Madde Döngüleri

Bilim insanları, insanlığın kapalı bir biyosferde nasıl yaşayabileceğini test etmek için 1987-1989 yılları arasında Biyosfer-2 projesini geliştirmiştir. ABD'nin Arizona Çölü'nde, dış ortamdan tamamen izole yaklaşık 12.000 m²'lik bir yaşam alanı inşa edilmiş, burada su, oksijen, karbon, azot gibi temel maddelerin döngüsel olarak aktarılabileceği bir ekosistem kurulmuş ve sekiz insan iki yıl boyunca burada yaşamıştır. Proje sonlandığında yaşam alanındaki oksijen oranı %14'e düşmüş, karbondioksit derişimi artmış, azot oksit miktarı sinir sistemine zarar verecek düzeye ulaşmış, su kaynakları kirlenmiş, ortama bırakılan 25 omurgalı türünden 19'u yok olmuş, bitkilerin çoğu ve tozlaşmayı sağlayan böcekler ölmüş, göller yosunla kaplanmıştır — kısacası madde döngüleri gerçekleşmemiştir. Bu deney, madde döngülerinin yaşamın sürekliliği için ne kadar hayati olduğunu somut biçimde göstermiştir.

Madde Döngülerinin Önemi

Dünyada madde döngülerinin düzenli gerçekleşmemesi ciddi çevre sorunlarına yol açar: azotlu bileşiklerin atmosferdeki artışı asit yağmurlarına, su döngüsünün bozulması bazı bölgelerde kuraklığa bazılarında sel/su taşkınlarına, karbon döngüsündeki bozulmalar ise yeryüzünde sıcaklık artışına neden olur. Bu bozulmalar doğal dengeyi, iklimi ve coğrafyayı olumsuz etkileyerek çölleşme, su/toprak kirliliği, beslenme sorunları, tür kaybı ve göçlere yol açabilir. Bu nedenle 1960'lardan itibaren uluslararası çevre politikaları geliştirilmiştir: Ozon Tabakasının Korunmasına Dair Viyana Sözleşmesi, iklim değişikliği rejimini düzenleyen Paris Antlaşması, nesli tehlike altındaki türlerin ticaretini düzenleyen CITES, tehlikeli atıkların taşınmasını denetleyen Basel Sözleşmesi gibi anlaşmalar bu kapsamda imzalanmıştır.

Ekosistemde bulunan maddeler canlı ve cansız ortamlar arasında sürekli döngü hâlindedir; canlılar ihtiyaç duydukları organik/inorganik maddeleri ortamdan alır, ölümleri ve metabolik atıklarıyla bu maddeleri tekrar dış ortama verir. Atmosfer ile yeryüzü arasında gerçekleşen su, karbon ve azot döngüleri ekosistemdeki en önemli madde döngüleridir.

Su Döngüsü

Yeryüzündeki su; okyanus, göl, akarsu ve yer altı kaynaklarında bulunur, kutuplarda ve yüksek rakımlarda kar/buz hâlindedir. Suyun buharlaşma, yoğuşma, yağış ve akış gibi olaylarla yeryüzü-gökyüzü arasında sürekli dolanımına su döngüsü denir. Okyanus, deniz, göl, akarsu ve karalardan buharlaşan su atmosfere geçer; canlıların terleme ve solunumuyla da su atmosfere çıkar. Atmosferdeki su buharı yağmur, kar veya dolu olarak yeryüzüne iner; bu suyun bir kısmı tekrar buharlaşır, bir kısmı akarsularla denize taşınır, bir kısmı toprakça emilerek yer altı sularını oluşturur.

Karbon Döngüsü

Karbon, canlı organizmaların yapısını oluşturan organik moleküllerin temel elementidir. Atmosferde CO₂, suda CO₂ ve bikarbonat, karada ise doğal gaz, petrol, kömür ve kireç taşı olarak bulunur. Karbonun atmosfer, bitki örtüsü, okyanus, toprak ve canlı organizmalar arasındaki dolaşımına karbon döngüsü denir.

Yeşil bitkiler ve fitoplanktonlar ortamdaki CO₂'yi fotosentezde kullanarak oksijen ve organik madde üretir; bu organik maddelerin bir kısmı kendi solunumlarında kullanılır ve açığa çıkan CO₂ atmosfere geri döner. Organik maddeler besin zinciriyle tüketicilere aktarılır; tüketiciler bu maddeleri sindirip bir kısmını solunumda kullanarak CO₂'yi yine atmosfere verir. Bitki ve hayvan atıkları ayrıştırıcılarca parçalanır; canlıların yapısına katılan karbon solunum, boşaltım ve ayrışma yoluyla tekrar atmosfere döner. Odun veya fosil yakıtların (kömür, petrol, doğal gaz) yanmasıyla da CO₂ atmosfere verilir. Kireç taşları karbonu uzun süre hapseder; zamanla aşınmalarıyla içlerindeki karbon açığa çıkıp döngüye tekrar katılır.

Azot Döngüsü

Azot, amino asit, nükleik asit, hormon ve vitamin gibi hayati moleküllerin yapısına katılan temel bir elementtir; havanın yaklaşık %78'ini oluşturur. Azotun atmosfer, toprak, su ve canlılar arasındaki dolaşımına azot döngüsü denir.

Bitkiler atmosferdeki azot gazını doğrudan kullanamaz; kullanılabilmesi için amonyum veya nitrata dönüştürülmesi gerekir. Havadaki azot, toprakta veya baklagil köklerindeki nodüllerde yaşayan azot bağlayıcı bakterilerle toprağa bağlanır; ayrıca yıldırım ve şimşek gibi yüksek enerjili olaylar da azotu toprağa geçirir — bu iki sürece azot fiksasyonu denir. Bitkiler topraktan amonyum (NH₄⁺) ve nitrat (NO₃⁻) olarak aldıkları azotu protein gibi organik moleküllerin üretiminde kullanır; hayvanlar azot ihtiyacını bitki veya diğer hayvanlarla beslenerek karşılar.

Bitki ve hayvanların ölüm/atıklarındaki azotlu bileşikler, bakteri ve mantar gibi ayrıştırıcılarca parçalanarak amonyağa (NH₃) ve amonyuma (NH₄⁺) dönüştürülür. Amonyak, toprak bakterilerince önce nitrite (NO₂⁻), sonra nitrata dönüştürülür — buna nitrifikasyon denir. Topraktaki nitrat ve nitrit, bazı bakterilerce azot gazına çevrilip atmosfere geri verilir — buna denitrifikasyon denir. Böylece azot; fiksasyon, bitki/hayvan kullanımı, ayrıştırma, nitrifikasyon ve denitrifikasyon aşamalarıyla sürekli döngü hâlinde kalır.

Özet

• Biyosfer-2 deneyi, madde döngülerinin (özellikle O₂/CO₂, su, azot dengesi) sağlanamadığı kapalı bir sistemin kısa sürede çökebileceğini göstermiştir.
• Su döngüsü buharlaşma-yoğuşma-yağış-akış ile, karbon döngüsü fotosentez-solunum-yanma ile, azot döngüsü fiksasyon-nitrifikasyon-denitrifikasyon ile işler.
• Azot döngüsünde bitkiler azotu ancak amonyum veya nitrat hâlinde kullanabilir; bu dönüşüm azot bağlayıcı bakteriler, yıldırım/şimşek ve nitrifikasyon bakterileri sayesinde gerçekleşir.