Madde döngüleri

Sabah kahvaltısında yediğiniz bir dilim ekmeğin içindeki bir karbon atomunu izlemeye çalışalım. Birkaç ay önce bu atom havadaydı; bir buğday yaprağı onu karbon dioksit olarak içine çekti ve güneş ışığının yardımıyla nişastanın içine yerleştirdi. Buğday hasat edildi, öğütüldü, ekmek oldu. Siz ekmeği yediniz ve hücreleriniz nişastayı parçalayıp enerjisini kullandı. Birkaç saat sonra aynı atom, bir nefesle karbon dioksit olarak yeniden havaya karıştı. Belki gelecek bahar bir çam ağacının iğne yaprağına girecek, belki bir okyanusta bir algin hücresine. Vücudunuzu oluşturan atomların hiçbiri yeni değildir; hepsi milyonlarca yıldır canlılarla çevre arasında gidip gelmektedir. Bu derste önce maddelerin canlılar ile cansız çevre arasında neden ve nasıl dolaştığına, ardından su, karbon ve azotun izlediği yollara ve bu yollarda canlıların üstlendiği rollere bakıyoruz.

• Madde döngüsü kavramını açıklar, döngülerde üretici, tüketici ve ayrıştırıcıların rollerini belirtirsin.
• Su döngüsünün aşamalarını ve canlıların bu döngüye katkısını açıklarsın.
• Karbon döngüsünde fotosentez, solunum, ayrışma ve yanmanın yerini gösterirsin.
• Azot döngüsündeki bağlama, amonyaklaşma, nitrat oluşumu ve azotun havaya dönüşü aşamalarını sıralarsın.

Neden döngü?

Yeryüzüne dışarıdan sürekli enerji gelir, ama madde hemen hemen gelmez. Canlıların vücudunu oluşturan karbon, azot, oksijen, hidrojen ve fosfor gibi elementlerin miktarı sınırlıdır. Bu sınırlı stok, canlılar ile cansız çevre arasında tekrar tekrar kullanılarak yaşamı sürdürür. Bir maddenin cansız çevreden canlılara geçip, onlardan yeniden cansız çevreye dönmesine madde döngüsü denir. Döngülerin işleyişinde üç grup canlının rolü vardır: üreticiler maddeleri cansız çevreden alıp organik maddeye katar, tüketiciler bu maddeleri besin zinciriyle aktarır, ayrıştırıcılar ise ölü canlıları parçalayarak maddeleri yeniden cansız çevreye bırakır.

Su döngüsü

Su, döngüsünü büyük ölçüde güneş enerjisiyle tamamlar:

• Buharlaşma: Güneş okyanusları, gölleri ve toprağı ısıtır; su buhar olarak atmosfere yükselir.
• Terleme: Bitkiler kökleriyle aldıkları suyun büyük kısmını yapraklarındaki stomalardan su buharı olarak havaya verir. Ormanlar bu yolla bölgenin nemini önemli ölçüde etkiler.
• Yoğuşma: Yükselen su buharı soğuyarak küçük damlacıklara dönüşür ve bulutları oluşturur.
• Yağış: Damlacıklar birleşip ağırlaşınca yağmur, kar ya da dolu olarak yere düşer.
• Akış ve sızma: Yağışın bir kısmı yüzeyde akarak derelere ve denize ulaşır; bir kısmı toprağa sızarak yer altı sularını besler.

Canlılar da döngünün parçasıdır: hayvanlar su içer ve boşaltımla su verir; hücresel solunum sonucunda su açığa çıkar, fotosentezde ise su kullanılır. Kancadaki kavanoz modelinde camın iç yüzeyinde görülen buğu, bu döngünün küçük bir örneğidir. İnsanlar da barajlar, sulama ve yer altı suyu çekimiyle döngünün bazı adımlarını değiştirir; yağışla yenilenenden hızlı çekilen yer altı suları zamanla tükenir ve kuyular kurur.

Karbon döngüsü

Karbon, organik moleküllerin iskeletini oluşturur. Döngüsünün başlıca adımları şunlardır:

• Fotosentez: Üreticiler atmosferdeki ya da sudaki karbon dioksiti alıp glikoz gibi organik moleküllere dönüştürür. Karbon böylece canlı dünyaya girer.
• Besin zinciri: Organik moleküllerdeki karbon, beslenme yoluyla tüketicilere aktarılır.
• Solunum: Üreticiler, tüketiciler ve ayrıştırıcılar organik molekülleri parçalayarak enerji elde eder ve karbonu yeniden karbon dioksit olarak çevreye verir.
• Ayrışma: Ölü canlılardaki karbon, ayrıştırıcıların solunumuyla atmosfere döner.
• Fosil yakıtlar: Milyonlarca yıl önce ayrışmadan gömülen canlı kalıntıları kömür, petrol ve doğal gaza dönüşmüştür. Bu yakıtlar yakıldığında, uzun süre yer altında tutulmuş karbon kısa sürede karbon dioksit olarak atmosfere geçer.
• Okyanuslar ve kayaçlar: Atmosferdeki karbon dioksitin bir kısmı okyanus suyunda çözünür. Bazı deniz canlıları karbonu kalsiyum karbonat olarak kabuklarında ve iskeletlerinde biriktirir; bu kalıntılar zamanla kireçtaşına dönüşebilir.

Karbon döngüsü, oksijenin döngüsüyle iç içedir: fotosentez karbon dioksiti alıp oksijen verirken, solunum ve yanma oksijeni kullanıp karbon dioksit verir. Ormanların azalması ve fosil yakıtların yoğun kullanımı, atmosfere verilen karbon ile atmosferden çekilen karbon arasındaki dengeyi bozar.

Azot döngüsü

Azot, proteinlerin ve nükleik asitlerin vazgeçilmez elementidir. Atmosferin yaklaşık yüzde yetmiş sekizi azot gazıdır; ama bitkiler ve hayvanlar bu gazı doğrudan kullanamaz. Azot ancak başka bileşiklere dönüştürüldükten sonra canlılara geçebilir:

• Azot bağlama: Baklagillerin köklerindeki yumrularda yaşayan bakteriler, topraktaki bazı serbest yaşayan bakteriler ve siyanobakteriler, havanın azotunu amonyağa dönüştürür. Şimşeklerin yüksek enerjisi de az miktarda azotu bağlanmış hale getirir. Azot bağlama çok enerji isteyen bir iştir; kök bakterileri bu enerjiyi bitkinin onlara verdiği şekerden sağlar.
• Amonyaklaşma: Ayrıştırıcılar ölü canlılardaki ve atıklardaki organik azotu amonyağa dönüştürür.
• Nitrat oluşumu: Toprakta yaşayan kemosentetik bakteriler amonyağı önce nitrite, ardından nitrata çevirir. Bitkiler azotu çoğunlukla nitrat halinde kökleriyle alır.
• Canlılara geçiş: Bitkiler aldıkları azotu protein ve nükleik asitlerine katar; hayvanlar azotu bitkileri ya da başka hayvanları yiyerek alır.
• Havaya dönüş: Oksijenin az olduğu topraklarda bazı bakteriler nitratı yeniden azot gazına çevirerek atmosfere verir; döngü böylece kapanır.

Çiftçilerin bir yıl buğday, ertesi yıl nohut ya da fasulye ekmesi, baklagillerin kök bakterileri sayesinde toprağın azotça zenginleşmesinden yararlanmak içindir. Yapay gübrelerle toprağa verilen azot ise verimi artırır; ama fazlası yağışla göllere ve denizlere taşınarak sorunlara yol açabilir.

Fosfor döngüsü

Fosfor, DNA'nın, ATP'nin ve hücre zarının yapısında, hayvanlarda ise kemik ve dişlerde bulunur. Fosfor döngüsünün öteki döngülerden önemli bir farkı vardır: fosforun atmosferde bir gaz biçimi yoktur. Fosfor kayaçlarda depolanır; kayaçlar yağmur ve rüzgârla aşındıkça fosfat toprağa ve suya geçer. Bitkiler fosfatı kökleriyle alır, hayvanlar onu besinleriyle edinir. Ayrıştırıcılar ölü canlılardaki fosforu yeniden toprağa bırakır. Akarsularla denize taşınan fosfatın bir kısmı ise deniz dibinde tortulara karışır ve ancak çok uzun jeolojik süreler sonunda, tortullar kayaca dönüşüp yeniden yüzeye çıktığında döngüye geri döner. Bu yüzden fosfor döngüsü yavaştır ve birçok ekosistemde fosfor, üreticilerin gelişimini kısıtlayan bir etkendir.

Döngülerin bağlantısı

Su, karbon ve azot döngüleri birbirinden bağımsız değildir. Fotosentez hem su hem karbon döngüsünün parçasıdır; ayrıştırıcılar hem karbonu hem azotu serbest bırakır; yağış topraktaki nitratları taşır. Bir döngüdeki bozulma ötekileri de etkiler.

Sıradaki ders, insan etkinliklerinin bu döngüleri bozmasıyla ortaya çıkan küresel ısınma ve asit yağmuru gibi çevre sorunlarını ele alıyor.

Örnek 1 — Su

Soru: Bitkilerin yapraklarından su buharı vermesine ne ad verilir?

• A) Yoğuşma
• B) Sızma
• C) Terleme
• D) Yağış
• E) Akış

Çözüm: Stomalardan su buharı çıkışı terlemedir ve su döngüsüne önemli katkı sağlar. Cevap: C.

Örnek 2 — Karbon

Soru: Karbonun atmosferden canlı dünyaya girmesini sağlayan olay hangisidir?

• A) Solunum
• B) Fotosentez
• C) Yanma
• D) Ayrışma
• E) Terleme

Çözüm: Üreticiler karbon dioksiti fotosentezle organik maddeye dönüştürür. Cevap: B.

Örnek 3 — Azot bağlama

Soru: Havadaki azot gazını canlıların kullanabileceği hale getiren canlılar hangileridir?

• A) Mantarlar
• B) Etçil hayvanlar
• C) Yeşil bitkiler
• D) Azot bağlayan bakteriler
• E) Otçul hayvanlar

Çözüm: Baklagil kök bakterileri, bazı toprak bakterileri ve siyanobakteriler azotu amonyağa çevirir. Cevap: D.

Örnek 4 — Fosil yakıt

Soru: Fosil yakıtların yakılmasının karbon döngüsündeki etkisi hangisidir?

• A) Uzun süre yer altında tutulmuş karbonun kısa sürede atmosfere karbon dioksit olarak geçmesi
• B) Atmosferdeki karbonun azalması
• C) Fotosentezin artması
• D) Azotun bağlanması
• E) Suyun buharlaşmasının durması

Çözüm: Gömülü karbon yanmayla hızla serbest kalır ve atmosferdeki karbon dioksit artar. Cevap: A.

• Maddenin de enerji gibi tek yönlü aktığını sanmak. Madde döngüyle yeniden kullanılır.
• Bitkilerin havadaki azotu doğrudan kullandığını sanmak. Bitkiler azotu çoğunlukla nitrat halinde topraktan alır.
• Solunumu yalnız hayvanlara bağlamak. Üreticiler ve ayrıştırıcılar da solunum yapar ve karbon dioksit verir.
• Ayrıştırıcıları yalnız karbon döngüsüne bağlamak. Ayrıştırıcılar azotun amonyağa dönüşmesinde de görevlidir.
• Azotun havaya dönüşünü unutmak. Oksijensiz topraklardaki bakteriler nitratı yeniden azot gazına çevirir.