KARBON ATOMI BİLGİLERİ,BÜYÜK YILDIZLAR
BÜYÜK YILDIZLARINçekirdeklerinde çok yüksek sıcaklık ve basınçta atomlar çarpışıp, birbirlerine eklenmekte ve böylece zamanla daha büyük atomlara dönüşmektedirler. Yıldızın ömrünü tüketip patlamasıyla birlikte ise bu elementler kâinata dağılmaktadır. İşte yıldızların kalplerinde yaratılan elementlerden bir tanesi de küçük dünyamızın canlı konuklarını oluşturan temel element KARBON’dur.
Karbon, tek başına kimyanın iki önemli dalı olan organik kimya ve biyokimyanın konu aldığı temel elementtir. Dört farklı atomla kimyasal bağ kurabilmesi, bir karbon atomunun başka karbon atomlarına bağlanabilmesi ve ametallerin çoğu ile bağ kurabilmesi karbonu diğer elementlerden ayıran özelliklerden birkaçıdır. Bu özellikleri sayesinde karbon canlı hayatı için en önemli element olarak seçilmiştir.
Saf karbonun elmas, grafit, amorf karbon (kömür ve is karası gibi) ve fulleren olmak üzere bilinen dört türü vardır. Karbon pek çok sebepten dolayı çok ilginç bir moleküldür. Karbonun değişik halleri en yumuşak maddelerden biri olan grafiti ve en sert olan elması meydana getirir.
Normal basınçta karbon grafit olarak yeryüzünde bulunur. Grafitdeki her karbon atomu diğer üç karbon atomuna bağlıdır. Karbon atomları altıgenler hâlinde tabakalar oluşturur ama bu tabakalar birbirlerine kuvvetli bağlı olmadıklarından bir güç uygulandığında hemen birbirleri üzerinde kayarlar. Bu da molekülün yumuşak olmasına sebep olur. Yüksek basınç ve sıcaklığa maruz kalan karbon ise elmasa dönüşür. Elmasta her bir karbon atomu dört farklı karbon atomuna bağlıdır, yani altıgen karbon tabakaları birbirlerine kuvvetle bağlanmıştır. Bu nedenle elmas dünyadaki en sert maddelerden biridir.
1980’lerde keşfedilen fullerenler de grafite benzer yapıdadırlar. Altıgenler oluşturan karbon atomlarının yanısıra bulunan beşgen karbon dizileri molekülü eğerek küre, silindir veya elips hâline getirir. Fullerenlerden ilginç bir tanesi 60 karbon atomu içeren ve futbol topu benzeri bir kafes oluşturan ‘buckyball’dur. Mimar Buckminster Fuller’in 1967 Montreal Dünya Fuarı için yaptığı küre biçimli yapıdan ilhamla ‘buckminsterfullerene’ adı verilen ve kısaca ‘buckyball’ denilen bu molekül, 20 altıgen ve 12 beşgen oluşturan karbon atomlarının mükemmel bir simetri ve ölçüde bir araya gelmesiyle oluşur. Bu muhteşem üç boyutlu yapısı ile ‘buckyball’ bazı kimyacılar tarafından en güzel molekül olarak adlandırılmaktadır. Küresel karbon moleküllerini keşfeden Robert Curl, Harold Kroto ve Richard Smalley 1996 yılında Nobel ödülünü almışlardır. Fullerenler nanometrik silindirler şeklinde büyütüldüklerinde ise ‘nanotüpler’ olarak karşımıza çıkarlar. Biliyorsunuz nanometre metrenin milyarda biri demek. Yani kolay kolay anlayamayacağımız küçüklükte bir boyut. Nanotüplerin boyutlarını anlayabilmek için şöyle bir örnek verebiliriz: Dünya ile Ay arasındaki 385,000 km uzunluğunda bir nanotüp olsa, bu nanotüpü yumak gibi doladığınızda sadece bir incir çekirdeği kadar yer kaplayacaktır. Sadece birkaç karbon atomu çapında olup, çapına nisbeten milyonlarca kat uzunlukta yapılabilen nanotüpler hakkında araştırma çalışmaları devam ederken, hangi sahalarda kullanılabilecekleri de inceleniyor. Bu sıradışı karbon molekülleri ile çok hafif uzay, hava ya da kara araçları; gökdelenler; kurşun geçirmez yelekler gibi değişik araç ve malzemelerin yapımı hedefleniyor.
KARBONİÇEREN
ONMİLYONBİLEŞİK!
Karbon yaklaşık on milyon kadar bilinen bileşik oluşturabilme kapasitesi ile elementler içerisinde rakipsizdir. Oksijenle birleşerek bitkilerin yaşamı için hayatî önem taşıyan karbondioksiti oluşturur. Hidrojenle birleşerek hidrokarbonlar adını verdiğimiz bileşikleri oluştururlar ki bu hali, fosil yakıtların ana maddesidir. Ayrıca hem oksijen hem hidrojenle birleşerek pek çok farklı bileşik yaparlar, bunlardan bir tanesi “yağ asitleridir.”
KARBONDÖNGÜSÜ
Karbon atomlarının fiziksel, jeolojik, kimyasal ve diğer süreçler sonucunda atmosfer, okyanuslar, yeryüzü ve canlı sistemler arasında dolanımına karbon döngüsü diyoruz.
Karbonun dünyamızda 4 büyük rezervi vardır. Atmosferde kanbondioksit hâlinde; deniz ve tatlı sularda bikarbonat ve karbondioksit hâlinde; yerkabuğunda karbon, kömür, doğal gaz, petrol veya kireçtaşı hâlinde; bütün canlılarda ise ana yapı maddesi olarak bulunur.
Okyanuslar en büyük karbon depolarıdır ve atmosferle karbon alışverişi hızlıdır. Karbondioksit okyanuslara basit difüzyon ile girer. Deniz suyunda çözünen karbondioksitin bir kısmı karbonat veya bikarbonata dönüşür. Bazı deniz canlıları kalsiyumu kullanarak kalsiyum bikarbonata dönüştürürler. Kalsiyum bikarbonat deniz kabuklularının kabuk oluşumunda ya da mercanlar, protozoa ve bazı algler tarafından kullanılır. Bu deniz canlıları öldüklerinde deniz dibinde karbonat açısından zengin bir tabaka oluşur. Çok uzun zaman sonra bu kalıntılar deniz dibi kayalarını oluştururlar.
Bitkiler fotosentez yoluyla atmosferden aldıkları karbondioksiti topraktan aldıkları suyun da yardımıyla glikoza dönüştürürler. Glikozu hem besin olarak kullanır hem de selilöze dünüştürerek yaprak ve gövdelerini büyütürler. Besin zinciri yoluyla karbon, bitkilerden sonra hayvanlar arasında da değişik moleküllere dönüşerek yer değiştirir.
KARBON,ATMOSFERE
DEĞİŞİKYOLLARDANGERİDÖNER
• Bitkilerin ve hayvanların solunumu ile yani glikozun karbondioksit ve suya parçalanması ile karbon atmosfere döner.
• Hayvan ve bitki atıkları mantar ve bakteriler tarafından çürütülürek karbondioksit ve suya çevrilir.
• Kireçtaşının yağmur suları ile aşınması sonucu karbondioksit ve karbonik asit oluşur.
• Volkanik patlamalar karbonu atmosfere taşır.
• Uzun süre basınç altında kalan hayvan ve bitki kalıntıları kömür ve petrole donüşür bunların yakıt olarak kullanılması ile oluşan karbondioksit atmosfere verilir. ( Günümüzde fosil yakıtların fazlalaşan miktarda kullanımı karbon döngüsündeki dengeyi bozmaya başlamıştır.)
Atmosferden bitkilere, okyanuslara, oradan hayvanlara ve insanlara sürekli dönüp dolaşan karbon atomları çok değişik ortamlardan, değişik moleküller olarak geçerler. Parmağınızın ucundaki bir hücrecikte ikamet eden bir karbon atomuna sorabilseydik hayat hikâyesini anlatmaya nasıl başlardı acaba? Şöyle diyebilirdi meselâ:
“Benim böyle küçücük olduğuma bakmayın. Ben varlık âlemine geleli neler gördüm neler geçirdim. Bir yıldızın kalbinde doğduktan sonra yıldızın ölümü ile evrene saçılıp sonra da dünyaya gönderildik. Çok uzun yıllar iki oksijen atomu arkadaşımla karbondioksit molekülü olarak atmosferde özgürce dolaşıp durdum. Ta ki bir sabah çiğ tanesinin yanında dolaşırken bir yonca yaprağının nefes almasıyla ona konuk olana kadar. Yonca yaprağı hücreciğindeki klorofil yardımıyla güneşten aldığı enerjiyi kullanarak beni oksijen arkadaşlarımdan ayırdı ve onların yerine beş yeni karbon arkadaşımla sudan gelen hidrojen atomlarını bana ekleyerek bizi glikoz molekülüne dönüştürdü. Artık bir şeker molekülüydüm. Ama fazla uzun zaman geçmedi ki bir enzim diğer glikoz molekülleri ile bizi uzun zincirler gibi birbirimize bağlayarak selilöz molekülüne dönüştürdü. Tam yoncadaki yeni mekânıma alışmıştım ki bu defa ne olduğunu anlayamadan bir kargaşadan sonra kendimi bir kuzucuğun midesinde buldum. Kuzucuğun midesinde selilözü parçalayan enzimler ile yeniden glikoz moleküllerine parçalandık, kısa bir seyahatten sonra bir yağ hücresinde yağ molekülüne dönüştürüldük. Kuzucukta hayatım oldukça sakin ve rahat geçiyordu, bizim kuzu koyun olmuştu artık.
Gün geldi artık bizim koyunun enerji üretimi için kullanılma zamanımız geldi. Yağ moleküllerinden yine karbondioksit ve suya dönüştürüldüğümüzde açığa çıkan enerjiyi koyuncuk harcarken kendimi yine iki oksijen atomu ile atmosferde dolaşırken buldum. Bazı arkadaşlarım okyanus sularında difüzyon olup sonra da deniz kabuklularına kalsiyum karbonat olarak yerleşirken ben bir ara ıspanak yapraklarındaydım ve ardından kendimi bir insanın bedeninde buldum. Değişik insanlarda kâh yağ molekülü, kâh bir proteinin parçası, bazen hücre zarında bazen hücre içinde çok vazifeler gördüm. Kaç canlının bedeniyle birlikte toprağa karışıp, kaç tanesiyle dünyaya yeniden geldim. Sakın unutmayın; şu vücudunuzdaki her bir molekül, her bir atom sizden önce kaç insana, kaç farklı canlıya hizmet etti. Bilmelisiniz ki bu bedenleriniz sadece atomlar için değil sizler için de gelir geçer bir konaktır. Bak bizler milyonlarca yıldır ne vazife verildiyse, hangi canlıya, hangi ortama girdiysek itiraz etmeden vazifemizi yerine getiriyor, kendimizi ebedî âleme hazırlıyoruz. Sen de bu her an değişen, yenilenen bedeninde misafirsin, asıl memleketin olan kalıcı âleme hazırlığını ihmal etmeyin.”
karbon atomu ve hayat
Canlıların inşasında yapı taşlar olarak kullanılan elementler, bugün kabul edilen görüşe göre ilk önce inanılmaz sıcaklık ve basınç altındaki "yıldız fırınlarında" pişirilmiş ve bir seri değişime maruz kaldıktan sonra yer küredeki formüllerini almışlardır. Yerküremizde bulunan elementlerden karbona ve suya verilen eşsiz özellikler, yeryüzünde karbon temelli canlı varlıkların inşasını mümkün kılmıştır. Uygun şartlar altında karbon ve diğer elementler, değişik şekillerde biraraya gelip sınırsız denebilecek sayıda yeni terkipler meydana getirebilirler.
Hayatın kimyevî molekülleri, karbon, hidrojen, oksijen, fosfor, azot ve kükürdün farklı şekil, sayı ve sırada düzenlenmesiyle yaratılır. Karbon elementinin temel özellikleri bu bileşiklerin oluşturulmasında oldukça belirleyici rol oynar. Karbon atomuna dört çeşit bağ oluşturabilme özelliğinin verilmesi hayat mucizesi içindeki en önemli faktörlerden biridir. Bu bağların herbiri verici ve alıcı olabilir. Karbon atomu zincir oluşturma kapasitesi bakımından çok zengin bir element olduğundan hidrokarbonlar denilen kısa veya uzun karbon zincirleri oluşturabilirler.
Karbon atomu dört adet hidrojen bağlarsa metan gazı (CH4) oluşur. Metandaki hidrojen atomları oksijenle yer değiştirirse karbondioksit (CO2) meydana gelir. Hidrojen atomları kükürt ile yer değiştirirse uçucu ve zehirli bir sıvı olan karbon disülfit (CS2) meydana gelir. Hidrojen atomları klor ile yer değiştirirse, karbon tetra klorür (CCl4) oluşur. Hidrojen yerine flor atomları gelirse florokarbon bileşikleri meydana getirilir. Bugün mutfaklarda kullanılan teflon kaplamalı tencerelerdeki teflon, bir florokarbon reçinesidir. Herbiri üçer adet hidrojen bağlamış iki karbon atomu biraraya gelirlerse etan isimli molekül ortaya çıkar. Oluşan karbon zincirleri, sadece düz çizgi şeklinde olmayıp, dallanmış ve halka yapısında da olabilir. Bu ise inanılmaz sayıdaki organik çeşitliliğin bir başka kaynağının perde önündeki sebebidir. Karbon zincirinden oluşan halkalar, üç, dört, beş, altı ve daha çok karbondan oluşabilir. Karbon zincirlerindeki karbon atomlarına değişik fonksiyonel molekül grupları takılarak ortaya çıkarılacak çeşitlilik daha da zenginleştirilir.
Karbon, oksijen, hidrojen, fosfor ve kükürt elementlerinden oluşan bu fonksiyonel gruplardan bazılarını belirtmek gerekirse, hidroksil grubu(OH), karboksil grubu (COOH), metil grubu (CH3), amino grubu (NH2), fosfat grubu (PO4), karbonil grubu (CO) ve sülfidril grubu (SH) ilk akla gelen fonksiyonel gruplardır. Metan molekülündeki bir hidrojen, hidroksil grubu ile yer değiştirirse, metanol isimli optik siniri tahrip edici alkol oluşur. Metanolü , alkollü içeceklerdeki etanole dönüştürmek için hidrojenleri olan bir karbon (metil grubu) ilave etmek gerekir.
Etil alkole bir oksijen veya karboksil grubu ilave ettiğimizde sirke asitini elde ederiz. Sirke asitine bir azot veya amino grubu ilave ettiğimizde proteinlerin yapıtaşı olan amino asitler elde edilir. Metan molekülüne veya sirke asidine karbon zinciri ve zincirin bir ucuna da karboksil grubu ilave edilerek yağ asitleri, meydana getirilir.
Görüldüğü gibi atomların yapı ve sırasındaki küçük bir değişiklik onların özelliklerinde büyük değişikliğe yol açar. Bütün bunlar canlı sistemlerin kolaylıkla bozulabileceğini ve hayatın düzeninin çok ince şekilde ayarlanmış şartlarda ortaya çıktığını ve devam ettiğini göstermektedir. Yaratılışın sebepler plânında bir şeyden her şey veya herşeyden bir şey yapılarak gerçekleştiğinin bir delili olan bu moleküllerin farklı şekillerde biraraya getirilişini şu örnekle akla yakınlaştırmak mümkündür. Nasıl bir binanın yapılması için tuğla, çimento, demir ve su gerekliyse ve farklı şekil ve mimarî fonksiyona sahip binalar, bu temel maddelerin farklı şekillerde birleşiminden ve sıralanmasından kaynaklanıyorsa, benzer şekilde, yeryüzündeki bu göz kamaştırıcı canlı çeşitliliği ve düzenlilik çok az sayıdaki elementin (karbon, hidrojen, oksijen, fosfor, azot ve kükürdün) birbiriyle karıştırılarak eklenmesinden ve uzayda sonsuz sayıda şekiller kazandırılmasıyla meydana getirilmektedir. Hayatın sürekliliği ise bu moleküllerin sürekli yap ve boz mekanizmalarıyla değişim ve dönüşüme tâbi tutulmasıyla sağlanmaktadır.
Çocukların oynadığı lego oyunu da yeryüzündeki sonsuz sayıdaki çeşitliliğin nasıl çok az sayıdaki molekülden oluşturulduğuna güzel bir kıyaslama olabilir. Nasıl ki çocuklar belli sayıdaki plastik lego taşlarını değişik şekillerde, sayı ve sırada birbirlerine ekleyerek hayal güçleriyle sınırlı olan çeşitli nesneleri yap-boz tekniğiyle yapabilirler. Aynen öyle de Rahmeti Sonsuz, çok az sayıdaki maddeyi (eskilerin ifadesiyle ateş, su, hava ve toprak, günümüzdeki ifadesiyle, karbon, oksijen, hidrojen ve azot veya bir üst seviyede genetik alfabe olan A, T, G, C molekülleri) birbiriyle değişik şekillerde sırada ve sayıda karıştırarak bizleri hayrette bırakan tabiatı ve içindeki canlıları yaratmaktadır.
Ayrıca hepimizin bildiği gibi, elmas, grafit ve kömür veya karbon siyahı temelde karbon atomlarının uzaydaki farklı şekil ve düzende biraraya gelmesinden oluşan, ancak özellikleri birbirine hiç benzemeyen üç farklı yapıdır. Açarsak, elmas sertliğiyle, grafit yumuşak pulsu yapısıyla, karbon siyahı da donuk rengiyle karakteristiktir. Bir başka örnek olarak, aspirin, benzin ve vanilin yağı örneğini verebiliriz. Bu üç bileşiğin hiçbir özelliği birbirine benzememesine ve farklı gayeler için kullanılmasına rağmen hepsi, karbon, oksijen ve hidrojen atomlarından yapılmıştır. Bu bileşiklere kendilerine ait farklı özelliği kazandıran şey, bu atomların uzayda farklı sayıda ve sırada dizilişidir. Bütün bu örnekler, bir şeyden çok şeyin nasıl yapılabildiğini gösteren kudret tecellileridir.
Ayrıca karbon temelli bileşiklerden bazılarının yapıları aynı olmasına rağmen uzaydaki duruşları farklılık gösterir. İzomer olarak bilinen bu durum canlılar için oldukça önemlidir. Çünkü canlıların temel metabolizmasında kullanılan moleküllerin belirli bir izomerinin (aynı molekülün uzaydaki farklı duruşları) tercih edilmesi ve biyolojik sistemde kullanılması, hayatın oluşumunda açık bir irade ve kastın varlığını gözler önüne serer. Meselâ, glukozun sadece D formundaki izomeri, biyolojik sistem tarafından kullanılabilir. Benzer şekilde C vitamini sentetik olarak canlı dışında yapıldığında, izomerler test tüpünde % 50 oranında bulunurlar. Bu izomerlerin sadece biri biyolojik olarak aktif olduğundan, ilaç olarak satılan C vitamininin %100'ü değil sadece % 50'si vücutta kullanılabilmektedir. Bir cismin hakikisiyle aynadaki görüntüsünün zahiren aynı olmasına rağmen ters oluşu gibi, aminoasitlerde L formunun ve yağ asitlerinde cis-cis izomer formlarının tercih edilmesiyle bu tercihler daha da pekiştirilmiştir.
