Ekosistemde Madde ve Enerji Akışı ile Ekolojik Piramitler

Konu Anlatımı

Bu derste ne öğreneceğiz?

Ekosistemde Madde ve Enerji Akışı ile Ekolojik Piramitler 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: Ekosistemde madde akışının döngüsel, enerji akışının ise tek yönlü olduğunu gerekçesiyle açıklar.
• Kazanım 2: Her trofik düzeyde enerjinin büyük kısmının ısı olarak kaybolduğunu ortalama aktarım oranıyla ifade eder.
• Kazanım 3: Besin zinciri ile besin ağını karşılaştırır ve bir canlının birden çok türle beslenmesinin sonuçlarını erteler.
• Kazanım 4: Sayı, biyokütle ve enerji piramitlerini tanımlar, enerji piramidinin neden daima dikey kaldığını açıklar.
• Kazanım 5: Ters çevrilmiş sayı ve biyokütle piramidi örneklerini değerlendirir.
• Kazanım 6: Verimlilik derecesi kavramını kullanarak bir beslenme basamağında enerji aktarımını hesaplar.

Ön bilgi: bundan önce gördüğümüz

Bu konuya geçmeden önce Ekosistemler ve Ekosistemin Bileşenleri (Cansız ve Canlı Bileşenler, Popülasyon, Komünite, Ekosistem) konusunu bilmemiz gerekiyor. Ekosistemler ve Ekosistemin Bileşenleri (Cansız ve Canlı Bileşenler, Popülasyon, Komünite, Ekosistem) içindeki kavramlar bu derste doğrudan kullanılacak; aradaki bağı kurmadan sayısal işleme geçmek en sık yapılan hatadır.

• Ekosistemler ve Ekosistemin Bileşenleri (Cansız ve Canlı Bileşenler, Popülasyon, Komünite, Ekosistem) — bu derste kullandığımız temel kavram buradan geliyor.
• Popülasyon Dinamikleri — bağlantı: bu derste yeniden karşımıza çıkacak konu.

1. Ekosistemin Enerji Bütçesi ve Madde Akışı

Enerji akışı, güneşten gelen ışık enerjisiyle başlar. Üreticiler bu enerjiyi fotosentezle kimyasal enerjiye, yani organik besinlere dönüştürür. Tüketiciler ve ayrıştırıcılar bu organik maddeleri kullandıkça enerjinin bir bölümünü solunumla ısı olarak çevreye yayar. Sonuçta enerji sistemi terk eder ve hiçbir basamakta yeniden kullanılamaz. Bu nedenle enerji akışı tek yönlüdür.

Madde akışı ise bambaşka bir mantıkla işler. Su, karbon, azot ve mineral tuzlar üreticiden tüketicilere, ayrıştırıcılardan toprağa, oradan yeniden üreticilere geçer. Hiçbir madde yok olmaz; yalnızca biçim ve yer değiştirir. Bu nedenle madde akışı döngüseldir ve ekosistemin kendini yenilemesini sağlar.

2. Trofik Düzeyler Arasında Aktarım

Besin zincirinde üreticiler birinci, onları yiyenler ikinci, onları yiyenler üçüncü trofik düzeyi oluşturur. Bir düzeyden diğerine geçerken enerjinin yaklaşık onda biri aktarılır; kalanın büyük bölümü solunumda kullanılır ve ısı olarak kaybolur. Bu ortalama oran, bir kural olarak kullanılsa da gerçekte canlı türüne ve ortama göre değişebilir.

Üreticilerin ürettiği toplam miktara brüt birincil üretim, bundan üreticilerin kendi solunumunda harcadıkları miktar çıkarıldığında kalan değere net birincil üretim denir. Net birincil üretim, üreticilerin tüketicilere ve ayrıştırıcılara aktarabileceği enerjiyi temsil eder.

3. Besin Zinciri ve Besin Ağı

Her canlı türü yalnızca tek bir türle beslenmez. Bir tür birden çok avı varsa ya da birden çok tür tarafından yeniyorsa, doğrusal hatlar dallanır. Bütün bu hatların bir araya geldiği yapıya besin ağı denir. Besin ağı, bir türün yok olması durumunda enerji aktarımının alternatif yollardan sürmesini sağlar; bu yüzden ekosistemler kırılgandan daha dayanıklıdır.

• Zincir doğrusal bir aktarım sırasıdır ve basitleştirilmiş bir modeldir.
• Ağ ise dallanmış, birbiriyle iç içe geçmiş aktarım yollarını gösterir.
• Omnivor (hepçil) canlılar her iki şemada da birden fazla yerde yer alabilir.
• Ağ yapısı, türlerin birbirine ne kadar bağımlı olduğunu anlamanın en pratik yoludur.

4. Ekolojik Piramitler

Üç temel piramit vardır ve hepsinde dikey eksende ölçülen büyüklük farklıdır. Enerji piramidi birim zamandaki enerji miktarını, biyokütle piramidi birim alandaki canlıların toplam kütlesini, sayı piramidi ise birim alandaki birey sayısını gösterir.

Enerji piramidinin daima dikey kalmasının nedeni, her basamakta kaybedilen enerjidir. Sayı ve biyokütle piramitlerinde ise bir üst basamakta çok sayıda küçük canlı bulunabilir. Tek bir ağacın gövdesinde yaşayan çok sayıda parazit böcek, suda yüzen küçük fitoplanktonların üst basamaklarda daha fazla toplam kütleye sahip olması bu tür ters çevrilmelere örnektir.

5. Verimlilik Derecesi

Verimlilik derecesi, bir tüketicinin tükettiği besinden ne kadar enerji kazandığını yüzde olarak gösterir. Değer düşükse kayıp büyüktür. Örneğin birinci tüketici 1000 kJ besin tüketip 100 kJ kazanıyorsa verimlilik derecesi yüzde ondur. Verimlilik derecesi türler arasında ve ortam koşullarına göre değişir.

Özet

• Enerji tek yönlü akar, madde döngüsel olarak kullanılır; ikisi bu nedenle farklı yasalara uyar.
• Her trofik düzeyde enerjinin yaklaşık %10'u aktarılır, geri kalanın büyük kısmı ısı olarak çevreye yayılır.
• Besin ağı, doğrusal zincirin dallanmış hâlidir ve türlerin birbirine bağımlılığını gösterir.
• Enerji piramidi daima dikey kalır; sayı ve biyokütle piramitleri tersine dönebilir.
• Verimlilik derecesi, tüketicinin kazandığı enerjinin tükettiği enerjiye oranıdır.

Sık Yapılan Hatalar

Bu konuda en sık görülen dört hata şöyle sıralanır:

• Enerjinin de madde gibi döngüsel olduğunu düşünmek.
• Enerji piramidinin de sayı piramidi gibi ters çevrilebileceğini sanmak.
• Ayrıştırıcıların enerji ürettiğini varsaymak.
• Net birincil üretimi brüt birincil üretimle aynı değer kabul etmek.

Günlük hayattan bir uygulama

Öğrenilen bilgi ancak bir işe yaradığında yerinde kalır. Ekosistemde Madde ve Enerji Akışı ile Ekolojik Piramitler konusunu günlük hayattan bir durumla birleştirelim; soruyu çözerken her adımın hangi kurala dayandığını söylemeye çalışın.

Uygulama sorusu: Bir ekosistemde enerji akışının tek yönlü, madde akışının ise döngüsel olduğunu gösteren bir şema çiz. Her iki akış için en az iki farklı yönlendirme kuralı yaz ve bu kuralların neden böyle işlediğini açıkla.

Bu görev için 15 puan dağıtılmıştır; puanlama anahtarı, cevabın hangi adımlarla gösterilmesi gerektiğini ayrıntılı biçimde söyler. Puanlamada işlem sırasının ve sonuç cümlenin ayrı ayrı sayıldığına dikkat et.

Sınıfta işe yarayan pratik notlar

• Piramit çizerken önce dikey eksende ölçülen büyüklüğü sor; sayı, kütle ve enerji farklı ölçülerdir.
• Enerji sorularında girdi değerini yaz, sonra her basamak için onda birini al; böylece kayıp unutulmaz.
• Bir zinciri çizerken ayrıştırıcıları son halkaya eklemeyi unutma; madde döngüsü ancak o halkayla kapanır.
• Ters piramit örneği ararken canlıların büyüklüğünü düşün: üstte çok sayıda küçük canlı varsa sayı piramidi ters döner.
• Enerji ile maddeyi karıştırmamak için şu soruyu sor: bu madde yok olup yeniden oluşturulabilir mi, enerji oluşturulabilir mi?

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.

Dört Basamaklı Bir Zincirin Enerji Bütçesi

Soru: Üretici halkada 40000 kJ enerji bulunmaktadır. Bu ekosistemde besin zinciri üç tüketici halkayı da içermektedir. En üst halkadaki yırtıcıların kazandığı enerji en fazla kaç kJ olabilir?

1. Her trofik düzeye enerjinin yaklaşık onda birinin aktarıldığı kuralı hatırlanır.
2. Birinci tüketici halkasına, ikinci tüketici halkasına ve üçüncü tüketici halkasına sırayla geçiş yapılır.
3. Üç kademeli geçiş sonunda bulunan değer, en üst halkada kalan enerji olarak kabul edilir.

Cevap: En üst halkadaki yırtıcılar en fazla 40 kJ enerji kazanabilir.

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

Net Birincil Üretimin Bulunması

Soru: Bir çayırda brüt birincil üretim yılda 2400 gram olarak ölçülmüştür. Üreticilerin kendi solunumunda harcadıkları miktar 900 gramdur. Net birincil üretim kaç gramdır?

1. Net birincil üretimin brüt birincil üretimden üretici solunumu çıkarılarak bulunduğu hatırlanır.
2. Brüt birincil üretim değeri ile üretici solunumu değeri belirlenir.
3. Brüt değerden solunum miktarı çıkarılarak net üretim hesaplanır.

Cevap: Net birincil üretim 1500 gramdır.

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

Bu konudaki tipik hataları gözden geçirmek, tekrar hata yapmayı en hızlı azaltan yoldur. Her hatanın gerekçesi yazılmıştır.

• Enerjiyi de madde gibi döngüsel saymak: Enerji her basamakta ısı olarak çevreye yayılır ve sisteme geri dönmez; bu yüzden aktarım tek yönlüdür.
• Enerji piramidinin ters çevrilebileceğini düşünmek: Ters çevrilebilen piramitler sayı ve biyokütle piramididir; enerji piramidi her koşulda dikey kalır.
• Ayrıştırıcıların enerji ürettiğini varsaymak: Ayrıştırıcılar enerji üretmez, hazır organik maddeden yararlanır; yaptıkları iş maddeyi geri kazandırmaktır.
• Net birincil üretimi brüt birincil üretimle aynı saymak: Net birincil üretim, brüt üretimden üreticilerin kendi solunumunda harcadığı miktar çıkarılarak bulunur.
• Trofik düzeyler arası aktarımı sabit bir kural sanmak: Yüzde on ortalama bir yaklaşımdır; canlı türüne ve ortam koşullarına göre değişebilir.

Bu dersten akılda kalması gerekenler

Kısaca: Ekosistemde enerji ve madde akışı farklı yasalara uyar. Enerji güneşten üreticilere, tüketicilere ve ayrıştırıcılara doğru tek yönlü bir akış izler; her trofik düzeyde yaklaşık onda biri aktarılır, kalanın büyük bölümü solunumla ısı olarak çevreye yayılır. Madde ise döngüseldir; üretici, tüketici, ayrıştırıcı ve toprak arasında dolaşarak yeniden kullanılır. Besin zinciri doğrusal bir aktarım sırası, besin ağı ise bunların dallanmış hâlidir. Üç temel piramitten enerji piramidi daima dikey kalır, sayı ve biyokütle p…

Kısaca bu derste öğrendiklerimizi toparlayalım:

• Enerji akışı tek yönlüdür, madde akışı ise döngüseldir; bu nedenle madde sonsuza kadar yeniden kullanılabilir.
• Trofik düzeyler arası enerji aktarımı ortalama olarak onda bir kabul edilir; kalanın büyük kısmı solunumla ısı olarak kaybolur.
• Besin ağı, besin zincirinin dallanmış biçimidir; bir türün birden çok türle beslenmesi onu besin kaynağı bakımından esnek hâle getirir.
• Enerji piramidi hiçbir koşulda ters çevrilmez, çünkü üst halkalara her zaman daha az enerji ulaşır.
• Sayı ve biyokütle piramitleri bir ağaç üzerindeki böcekler ya da sucul fitoplankton gibi örneklerde ters çevrilebilir.
• Ayrıştırıcılar enerji üretmez; onlar ölü kalıntılardaki organik maddeden yararlanır ve maddeyi inorganik hâle getirir.
• Verimlilik derecesi düşük olan halkalarda, tüketicilerin vücudunda depolanan enerji tükettikleri enerjiden çok daha azdır.

Kontrol soruları

Kendi kendine dene: çözümü sen yaz, sonra anahtarla karşılaştır. Doğru yaptığın soruların altını çizmek, sınav öncesi hızlı tekrar sağlar.

1. Üretici halkada 40000 kJ enerji bulunan bir ekosistemin besin zinciri üç tüketici halkayı da içermektedir. Üçüncü tüketici halkadaki yırtıcıların toplam enerjisi en fazla kaç kJ olabilir? (Şıklar: 400 kJ · 40 kJ · 4000 kJ · 400000 kJ)
2. Bir çayırda brüt birincil üretim yılda 2400 gram, üreticilerin solunumda harcadıkları ise 900 gram olarak ölçülmüştür. Net birincil üretim kaç gramdır? (Şıklar: 3300 gram · 900 gram · 2400 gram · 1500 gram)
3. Ağaç, yaprak yiyen böcek, kurbağa ve yılan şeklinde kurulan dört halkalı bir dizide enerjinin en fazla olduğu halka hangisidir? (Şıklar: Ağaç (üretici) · Yaprak yiyen böcek · Kurbağa · Yılan)

Cevap anahtarı: 1) 40 kJ — Trofik düzeyler arasında aktarılan enerji yaklaşık onda bir oranında azalır ve kalanın büyük kısmı ısı olarak kaybolur. Dört kademeli bu zincirin en üst halkasında kalan enerji 40 kJ ile sınırlıdır.

2) 1500 gram — Net birincil üretim, brüt birincil üretimden üreticilerin solunumda harcadıkları miktar çıkarılarak bulunur. Burada 2400 gramdan 900 gram çıkarıldığında 1500 gram net üretim kalanı elde edilir.

3) Ağaç (üretici) — Enerji üreticilerden tüketicilere doğru aktarılır ve her basamakta büyük ölçüde ısı olarak kaybolur. Bu nedenle bu dizide enerji miktarı ağaçta en fazla, yılanda en azdır.

Bu dersten sonra neler var?

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

• Madde Döngüleri (Su, Karbon, Azot Döngüsü) — aynı ünitede, bir sonraki adım.

Kaynak ve doğruluk notu

Bu konuda ölçü, birim ve kural iddiaları hesapla doğrulanmıştır. Ekosistemde Madde ve Enerji Akışı ile Ekolojik Piramitler için kullanılan her kural, konunun kendi örneklerinde gösterilerek verilmiştir; anlatım kendi ifadelerimizle yeniden düzenlenmiştir.

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

• Bir ekosistemde enerji akışının tek yönlü, madde akışının ise döngüsel olduğunu gösteren bir şema çiz. Her iki akış için en az iki farklı yönlendirme kuralı yaz ve bu kuralların neden böyle işlediğin… (15 puan)
• Üretici halkasında 12000 kJ enerji bulunan dört basamaklı bir besin zinciri için her halkaya düşen yaklaşık enerji miktarını hesapla. Ardından üçüncü tüketici halkasının verimlilik derecesini yüzde… (15 puan)
• Sayı, biyokütle ve enerji piramitlerini karşılaştır. Enerji piramidinin neden daima dikey kaldığını, sayı ve biyokütle piramitlerinin ise hangi durumlarda ters çevrilebildiğini örneklerle açıkla. (12 puan)

İleri Örnek

Daha ileri bir uygulama:

Soru: Bir tarla kuşu yalnızca belirli bir böcek türüyle beslenmektedir. Aynı tarla kuşunun yedi farklı böcek türünü yiyebildiği görülüyorsa bu durum popülasyon açısından ne anlama gelir?

1. Tek av türüne bağımlı bir türün, o av azaldığında besin kaybı yaşayacağı düşünülür.
2. Yedi farklı av türüyle beslenebilen türün besin kaynakları çeşitlenmiştir.
3. Bu çeşitlilik popülasyonun dalgalanmalara karşı devamlılık göstermesini sağlar.

Sonuç/cevap: Besin çeşitliliği arttığı için popülasyon, tek bir av türünün azalmasından daha az etkilenir.

Kendini Dene

<strong>Soru: </strong>Bir ekosistemde enerji akışının tek yönlü, madde akışının ise döngüsel olduğunu gösteren bir şema çiz. Her iki akış için en az iki farklı yönlendirme kuralı yaz ve bu kuralların neden böyle işlediğini açıkla.

<strong>Örnek cevap: </strong>Puanlama anahtarı: Enerji akışında güneş, üretici, tüketici, ayrıştırıcı ve çevre sıralaması doğru çizilir (5 puan). Madde akışında üretici, tüketici, ayrıştırıcı, toprak ve yeniden üretici arasındaki döngü doğru gösterilir (5 puan). Enerjinin ısı olarak kaybolup geri dönemediği, maddenin ise biçim değiştirerek yeniden kullanıldığı gerekçesi yazılır (5 puan).