Konu 3 Ekosistemlerde Enerji
Konular Yaşamın enerjisi Termodinamik yasaları Fotosentez ve hücresel solunum Ekosistemlerde enerji akışı Üreticiler, Tüketiciler ve Ayrıştırıcılar Ekolojik piramit Ekosistem verimliliği
Enerji İş yapabilme yeteneğidir Enerji çeşitleri: Kimyasal, Termal, Mekanik, Nükleer, Elektrik ve Güneş Güneş enerjisi: Işık uzayda dalgalar halinde hareket eder Foton: enerji içeren ışık parçası Fotosentetik açıdan aktif ışıma (PAR) 400-700nm
Enerji Enerji: Potansiyel enerji (depolanmış enerji) Kimyasal moleküller arasındaki bağ Kinetik enerji (hareket halindeki enerji) Moleküllerin bağları kırıldığında açığa çıkar formlarında bulunur
Termodinamik Enerji ve dönüşümlerini konu eder Sistem incelenen obje Güneş Kapalı sistem çevresiyle enerji alış verişi yoktur (doğada çok nadir görülür) Açık sistem çevresiyle enerji alış verişi yapar Kapalı sistem Açık sistem
Termodinamik yasaları Termodinamiğin 1. yasası Enerji yoktan var olamaz ve yok edilemez; ancak bir formdan diğer forma dönüşebilir Enerjinin korunumu Termodinamiğin 2. yasası Enerji bir formdan diğerine dönüştüğünde bir bölümü ısıya dönüşür Isı fazlasıyla entropiktir (düzensiz) Sisteme dışarıdan enerji verilmedikçe entropi sürekli artar
Bu fizik yasalarına uymayan doğal veya yapay bir sistem yoktur Biyolojik sistemler düşük entropiye sahiptir??? Çünkü kapalı bir sistem değildir, güneşten düzenli olarak enerji girişi olmaktadır. Sürekli solunumla enerji dağınık biçimde dışarı verilir Böylece karmaşık biyokütle yapısı düşük entropide korunur
Fotosentez Güneş enerjisini şeker moleküllerindeki kimyasal enerjiye dönüştüren biyolojik süreç 6 CO 2 + 12 H 2 O + güneş enerjisi C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O + 6 O 2
Fotosentezin önemi Canlı hücrelerin kullandığı enerjinin %99 unun güneşten geldiği tahmin edilmektedir!!!!! 2 milyar yıl önce siyanobakterilerde ortaya çıktı Oksijen fotosentezin atık ürünüdür Atmosferdeki tüm oksijenin fotosentez sonucu oluştuğu düşünülmektedir Fotosentez atmosferdeki CO 2 i kullanarak karbon döngüsünün başlangıcını oluşturur
Hücresel solunum Fotosentezle kimyasal enerji formuna hapsedilen enerjinin bitki ve hayvan hücrelerince açığa çıkarılmasıdır C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 + 6 H 2 O 6 CO 2 + 12 H 2 O + enerji Bu enerji biyolojik iş yapmak için kullanılır
Fotosentez ve hücresel solunum Işık enerjisi Oksijen Şeker ve diğer moleküller enerjiyi depolar Oksijen Su Fotosentez gerekli hammaddeyi üretir Hücresel solunum enerjiyi açığa çıkarır Karbondioksit ve su Hücresel iş için gereken kimyasal enerji
Güneş enerjisi Güneş enerjisinin ne kadarı canlılar tarafından kullanılmaktadır? 1/3 ü bulutlar ve kar alanlarından uzaya geri yansır 1/3 ü deniz ve karaları ısıtır ¼ ü buharlaşma sırasında emilir su döngüsünü başlatır %1-2 si tüm diğer canlılar tarafından kullanılır!!! İnsanlar da bu kullanılabilir enerji akışına bağımlı canlılardan sadece biridir.
Besin zincirleri Enerji akışı yolu Trofik seviye: Bir organizmanın beslenme ilişkilerine göre belirlenen, besin zincirindeki yeri Besin, trofik seviyelerine göre bir organizmadan diğerine aktarılır Birinci trofik seviye: Üreticiler İkinci trofik seviye: Birincil tüketiciler Üçüncü trofik seviye: İkincil tüketiciler Ayrıştırıcılar tüm trofik seviyelerde bulunur
Enerji akışı Güneş enerji si 1. Trofik seviye: Üreticiler 2. Trofik seviye: Birincil tüketiciler 3. Trofik seviye: İkincil tüketiciler 3. Trofik seviye: Üçüncül tüketiciler Ayrıştırıcılar Isı Isı Isı Isı Isı Enerjinin ekosistemde aktarımı 1. Üreticiler 2. Birincil tüketiciler 3. İkincil tüketiciler 4. Üçüncül tüketiciler 5. Ayrıştırıcılar
Besin zinciri
Ekolojik piramitler Her trofik seviyenin çeşitli açılardan değerlerini sayılarla ifade eder Üç temel çeşit: Sayı piramitleri Biyokütle piramitleri Enerji piramitleri
Şahin Ayrıştırıcı Üçüncü trofik seviye İkinci trofik seviye Dördüncü trofik seviye Otçul Etçil Etçil Üçüncül tüketici İkincil tüketici Birincil tüketici Yılan Fare Otlar Birinci trofik seviye Üretici
Sayı Piramitleri Her seviyedeki canlı sayısını ifade eder Birbirini takip eden her seviyede daha az sayıda organizma bulunur Şunları göstermez: Seviyelerdeki organizmaların büyüklüklerini Seviyeler arasında aktarılan enerji miktarını Birey sayısı Trofik seviye İkincil tüketici (avlayan kuş) Birincil tüketici (Tarla faresi) Üretici (Çimen)
Biyokütle Piramitleri Birbirini takip eden trofik seviyelerde toplam biyokütleyi ifade eder Biyokütle: canlı maddelerin ağırlık cinsinden toplamı Biyokütle Trofik seviye Üçüncül tüketici (yılanlar) Genelde her trofik seviyede toplam biyokütlede azalma görülür İkincil tüketici (Kurbağalar) Birincil tüketici (Çekirgeler) Üretici (Çimen)
Sayı ve biyokütle piramitlerinde alt trofik seviyeler bazen üsttekilerden daha dar olabilir: Ör: Tropik bölgelerde büyük gövdeli ağaçlar sayıca az olabilir. 1. trofik seviye alanı 2. seviyeden az olur Ör: Su ekosistemlerinde 1. trofik seviyeyi oluşturan fitoplanktonlar mikroskobik boyutlarda olduğundan toplam biyokütleleri 2. seviyeden daha az olabilir
Enerji piramitleri Her trofik seviyede ne kadar enerji bulunduğunu ve bunun ne kadarının bir sonraki seviyeye aktarıldığını gösterir Bribirini takip eden trofik seviyelerde enerji ısı olarak kaybedilir Neden bu kadar az trofik seviye bulunduğunu açıklar Enerji Trofik seviye İkincil tüketici (Birincil etçiller) Birincil tüketici (Otçullar) Üreticiler
Enerji piramitlerinde alttan üste doğru her zaman azalma görülür. Sayı ve biyokütle piramitlerine göre karşılaştırma çalışmaları için daha güvenilirdir!!!
%10 kuralı Üçüncül tüketiciler İkincil tüketiciler Birincil tüketiciler Birincil üreticiler Güneş ışığı
%10 kuralının etkileri Enerji miktarı azalır ama kalitesi ve yoğunluğu artar En yukarıdaki avcılar ekosistemde enerji akışındaki değişimlerden en fazla etkilenenlerdir Bir piramitte 4 veya 5 ten fazla seviye bulunmaz Üst seviyedeki canlıların beslenmesi için gereken enerji, yiyecek bulmak için gereken enerjiden fazla olmalıdır
%10 kuralının etkileri Hepçiller (ÖR: ayı, insan, rakun, keseli sıçan, çakal) besin miktarına göre trofik seviyeler arasında tercih yapabilir Daha aşağı trofik seviyelerden beslenmek bir ekosistemde daha fazla bireyin barınabilmesini sağlar!!!
Ekosistem verimliliği 1. Brüt birincil verimlilik (GPP) Belirli bir zaman diliminde bitkilerin dönüştürdüğü toplam enerji miktarı Toplam fotosentez hızı 2. Net birincil verimlilik (NPP) Birim alan ve zamanda bitki büyüme hızı Bitki dokularına büyüme amacıyla eklenen organik madde miktarını temsil eder GPP hücresel solunum (üreticiler) = NPP Diğer organizmalar sadece NPP yi kullanabilir
Ekosistem verimliliği 3. Net komünite verimliliği (NCP) Heterotroflar tarafından kullanılmadan biriken organik maddenin depolanma hızı 4. İkincil verimlilik Ototroflar tarafından üretilen organik maddeler heterotroflar tarafından yenilince enerjinin depolanan bölümü
Ekosistemlerde NPP Alg yatakları ve mercanlar Tropik yağmur ormanı Bataklıklar Haliçler Ilıman yaprak dökmeyen orman Ilıman yaprak döken orman Çayır Kuzey ormanları Maki alanları Tarım alanları Ilıman otlaklar Göl ve akarsu Arktik ve Alp tundraları Okyanus Çöl çalılıkları Aşırı çöl (kaya, kum, buz) Net birincil üretim (g/m2/yıl)
NPP üzerinde insan etkisi İnsanlar karasal biyokütlenin %0.5 ini oluşturur fakat karasal NPP nin %32 sini kullanır! Bu durum türlerin yok olmasına yol açabilir Dünyanın insan ve insan olmayan canlıları aynı anda taşıyabilmesi açısından bir tehdit oluşturmaktadır.
NPP üzerinde insan etkisi Et ile beslenmek (trofik piramidin daha üst seviyeleri) bitkilerle beslenmekten daha fazla enerji kullanır Ürettiğimiz tahılların %90 ını besi hayvanlarının beslenmesi için kullanmaktayız 100 kg tahıl: 10 kg ineği ve bu da et yiyen 1kg insanı besler Tahıl yiyen 10 kg insanı besler (10x daha fazla)
NPP üzerinde insan etkisi Besin elementleri açısından fakir bir ekosistemde biyoçeşitlilik artınca, verimlilik de artmaktadır Fakat besin elementleri açısından zengin veya gübrelenmiş bir ekosistemde verimlilik artınca bazı türlerin baskınlığı artmakta ve biyoçeşitlilik azalmaktadır!!!
Sonuçlar Bu dinamik enerji dengesini ekolojik sistemlerden, bireylere kadar her seviyede görebilmekteyiz Davranışlarımızın sonuçlarını bu ağları kullanarak çok daha iyi görebiliriz.
Net enerji kavramı Enerji üretmek için, bir dış kaynaktan alınan enerji, bir dönüştürme sisteminden geçerek yeni bir tip enerjiye dönüştürülür Bu dönüştürme sisteminin varlığını sürdürebilmesi için ya dışardan enerji desteği ya da üretilen enerjinin bir kısmının harcanması gerekir Net enerji üretebilmek için, üretilen toplam enerjinin, sistemin harcadığı enerjiden fazla olmalıdır (tercihen 4 kat)
Net enerji kavramı - örnekler ABD deki nükleer santraller Santralin yapımı, işletilmesi, atıkların saklanması o kadar pahalıdır ki kalan net enerji miktarı çok azdır Santralin işler vaziyette tutulması için büyük ölçüde devlet desteği gerekir = vergi ABD okyanus açıklarındaki petrol rafinerileri işletilmesi ve bakımı çok pahalıya mal oluyordu Rafineriler kapatıldı (1998) ve petrol fiyatlarında önemli bir düşüş oldu
Gelecekte enerji kaynakları Eski uygarlıklar kas gücü çağı Fosil yakıt çağı yakında tükenecek Atom enerjisi çağı??? Düzensizliğin kontrol altnda tutulması çok zor Güneş enerjisine dönüş!!! Hidrojenin yakıt olarak kullnaımı