İnsanlar Fotosentez Yapabilir miydi? Gelecekte Fotosentez Yapmayı Başarabilir miyiz?

İnsanlar büyümek, avlanmak ve yiyecek bulmak zorundalardır; ancak çoğu canlı, yaşamını sürdürürken bu kadar kısıtlanmış değildir.

Bitkiler, algler ve birçok bakteri türü fotosentez ile kendi besinini üretebilir. Vücutlarında şeker üreten kimyasal reaksiyonları tetiklemek için, güneş ışığından yararlanırlar. Peki insanlar hiç buna benzer bir şey yapabilir mi? Vücudumuz, bir bitki gibi Güneş enerjisini besine çevirebilir mi?

Hayvanlar, fotosentez yapamazlar; bu, hayvan olmanın kurallarından birisidir; fakat her kuralın, bir istisnası vardır. Bunu çiftçilerin düşmanı, genetikçilerin dostu olan bezelye yaprak bitinde potansiyel bir sapma olarak görebiliriz.^[1] Sekiz yıl önce, Fransa’daki Sophia Agrobiotech Enstitüsü’nden Alain Robichon, yaprak bitlerinin güneş enerjisini toplamak ve kimyasal enerji deposu görevi gören bir molekül olan ATP’yi yapmak için karotenoid adı verilen pigmentleri kullandığını bildirdi. Yaprak bitleri, mantarlardan çaldıkları genleri kullanarak bu pigmentleri kendileri için yapabilen çok az hayvan arasındadır.^[2] Çok sayıda karotenoid içeren yeşil yaprak bitleri, neredeyse hiç karotenoid bulundurmayan beyaz yaprak bitlerinden daha fazla ve orta seviyede karotenoid bulunduran turuncu yaprak bitleri güneş ışığında karanlıkta olduğundan daha fazla ATP üretir.

Başka bir böcek olan Doğu eşek arısı, xanthopterin adlı farklı bir pigment kullanarak ışığı elektrik enerjisine dönüştüren benzer bir özelliğe sahiptir.^[3] Her iki böcek de gereksinimleri fazla ve kaynakları düşük olduğunda, enerji sağlamak için yeteneklerini yedek bir jeneratör olarak kullanıyor olabilir. Ancak her iki durum da tartışmaya açık ve pigmentlerin gerçekte ne işe yaradığının detayları belirsizdir. İki örnek de karbondioksiti şekerlere ve bu tür diğer bileşiklere dönüştürmeyi de içeren gerçek bir fotosentez değildir. Güneş enerjisini kullanmak tam dönüşüm sürecinin sadece bir parçasıdır. 

Bununla birlikte, kelimenin tam anlamıyla fotosentez yapan hayvanlar da vardır. Hepsi bunu ortaklıklar kurarak yapıyor. Mercanlar buna klasik bir örnektir. Mercanlar, kendi yaptıkları dev kayalık resiflerde yaşayan, deniz şakayıklarına benzeyen yüzlerce ve binlerce yumuşak gövdeli hayvanların bir koleksiyonudur. Hücrelerinin içindeki özel bölmelerde yaşayan dinoflagellat adı verilen mikroskobik alglere bağlıdırlar. Bu sakinler veya endosimbiyontlar fotosentez yapabilir ve mercanlara besin sağlarlar.

Bazı deniz anemonları, istiridyeler, süngerler ve solucanlar da fotosentetik endosimbiyotlara sahiptir ve bunlara en az bir omurgalı örnekle bağlanırlar: benekli semender. Yeşil renkli yumurtaları, aslında içindeki embriyoların hücrelerini istila ederek onları güneş enerjisiyle çalışan hayvanlara dönüştüren alglerle yüklüdür. Algler semender yetişkine döndükçe ölür ancak bu yaşamlarının ilk dönemlerinde onlara faydalı bir enerji kaynağı sağlamadan önce gerçekleşmez.

Güneş Arkadaşları

Bu çeşitli örneklere rağmen fotosentetik ortaklar, kuraldan çok istisnadır. Konuyla ilgili klasik bir makalede, botanikçi David Smith ve böcek bilimci Elizabeth Bernays nedenini açıklıyor: Bu tür bir ortak yaşam, göründüğünden daha karmaşıktır.^[4] Konağın besinlerle ortakyaşarına "ödeme" yapması gerekir. Simbiyontu, ürettikleri besinleri kendileri için biriktirmek yerine salmaya ikna etmenin yollarına ihtiyaçları vardır. Ortak popülasyonların kontrolden çıkmaması için, simbiyontların büyümelerini kontrol etmeleri ve partnerlerini bir sonraki nesle aktarmaları gerekir. (Mercanlar bunu simbiyontları çevreleyen suya bırakarak yaparlar.)   

Belki de bu tür ilişkilerini tohumlarını ekmek, göründüğü kadar zor olmayabilir. 2011 yılında, Los Angeles Kaliforniya Üniversitesi’nden sentetik biyolog Christina Agapakis, fotosentetik bakterileri embriyo halindeyken balıklara enjekte ederek yavru zebra balıklarınının onları kabul etmesini sağladı. Bloguna yazdığına göre "En büyük sürpriz, hiçbir şeyin olmamasıydı."^[5] Balık fotosentez yapamadı; ama aynı zamanda bakterileri de reddetmedi. Agapakis’in deneyi, omurgalı hayvanların en azından fotosentetik mikropların varlığına veya yavru semenderleri besleyen türlere tahammül edebildiğini gösterdi. Ve biraz ince bir ayarla, bakterileri memeli hayvanların hücrelerini istila etmeye bile ikna etti.

Simbiyontları bir bütün olarak eklemenin başka bir yolu daha var: fabrikalarını çalmak. Bitki ve alg hücrelerinde fotosentez, kloroplast adı verilen küçük yapılar içinde gerçekleşir. Kloroplastlar, milyarlarca yıl önce daha büyük bir mikrop tarafından yutulan serbest yaşayan fotosentetik bir bakterinin kalıntılarıdır. Çoğu bu tür olayların aksine, bu önemli karşılaşma, yutulmuş bakterinin sindirilmesiyle sona ermedi. Onun yerine bu iki hücre, bitki ve alg hücrelerini bugüne kadar besleyen kalıcı bir ortaklık kurdu. 

En azından bir grup hayvan (Elysia deniz salyangozları) bunu yapabildi. Bu güzel, yeşil yaratıklar, algleri besliyor ve kloroplastlarını kendileri için kullanıyor. Çalınan kloroplastlar sümüklü böceğin sindirim sistemini hizalar, ona enerji sağlar ve Elysia uzmanı Mary Rumpho'nun tarif ettiği gibi "bitki olarak yaşamasına" izin verir. Bu ilişki, onsuz yetişkinliğe ulaşamayan sümüklü böcek için hayati önem taşır.

Yaprak Almak

Sümüklü böceklerin kloroplastlarını nasıl korudukları ve kullandıkları hala gizemini koruyor. Bu yapılar yeşil USB flash sürücüsü değildir. Bunları yeni bir konak hücreye yerleştirip normal bir şekilde çalışmalarını bekleyemezsiniz; çünkü kullandıkları proteinlerin çoğu konak hücrenin genomundan kodlanmıştır. Sayıları yüzlerce olan bu proteinler, hücre çekirdeğinde yapılıp daha sonrasında kloroplasta taşınır. Elysia’nın genomunda en az 1 adet alg geni var; daha fazlası da olabilir elbette, ancak fonksiyonel bir kloroplastı mümkün kılabilecek sayıda, yani yüzlerce gene sahip olma ihtimali çok düşük.

Bu konu, başka bir zaman aydınlatılmak üzere, gizemini koruyor; ancak günümüze dönecek olursak, Cambridge Üniversitesi’nden Chris Howe şöyle diyor:

Bir kloroplast ile yeni bir hayvan konağı arasında bir ilişki kurmak istiyorsanız tüm bu ekstra destek makinelerine ihtiyacınız olacak. Bu genleri konak hücrenin genomuna koymanız gerekir.

Bu tür yüzlerce genle bir insan hücresini kloroplastlar için bir yuvaya dönüştürmek, büyük ölçekte genetik mühendisliğinin yardımını gerektirir.

Peki ya sonra? Simbiyozlar yer alsa, kontrol eden genler başarıyla eklense bile, bu bizim için bir fark yaratır mı? Muhtemelen hayır.

Fotosentez, kendinizi mümkün olduğu kadar Güneş enerjisine maruz bırakmadığınız sürece işe yaramayacak bir yetenektir. Bu da, hacme göre geniş bir yüzey alanı gerektirir. Bitkiler bunu geniş ve ışığı yakalayan yüzeyleri yani yaprakları sayesinde gerçekleştirir. Elysia, yani deniz sümüklüböceği düz ve yeşil bir yapıdadır. Adeta canlı bir yaprağa benzer. Aynı zamanda yarı saydam bir yapısı da vardır ki böylece ışık, dokularından içindeki kloroplastlara geçebilir.

Öte yandan insanlar, hemen hemen opak sütunlara benzerler. Cildimiz, çalışan kloroplastlarla dolu olsa bile, hayatta kalmak için ihtiyaç duyduğumuz besinlerin sadece bir kısmını üretebilir. Yetişkin bir kadın, günlük ATP ihtiyacını 700 gram glikozla karşılar. Damarlı bitkilerin fotosentez yapma hızı ve yetişkin bir kadının deri yüzey alanı (yaklaşık 1,6 m²) dikkate alınırsa bu kadın, günlük glikoz ihtiyacının sadece %1’ini fotosentezle üretebilirdi. Tümünü üretebilmesi içinse bir tenis kortu kadar derisi olması gerekirdi. Agapakis, hayvanların çok fazla enerjiye ihtiyacı olduğunu ve hareket etmenin fotosentezle pek iyi sonuçlanmadığını söylüyor:

Tüm enerjisini güneşten almak zorunda olan bir insan hayal ederseniz, çok sakin bir yapıda olmaları gerekirdi. O zaman, yapraklı çıkıntıları olan yüksek bir yüzey alanına ihtiyaç duyarlar. O noktada o kişi bir ağaçtır.

Ve neden buna zahmet edelim ki? Agapakis, yabani bitkileri evcilleştirerek ve onları yiyecek için yetiştirerek, fotosentez sürecini devasa bir ölçekte ve etkin bir şekilde dış kaynak olarak kullandığımıza dikkat çekiyor.

Tarım, küresel bir simbiyozdur (bezelye yaprak bitinin, kendi vücudumuzda ortak yaşam sürdürme zevki olmadan yaptıklarına dair versiyonumuz). Biz onları sadece tarlalara ekmek düzeyinde kalıyoruz.