Güneşten Besinlere Enerji Aktarımı

Konu Anlatımı

Bu derste ne öğreneceğiz?

Güneşten Besinlere Enerji Aktarımı üzerine çalışacağız. Bu derste küçük yapıdan büyük bütüne doğru geçeceğiz; her basamakta bu yapı hangi işi görür sorusuna cevap vereceğiz.

Dersten sonra şunları yapabiliyor olmanız gerekiyor:

• Kazanım 1: Güneş enerjisinin üreticilerde organik kimyasal enerjiye dönüşerek tüketicilere ve ayrıştırıcılara aktarılışını açıklar.
• Kazanım 2: Trofik basamak kavramını; üretici, birincil tüketici, ikincil tüketici ve ayrıştırıcı rollerini tanımlar.
• Kazanım 3: Her basamakta yaklaşık %10 aktarım kuralını kullanarak bir besin zincirinin enerji bütçesini hesaplar.
• Kazanım 4: Enerji aktarımının neden ise geri kazanılamadığını açıklayarak enerji akışı ile madde döngüsünü karşılaştırır.
• Kazanım 5: Enerji piramidini okur, basamak genişliklerinin enerji miktarını ifade ettiğini gerekçesiyle belirtir.

Ön bilgi: bundan önce gördüğümüz

Bu konuyu anlamanın ön koşulu Enerji-Metabolizma İlişkisi ve Besinlerin Solunuma Katılma Yolları bilgisidir. Enerji-Metabolizma İlişkisi ve Besinlerin Solunuma Katılma Yolları konusundaki temel kavramlar bu derste örneklerin üzerinde yeniden karşımıza çıkacak.

• Enerji-Metabolizma İlişkisi ve Besinlerin Solunuma Katılma Yolları — ön bilgi: bu başlıktaki tanımları hatırlamamız gerekiyor.
• Sindirim, Emilim ve Taşınma — bu derste kullandığımız temel kavram buradan geliyor.

Enerji Yolu Güneşle Başlar

Bir ekosistemde dolaşan enerjinin neredeyse tamamı Güneş'ten gelir. Üretici canlılar ışığı klorofil adı verilen yeşil pigment aracılığıyla soğur; ışık enerjisi bu sırada kimyasal enerjiye dönüşür ve organik besin moleküllerinin içinde depolanır. Kimyasal enerji, canlının kullanabildiği tek enerji biçimidir; ısı olarak çevreye yayılan enerji hiçbir canlı tarafından tekrar kullanılamaz.

Üreticiler depoladıkları enerjinin bir bölümünü büyüme, hareket, madde taşıma ve kendi hücresel solunumu için harcar. Geriye kalan enerji organik moleküllerin bağlarında saklanır ve başka canlıların besin olarak tüketmesiyle onlara geçer. Böylece Güneş'ten başlayan enerji yolu üreticiden tüketicilere, oradan ayrıştırıcılara doğru uzanır.

Besin Zinciri ve Trofik Basamaklar

Birbiriini besin olarak tüketen canlıların oluşturduğu sıraya besin zinciri denir. Zincirdeki her beslenme basamağına trofik basamak adı verilir. Basamakların en altında kendi organik besinini üreten üreticiler, onların üstünde otçullar, sonra etçiller ve en üstte ayrıştırıcılar bulunur.

• Üreticiler (ototrof): ışık ya da inorganik maddelerin oksidasyonundan enerji sağlayıp kendi organik besinini sentezler.
• Birincil tüketiciler (otçul): üreticileri yer; ot, yaprak, alg ve tohum gibi bitkisel besinlerle beslenirler.
• İkincil ve üçüncül tüketiciler: birincil tüketicileri veya kendilerinden daha büyük tüketicileri avlayarak beslenirler.
• Ayrıştırıcılar: bütün basamaklardan gelen ölü kalıntı, dışkı ve atık maddeleri enzimleriyle kullanırlar.

%10 Aktarım Kuralı ve Enerji Bütçesi

Bir basamaktaki canlılar, kendilerine geçen enerjinin yalnızca küçük bir bölümünü bir sonraki basamağa aktarabilir. Bu oran ortalama olarak %10 kabul edilir ve enerji bütçesi hesaplarında kullanılır. Kalan bölüm, canlının yaşam faaliyetleri sırasında harcanır ve büyük ölçüde hücresel solunum sonucunda ısı olarak çevreye yayılır.

Tablodaki değerler kademeli olarak elde edilir: 10000 kJ değerinin onda biri 1000 kJ, onun onda biri 100 kJ, onun da onda biri 10 kJ olur. Her adımda enerji yeniden hesaplandığı için büyük bir sayıyı bütün basamak sayısıyla çarpmak hatalı sonuç verir.

Enerji Akışı Tek Yönlüdür

Madde döngüsü ile enerji akışı birbirinin tam tersi çalışır. Su, karbon ve azot gibi maddeler canlılar arasında defalarca kullanılır; bitkilerin topraktan aldığı su sonra buhlaşır, yağmurla yeniden yere iner. Enerji ise bu tür bir döngü kuramaz, çünkü bir basamakta ısı olarak kaybolan enerji diğer basamaklara geri verilemez.

Ayrıştırıcılar bu ayrımı gündelik hayatta açık biçimde gösterir. Ormanda devrilen bir ağacın gövdesi mantarlar tarafından parçalanır; mantarlar büyür ve çürür, toprağa ise bitkinin yeniden kullanabileceği inorganik besinler karışır. Geri dönen şey enerji değil, maddedir. Enerjinin bir bölümü mantarların büyümesinde kullanılır, geri kalanı ısı olarak dağılır.

Örnek Çözüm

Bir çayırda üreticilerin organik maddelerinde 8000 kJ enerji biriktiği kabul edilsin. İkinci basamağa bu değerin yaklaşık onda biri, yani 800 kJ aktarılır. Üçüncü basamağa ise 800 kJ değerinin onda biri olan 80 kJ geçer. Bu durumda zirvedeki basamakta 80 kJ enerji bulunurken toplam 7920 kJ enerji aktarılamadan ısı olarak çevreye yayılmış olur.

Özet

Enerji akışı Güneş ışığıyla ekosisteme girer, üreticiler tarafından organik kimyasal enerjiye dönüştürülür ve üretici, tüketici, ayrıştırıcı basamakları boyunca aktarılır. Her basamakta enerjinin yaklaşık %10'u bir sonraki basamağa geçer, geri kalanı hücresel solunumda kullanılıp ısı olarak çevreye yayılır. Bu yüzden enerji akışı tek yönlüdür ve üst basamaklara enerji miktarı daima azalır; enerji piramidi daima dik ve daralan çizilir. Madde ise döngüseldir ve ayrıştırıcılar sayesinde üreticiye geri dönebilir.

Sık Yapılan Hatalar

• Enerji akışının bir döngü gibi düşünülmesi: enerji geri dönmez, kaybolan kısım kalıcı biçimde ısı olarak dağılır.
• %10 oranının toplam basamak sayısıyla çarpılması: oran her adımda ayrı ayrı uygulanmalıdır.
• Enerji kaybı ile yenilmeyen atıkların karıştırılması: otların bir kısmının otçul tarafından yenilmemesi kayıp değildir, bu atıklar ayrıştırıcılara gider.
• Enerji piramidinin canlı sayısını gösterdiğinin sanılması: piramit enerji miktarını gösterir, canlı sayısı bazen ters dönebilir.

Günlük hayattan bir uygulama

Öğrenilen bilgi ancak bir işe yaradığında yerinde kalır. Güneşten Besinlere Enerji Aktarımı konusunu günlük hayattan bir durumla birleştirelim; soruyu çözerken her adımın hangi kurala dayandığını söylemeye çalışın.

Uygulama sorusu: Bir tarlada üretici bitkiler sayesinde yılda 50000 kJ organik enerji birikmektedir. Bu enerjinin akışını iki tüketiciden ve bir ayrıştırıcıdan geçen bir zincir boyunca hesaplayınız.

Bu görev için 12 puan dağıtılmıştır; puanlama anahtarı, cevabın hangi adımlarla gösterilmesi gerektiğini ayrıntılı biçimde söyler. Puanlamada işlem sırasının ve sonuç cümlenin ayrı ayrı sayıldığına dikkat et.

Bu konuyu çalışırken işinize yarayacak notlar

• Enerji hesabında her adımda yalnızca bir basamağın aktarım oranını uygula; oranı bütün basamak sayısıyla çarpmak yanlış sonuç verir.
• Soruda verilen enerjinin kJ, J, kkal ya da kWh biriminde olmasına dikkat et ve sonucu aynı birimde yaz.
• Enerji piramidini çizerken basamak sırasını üreticiden en büyük tüketicilere doğru kur, ayrıştırıcıları sona ekle.
• Yüzde hesaplarında ondalık ayırıcı olarak virgülü kullan, nokta ondalık ayırıcı değildir.
• Bir tür birden çok basamakta yer alabilir; bu durumda aynı birey enerji bütçesinde birden çok kez sayılabilir.

Örnekleri adım adım çözelim

İki örnek üzerinde çalışacağız. İlk örnek kuralın temel kullanımını, ikinci örnek ise kuralın zorlayıcı bir durumunu gösterir. Adımları kendin yazmayı dene; ikinci adımda nerede durduğunu görmek, sınavda zaman kazanır.

Üç Basamaklı Zincirde Enerji Bütçesi

Soru: Bir çayırda üretici bitkilerin organik maddelerinde 8000 kJ enerji birikmiştir. Bu enerji, üretici, birincil tüketici ve ikincil tüketici olmak üzere üç basamaklı bir zincir boyunca aktarılmaktadır.

1. Üreticiden birincil tüketicıye aktarımda 8000 kJ değerinin yaklaşık onda biri alınır.
2. Birincil tüketicide kalan enerji, ikincil tüketicıye de aynı oranla aktarılır.
3. Zirvedeki enerjiden başlangıç enerjisi çıkarılarak toplam kayıp bulunur.

Cevap: Birincil tüketicide 800 kJ, ikincil tüketicide 80 kJ enerji birikir. Zirvedeki basamak 80 kJ enerjiye ulaşırken toplam 7920 kJ enerji ısı olarak çevreye yayılır.

Bu örnekte adım sayısını not edin: kural her zaman aynı sayıda işlemle değil, kazanılması gereken bilgiye göre çözülür.

Güneş Enerjisinin Depolanan Payı

Soru: Yeryüzüne ulaşan güneş ışığının tamamı düşünüldüğünde, fotosentezle organik moleküllere kimyasal enerji olarak bağlanan kısım en iyi koşullarda da toplamın yalnızca yaklaşık yüzde üçüdür.

1. Gelen ışığın büyük kısmı yaprak yüzeyinden yansıyarak uzay geri döner.
2. Yaprak yüzeyini geçen ışığın bir kısmı ısı olarak çevreye yayılır.
3. Klorofilin soğurabildiği dar dalga boylarındaki ışık yalnızca küçük bir bölümü oluşturur.

Cevap: Yüz birimlik gelen ışıktan en iyi durumda yalnızca üç birimlik pay kimyasal enerjiye dönüşür, kalan 97 birim ısı olarak çevreye yayılır. Bu nedenle enerji bütçesinde üreticilerin verimi düşüktür.

Kavramları birbirinden ayırma tablosu

Bu derste geçen terimler birbirine yakın durur ve sınavda karıştırılır. Aşağıdaki tabloda her terimin anlamı ve sık karıştırılan karşılığı yan yana verilmiştir.

Bu dersten çıkan kurallar

Kuralları tek yerde görmek, karışık gelen bilgileri düzene sokar. Aşağıdaki tablo bu konuda geçen kural ve ölçüleri içerir.

Sık yapılan hatalar ve nedenleri

Hata yapmamak için önce hatanın nereden geldiğini bilmek gerekir. Aşağıdaki listede her hata için yanlış giden yol ve doğru yol birlikte verilmiştir.

• Enerjiyi döngüsel saymak: Enerji akışı çevrimsel değildir; bir basamakta ısı olarak kaybolan enerji diğer basamaklara geri dönmez, geri dönen şey yalnızca maddedir.
• Aktarım yüzdesini toplam basamakla çarpmak: Dört basamaklı bir zincirde yüzde on oranını dört kez çarpmak yerine, enerjiyi basamak basamak kademeli azaltmak gerekir.
• Yenilmeyen otları enerji kaybı sanmak: Otların bir bölümünün otçul tarafından yenilmemesi aktarım kaybı değildir; bu atıklar ayrıştırıcıların besin kaynağıdır.
• Piramidi canlı sayısı sanmak: Enerji piramidi birim alandaki enerji miktarını gösterir; biyokütle piramidinden farklı olarak daima dik çizilir.
• Madde döngüsü ile enerji akışını eşitlemek: Su, karbon ve azot defalarca kullanılabilirken enerji yalnızca bir kez kullanılabilir ve ısı olarak dağılır.

Kısaca özet

Kısaca: Ekosisteme giren enerjinin ana kaynağı Güneş'tir ve üreticiler bu ışığı klorofil aracılığıyla soğurup kimyasal enerjiye dönüştürür. Enerji, üretici, birincil tüketici, ikincil tüketici ve ayrıştırıcı basamakları boyunca aktarılır. Her basamakta enerjinin yaklaşık %10'u bir sonraki basamağa geçer; kalan bölüm hücresel solunumda kullanılır ve büyük ölçüde ısı olarak çevreye yayılır. Bu nedenle enerji akışı tek yönlüdür, geri kazanılamaz ve enerji piramidi daima dik çizilir. Su ve karbon gibi maddeler ise ayrıştırıcı…

Kısaca bu derste öğrendiklerimizi toparlayalım:

• Enerji akışı bir döngü değildir; bir basamakta ısı olarak kaybolan enerji diğer basamaklara hiçbir biçimde geri verilemez.
• Her trofik düzeyde bir sonraki düzeye yalnızca yaklaşık onda biri aktarılır; bu değer bir kural yaklaşımıdır, kesin bir sabit değildir.
• Aktarılmayan enerjinin büyük bölümü, canlının hücresel solunumu sırasında ısı olarak çevreye yayılır.
• Kalıntı ve atıklar ayrıştırıcılar sayesinde son basamaktan yeniden üreticiye madde olarak geri döner; geri dönen şey enerji değildir.
• Üreticiler hem organik madde hem de enerji bakımından bütün zincirin tek giriş kapısıdır.
• Enerji piramidi her koşulda tabanı geniş, tepesi dar olan dik bir yapı çizilir; bu yüzden üst basamaklarda enerji miktarı daima azdır.

Kendin dene: üç soru

Bu üç soru konunun özetidir. Çözmeden önce her biri için hangi kuralı kullanıyorum diye düşün; cevap anahtarı sonda verilmiştir.

1. Bir gölün üretici düzeyinden başlayıp dört tüketici basamağından geçen bir besin ağı düşünüldüğünde, ağın tepesindeki enerji miktarının en küçük olmasının asıl nedeni nedir? (Şıklar: Her basamakta enerjinin büyük kısmının ısı olarak kaybolması · Tüketici basamaklarının sayısının fazla olması · Gölün üretici sayısının az olması · Tüketicilerin enerji depolama kapasitesinin düşük olması)
2. Üretici basamağında 45000 kJ enerji bulunan bir sistemde üçüncül tüketicinin vücudunda yaklaşık kaç kJ enerji birikir? (Şıklar: 4,5 kJ · 450 kJ · 4500 kJ · 45 kJ)
3. Güneşten gelen ışık enerjisi, bir ekosistemin hangi halkasında organik kimyasal enerjiye dönüştürülür? (Şıklar: Üretici halkasında · Tüketici halkasında · Ayrıştırıcı halkasında · Yırtıcı halkasında)

Cevap anahtarı: 1) Her basamakta enerjinin büyük kısmının ısı olarak kaybolması — Basamak sayısının fazla olması tek başına açıklama değildir; belirleyici olan her basamakta enerjinin büyük bölümünün hücresel solunum sonucunda ısıya dönüşmesidir. Kalan küçük pay bir sonraki basama…

2) 45 kJ — Bir basamaktan diğerine geçişte enerjinin yaklaşık onda biri aktarılır. 45000 kJ değerinden sırasıyla 4500 kJ, 450 kJ ve 45 kJ çıkar; yani birincil tüketici 4500 kJ, ikincil tüketici 450 kJ, üçünc…

3) Üretici halkasında — Ototrof canlılar ışığı klorofil yardımıyla yakalar ve kimyasal enerjiye dönüştürerek organik besin sentezler. Tüketiciler ve ayrıştırıcılar ise hazır organik maddeyi kullanır, ışığı doğrudan kimyasal…

Bu dersten sonra neler var?

Konunun yerine oturması için komşu başlıkları da bilmek gerekir. Şunlarla birlikte çalışmak konuyu pekiştirir:

• Canlılık İçin Enerjinin Önemi (ATP’nin Yapısı ve Enerji Aktarımında ATP’nin Rolü) — aynı ünitede, bir sonraki adım.
• Işık Enerjisi Kullanılarak Besin Sentezi: Fotosentez — aynı ünitede, bir sonraki adım.
• Işık Enerjisi Kullanılmadan Besin Sentezi: Kemosentez — aynı ünitede, bir sonraki adım.
• Besinlerden Enerjiye: Sindirim — aynı ünitede, bir sonraki adım.

Bu anlatım hakkında

Güneşten Besinlere Enerji Aktarımı başlığındaki her sayısal iddia elle doğrulanabilir biçimde yazıldı: soruda verilen değer, uygulanan kural ve bulunan sonuç yan yana durur. Metin özgün yazılmıştır, başka bir kaynaktan alıntı yapılmamıştır.

Ayrıca derste şu açık uçlu görevler yer alıyor; her biri puanlıdır ve kendi cevabını yazmanı ister:

• Bir tarlada üretici bitkiler sayesinde yılda 50000 kJ organik enerji birikmektedir. Bu enerjinin akışını iki tüketiciden ve bir ayrıştırıcıdan geçen bir zincir boyunca hesaplayınız. (12 puan)
• Enerji akışı ile madde döngüsünün temel farkını, kendi günlük hayatınızdan bir örnekle açıklayınız. (10 puan)
• Bir ormanda geyik sayısının aşırı arttığı görülmektedir. Enerji akışı açısından bu durumun uzun vadeli sonuçlarını tartışınız. (15 puan)

İleri Örnek

Daha ileri bir uygulama:

Soru: Aynı sebze çeşidini yetiştirmek için kışın camlı serada ısıtma ve yapay aydınlatma yapılmaktadır. Bu durumda sera üretiminin enerji açısından verimsiz olması beklenir mi?

1. Sera bitkileri doğal mevsimdeki güneş ışığından daha az yararlanır, ısı kaybı yüzünden ek enerji verilir.
2. Yapay aydınlatma ve ısıtma için harcanan enerji, üretilen organik besindeki enerjiden daha büyük olabilir.
3. Açık tarla bitkileri ücretsiz güneş enerjisini doğrudan kullandığı için enerji bütçesi çok daha verimlidir.

Sonuç/cevap: Verimsizlik beklenir. Seralarda sisteme giren enerjinin büyük bölümü ısıtma ve aydınlatmaya harcanır, üretici basamağına ulaşan enerji payı düşük kalır. Açık tarla üretiminde ise anahtar girdi doğrudan güneş ışığıdır.