Güncel Nedir

NİTROJEN (AZOT) NEDİR? NİTROJEN DÖNGÜSÜ

Tarafından yazılmıştır admin

Aldığımız nefeste ciğerleri­mize çoğunlukla oksijen gittiğini düşü­nürüz. Ancak, ciğerlerimizi dolduran as­lında oksijen değil, gaz halinde nitrojendir. Bu gazın bir element olduğunu ilk kez Fransız kimyacı Antoine Lavoisier sap­tamış ve yaşam için tek başına yeterli ol­mayışını göz önünde tutarak zoe sözcü­ğünden türettiği azot adını vermiştir. Zoe, Yunanca’da “yaşam” anlamına gelir. Nitrojen adı ise, potasyum nitrat (özel adı: güherçile, KNO3) oluşturan bir element olduğunu belirtmek amacıyla nit­ron ve gene sözcüğünden türetilmiştir.

Proteinlerin ve genlerin yapıtaşı olan amino asit ve nükleik asitlerin bileşimin­de bulunan nitrojen, yeryüzündeki yaşa­mın sürmesi için gerekli temel öğeler­den birisidir. Atmosferin yaklaşık yüzde 80’ini oluşturan nitrojen gazını bu biçi­miyle canlıların çoğu kullanamayacağı için, bu zengin kaynaktan tüm canlılar yararlanamaz. Eğer N2, kullanılabilir tek nitrojen olsaydı, pek çok tür yer yü­zünden silinmiş olurdu. Ayaklarımızın altındaki, karanlık ve unutulmuş, hak­kında çok az şey bildiğimiz bir dünyada yaşayan bir avuç bakteri türü, nitrojeni bir dizi dönüşümden geçirerek önce bitkile­rin kullanabileceği duruma getirir, sonra bit­kiler aracılığıyla tüm hayvansal yaşamın sür­mesini sağlar.

3.5 milyar yıl önce ortaya çıkan ilk mikro­organizmalar böyle bir beceriye sahip değildi.

N2, onlar için yalnızca şimşek çakması ya da meteor çarpışması sonucunda nitrata (NO3) dönüşünce kullanılabilir oluyor­du. Ancak bu doğal olaylar sonucu orta­ya çıkan enerji ve ısı, N2’nin iki atomu­nu bir arada tutan güçlü kimyasal bağı kırma gücüne sahipti. Üstelik nitrat bu kadar sınırlıyken bile, verimli şekilde kullanılamıyordu. Çünkü, yağmurla ko­layca yıkanabiliyor ve henüz hiçbir kara canlısı onu kullanamadan, rüzgarla yer altı sularına, nehirlere ve okyanuslara taşınıyordu. Bunun yanında, yaklaşık 3 milyar yıl önce fotosentez olayının orta­ya çıkmasıyla yeryüzündeki canlıların sayıları da birden artmaya başladı. Buna paralel olarak, nitrojen gereksinimi de hızla artmaya başladı.

Bu sıralarda sahneye, nitrojen gazını amonyağa (NH3) çevirebilmenin yolunu “keşfeden” bakteriler çıktı; üstelik, yük­sek sıcaklık ya da herhangi bir çarpışma ya da patlamaya gerek duymadan. Bu bakteriler öldüklerinde, çürüdüklerinde ya da başka organizmalarca yenildikle­rinde, hücrelerindeki nitrojen öteki can­lılar tarafından kullanılabiliyordu. Za­ten, bitkilerin, insanların ve öteki hay­vanların genlerinde ve proteinlerinde bulunan nitrojen mole­külleri, bir zaman bu bakterilerin elinden bir kez olsun geçmiştir.

Hamarat Bakteriler

Bahçenizdeki bir tu­tam toprak bile, 10.000’e yakın bakteri türüne ev sahipliği yapabilir. Ancak, bunlardan yalnızca 100-200 kadarı tek başına nitrojeni bağlama becerisine sahip. Nitrojen bağlanması, gaz halinde­ki nitrojenin, amonyak, nitrat ya da nit­rit gibi daha kolay tepkime veren bile­şiklere dönüşmesine deniyor. Bilindik tek başına nitrojen bağlayan bakterile­rin çoğu, eski bir grup olan cyanobakterilerin üyeleri. Cyanobakterilerin, okyanuslardaki besin zincirinde “birincil üre­ticiler” olmaları, yaşamın sürmesi için önemlidir. Bu gruba üye olan bakteriler, hem karbonu hem de nitrojeni bağlama becerisine sahipler. Karadaysa, en bilin­dik ve önemli nitrojen bağlayıcı bakteri­ler, bitkilerin kökleriyle ortak bir yaşam kuranlar. Bunlar, “konak” bitkilere nit­rojen sağlar ve bunun karşılığında on­lardan enerji bakımından zengin, kar­bon yüklü şeker alırlar.

Bilindik ya da tanımlanmış bakterile­rin, var olduğu tahmin edilenin yalnızca %1’i olduğu düşünülürse, ortak yaşam­lar ya da nitrojen çevrimi hakkında öğ­renecek daha pek çok şey olmalı. Bilim adamları, sık sık nitrojen bağlayan yeni bakteriler buluyorlar. Bunların çoğu da, bitkilerle değil hayvanlarla ortak yaşam sürüyorlar. Örneğin, gemisolucanı (shipworm) olarak bilinen bir tür yumuşakçanın bağırsaklarında yaşayan bakte­ri, hayvanın gereksinim duyduğu nitro­jenin üçte birini sağlıyor. Yakın zaman­da da, termitlerin midesinde ortak ya­şam süren nitrojen bağlayıcı yeni bir bakteri bulundu.

İşin Sırrı Ne?

Peki, başka hiçbir canlının yapamadı­ğını, bu mikroskopik canlılar nasıl yapıyorlar? Aslında, işin sırrı bu mikroorga­nizmaların ürettiği bir enzimde yatıyor. İster bir hayvan ya da bitkiyle ortak ya­şam sürsün, ister kendi kendine yetsin, tüm nitrojen bağlayıcı bakteriler aynı enzimi kullanıyorlar: Nitrojenaz. Nitrojenaz, hem moleküler yapısı hem de bi­yokimyasal işlevi bakımından tüm en­zimler arasında en büyüğü.

Yeni moleküler yöntemler, bakteri­lerde nitrojenaz yapımında ve kontro­lünde görevli 20’den fazla gen belirle­miş durumda. Üstelik, X-ışını kristallografisi ve öteki yöntemlerle, enzimin ya­pısı da çözülmüş: Uzun, birbirine dolan­mış atomlar dizini; Atomlar, bir kedinin elinden yeni kurtulabilmiş bir yün yu­mağını andırıyor. Bu enzim, iki protein­den oluşuyor. Bu proteinler, iki atom arasındaki bağları kırmak ve 1 molekül N2’den 2 molekül amonyak (NH3) elde etmek için, 1-2 saniyede 8 kere ayrılıp birleşiyorlar. Çoğu kimyasal tepkime­nin, saniyenin milyonda biri kadar kısa bir sürede gerçekleştiği düşünülürse, nitrojen bağlamanın ne zahmetli ve enerji gerektiren bir işlem olduğunu an­laşılır. Bu durumda, tek başına olmak yerine bitkiler ya da hayvanlarla işbirli­ğine giren bakterilerin daha avantajlı ol­dukları açık.

Yalnızca bir yüzyıl kadar önce, biyo­loglar, bazı bitki türlerinin, nitrojen bağ­layan bakterilere, köklerine yerleşmele­ri için izin verdiklerini ve bu ortaklıktan elde edilen nitrojenin, tüm bitkiler ve hayvanlar için kullanılabilir olduğunu bulmuşlardı. Bunu ilk olarak 1880’li yıl­ların ortalarında iki Alman bilim adamı, bazı tahılların gübre gereksinimlerini anlamak için yaptıkları deneylerde fark ettiler. Yaptıkları çalışmalar sonucunda, tüm bitkilerin değil, ama baklagiller ai­lesinden olan fasulye, bezelye, yonca, bakla gibi bitkilerin nitrojen bakımın­dan fakir topraklarda da büyüyebildikle- rini gördüler. Tüm bakterilerden arındı­rılmış verimsiz toprakta büyüyen bezel­yelerle yapılan bu deneyde, bezelyelerin yapraklarında nitrojen eksiliğinden kay­naklanan sararma ve öteki semptomlar görüldü. Bu, baklagillerin yaşadığı top­rakta bir takım canlıların, onlara nitro­jen sağladığının ve baklagillerle bakteri­ler arasında ortak bir yaşam olduğunun göstergesi oldu. Birkaç yıl sonra, 1888’de, Hollandalı bilim adamı Martinus Biejerinck, Rhizobium cinsinden olan ve baklagillerin köklerinde bulu­nan yumrularda yaşayan bakterileri ayırmayı başardı.

Ortaklığa İlk Adım

Milyonlarca yıl boyunca bitkiler, ken­dilerini bakterilerin zararlarından koru­mak için savunma mekanizmaları geliş­tirdiler. Nitrojen bağlayıcı bakterilerin, bu zor savunmayı aşmak için oldukça iyi bir yer altı kimyasal haberleşme tek­niği geliştirdiklerini biliyoruz. Öyleyse, bitkileri bakterilerden korumakta bu ka­dar başarılı savunma sistemi, bir ortakyaşama nasıl izin veriyor. Aradaki bu ile­tişim, hem bitkilerde hem de bakteriler­de bulunan bazı genlerle sağlanıyor.

Bu yeni dostluğun sağlanması için ilk adımı bitki atıyor. Gelişiminin belli bir döneminde ve ortamdan doğru işare­ti aldığında, bitkinin, köklerine flavono­id adı verilen bir bileşiği üretmek ve sal­gılamak için uyarı veren genleri etkin hale geçiyor. Flavonoid, Rhizobium cin­sinden olan bakterileri bitkinin kökleri­ne çekiyor ve aynı zamanda onların ba­zı genlerini harekete geçiriyor. Bu kim­yasal “selamlaşmamın ardından bakteri, karmaşık bir şeker ve bazı enzimler üre­tiyor. Bunlar, bitkinin ince kök tüyleri­nin kıvrılmasını sağlıyor ve bakterinin içeri girmesine izin veriyor. İçeri giriş yapan bakteri, kökte bulunan özel ko­nak hücrelere rastlayana kadar ilerliyor. Bakteri hücrelerle karşılaştığında, bit­kiyle birlikte, yeni bir organ olan nitro­jen bağlayıcı kök yumrularını oluştur­maya başlıyorlar. Bakteri, kimyasal işa­retlerle bitkinin genlerini etkin ya da et­kisiz hale getirirken, işin ağır kısmını bitki yapıyor.

Bu işlem sırasında en önemli basa­maklardan biri, yumrunun etrafını çev­releyen yarısaydam bir zar oluşturmak. Bu zar, bitkiyle bakteri arasındaki amonyak, şeker ve öteki besin alış-verişlerini sağlıyor. İşlem tamamlandığında bakteri, topraktaki hava boşluklarından yumruya gelen nitrojenleri bağlayarak görevine başlıyor.

Nitrojen bağlayan her bakterinin bir de, nitrojenaz enzimini oksijenden ko­rumak için bir mekanizma geliştirmesi gerek. Çünkü oksijen, enzimin yapısına zarar verir. Örneğin, bezelyeyle ortak yaşam süren bir tür bakteri rhizobia, bitkiye leghemoglobin sentezlemesi için işaret veriyor. Leghemoglobin, oksijene karşı, kanımızda bulunan hemoglobin­den daha fazla çekici etkiye sahip olan büyük bir molekül; yumruya giren oksi­jenle bağlanarak, oksijenin nitrojenaza ulaşmasını engelliyor. Tıpkı hemoglobin gibi, leghemoglobin de demir içeriyor ve oksijenle bağlandığında koyu kırmızı bir renk alıyor. Bu rengin oluşması, yumrunun etkin olduğunu gösteriyor. Bilim adamları, arazi çalışmalarında kar­şılaştıkları yumruların etkin olup olma­dığını, bir iki tanesini kesip içindeki sıvı­nın rengine bakarak anlıyorlar.

Son Halka

Nitrojen bağlama, yaşam için gerek­li olan nitrojenin yalnızca %10-20’lik bir kısmını sağlıyor. Geri kalan kısım, nitrojen döngüsünden karşılanıyor. Nit­rojen döngüsü, nitrojenin değişik bi­çimlere dönüşerek sürekli dolaşımını sağlayan süreçtir. Nitrojenin sürekli bir döngü içinde kalmasında da yine topraktaki organizmalar önemli bir rol oy­nar.

Besin zincirinin gelişmeye başladığı erken dönemlerde, ayrıştırıcılar olarak bildiğimiz toprak canlıları, ölü mikrop­lar, bitkiler ve hayvanlar üzerinden bes­lenerek, nitrojen elde etme kapasiteleri­ni geliştirdiler. Nitrojen, aynı zamanda amonyaktaki hidrojen atomlarını enerji kaynağı olarak kullanan başka toprak bakterilerince de dönüştürülüyor. Bun­lar, amonyağı nitrata dönüştürüyorlar. Nitrat bozucu bakteri olarak adlandırı­lan başka bir bakteri grubu da, nitrojen yerine oksijen kaynağı olarak nitrat tü­ketiyor. Oksijen atomunu kullanarak, N2 gazını solunumun yan ürünü olarak üretiyor. Yani, nitrat bozma işlemi, at­mosfere yeniden N2 sağlıyor ve nitrojen çevriminin son halkasını oluşturuyor. Biraz da Doğa…

Ne yazık ki, insanlar doğada nitrojen çevrimine de ciddi müdahalelerde bulu­nuyorlar. Geçtiğimiz birkaç yüzyılda ya­şanan nüfus patlaması, öteki olumsuzluk­lar yanında bağlanmış nitrojene duyulan gereksinimin de artmasına neden oldu. İnsanlar, ilk zamanlarda tahıllarını besle­mek için, gübre halindeki dönüştürülmüş nitrojenlerle yetinebiliyordu. Fakat 20. yüzyılın başlarında bilim adamları, başka bir nitrojen gübre kaynağı bulunmazsa besin kıtlığının kaçınılmaz olduğunu söy­lediler. Bunun üzerine insanlar suni nit­rojen gübre üretmek için kolları sıvadı. Yapılan pek çok deneme sonucunda laboratuvarını havaya uçurmadan nitrojen bağlamayı başaran ilk insan Alman bilim adamı Fritz Haber oldu. Şu anda halen tüm dünyada nitrojen bağlama işleminde bu sistem kullanılıyor. Yapılan araştırma sonuçlarına göre, insan nüfusunun en az üçte biri doğrudan ya da dolaylı yollarla Haber metoduyla besleniyor.

İnsan eliyle elde edilen nitrojen, bak­teriler aracılığıyla doğal yollardan elde edilenden daha fazla. Ancak, tarlalarımız­da ve bahçelerimizde gübre olarak kul­landığımız nitrojenin yarısı bitkiler tara­fından alınıyor. Geri kalanlarsa nitrat ola­rak yer altı sularına, deltalara ve okyanuslara karışıyor. İçme suyuna karışan nitratın yüksek miktarı, özellikle hamile kadınlar için zehirleyici etki gösteriyor. Nitrat, su yataklarına karıştığında algle­rin artarak su yüzeyinde birikmelerine neden oluyor. Su yüzeyinde fazlasıyla bi­riken algler, su yollarını tıkıyor, bulanıklığın artmasına neden oluyor ve oksijenin büyük bir kısmını tüketerek öteki canlıla­rın yaşama şanslarını düşürüyor.

Son zamanlarda, bilim adamlarının bulduğu başka bir şeyse, nitrat bozumu sonucu ortaya çıkan nitrojen oksitin (N2O) son beş yılda atmosferdeki miktarı­nın, insan nüfusunun artışıyla paralel ola­rak milyarda 290’dan, 310’a yükselmesi. Çok az miktardaki N20 bile asit yağmurlarına neden oluyor. Üstelik, N2O ozon tabakasına karbondioksit’ten 300 kat da­ha fazla zarar verebilen bir sera gazıdır.

 

KAYNAK:
Wolfe, D., W., Out of Thin Air, Natural History, 9/01 Whitfield, J., Clean forests prompt pollution rethink, Nature, 24 Ocak 2002
Bilim ve Teknik/ Banu Binbaşaran Tüysüzoğlu
http://www.montana.edu/wwwpb/ag/gps_savings.html
http://www.nap.edu/readingroom/books/bnf/chapter1.html

 

Yazar Hakkında

admin

%d blogcu bunu beğendi: