Ölçüm al” düğmesini kullan. | ||||||
Deney tasarımı: Bir deneyde yalnızca bir etmeni (bağımsız değişken) değiştir, diğerlerini sabit tut. Bağımlı değişken bir dakikadaki kabarcık sayısıdır. Her ayarda bitkiyi birkaç dakika beklet, sonra say; ölçümü üç kez tekrarlayıp ortalama al. Lambanın ısısı suyu ısıtabilir: gerçek deneyde lamba ile beher arasına su dolu bir kap koy.
Değerler basitleştirilmiş bir modelden hesaplanır; ölçüm alırken gerçek deneydeki gibi küçük sapmalar eklenir. Kabarcıkların tamamı oksijen değildir; bu yüzden gerçek deneyde gaz hacmi daha güvenilir bir ölçüdür.
3 Bilim tarihinden: fotosentezde kullanılan ve üretilen maddeler
Joseph Priestley
Kapalı fanusta yanan mum sönüyordu; fanusa nane bitkisi konunca mum bir süre sonra yeniden yanabildi. Bitkilerin, yanma ile bozulan havayı “düzelttiğini” gösterdi (bugün bu gazın oksijen olduğunu biliyoruz).
Jan Ingenhousz
Bitkilerin havayı yalnızca ışıkta ve yalnızca yeşil kısımlarıyla düzelttiğini gösterdi. Karanlıkta bitkilerin de havayı bozduğunu gözledi.
Robert Hill
Bitkiden ayrılmış kloroplastların, ışıkta ve uygun bir elektron alıcısı varken CO₂ olmadan da oksijen çıkardığını gösterdi. Açığa çıkan oksijenin sudan geldiği düşüncesini destekledi.
Melvin Calvin
Radyoaktif karbon içeren CO₂ kullanarak karbonun bitkide izlediği yolu buldu. CO₂'nin şekere dönüştüğü döngü onun adıyla Calvin döngüsü olarak anılır.
Bilgileri yapılandır: bilim insanını sonucuyla eşleştir
4 Fotosentez tepkimeleri: kloroplast modeli
Işık
Su (H₂O)
O₂ (ikili küre)
ATP (küp)
NADPH (eşkenar dörtgen)
CO₂
Glikoz (altıgen)
5 Kendi modelini kur ve bilimsel modelle karşılaştır
Aşağıdaki olayları, ışığın kullanıldığı tepkimeler ve ışığın kullanılmadığı tepkimeler olarak iki gruba ayır. “Karşılaştır” düğmesi önerini bilimsel modelle karşılaştırır; yanlışları düzelterek modelini yenile.
Genel denklem
6 CO₂ + 12 H₂O —(ışık, klorofil)→ C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O
Denklem tepkimenin ara basamaklarını değil, yalnızca başlangıç ve son maddelerini gösterir. Glikozdaki enerji, ışık enerjisinin kimyasal enerjiye dönüşmüş hâlidir.
6 Pigmentlerin görevleri
Klorofil
Fotosentezin ana pigmentidir. Işık enerjisini soğurarak tepkimeleri başlatır. En çok kırmızı ve mavi-mor ışığı soğurur, yeşil ışığın çoğunu yansıtır; yapraklar bu yüzden yeşil görünür.
Karoten
Turuncu renkli yardımcı pigmenttir. Klorofilin iyi soğuramadığı dalga boylarındaki ışığı soğurur, enerjiyi klorofile aktarır ve klorofili aşırı ışığın zararından korur.
Ksantofil
Sarı renkli yardımcı pigmenttir. Işık soğurmaya katkı verir ve fazla ışık enerjisinin zararlı etkilerine karşı korur. Sonbaharda klorofil yıkılınca sarı renk görünür olur.
Likopen
Kırmızı renkli, karotenoit grubundan bir pigmenttir. Domates gibi meyvelere rengini verir; ışığın zararlı etkilerine karşı koruyucu görev üstlenir.
Yapraktaki pigmentler kâğıt kromatografisiyle ayrılabilir. Deneydeki “ışığın rengi” düğmeleri, pigmentlerin farklı renkleri farklı ölçüde soğurmasının fotosentez hızına etkisini gösterir.
7 Ne gözlemledin?
Işık şiddeti ya da CO₂ arttıkça kabarcık sayısı önce hızla artar, sonra artış durur. Hız bu noktada başka bir etmen tarafından sınırlanır: fotosentez hızını en az bulunan etmen belirler (minimum kuralı). Sıcaklık yükseldikçe hız bir noktaya kadar artar, enzimlerin çalışmasına uygun aralığı aşınca hızla düşer. Yeşil ışıkta hız düşüktür, çünkü klorofil yeşil ışığı az soğurur.
Kloroplastın tilakoit zarlarında ışık enerjisi soğurulur, su parçalanır, oksijen açığa çıkar ve ATP ile NADPH oluşur. Stromadaki Calvin döngüsü bu ürünleri kullanarak CO₂'den glikoz yapar. Işık kesilince önce ışığın kullanıldığı tepkimeler, ATP ve NADPH bitince de Calvin döngüsü durur.
8 Sorular
- Işık şiddeti %100, CO₂ %10 iken ışığı daha da artırmak kabarcık sayısını değiştirir mi? Hızı artırmak için hangi etmeni değiştirmelisin? Grafikteki kesik çizgiyi kullanarak açıkla.
- Kontrol düzeneğinde neden kabarcık oluşmaz? Toplanan gaz kor hâlindeki kıymığı alevlendiriyorsa bu sonuç fotosentezin hangi ürününü kanıtlar?
- Kloroplast modelinde ışığı kapattığında Calvin döngüsü hemen durmadı. Bunun nedeni nedir? Bu durum, Hill'in deneyinin sonucuyla nasıl ilişkilendirilebilir?
Cevap anahtarı (öğretmen için)
- Değiştirmez (çok az değişir). CO₂ az olduğu için hız, CO₂'nin izin verdiği sınırda kalır; grafikte eğri, CO₂ sınırını gösteren kesik çizgiye ulaşınca yataylaşır. Bu durumda sınırlayıcı etmen CO₂'dir; hızı artırmak için suya daha çok CO₂ kaynağı (yemek sodası) eklenmelidir. Bu, minimum kuralına örnektir.
- Kontrol düzeneğinde fotosentez yapan bir canlı yoktur; bu yüzden gaz üretilmez. Kor hâlindeki kıymığın alevlenmesi gazın oksijen olduğunu gösterir; oksijen fotosentezin ürünlerinden biridir. Kontrol düzeneği, gazın bitkiden geldiğini kanıtlar.
- Işık kesilince ışığın kullanıldığı tepkimeler durur ve yeni ATP ile NADPH üretilmez. Ancak stromada daha önce üretilmiş ATP ve NADPH vardır; Calvin döngüsü bunlar bitene kadar çalışır. Hill, kloroplastların CO₂ olmadan da ışıkta oksijen çıkardığını göstermiştir; yani oksijen çıkışı ışığın kullanıldığı tepkimelere, CO₂'nin kullanılması ise ışığın kullanılmadığı tepkimelere aittir. İki evre birbirine ATP ve NADPH ile bağlıdır.