Bitkiler Nasıl Hareket Eder?

Hayvanlar gibi kaslara, eklemlere ve sinir sistemine sahip olmasalar da bitkiler de hareket edebiliyor. Bitkilerin tohumlarını etrafa saçmak ya da başka canlıları avlayıp yemek için nasıl hareket ettiği, geçmişte daha çok biyologlar tarafından üzerine çalışmalar yapılan bir konuydu. Günümüzde ise doğadan esinlenerek robotlar geliştiren araştırmacılar, bitkilerin hareketlerinin ardındaki fiziksel süreçleri çözmeye çalışıyor.

Eğrelti Otları

Bitkilerin hareket etmesiyle ilgili en dikkat çekici örneklerden birine eğrelti otlarında rastlanıyor. Çiçek açmayan bu damarlı bitkiler, tohumlarını saniyede 10 metrenin üzerine çıkan hızlarla etrafa saçar ve böylece tohumların büyümelerine uygun verimli topraklar bulma şansını artırır.

Eğrelti otlarının tohumlarını etrafına saçması, tıpkı Orta Çağ’daki savaşlarda mancınıkla düşmanların üzerine taş fırlatılmasına benzer: Önce mancınığın üzerine bir yük yerleştirilir, daha sonra da bir yay sıkıştırılarak mancınığın potansiyel enerji depolaması sağlanır. Yükü taşıyan kol bırakıldığında yayda depolanmış enerji serbest kalır ve kol, üzerindeki yükle birlikte hızla ivmelenir. Yayın ittiği kol, mancınığın mekanizması tarafından durdurulduğunda yük mancınıktan ayrılır ve hızla hedefine doğru yol almaya başlar.

Tohumlarını etrafa saçmaya hazırlanan bir eğrelti otu

Eğrelti otlarının “mancınıkları” ise özetle şu şekilde çalışır: Eğrelti otlarının tohumları, spor kesesi olarak adlandırılan, küre biçimli haznelerin içinde bulunur. Bu haznelerin bir tarafında yarım çember biçiminde dizilmiş özel hücreler yer alır. Yazın sıcak havalarda bu hücreler su kaybettikçe hacimleri azalır. Spor kesesi önce diğer taraftan yırtılır, daha sonra da tıpkı bir mancınığın gerilmesi gibi yavaş yavaş gerilir. Bir noktada hücrelerin içindeki sıvı suyun basıncı, suyun buhar basıncının altına düşer ve sıvı su hızla buharlaşmaya başlar. Buharlaşmanın neden olduğu hacim artışı, üzerinde tohumların bulunduğu yarım halkanın serbest bırakılmış mancınık kolu gibi ivmelenmesine neden olur. Hücrelerin içinde bulunan sıvıların viskozitesi, mancınık kolunu durduran mekanizma gibi, yarım halkayı yavaşlatırken tohumlar spor kesesinden ayrılır ve saniyede 10 metreye varan hızlarla etrafa saçılır.

Sinekkapan

Bitkilerin çoğu ihtiyaçları olan mineralleri topraktan, enerjiyi ise güneşten alır. Ancak hayvanları avlayarak beslenen bitkiler de vardır. 

Hayvan avlayan bitkilerin en bilinen örneklerinden biri sinekkapandır. Bilimsel adı Dionaea muscipula olan, Amerika kıtasının alt tropikal bölgelerinde yetişen bu bitkilerin yaprakları açılıp kapanabilen bir kapan gibidir. Bir “menteşeyle” birbirine bağlanmış gibi görünen iki parçalı yaprakların üzerindeki hassas tüylere bir sinek temas ettiğinde, yapraklar saniyenin onda biri kadar bir süre içerisinde kapanır ve sineği içlerine hapseder. Daha sonra avın yumuşak dokularını parçalayan enzimler salgılanmaya başlanır. Yapraklar bir süre sonra yeniden açıldığında sindirim tamamlanmış, besinler özümsenmiştir. Sindirimden geriye kalan artıklar rüzgâr tarafından alıp götürülür. Yapraklar bir sonraki av için hazır hâle gelir.

Sinekkapanların yapraklarının hızlı bir biçimde kapanmasını sağlayan iki mekanizma var. Birincisi yapraklara bir sinek dokunduğunda, yaprağın farklı bölgelerinde bulunan hücrelerdeki iyon derişimleri değişmeye başlar. İyon derişimi azalan hücreler su kaybederken iyon derişimi artan hücreler su kazanır. Hücreler arasındaki bu su alışverişi sırasında su kaybeden hücreler büzüşürken su kazanan hücreler şişer. Böylece yaprağın şekli değişir.

Su alışverişi sadece sinekkapanlar tarafından değil, başka pek çok bitki tarafından da hareket etmek için kullanılan bir mekanizmadır. Ancak bu mekanizma, yaprakların sadece 100 milisaniye içerisinde kapanacak kadar hızlı hareket etmesini sağlamak için tek başına yeterli değildir.

Açık sinekkapan yaprakları dışbükey, kapalı sinek kapan yaprakları ise içbükey bir şekle sahiptir.

Sinekkapanların yaprakları açıkken dışbükey, kapalıyken içbükey bir şekle sahiptir. Bu iki yapı da mekanik olarak kararlıdır, bir dış müdahale olmadığı sürece aynı biçimde kalabilirler. Ancak yapraklara etki eden ufak bir kuvvet, dengenin bozulmasına ve yaprağın şekil değiştirmesine neden olur. Bu süreci bir şemsiyenin rüzgârın etkisiyle ters dönmesine benzetebiliriz. Başlangıçtaki ve sondaki geometrilerin ikisi de kararlıdır. Üzerine herhangi bir kuvvet etki etmedikçe şemsiyenin şekli değişmez. Ancak rüzgârın uyguladığı kuvvet, dengenin bozulmasına ve şemsiyenin şekil değiştirmesine neden olur. Sinekkapanların yapraklarının hızla hareket etmesini sağlayan ana etken de başlangıçtaki dışbükey biçimli yaprakların bir elastik kararsızlığın eşiğinde olmasıdır: Yapraklardaki tüylere dokunan ufak bir sinek bile dengenin bozulmasına, yaprakların hızla şekil değiştirmesine yol açar. 

Su Çarkı

Hayvanları avlayarak beslenen bir diğer bitki, bilimsel adı Aldrovanda vesiculosa olan su çarkıdır. Suda yaşayan bitkinin bu isimle anılmasının nedeni, uzun ince gövdesi boyunca çember biçiminde dizilmiş yapraklara sahip olmasıdır. Su çarklarının yapraklarının görünümü sinekkapanlarınkine benzer ancak ortalarında bir menteşe yoktur.

Su çarklarının yapraklarının üzerinde de sinekkapanların yapraklarında olduğu gibi duyarlı tüyler vardır. Tüylere dokunan nesneler, yaprakların kapanmasını tetikler. Eğer içeride kalan av yaprakları parçalayamayacak kadar güçsüzse bitkiye yem olur. 

Su çarklarının yapraklarının kapanmasında da hücreler arasındaki su alışverişi rol alır. Ancak hücreler arasındaki su alışverişi, tıpkı sinekkapanlarda olduğu gibi, tek başına avları yakalamaya yetecek hızları sağlayamaz.

Su çarkları yapraklarını kaparken “kinetik yükseltgeme” olarak adlandırılan bir ilkeden yararlanır. Bu durumu açıklamak için bir kapıyı kapatmak istediğimizi düşünelim. Kapıyı kolundan iterek ufak bir kuvvetle ya da menteşelere yakın bölgelerden iterek daha büyük bir kuvvetle kapatabiliriz. Menteşelere yakın bölgelerin kontrollü bir biçimde biraz hareket ettirilmesi, diğer kısımların çok daha fazla hareket etmesine neden olur. Su çarklarının yaprakları hareket ederken de benzer bir süreç gerçekleşir. Sıvı hareketlerinin yaprakların gövdeye yakın kısımlarında sebep olduğu ufak bir deformasyon, yaprakların uçlarının hızla kapanmasına neden olur.

Yaprakların hızla hareket etmesine yardımcı olan bir diğer etken de açık yapraklarda, gergin bir yay gibi, esneklik potansiyel enerjisi depolanmış olması. Yapraklar hareket etmeye başladığında bu gergin yayda depolanmış potansiyel enerji açığa çıkar ve böylece hareket daha da ivmelenir. Yapraklar tekrar açılırken yay yeniden gerilir.     

Güneş Gülü

Etçil bitkilerin bir diğer örneği, bilimsel adı Drosera capensis olan güneş gülüdür. Güney Afrika’ya özgü bu bitkinin ince yaprakları, uçlarında damlacıklar hâlinde yapışkan bir madde bulunan ince tüylerle kaplıdır. Yaprakların üzerine konan böcekler, yapışkan maddeye saplanıp kalır. Daha sonra bitkinin yaprakları avın etrafına dolanır. Böylece daha fazla sindirim bezi ava temas eder ve özümsenen besin miktarı artar. 

Güneş güllerinin yaprakları avın etrafına dolanır.

Bilimsel çalışmalar güneş güllerinin yapraklarının avın etrafında dolanabilmesinin sırrının, yapraklardaki hücrelerin yapısında gizli olduğunu gösteriyor. Yaprakların alt kısımlarındaki hücreler daha ince ve uzun, üst kısımlarındaki hücrelerse daha yuvarlak bir şekle sahip. Yapraklara dokunan canlıların tetiklediği biyokimyasal sinyaller, hücrelerin iç basıncının değişmesine neden olur. Tıpkı şişirilen bir balonun hangi şekli alacağının yapısına bağlı olması gibi, farklı yapıdaki hücreler basınç değişimine farklı tepkiler verir. Alt kısımdaki ince ve uzun hücreler, üst kısımdaki yuvarlak hücrelere kıyasla çok daha fazla şişer ve böylece yaprak avın etrafına sarılır. 

Dr. Caterina La Porta ve arkadaşlarının güneş güllerinden esinlenerek yaptıkları bir tasarım. Alt ve üst kısımlardaki farklı yapılar, uygulanan basınca farklı tepkiler veriyor. Üst kısımlar büzüşürken alt kısımlar genişliyor. Böylece bir temas hâlinde tıpkı bükülen bir parmak gibi kıvrılıyor. 

Klasik mühendislik araştırmaları sırasında önce bir tasarım yapılır, sonra da gerçekten işe yarayıp yaramayacağını görmek için bir prototip üretilip test edilir. Doğadan esinlenilen mühendislik uygulamalarının önemli bir özelliği ise gerçeğe dönüştürebildiğiniz takdirde tasarımınızın çalışacağını zaten bilmenizdir.   

Sözlük: 

Derişim: Bir ortamda bulunan belirli bir maddenin kütle veya hacminin, içinde bulunduğu ortamın kütle veya hacmine oranı, konsantrasyon.

Kaynaklar: 

• Rayneau-Kirkhope, D., “Replicating How Plants Move”, Physics World, Temmuz 2021.
• Frazer, J., “Wonderful Things: Ferns Eject Their Spores with Medieval-Style Catapults”, Scientific American, 2014.
• La Porta, C. A. M. ve ark., “Metamaterial architecture from a self-replicating carnivorous plant”, Proceedings of the National Academy of Sciences (USA), Cilt 116, s. 18777, 2019.
• Noblin, X. ve ark., “The Fern Sporangium: A Unique Catapult”, Nature, Cilt 335, s. 1322, 2012.
• Forterre, Y. ve ark., “How the Venus Flytrap Snap”, Science, Cilt 433, s. 421, 2005.
• Westermeier, A. S, ve ark., “How the carnivorous waterwheel plant (Aldrovanda vesiculosa) snaps”, Proceedings of the Royal Society B, Cilt 285, s. 12, 2018.