Madde döngüleri ve enerji akışı

TYT'ye çalışan okur için kısa not: bu konu TYT Coğrafya testinde yer almaz, AYT Coğrafya-1 (C1) kapsamındadır; besin zincirinin TYT'deki karşılığını Biyoloji sorularında bulursun.

Burak, doğum gününde hediye gelen ağzı mantarla tıkanmış cam şişe bahçeyi dört ay boyunca hiç açmadı ve hiç sulamadı. Sabahları şişenin iç yüzü buğulanıyor, öğleye doğru damlalar camdan aşağı süzülüyor, eğrelti otu yeni yaprak veriyor. Babası soruyor: «Şişeye dört ayda ne girdi?» Burak düşünüyor: su yok, gübre yok, hava yok. Yalnız pencereden gelen ışık. O hâlde bitki neyle büyüdü, ışık nereye gitti, damlalar nereden geldi?

• Bir besin zincirinde enerjinin basamaktan basamağa neden azaldığını açıklar, enerji piramidini çizersin.
• Enerjinin tek yönlü aktığını, maddenin ise döndüğünü bir ekosistem örneğiyle gösterirsin.
• Su, karbon, azot ve oksijen döngülerinde canlı ile cansız arasındaki geçişleri sıralarsın.
• İnsan etkinliklerinin hangi döngüyü hangi noktadan etkilediğini yorumlarsın.

Şişenin cevabı: dışarıdan giren tek şey ışık

Burak'ın şişesi bu dersin özetini taşıyor. Camdan içeri giren ışık eğrelti otunun fotosentezinde kimyasal enerjiye dönüşür. Bitki bu enerjinin bir kısmını kendi solunumunda harcar ve harcanan pay ısı olarak şişeden çıkar. Su, karbon ve mineraller ise şişenin içinde kalır; buharlaşır, yoğuşur, toprağa iner, köklerden yeniden bitkiye girer. Kısacası enerji içeri girip sistemden geçerek çıkar, madde ise aynı kapta dolaşır. Coğrafya bu ayrımı büyük ölçekte okur: göl, orman ve atmosfer birlikte dev bir şişe gibi düşünülebilir, ama kapağı yoktur ve insan kapağın iki yanından sürekli müdahale eder.

Enerji akışı: Güneş'ten tüketiciye

Ekosistemlerin neredeyse tamamında enerjinin kaynağı Güneş'tir. Üreticiler (bitkiler, algler) fotosentezle ışığı besinde depolanmış enerjiye çevirir. Otçul bir hayvan bitkiyi yediğinde bu enerjinin bir bölümünü alır; otçulu avlayan etçil de ondan alır. Her canlının bir başkasına besin olduğu bu sıralı ilişkiye besin zinciri denir:

ot → çekirge → kurbağa → yılan → şahin

Doğada zincirler tek çizgi hâlinde kalmaz. Kurbağa sinek de yer, yılanı kartal da avlar, otla tavşan da beslenir. Birbirine dolanmış zincirlerin bütününe besin ağı adı verilir. Ağ ne kadar çok bağlantılıysa bir türün azalması o kadar kolay telafi edilir; tek besin kaynağına bağlı bir tür ise kaynağı azaldığında hızla etkilenir.

Her basamakta neden azalıyor?

Bir canlı aldığı enerjinin büyük kısmını yaşamak için harcar: hareket eder, vücut ısısını korur, solunum yapar. Bu harcamanın sonunda enerji ısı olarak çevreye dağılır ve zincire geri dönmez. Yenmeyen kökler, kemikler, dışkı da bir sonraki basamağa geçmez. Kayıplar toplandığında geriye az bir pay kalır; okul kitaplarının verdiği kural, bir basamaktaki enerjinin yaklaşık onda birinin üstteki basamağa aktarıldığıdır. Kural bir ortalama yaklaşımdır; gerçek oran canlıya ve ortama göre değişir, ama sınavda yön her zaman aynıdır: yukarı çıktıkça enerji azalır.

Bunu basamak basamak çizince geniş tabanlı bir enerji piramidi ortaya çıkar. Tabanda üreticiler, üstünde otçullar, en dar tepede son tüketiciler yer alır. Enerji piramidi hiçbir zaman ters dönmez. Basamaklardaki canlıların toplam kütlesi de çoğu karasal ekosistemde aynı biçimi verir; buna biyokütle piramidi denir. Zincirin uzunluğunu sınırlayan da bu azalmadır: dördüncü ya da beşinci basamağa ulaşan enerji, büyük bir avcı kitlesini besleyemeyecek kadar azdır. Bir bozkırda binlerce çekirgeye karşı yalnızca birkaç şahin görülmesi bu sınırın sahadaki görüntüsüdür.

Temel ayrım: enerji akar, madde döner

Enerji sistemden bir kez geçer; ısı olarak uzaya yayılır ve aynı enerji yeniden fotosentezde kullanılamaz. Bu nedenle sürekli yeni ışık gerekir. Madde ise dünyadan kaçmaz. Bir şahinin vücudundaki karbon atomu yıllar önce bir otun yaprağındaydı; şahin ölünce ayrıştırıcılar onu parçalar ve aynı karbon havaya ya da toprağa döner. Elementlerin canlı ile cansız ortam arasında sürekli yer değiştirmesine madde döngüsü (biyojeokimyasal döngü) denir. Bir döngüde maddenin uzun süre beklediği yere havuz (rezervuar) adı verilir: okyanus, atmosfer, kayaçlar, toprak.

Su döngüsü: zaten tanıdığın yol

Nem ve yağış dersinde gördüğün süreçleri burada canlıları ekleyerek bir araya getiriyoruz. Okyanus, göl ve topraktan buharlaşma, bitkilerin yapraklarından terleme yoluyla su buharı atmosfere çıkar. Buhar soğuyunca yoğuşur, bulut olur ve yağış olarak yere iner. Yere düşen suyun bir kısmı yüzey akışıyla akarsulara ve göllere, bir kısmı sızmayla yer altı suyuna geçer; hidrografya dersinde gördüğün kaynaklar, bu suyun yüzeye yeniden çıktığı yerlerdir. Döngünün canlıya özgü halkası terlemedir: ormanlık bir havzada atmosfere dönen suyun önemli bir payı yapraklardan gelir. Ormanı kesilen bir yamaçta terleme azalır, yüzey akışı artar, sızma azalır.

Karbon döngüsü

Karbon atmosferde karbondioksit olarak bulunur. Üreticiler fotosentezde karbondioksiti alıp şekere bağlar; besin zinciri bu karbonu tüketicilere taşır. Bütün canlılar solunumla karbondioksiti geri verir; ayrıştırıcılar ölü maddeyi parçalarken de aynı gaz açığa çıkar. Bazı organik kalıntılar ayrışmadan gömülür ve jeolojik zaman içinde kömür, petrol ve doğal gaza dönüşür; karbon böylece milyonlarca yıl yer altında bekler. Fosil yakıtlar yakıldığında bu uzun süreli havuz hızla atmosfere boşaltılır. Okyanuslar da havadaki karbondioksitin bir kısmını suda çözerek tutar; kalkerin (kireç taşı) bir bölümü de deniz canlılarının kabuk ve iskeletlerinden oluşur ve büyük bir karbon havuzudur. Kaynaklarda insan etkisi iki yönden anlatılır: fosil yakıt kullanımı ve ormanların azalması atmosferdeki karbondioksiti artırır; bu artış da küresel ısınmayla ilişkilendirilir.

Azot döngüsü

Azot atmosferin en bol gazıdır, havanın yaklaşık %78'ini oluşturur. Buna karşın bitkiler ve hayvanlar havadaki azotu doğrudan kullanamaz. Azotun canlılara geçebilmesi için önce bağlanması gerekir. Bu işi topraktaki azot bağlayan bakteriler üstlenir; bunların bir bölümü fasulye, nohut, mercimek gibi baklagillerin köklerindeki yumrularda yaşar. Şimşek de havadaki azotu oksitlere dönüştürür; yağmur bunları toprağa indirir. Bitkiler azotu topraktan nitrat olarak alır, hayvanlar bitkiyi yiyerek edinir. Canlılar ölünce ayrıştırıcılar azotlu maddeleri parçalayıp toprağa geri verir. Döngüyü kapatan adım denitrifikasyondur: bazı bakteriler topraktaki nitratı yeniden azot gazına çevirip atmosfere gönderir. Çiftçinin tarlada baklagilleri tahılla dönüşümlü ekmesi toprağın azotunu doğal yoldan yenilemenin bilinen yollarından biridir. Aşırı kullanılan azotlu gübre ise yağmurla göllere taşınabilir; kaynaklar bunun alglerin aşırı çoğalmasına ve sudaki oksijenin azalmasına yol açabildiğini anlatır.

Oksijen döngüsü

Oksijen döngüsü karbonla iç içedir. Fotosentezde bitki ve algler oksijeni havaya ve suya verir; solunum, ayrışma ve yanma ise oksijeni tüketir. Gündüz güneş alan bir göl yüzeyinde algler oksijen üretirken, dipteki ayrıştırıcılar aynı gazı harcar. Gölde ölü madde çok birikirse dipteki tüketim artar ve balıklar oksijensiz kalabilir; azot döngüsündeki gübre sorunu oksijen döngüsüne burada bağlanır.

Biyolojik birikim

Maddenin döndüğünü söyledik; ama bazı maddeler kolay parçalanmaz. Ders kitaplarında DDT gibi bazı tarım ilaçları ve cıva gibi ağır metaller örnek verilir. Bu maddeler canlının vücudundan atılamayıp dokularda kalır. Bir balık çok sayıda küçük canlı yediğinde her birindeki az miktarı kendinde toplar; balıkçıl da çok sayıda balık yiyerek daha fazlasını biriktirir. Böylece zehirli maddenin yoğunluğu zincirin üst basamaklarına doğru artar; buna biyolojik birikim denir. Enerji yukarı çıktıkça azalırken bu tür maddelerin yoğunluğu yukarı çıktıkça artar. Zincirin tepesindeki avcılar ve insan bu yüzden en çok etkilenen halkalar arasında sayılır.

Sözel çizim: göl, orman ve atmosfer tek şemada

Kâğıdı yatay tut. Üst üçte birlik şeridi atmosfer olarak ayır ve sağ üst köşeye bir güneş koy. Sol yarıya batıdan doğuya alçalan ormanlık bir yamaç, sağ yarıya o yamacın eteğindeki bir göl çiz. Şimdi okları dört renkle ekle.

• Mavi (su): Gölün yüzeyinden ve ağaçların yapraklarından yukarı buharlaşma ve terleme okları; atmosferde bir bulut; buluttan yamaca yağış; yamaçtan göle inen yüzey akışı ve toprağın içinden göle doğru eğik bir sızma oku.
• Siyah (karbon): Atmosferden ağaçlara ve göldeki alglere inen fotosentez okları; ağaçlardan, hayvanlardan ve göl tabanından yukarı çıkan solunum ve ayrışma okları; yamacın eteğindeki bir köy bacasından yukarı fosil yakıt oku; atmosferden göl yüzeyine inen çözünme oku.
• Yeşil (azot): Atmosferden yamaçtaki baklagil tarlasının köklerine inen bağlanma oku; buluttan yere zikzak bir şimşek; ölü yapraklardan toprağa ayrışma oku; topraktan atmosfere geri çıkan denitrifikasyon oku; tarladan göle giden gübre oku.
• Kırmızı (oksijen): Ağaçlardan ve alglerden atmosfere çıkan, hayvanlara ve göl tabanına inen oklar.

En sona güneşten yamaca tek bir sarı ok çiz ve şemanın her yerinden kenara doğru çıkan dalgalı ısı çizgileri ekle. Sarı ok giriyor, dalgalı çizgiler çıkıyor ve hiçbiri geri dönmüyor; dört renkli okların her biri ise bir yerde başladığı noktaya geri bağlanıyor.

Ekosistem modülünün özeti

Önceki derste ekosistemin parçalarını adlandırdın; bu derste parçalar arasındaki trafiği izledin. Modülden aklında kalması gereken çerçeve şudur: Güneş'ten gelen enerji üreticiden tüketiciye azalarak akar ve ısı olarak sistemden çıkar; su, karbon, azot ve oksijen ise canlı ile cansız ortam arasında dolaşır. İnsan hem akışa hem döngülere müdahale eder: ormanı keserek suyun ve karbonun yolunu, gübreyle azotun miktarını, kalıcı kimyasallarla besin zincirinin tepesindekileri etkiler.

Buraya kadar haritaya bitkileri, hayvanları ve onları besleyen döngüleri yerleştirdik. Sıradaki modülde haritaya insanın kendisi giriyor: neden bazı kıyı ovaları kalabalık, bazı yaylalar tenha; doğal etkenlerle ekonomik ve tarihî etkenler bu dağılışı nasıl birlikte çiziyor. Bir de yoğunluk sorusu var: nüfusu bir ülkenin bütün yüzölçümüne mi, yalnızca işlenen tarım toprağına mı, yoksa o toprakta çalışan çiftçilere mi bölersin? Her biri başka bir şey anlatır.

Örnek 1 — Basamak atlayarak hesap

Soru: Bir çayır ekosisteminde üreticilerin tuttuğu enerji 50.000 birim olarak verilmiştir. Ders kitaplarındaki onda bir kuralına göre çayırdaki otla beslenen tavşanı avlayan tilkiye ulaşan enerji kaç birimdir?

• A) 50 birim
• B) 5.000 birim
• C) 500 birim
• D) 5 birim
• E) 25.000 birim

Çözüm: Ot üreticidir: 50.000. Tavşan birincil tüketicidir ve onda birini alır: 5.000. Tilki ikincil tüketicidir, tavşanın onda birini alır: 500. B'yi seçen öğrenci tilkiyi tavşanın basamağına koymuştur. Cevap: C.

Örnek 2 — Hangisi geri dönmez?

Soru: Bir orman ekosisteminde aşağıdakilerden hangisi döngüsel değil, tek yönlü bir hareket gösterir?

• A) Ölü yapraklardaki azotun toprağa karışması
• B) Ağaçların terlemesiyle suyun atmosfere çıkması
• C) Hayvan solunumuyla karbondioksitin havaya verilmesi
• D) Işıkla gelip zincirden geçen enerjinin ısı olarak dağılması
• E) Fotosentezle oksijenin havaya bırakılması

Çözüm: Azot, su, karbon ve oksijen canlı ile cansız arasında yer değiştirir ve yeniden kullanılır. Enerji ise ısıya dönüşüp sistemden çıkar; aynı enerji ikinci kez fotosentezde kullanılamaz. Cevap: D.

Örnek 3 — Baklagilin tarladaki işi

Soru: Bir çiftçi tarlasına bir yıl buğday, ertesi yıl nohut ekiyor ve nohut yılından sonra buğday veriminin arttığını gözlüyor. Bu artış en iyi hangi süreçle açıklanır?

• A) Nohutun köklerindeki bakterilerin havadaki azotu bağlayıp toprağı zenginleştirmesi
• B) Nohutun terlemeyle toprağa su vermesi
• C) Nohut yılında denitrifikasyonun hızlanması
• D) Nohutun fotosentez yapmaması nedeniyle toprağın dinlenmesi
• E) Nohutun karbondioksiti toprağa gömmesi

Çözüm: Baklagillerin kök yumrularındaki bakteriler atmosferdeki azotu bitkilerin kullanabileceği biçime getirir. C seçeneği tersini söylüyor: denitrifikasyon azotu topraktan havaya geri gönderir. Cevap: A.

Örnek 4 — Gölde zehrin yolu

Soru: Bir göle kolay parçalanmayan bir tarım ilacı az miktarda karışıyor. Birkaç yıl sonra yapılan ölçümlerde ilacın yoğunluğu en yüksek hangi canlıda bulunur?

• A) Sudaki alglerde
• B) Algle beslenen su pirelerinde
• C) Göl suyunun kendisinde
• D) Su pireleriyle beslenen küçük balıklarda
• E) Küçük balıkları avlayan balıkçıllarda

Çözüm: Parçalanmayan madde her basamakta çok sayıda avdan toplanıp birikir; yoğunluk zincirin tepesine doğru artar. Enerji kuralını akılda tutup «en çok tabanda» diye düşünen öğrenci A'ya düşer. Cevap: E.

• Enerjinin de döndüğünü sanmak. Döngü maddeye aittir; enerji ısı olarak sistemden çıkar ve sürekli Güneş'ten yenilenmesi gerekir.
• Onda bir kuralını kesin bir yasa gibi okumak. Ders kitaplarında verilen bir yaklaşımdır; soruda başka bir oran verilirse o kullanılır.
• Atmosferde bol olduğu için azotun bitkiye doğrudan geçtiğini düşünmek. Havadaki azot önce bakteriler ya da şimşekle bağlanmalıdır.
• Biyolojik birikimi enerji piramidine benzetmek. Enerji yukarı doğru azalır, kalıcı zehirli maddelerin yoğunluğu ise yukarı doğru artar.
• Terlemeyi buharlaşmayla karıştırmak. Buharlaşma su yüzeylerinden ve topraktan, terleme bitkilerin yapraklarından olur; ormansızlaşma özellikle terlemeyi azaltır.