Ekosistemlerde Enerji Akışı: Trofik Düzeyler ve Enerji Kaybı

Güneşten organik besine: Enerjinin ekosisteme giriş noktası

Enerjinin çoğu ekosisteme temel olarak Güneş'ten girer; ancak kemoototrof üreticilerin bulunduğu bazı ekosistemlerde enerji, inorganik maddelerin oksidasyonundan sağlanır. Fotoototrof canlılar, güneş ışığını kullanarak organik besin üretir. Karasal ekosistemlerde bitkiler, sucul ekosistemlerde ise algler ve benzeri üreticiler bu giriş basamağında yer alabilir. Üreticiler ışık enerjisini, organik bileşiklerin yapısında bulunan kimyasal enerjiye dönüştürür.

Burada önemli ayrım şudur: Üretici olmak, ekosistemdeki enerjiyi ilk kez kullanılabilir organik besin biçimine aktarmakla ilgilidir; üreticiler enerjiyi yoktan var etmez. Güneşten gelen ışık enerjisi, fotosentez sırasında organik maddelerde depolanır. Bir üretici bu besinleri kendi büyümesi, onarımı ve solunumu için kullanabilir; üreticinin dokusundaki maddeler tüketildiğinde enerji bir sonraki trofik düzeye aktarılabilir.

Enerji akışının yönünü gösteren zincir genellikle şu şekilde yazılır:

Güneş → üretici → birincil tüketici → ikincil tüketici → üçüncül tüketici

Okun yönü, yalnızca kimin kimi yediğini değil, besin içinde bulunan enerjinin hangi yönde aktarıldığını da gösterir. Bu nedenle bir besin zincirinde ok, avdan avcıya doğru çizilir: ot → çekirge → kurbağa → yılan örneğinde enerji, otun dokusundan çekirgeye, çekirgeden kurbağaya ve kurbağadan yılana geçer.

Birincil, ikincil ve üçüncül tüketicileri zincir üzerinde ayırma

Üreticilerden beslenen canlılara birincil tüketiciler denir. Bunlar çoğunlukla otçullardır. Birincil tüketicileri yiyen canlılar ikincil tüketici, ikincil tüketicileri yiyen canlılar ise üçüncül tüketici olarak adlandırılabilir. Bu adlandırma, canlının genel olarak etçil ya da otçul olmasından çok, incelenen besin zincirindeki beslenme konumuna bağlıdır.

Örneğin bu zincirde:

Yonca → tavşan → tilki

yonca üretici, tavşan birincil tüketici, tilki ise ikincil tüketicidir. Daha uzun bir zincirde, örneğin alg → küçük balık → büyük balık → balıkçıl kuş dizisinde küçük balık birincil, büyük balık ikincil, balıkçıl kuş üçüncül tüketici olabilir.

Aynı canlı farklı zincirlerde farklı trofik düzeylerde bulunabilir. Kuş, tohumla beslendiğinde birincil tüketici olabilir. Böcek birincil tüketiciyse kuş onu tükettiğinde ikincil tüketici olur; böcek daha üst bir trofik düzeydeyse kuşun konumu da buna göre belirlenir. Bu yüzden canlıya tek başına bakarak trofik düzey belirlemek yerine, verilen besin ilişkisi takip edilmelidir.

Ekosistemde tek bir zincir yerine çoğu zaman çok sayıda zincirin kesiştiği besin ağları bulunur. Bir canlı birden fazla türle beslenebildiği için enerji tek bir çizgiden değil, dallanan yollar üzerinden aktarılabilir. Bununla birlikte her beslenme yolunda genel ilke aynıdır: Enerji üreticiden tüketiciye doğru aktarılır ve üst basamaklara çıkıldıkça kullanılabilir enerji azalır.

Her basamakta kaybolan enerji: %10 aktarım modelini doğru kullanma

Bir canlı, beslendiği canlıdaki enerjinin tamamını kendi dokularına aktaramaz. Enerjinin bir bölümü sindirilemeyen atıklarla kaybedilir, bir bölümü solunum ve diğer metabolik faaliyetlerde kullanılarak ısıya dönüşür; yalnızca kalan kısmı büyüme ve onarım yoluyla biyokütleye katılır ve sonraki trofik düzeye aktarılabilir.

Lise düzeyindeki enerji piramidi sorularında, bir trofik düzeyden sonraki düzeye yaklaşık %10 enerji aktarıldığı; başka bir ifadeyle yaklaşık %90 enerji kaybı olduğu varsayılır. Bu oranı bütün ekosistemler için değişmez bir doğa sabiti gibi değil, sorularda kullanılan yaklaşık bir model olarak değerlendirmek gerekir. Gerçek aktarım oranı canlı türüne, besinin niteliğine ve ekosistem koşullarına göre değişebilir.

Yaklaşık %10 modeliyle:

• Üreticilerde 10.000 kcal varsa birincil tüketicilere yaklaşık 1.000 kcal aktarılır.
• Birincil tüketicilerdeki 1.000 kcal'nin yaklaşık 100 kcal'si ikincil tüketicilere geçer.
• Üçüncül tüketicilere ulaşan miktar yaklaşık 10 kcal olur.

Buradaki hesap, her basamakta önceki miktarın 0,10 ile çarpılmasıdır:

$E_{n+1}=E_n \times 0{,}10$

Enerji miktarına bakarak şu karar verilebilir: Aynı zincirde trofik düzey yükseldikçe, o düzeyi destekleyebilecek toplam enerji azalır. Bu nedenle üst düzey tüketiciler, alt düzeylerdeki geniş enerji tabanına bağımlıdır. Ancak yalnızca enerji miktarından yola çıkarak her zaman canlı sayısının veya tek tek canlıların kütlesinin aynı oranda azalacağı söylenemez.

Enerji piramidi neden düz biçimde yukarı daralır?

Enerji piramidi, her trofik düzeyde bulunan toplam enerji miktarını gösterir. Tabanında üreticiler, üst basamaklarında birincil, ikincil ve daha üst düzey tüketiciler yer alır. Enerji bir düzeyden diğerine aktarılırken önemli ölçüde azaldığı için enerji piramidi, incelenen ekosistemde alt basamaktan üst basamağa doğru daralır.

Piramidin tabanında üreticilerin bulunmasının nedeni, organik besin üretimini ve enerji girişini başlatmalarıdır. Birincil tüketiciler bu tabana, ikincil tüketiciler ise birincil tüketicilere bağlıdır. Üst basamaklardaki toplam enerji azaldıkça, bu basamakların taşıyabileceği tüketici biyokütlesi de genellikle sınırlanır.

Enerji piramidi ile sayı ve biyokütle piramitlerini ayırmak gerekir. Enerji piramidinde ölçüt, trofik düzeydeki toplam enerjidir. Sayı piramidinde canlı birey sayısı; biyokütle piramidinde ise canlıların toplam kuru ya da yaş kütlesi dikkate alınır. Özellikle tek bir büyük ağacın çok sayıda böceği beslediği durumlarda sayı piramidi ters görünebilir. Sucul ekosistemlerde üreticilerin hızlı yenilenmesi nedeniyle biyokütle piramidi de bazı durumlarda farklı şekil alabilir. Bu istisnalar, enerji piramidindeki enerji azalması ilkesiyle çelişmez; çünkü üç piramit aynı büyüklüğü ölçmez.

Ayrıştırıcıların iki ayrı rolü: enerji aktarımı ve madde dönüşümü

Ölü üretici ve tüketici kalıntıları ile canlıların atıkları ekosistemde birikir. Bakteriler ve mantarlar gibi ayrıştırıcılar bu organik maddeleri parçalar. Böylece maddeler daha basit inorganik ya da organik biçimlere dönüştürülerek çevreye yeniden katılabilir ve üreticiler tarafından tekrar kullanılabilir.

Ayrıştırıcılar enerji akışının dışında değildir. Parçaladıkları organik maddelerdeki enerjinin bir bölümünü kendi yaşamsal faaliyetleri için kullanır, önemli bir bölümünü de ısı olarak çevreye verirler. Bu nedenle ayrıştırıcılar, maddelerin döngüye katılmasına katkı sağlarken enerjiyi ekosistemde başlangıçtaki biçimine geri döndürmez.

Bu ayrım şöyle özetlenebilir:

• Enerji: Güneşten ekosisteme girer, canlılar arasında aktarılır ve kullanım sırasında ısıya dönüşerek sistemden uzaklaşır.
• Madde: Üreticiler, tüketiciler ve ayrıştırıcılar arasında farklı biçimlere dönüşür; uygun koşullarda yeniden kullanılabilir.

Dolayısıyla ölü bir yaprağın ayrıştırılması, yapraktaki minerallerin toprağa dönmesine yardım eder; fakat yaprakta depolanmış enerjinin tamamı yeniden üreticilere aktarılmış olmaz.

Çözümlü örnek: Zincirde trofik düzeyi ve enerji miktarını bulma

Verilenler: Bir göl ekosistemindeki besin zinciri şu şekildedir:

Alg → zooplankton → küçük balık → büyük balık

Alglerde depolanan enerji 20.000 kcal kabul edilsin. Soruda her trofik düzey arasında yaklaşık %10 aktarım olduğu varsayılıyor.

Adım 1: Trofik düzeyleri belirleyin.

• Alg: Üretici, 1. trofik düzey
• Zooplankton: Üreticiyi tükettiği için birincil tüketici, 2. trofik düzey
• Küçük balık: Zooplanktonla beslendiği için ikincil tüketici, 3. trofik düzey
• Büyük balık: Küçük balıkla beslendiği için üçüncül tüketici, 4. trofik düzey

Adım 2: İlk aktarımı hesaplayın.

Zooplanktona geçen enerji:

$20.000 \times 0{,}10=2.000\ \text{kcal}$

Adım 3: İkinci aktarımı hesaplayın.

Küçük balığa geçen enerji:

$2.000 \times 0{,}10=200\ \text{kcal}$

Adım 4: Üçüncü aktarımı hesaplayın.

Büyük balığa geçen enerji:

$200 \times 0{,}10=20\ \text{kcal}$

Sonuç: Verilen yaklaşık modele göre üreticiden büyük balığa kadar üç aktarım gerçekleştiği için büyük balığın bulunduğu düzeye yaklaşık 20 kcal ulaşır. Büyük balığın 4. trofik düzeyde olduğunu bulmak için yalnızca canlıları saymak yetmez; zincirde üreticiden başlayarak her beslenme basamağını belirlemek gerekir.

Çözümlü örnek: Tersine hesaplamayla üretici enerjisini bulma

Verilenler: Bir besin zincirinde ikincil tüketicinin bulunduğu trofik düzeyde 50 kcal enerji ölçülüyor. Yaklaşık %10 aktarım modeli kullanılacak. Zincir üretici → birincil tüketici → ikincil tüketici biçiminde üç trofik düzeyden oluşuyor.

Adım 1: Aktarım sayısını belirleyin.

Üreticiden birincil tüketiciye bir aktarım, birincil tüketiciden ikincil tüketiciye ikinci aktarım vardır. Bu nedenle başlangıç enerjisi iki kez 0,10 ile çarpılmıştır.

Adım 2: Denklemi kurun.

$E_{üretici} \times 0{,}10 \times 0{,}10=50$

Adım 3: Çarpanları birleştirin.

$E_{üretici} \times 0{,}01=50$

Adım 4: Başlangıç değerini bulun.

$E_{üretici}=\frac{50}{0{,}01}=5.000\ \text{kcal}$

Sonuç: Yaklaşık modele göre üreticilerde 5.000 kcal enerji bulunması, iki aktarım sonrasında ikincil tüketici düzeyinde 50 kcal kalmasıyla uyumludur. Ters sorularda bölme işlemi yapılmasının nedeni, aranan enerjinin aktarım kayıplarından önceki basamakta bulunmasıdır.

Sık yapılan hatalar ve karıştırılan kavramlar

1. Enerjinin döngü yaptığını sanmak: Enerji canlılar arasında aktarılır; fakat kullanım sırasında ısıya dönüşen kısmı ekosistemin başlangıçtaki kimyasal enerji havuzuna geri dönmez. Döngü kavramı daha çok karbon, azot ve fosfor gibi maddelerin farklı biçimlerde yeniden kullanılmasını anlatır.

2. Besin zincirindeki okun yönünü ters çizmek: Ok, yenenden yiyene doğru çizilir. Ot → tavşan → tilki zincirinde oklar otun tavşana, tavşanın tilkiye enerji aktardığını gösterir.

3. Her etçili otomatik olarak üçüncül tüketici saymak: Bir canlının trofik düzeyi, verilen zincirde neyle beslendiğine göre belirlenir. Etçil bir canlı birincil tüketiciyi yiyorsa ikincil tüketicidir; ikincil tüketiciyi yiyorsa üçüncül tüketici olabilir.

4. %10 oranını değişmez bir biyolojik yasa kabul etmek: Sınav hesaplamasında soru bu varsayımı veriyorsa kullanılır. Gerçek ekosistemlerde aktarım oranı tek bir sabit değer değildir; beslenme verimliliği ve canlıların metabolizması sonucu etkileyebilir.

5. Enerji piramidi ile sayı piramidini aynı sanmak: Enerji piramidi toplam enerjiyi, sayı piramidi birey sayısını ölçer. Bir büyük üretici çok sayıda küçük tüketiciyi destekleyebileceğinden sayı piramidi her durumda düzgün üçgen görünmeyebilir.

6. Ayrıştırıcıları yalnızca madde döngüsüyle ilişkilendirmek: Ayrıştırıcılar maddelerin yeniden kullanılabilir hâle gelmesine yardım eder, ancak ölü maddelerdeki enerjinin bir bölümünü de kullanır ve ısı açığa çıkarır.

7. Üreticinin aldığı güneş enerjisinin tamamını tüketiciye aktaracağını düşünmek: Üreticide depolanan enerjinin bir kısmı üreticinin kendi solunumunda ve diğer faaliyetlerinde kullanılır. Bu yüzden tüketiciye geçen miktar, üreticideki toplam enerjiden daha düşüktür.