Stephen Hales kimdir ve ne yapmıştır? Stephen Hales’in bitkilerde özsu dolaşımı deneyleri, bitki hidrodinamiği çalışmaları.
Stephen Hales
Stephen Hales 1677’de, Kent eyaletinde, Bekesbourne’de zengin bir ailenin çocuğu olarak dünyaya geldi. 1696’da Cambridge’deki Bene’t Koleji’ne girdi. Cambridge’in o dönemdeki eğitim olanakları benzersizdir. Akışkanların, gazların, sıvıların fiziğine duyduğu büyük ilgiyle, arkadaşı William Stukeley ile birlikte doğa tarihi ve biyoloji alanlarında kapsamlı çalışmalar derlemiş gözükmektedir. Bu sayede hakkında sahip olduğumuz en erken bilgilerde, bilimsel ve mühendislik çalışmasının ana teması belirgindir: Canlılıkla ilgili gaz ve sıvı dinamiklerin yaşamsal işlemlerdeki rolü.
Hales Cambridge’deki akademisyenliğini 1709 yılına kadar sürdürdü. Bu tarihte Teddington Piskopos Vekili oldu ve yaşamının sonuna kadar bu mevkide kaldı. İnsan ve hayvandaki kan dolaşımının keşfi Harvey’e atfedilmiştir. Aslında bu, keşiften çok hipotezin zorunluluğunun kuramsal sergilenişinden başka bir şey değildi. Çünkü kuram, vücuttaki kan miktarına ilişkin verili olgulara dayanıyordu. Atlar, köpekler ve kurbağalar üzerinde yaptığı korkunç ve ihtişamlı uzun bir deney dizisi sonrasında Hales, kan damarları sisteminin birçok özelliğini ortaya koydu. Hales kan yollarının haritasını çıkarmış, kan basıncının hidrodinamik koşullarım ve her bölümün akış özelliklerini bulgulamıştı. Çalışması verimli oluyordu. Hales, Harvey’in esinleyici hipotezinden kalan önemli problemlerden birçoğunu çözmüştü. (Yüklü bir kan basıncı, kan akışı, kan hızı kavramı; bunlar arasındaki ilişkiler, bunların hepsine ilişkin niteliksel çözümlemeler, hesaplar. Bunlar Stephen Hales’in kalp hakkındaki bilgilere büyük katkılarıydı; bir katkı ki, geleceğin tüm çalışmalarına yön verdi.) Fakat bu araştırmalar kamuoyunun dikkatini de çekiyordu.
İşte bu dönemde hayvanlara düşüncesizce eziyet edenlere karşı muhalefet başlamıştı. İlginçtir, Hales’in komşusu Alexander Pope bu hareketin başını çekenler arasındaydı. Daha da ilginçtir, iki düşman ilerde canciğer ahbap olacaktır.
Bitki Fizyolojisi Çalışmaları
Hales, 1724’te bitki fizyolojisinin ana hatlarını saptayacak çalışmalarına başladı. Yalnızca özsuyun nasıl dolaştığım araştırmakla kalmayacaktı, daha da ileri gidip bitki ile ortam arasındaki etkileşimi de inceleyecekti. Hales köklerin emdiği suyun, yapraklara nasıl taşındığını ve orada nasıl terlediğini gösterdi. Büyüme olgusu da ilgisini çekiyordu. Bitkilerin çeşitli kısımlarının nasıl ve hangi oranlarda büyüdüğünü gösterdi. Hales çalışmalarına başlamadan birkaç yıl önce j4ayow, solunum, yanma ile hava arasındaki ilişkiyi göstermişti. Hales de bu problemin izini sürdü.
1722’de Royal Society’ye öğretim üyesi olarak seçilen Hales, 1727’de Konsey üyesi oldu. Kamu nezdinde büyük itibar sağlayan Hales, Georgia Kolonisi temsilciliğine getirildi. Halkın sağlığım korumakla sorumlu danışma kurullarının, şifa dağıttığım iddia eden şarlatanları denetleyen komisyonların daimi üyesi oldu. Havaya olan ilgisi havalandırmaya dek genişledi. Gemilerin, hapishanelerin, hastanelerin daracık bölmelerinin havalandırılmasına çözümler getirmeye çalıştı. Kullanıma konulan çeşitli havalandırma araçları geliştirdi. Teddington Papa Vekilliği görevim sürdürmekteyken 1761’de öldü.
Bitki hidrodinamiği üzerine ilk çalışmalar
Antik dünyada botanik çalışmalarında başvurulan temel kaynak, Aristoteles’in öğrencisi Theophrastos’un yapıtıydı. Çalışmaların çoğu, genel biçimlerinden hareketle, bitkileri çeşitli başlıklar alfanda toplamaktı; otlar, çalılar, ağaçlar, tıbbi niteliklerine göre betimleniyor ve sınıflandırılıyordu. Bu dönemden ortaçağa miras kalan sayısız kopya, aslından epey uzaklaşmışsa da, pratik amaçlarla yazılmıştı. Theophrastos, bitki ile yetiştiği ortam arasındaki ilişkileri incelemişti. Bu bilgiler bitkiye göre sınıflandırılmıştı. Fakat çalışmasının bu yönü zamanla kayboldu; yerine yaraya merhem, derde deva olacak ot neyse, ona bakılacak bir rehber haline getirildi. Bildiğimiz kadarıyla antik dünyada bitki anatomisi ve fizyolojisi ile ilgili çalışma yoktu.
On yedinci yüzyıl ortalarında mikroskobun gelişmesi sayesinde, çağcıl denebilecek ilk adım atıldı. Böyle’un asistanı Robert Hooke, mikroskopla bitkiler üzerinde sistemli çalışmalara girişti. Hooke, hücreyi temel biyolojik birim olarak niteleyen ilk kişidir; Nehemiah Grew’ün bitki anatomisi üzerine ayrıntılı çalışmalarını ve çok kaliteli anatomik çizimlerini daha da ileri bir düzeye çıkarmıştı.
Bitkinin kökten itibaren, gövde boyunca dallara, yapraklara uzanan, çatallanan boru sistemleri içerdiğinin anlaşılması, mikroskop sayesinde gerçekleşen büyük bir keşifti. Boruların kimisi sıvıyla, kimisi havayla doluymuş gibi görünüyordu. Bu sistemi dikkate alan Grew, hayvanların dolaşım sistemiyle bitkilerinki arasında paralellik kurmanın mümkün olabileceğini düşündü. Bitkilerde de, tıpkı hayvanlardaki gibi kapalı devre dolaşım sistemi mi vardı? Özsu akışı gücünü nereden alıyordu? Bitkilerin bu dolaşıma ilişkin çeşitli bölümlerinin yaşamsal fonksiyonları nelerdi? İşte Hales bu soruların yanıtlarını peşi sıra yaptığı büyük deneylerde bulmaya çalıştı.
Özsu dolaşımı
Bitkilerin yaşamsal süreçlerine ilişkin temel kuram, 1670′ lerde Malpighi tarafından geliştirildi. Malpighi can alıcı iki nokta yakalamıştı. Sağduyu, özsu hareketinin kanallardan yukarıya kökten yaprağa doğru olması gerektiğini söylüyordu. Çünkü sulu unsurun bitkinin bütününe yayılması ancak bu şekilde gerçekleşebilirdi. Malpighi, basit öğelerin yapraklarda bitki maddesine dönüştüğünü düşündü. Dolayısıyla bitkiyi oluşturan maddelerin yapraktan alınıp aşağıya taşınmasını sağlayan bir dolaşım olmalıydı. Malpighi, üreme ve depolamayı yöneten süreci de anlamıştı. Birçok bitkide yedeğe alman madde kökteki yumrularda saklandığı için, besinler karşı-dolaşımla köklere ulaşmalıdır. Bu bilgiler tahminden ibaretti. Geriye deneysel gösterim kalıyordu. Hales’in katkısı da işte bu oldu.
Yapraklardaki buharlaşmanın özsuyunun yükselişi ile ilgili olduğunu gösteren görsel
Anlatacağım deney, çoğu bilimsel çalışmada olduğu gibi, sonuca götüren yolu hazırlayan bir dizi yardımcı deneyin varış noktasında bulunuyordu. Öncelikle, suyun köklerden yapraklara doğru hareket etmesinin nedeni, köklerden kaynaklanan basınç mıydı, yoksa yapraklardan gelen bir emiş miydi, onu belirlemek gerekiyordu.
“27 Temmuz [1716]. Bir elma dalım bir hortuma bağladım. Hortumu suyla doldurdum. Ardından dalın tamamım su dolu kovaya daldırdım.” “Su seviyesi ilk iki saatte 6 inç (özsu kanallarının dolmasıyla), ertesi gece 6 inç düştü. Üçüncü günün sabahında dalı sudan çıkardım ve hortum takılı halde havaya astım; 12 saatte 27+1/2 inç su emdi.” Hales’e göre “terleme büyük gücünü” göstermişti. Gövdedeki dolaşımı sağlayan suyun yapraklardan buharlaşmasıydı; köklerdeki suyun basıncı değil… Kuşkusuz bu deneyler, söz konusu süreçler^ nasıl meydana geldiğini göstermiyordu.
Fakat yapraklarda terleyen şey su muydu?
Yapraklı bir dal kap içine kapatılır ve “terli” sıvı toplanırsa, sıvının çoğunlukla su olduğu açıkça gösterilebilirdi.
Bu kez sahne, anahtar deney için hazırlandı. Bu deney öz suyun nasıl hareket ettiğini gösterecekti. Özsu dolaşımı, tıpkı hayvanlardaki kan dolaşımı gibi miydi, yoksa bir tür gelgit miydi? Hales mükemmel iki deneyle bu sorunu her zaman geçerli olacak bir çıkarımla aydınlattı. Dolaşımı inceleyenler, özsuyun gövdenin iç tarafında yukarıya, dış tarafında aşağıya doğru hareket ettiğini düşünmüşlerdi.
20 Ağustos’ta [1726] şöyle söylüyor: “Öğleden sonra saat birde 9 ayak (1 ayak = 30,48 cm) uzunluğunda, 1+3/4 inç çapında, boyu ve eniyle orantılı yan dallarıyla birlikte bir b elma dalı aldım; kurşun sifon 1 aracılığıyla dalı sıkıca a borusuna yapıştırdım. Fakat önce kabuğu ve geçen yılın halkasını 3 inç uzunluğunda, r’ye kadar soydum. Kabuk üzerinde y’de bir çentik attıktan ve sapın alt ucundan 12 inç yukarıda son yıl ağacına da bir çentik attıktan sonra, 22 ayak uzunluğunda ve 1/2 inç çapındaki boruyu suyla doldurdum: Su rahatça emildi; yani dakikada 3+1 /2 inç oranında. Yarım saat içinde y yarığının aşağı kısmının öncekinden daha nemli olduğunu, aynı zamanda çentiğin üst kısmının beyaz ve kuru göründüğünü açıkça gözleyebiliyordum.”
Öyleyse,
“su en içteki ağaç boyunca mutlaka borudan yükselmeliydi; çünkü geçen yılın ağacı 3 inç uzunluğunda, halka şeklinde kesilip çıkarılmıştı. Sonuç olarak, eğer özsu doğal seyrinde geçen yılın halkası tarafından aşağıya taşınsaydı, eğer (sanıldığı gibi) su bununla kabuk arasında geçen yılın ağacı veya kabuk tarafından aşağıya taşınsaydı, öncelikle y yarığının üst kısmı nemlenmeliydi. Ama aksine, üst kısım değil, alt kısım nemlenmişti.” Özsuyun gövdenin iç kısmından yükselmesi gerektiği için (y çentiğinin altında boruya bağlanan kısımda son yılın halkası yoktur), ayrıca son yıl halkasının ağacı ve kabuk aracılığıyla da yukarı taşındığı için (yarığın aşağı kısmında oluşan nemle kanıtlandığı gibi) bir dolaşım, en azından kesin anlamda tam bir hidrolik devir yoktur.
Eğer bir devridaim olsaydı, bir kısımdaki belli bir hareket (sistemin bir yerlerinde), başka yöndeki bir hareketle dengelenirdi. Bir bitkinin günde ne kadar su alıp, ne kadar yitirdiği göz önüne alınarak, bu sonucu destekleyecek ikna edici dolaylı kanıtlar bulunabilirdi. Hales, ayçiçeğinin insandan tam on yedi kat daha fazla su kaybettiğini gösterdi. Bir dolaşım olmuş olsaydı olağanüstü hızlı olması gerekirdi. Fakat böyle bir akış hızım gösteren hiçbir kanıt yoktur.
Hales’in belirttiği gibi “özsu üstten alta bir miktar inebilir.” Bunu akıllıca düzenlenmiş başka deneyler de gösterir. Ama bu dolaşım değil, daha ziyade her gün olan gelgittir.
Hales’ten sonra bitki fizyolojisindeki gelişmeler
Sadece bir bölümünü aktardığım, dâhice tasarlanmış bir dizi deneyi izleyen yüz yıl boyunca, Hales’in ardıllarının bitki fizyolojisine çok az şey ekleyebildiklerini söylemek yanlış olmaz. Bu dönemde bazı katkılar yapılmışsa da, Hales’in deneyleri, bitkilerin su ekonomilerini neredeyse bütünüyle açıklığa kavuşturmuştu. Fakat bitkiler aynı zamanda atmosferle de gaz alışverişi yapıyorlardı. Bitkilerin besinlerinin bir kısmım havradan aldıkları, Mayow gibi (atmosfer gazlarım açıkça ayırt eden ilk bilimadamı) Hales’in de dikkatini çekmişti. Hales gaz alışverişini besine ve solunuma ilişkin olmak üzere iki türe ayırdı. Fakat, Mayow’un yaşamsal işlemlerce emilen ya da onlara “uydurulan” havanın bileşiği “nitro-aereus ruhu” (şimdi bizim “oksijen” dediğimiz şey) keşfini anlayamamıştı.
Hales, solunum ve yanmanın, havanın hacmini aşağı yukarı beşte bir oranında azalttığını düşünmüştü. Çünkü bu düşüş hava maddesinin beşte birinin emilmesinden çok, havanın esnekliğinin azalmasından kaynaklanıyordu. Hava kuramındaki bu çok önemli hata, Hales’i, beslenme ve solunuma ilişkin gaz alışverişinin ne olduğunu saptamaktan alıkoydu. 1779’da Hollandalı doktor Ingenhousz, bitkilerin yaşamında birbirinden çok farklı iki solunum çevrimi bulunduğunu saptadı. Çevrimin birinde hayvanların solunumundaki gibi, oksijen alınıp karbondioksit veriliyordu. Öbür çevrimde karbondioksit, gazlı bir yiyecek türü olarak almıyor, oksijen veriliyordu. 1840’lara doğru havayı oluşturan gazların kimyası oldukça iyi bilinir hale geldi. Oksijen, azot ve karbondioksit açıkça ayırt edilmiş, kimyasal özellikleri bütünüyle incelenmişti. Son aşama, 1840 yılında Boussingault’un, bitkilerin azotu havadan değil, topraktaki nitratlardan sağladıklarını göstermesiydi.
