Ekosistemdeki Madde ve Enerji Akışı

Ekosistemdeki enerji akışı, beslenme yoluyla bir organizmadan diğerine kimyasal enerji aktarımı şeklindedir. Doğadaki tüm enerji ilişkileri, termodinamiğin iki temel yasasıyla açıklanır: Termodinamiğin birinci yasasına göre enerji yoktan var edilemez, vardan yok edilemez, yalnızca bir şekilden ötekine dönüştürülebilir — örneğin bitkiler enerji üreticisi değil, güneş enerjisini kimyasal enerjiye dönüştüren bir enerji dönüştürücüsüdür. Termodinamiğin ikinci yasasına göre her enerji aktarımı ya da dönüşümünde mevcut enerjinin bir kısmı ısıya dönüşerek çevreye yayılır; bu yüzden enerji ekosistemlerde aktıkça iş yapmak için kullanılabilir kısmı giderek azalır.

Madde ve Enerji Akışının Genel Yapısı

Canlıların yaşamsal faaliyetleri için enerjiye ve karbon, azot gibi inorganik maddelere ihtiyaç vardır. Güneşten gelen ışık enerjisi, fotosentezle bitkiler tarafından kimyasal enerjiye dönüştürülüp organik besinlerin yapısına aktarılır. Bitkilerde depolanan enerji besin yoluyla otçul hayvanlara, onlardan da etçil hayvanlara geçer. Canlıların atık ve kalıntıları ayrıştırıcılar tarafından parçalanarak üreticiler için yeniden kullanılabilir hâle getirilir. Böylece ekosistemdeki madde ve enerji akışı üretici, tüketici ve ayrıştırıcılar aracılığıyla sürekli bir döngü ve akış hâlinde kalır.

Besin Zinciri ve Besin Ağı

Fotosentezle besinlerde depolanan kimyasal enerjinin üreticilerden tüketicilere tek yönlü iletimine besin zinciri denir; üreticilerin güneş enerjisini dönüştürmesiyle başlar, aktarılan enerji canlılarca biyosentez, sinirsel iletim, aktif taşıma, kas faaliyeti, büyüme ve ısı üretiminde kullanılır. Üreticilerle beslenen otçullara birincil tüketici, birincil tüketicilerle beslenenlere ikincil tüketici, ikincil tüketicilerle beslenenlere üçüncül tüketici denir. Bir canlının trofik düzeyi yalnızca beslenme biçimine değil, hangi düzeydeki canlılarla beslendiğine bağlıdır; bu yüzden hepçil canlılar besin zincirine göre birincil, ikincil veya üçüncül tüketici, etçiller ise ikincil, üçüncül hatta dördüncül tüketici konumunda olabilir. Her besin zincirinde bitkisel ve hayvansal kalıntıları humus ve minerallere dönüştüren ayrıştırıcılar bulunur.

Birçok canlı tek çeşit değil çok çeşit besin tükettiğinden birden fazla besin zincirinde yer alır. Farklı besin zincirlerinin birbirine bağlanarak oluşturduğu daha karmaşık, çok yönlü beslenme ilişkileri ağına besin ağı denir.

Ekolojik Piramitler

Trofik basamak, bir organizmanın besin zinciri/ağı içindeki enerji ve madde aktarımı konumunu ifade eder. Trofik basamaklar arasındaki ilişkiler ekolojik piramitlerle gösterilir:

• Biyokütle Piramidi: Biyokütle, belirli bir alan/hacimdeki canlıların toplam organik madde miktarıdır (genelde kuru ağırlık olarak ifade edilir). Piramidin tabanında üreticiler, üstte sırasıyla birincil, ikincil, üçüncül tüketiciler yer alır; üst basamağa çıkıldıkça biyokütle genellikle azalır, çünkü alınan organik maddenin bir kısmı metabolizmada kullanılır, bir kısmı atık olarak verilir ve sadece bir bölümü biyokütleye dönüşür. Ayrıştırıcılar, tüm basamaklardan gelen ölü organizma ve atıkları parçalayarak bu maddeleri ekosisteme yeniden kazandırır.
• Enerji Piramidi: Trofik basamaklar boyunca aktarılan kullanılabilir enerji miktarını gösterir. Üreticiler, yeryüzüne ulaşan güneş enerjisinin yaklaşık %1'ini fotosentezle organik maddeye dönüştürür. Bir trofik basamaktaki biyokütlede depolanan enerjinin yaklaşık %10'u bir üst basamağa aktarılır — buna %10 yasası denir; enerjinin geri kalanı hücresel solunumla ısıya dönüşür veya atıklarla (dışkı, idrar) vücuttan atılır, bu nedenle bir sonraki basamağa aktarılamaz. Bu yüzden trofik basamaklar arasında enerji giderek azalır ve besin zincirleri genellikle 4-5 basamakla sınırlı kalır.

Biyolojik Birikim ve Etkileri

Endüstriyel faaliyetler sonucu doğaya bırakılan kimyasal/sentetik maddeler toprak ve suya karışıp besin zinciri boyunca ilerleyerek insanlara kadar ulaşabilir. Vücuttan kolayca uzaklaştırılamayan bu maddeler, farklı trofik basamaklardaki canlıların dokularında birikir; buna biyolojik birikim denir. Besin zincirinde üst basamaklara çıkıldıkça canlı dokusunda biriken zehirli madde miktarı artar.

• Minamata Hastalığı: 1950-1960'larda Japonya'nın Minamata Koyu'nda, bir fabrikadan körfeze boşaltılan metil cıvanın balıklarda birikip bu balıkları yiyen insanlarda ciddi zehirlenmelere (uzuv kaybı, görme daralması, denge sorunları, titreme, bellek sorunları vb.) yol açmasıyla ortaya çıkmıştır; çevre kirliliğinin neden olduğu rapor edilen ilk hastalıktır ve etkili bir tedavisi henüz yoktur.
• İtai İtai Hastalığı: Japonya'nın Toyama Bölgesi'nde madencilik kaynaklı kadmiyumun nehre karışıp önce balıkları, sonra nehir suyuyla sulanan pirinç tarlalarını, oradan da insanları etkilemesiyle ortaya çıkmıştır; kadmiyum zehirlenmesine bağlı saptanan ilk hastalıktır, kemik ve eklem ağrılarına yol açar. Nedeni ancak 1955'te Dr. Ogino ve arkadaşları tarafından bulunabilmiştir.
• DDT: 20. yüzyılın ikinci yarısında tarım zararlıları ve sıtma taşıyan sivrisineklere karşı yaygın kullanılan bir pestisittir. Besin zinciri yoluyla ekosistemde taşınıp canlı dokularında biriktiği, çevrede yaklaşık 10 yıl kalabildiği ve kolay parçalanmadığı bilimsel çalışmalarla gösterilmiştir; bu nedenle 1980'lerden itibaren birçok ülkede yasaklanmıştır.

Özet

• Enerji, üreticilerden tüketicilere besin zinciri/ağı yoluyla tek yönlü akar; termodinamiğin yasaları gereği her aktarımda bir kısmı ısı olarak kaybolur.
• Biyokütle ve enerji piramitlerinde üst trofik basamaklara çıkıldıkça biyokütle ve kullanılabilir enerji azalır (%10 yasası); bu yüzden besin zincirleri genelde 4-5 basamakla sınırlıdır.
• Doğaya bırakılan kalıcı kimyasallar (cıva, kadmiyum, DDT vb.) besin zinciri boyunca üst basamaklara çıkıldıkça canlı dokusunda giderek artan miktarda birikir (biyolojik birikim); Minamata ve İtai İtai hastalıkları bunun tarihsel örnekleridir.