Doğada Enerji Akişi Ve Madde Döngüsü



DOĞADA ENERJİ AKIŞI VE MADDE DÖNGÜSÜ





4- EKOLOJİDE ENERJİ

Enerjinin tanımı ve ekolojide önemi:

Enerji basit olarak, iş yapabilme kapasitesi yada yeteneği olarak tanımlanabilir. Canlı-cansız herhangi bir maddenin bir noktadan bir başka noktaya hareketi yada fiziksel, kimyasal olarak bir şekilden başka bir şekle dönüşmesi bir iştir ve enerji kullanımını gerektirir.

Örneğin hava katmanlarının yer değiştirmesi, hayvanların hareketi, suyun buharlaşması, bitkilerin topraktan besleyici tuzlar almaları, hücre içinde bir maddenin sentezlenmesi vb. hep enerji gerektiren işlerdir. Doğada enerji mekanik, kimyasal, elektrik, nükleer, ısı ve ışık gibi değişik şekillerde bulunur. Canlılar için en önemli enerji şekilleri ısı, ışık, mekanik ve kimyasal enerjilerdir. Bütün işler enerjinin bir türden bir başka türe çevrilmesi ile olur. Örneğin bir hayvanın yürümesi vücudundaki kimyasal enerjinin (besinlerden) mekanik enerjiye (hareket) çevrilmesi ile olur. Dönüşülen en son şekil ısı enerjisidir.

Heterotroflar için primer enerji kaynağı besinler, ototroflar için ise fotosentez için gereken ışık ve dolaylı güneş enerjileridir. İnsan toplumları ek olarak yakıtlardan sağlanan büyük miktarlarda konsantre enerji kullanırlar.

Enerji ilkeleri ekolojide temel yaklaşımlardan biri olarak kullanılmaktadır. Enerji yaklaşımı bir ekolojik sistemin analizi için kullanılabilir. Bu yaklaşımda sistemin önemli birimleri arasındaki ilişkiler enerji birimleri ile belirtilir. Böylece karmaşık bir ekosistem indirgemeci bir yaklaşımla ele alınabilmiş olur. İnsan toplumlarında da harcanan birim enerji başına elde edilen ürün saptanarak bu yaklaşımın bir uygulaması yapılabilir.

Enerji kanunları tüm doğa olaylarını açıklayacak şekilde ele alınabilmektedir. Hatta entropi açısından evrenin evrimi üzerinde geliştirilmiş teoriler vardır.

Ekoloji bilimi açısından temel enerji kaynağı güneştir. Fosil yakıtlar dahil, rüzgar, hidroelektrik, biyogaz, alkol, deniz termik, dalga gibi tüm enerji kaynakları, güneş enerjisinin türevleridir. Fosil yakıtlar yenilemez niteliktedir. Güneş enerjisinin kendisi ve fosil yakıtlar dışındaki türevleri yenilenebilir niteliğe sahiptir.

Enerji Birimleri:

Enerji miktarının gösterilmesinde çok farklı birimler kullanılır. Bunlar kalori, watt, joule, erg, BTU ve ‘beygirgücü’ dür. Değişik cins enerjilerin ölçülmesinde değişik birimlerin kullanılmasına alışılmıştır. Örneğin elektrik için watt, besin için kalori gibi. Ekolojide daha çok kalori kullanılır. Küçük “c” ile gösterilen gram kalori, büyük “C” ile gösterilen kilokalori (kcal)’dir. Kilokalori, bir kilogram suyun ısısını 1 santigrat derece arttırmak için gereken ısı enerjisine eşittir. Beslenme ve ekolojide genellikle kcal (C) kullanılır. Ekolojide sık kullanılan diğer bir birim olan kilojoule (KJ) ise 4,2 kcal’ e eşittir.

Enerji Kanunları:

Termodinamik kanunları olarak da bilinir (Şekil 3).

Birinci termodinamik kanunu (Enerjinin Sakınımı Kanunu): Doğada mevcut enerji miktarı değişmezdir. Enerji bir şekilden diğer bir şekle dönüştürülebilir (örneğin ışık enerjisinin fotosentezle kimyasal enerjiye dönüştürülmesi), ancak yok edilemez yada yeni bir enerji yaratılamaz. Herhangi bir sistemin enerjisi arttırılabilir yada azaltılabilir. Ancak sistemin yitirdiği enerji aynı ölçüde çevresine eklenmiş, kazandığı herhangi bir enerji ise o ölçüde çevresinden eksilmiş olur. Sistem ve çevresi bir arada ele alındığında mevcut enerji miktarında hiçbir değişme olmadığı görülür.

E = Q + W

E (Sistem enerjisindeki azalma miktarı) = Q (Sistemden çevreye eklenen enerji) + W (Sistem tarafından yapılan iş)



Şekil 3 – Termodinamiğin kanunları.





İkinci termodinamik kanunu (Entropi Kanunu : Entropi = en: in, trope: transformation): Enerjinin niteliğiyle ilgili bir kanundur. Doğa kanunlarını izleyerek meydana gelen olaylarda daima enerji daha düzenli ve yoğun biçimden daha dağınık ve az yoğun biçime dönüşür. Yani evrendeki sistemlerde düzenlilikten daha gelişigüzel ve dağınık bir duruma doğru doğal bir eğilim vardır. Enerjinin toplam miktarı değişmese de iş sonucunda toplam enerji miktarının büyük bölümü (yaklaşık %90) iş yapabilme gücüne sahip olmayan ısı enerjisine dönüşür (Şekil 4).

Canlı sistemler ve ekosistemler yüksek düzeyde organize ve düşük entropili durumlarını enerji yüksekten düşük yararlı şekle dönüştürerek korurlar.

Termodinamiği ekoloji bilimine dahil eden Alfred James Lotka’ya (1880-1949) göre organik ve inorganik dünya bileşenleri termodinamik kanunlarıyla birbirine bağlı tek bir sistem olarak hareket ederler.



Şekil 4 – İkinci termodinamik kanunun - entropi





Güneş Enerjisi (Solar Enerji):

Ekosferin yaşayan sistemler halinde kalabilmesini saplayan enerji güneşten gelir. Bu enerji güneşin merkezinde süren nükleer reaksiyonlar sonucunda oluşmaktadır. Merkezdeki hidrojen atomları yüksek ısı etkisiyle birleşerek helyuma dönüşürler, bu işlem sırasında çevreye elektromanyetik dalgalar halinde yüksek enerji yayılır. Güneşten yayılan elektromanyetik dalgaların 1/50.000.000’u dünyaya ulaşır.

Elektromanyetik radyasyon spektrumunun 0,1 ve 10 mikrometre arasında kalan orta kısmı solar radyasyondur. Solar radyasyon görünen ışık ve iki görünmez bileşen - ultraviyole ve infraruj- içerir. Uzun dalga boylu kızılötesi (infraruj) radyasyon güneş enerjisinin “ısıtıcı” kısmıdır. Görülebilir ışık sadece görmemizi sağlamaz, aynı zamanda fotosentezde kullanılır. Morötesi (ultraviyole) ışığın çoğu (%99) ise atmosferin üst katmanlarındaki (yerden 20-50 km. yüksekte) ozon tabakası tarafından tutulur. Organize yaşamın ortaya çıkabilmesi de zaten oksijenin ve ozonun oluşması ve atmosfere giren morötesi ışınların ozon tabakası tarafından tutulması sayesindedir. Çünkü 0,3 mikrometre’den kısa dalga boylu ve çok yüksek enerjiye sahip morötesi ışınlar büyük organik moleküllerin kimyasal bağlarını kırabilecek güçte olduklarından protoplazma için öldürücü niteliktedirler.

Normal, temiz bir günde yeryüzüne ulaşan radyan enerjinin yaklaşık olarak %10’u ultraviyole, %45’i görünen ışık ve %45’i infrarujdur. Fotosentezde en çok yararlanılan ışıklar mavi ve kırmızı dalga boylarıdır.

Atmosferin ısı dengesi:

Yeryüzüne gelen ışınların büyük bir kısmı yüzeyden yansır. Kısa dalga güneş enerjisi, yani ışık, yeryüzüne çarpınca uzun dalga ısı enerjisine dönüşür. Bu ısı enerjisinin bir kısmı atmosferdeki karbondioksit tarafından emilerek yeryüzüne geri döner. Sera etkisinin temeli budur. Bitkiler de infraruj ışınlara yakın ışınları yansıtarak öldürücü sıcaklıklardan sakınırlar yansıtılır.

Biyosferde enerji akışı:

Metrekare başına yaklaşık yılda 5 milyon kcal güneş enerjisi biyosfere dahil olur. Bu akım bulutlar, su buharı ve atmosferdeki diğer gazlar tarafından azaltılır. Böylece ekosistemin ototrofik düzeyine ancak 1-2 milyon kcal enerji ulaşır. Bu miktarın %1’i (en iyi koşullarda %5’i) fotosentezde kullanılabilir ve organik maddeye dönüştürülür. Güneş enerjisinin yaklaşık bir çeyreği (%23) hidrolojik döngü için kullanılır. Enerji akımı aynı zamanda madde döngülerini de yönetir.

Enerji Konsantrasyonu:

Enerji niceliksel olarak azaldıkça niteliksel olarak artar. Bütün Kaloriler eşit değildir. Çünkü enerjinin değişik şekillerinin aynı miktarları farklı iş yapabilme potansiyeline sahiptir. Örneğin petrol gibi konsantre formlar güneş ışınları gibi dilüe formlardan iş yapabilme yeteneği açısından çok daha kalitelidir. Enerji konsantrasyonu yada kalitesi (niteliği) şöyle belirtilir: Eğer güneş enerjisinin %1’i besine çevrilmek üzere bitkiler tarafından absorbe ediliyorsa, transformasyon oranı bir besin Kalorisine 100 güneş Kalorisi yada Kalori başına 100 Kalori olur.

Yani miktar zincir boyunca azaldıkça iş yapma kapasitesi her bir dönüşümde artar.

Birincil (Temel) üretim:

Yeşil bitkiler tarafından fotosentez sonucu üretilen organik maddeye birincil veya temel üretim denir. Fotosentez sırasında ışık enerjisi kimyasal enerjiye çevrilir ve organik maddelerin yapısında biriktirilir.




5- BESİN ZİNCİRİ

Bitkilerde birincil üretim sonucu biriken kimyasal enerji beslenme yoluyla bir hayvandan diğerine zincirleme olarak geçer. Bu geçiş sırasında bitkiyi oluşturan organik maddelerle inorganik maddeler onları yiyen hayvanların vücutlarına aktarılmış olur. Böylelikle besin zinciri ortaya çıkar. Bitkiler, otobur hayvanlar ve etobur hayvanlar bu beslenme zincirinin birbirini izleyen halkalarını oluşturur. Besin zinciri aşağıdaki gibi özetlenebilir (Şekil 5).

Bitki (Birincil Üretici) à Otobur Hayvan (Birincil Tüketici) à Etobur Hayvan (İkincil Tüketici)



Şekil 5 – Ekosistemlerde enerji akımı-besin zinciri



Birincil tüketici yani otobur hayvanların yaptığı enerji üretimine ikincil üretim denir.

Yenilmeyip ölen bitki, hayvan tüm organizmalardan da enerji ayrıştırıcılara doğru akar. Besin zinciri kavramı ekolojide enerji akımının basitleştirilmiş olarak gösterilmesi anlamına da gelir. Besin ağları ise besin zincirinin doğada göründüğü karmaşık şeklini şematize eder (Şekil 6).



Şekil 6 – Besin ağı



Enerji piramidi:

Enerji piramidinin ilk basamağını birincil üreticiler oluşturur. Bütün canlıların yaşamı bu bitkilere bağlı olduğu için en geniş basamak bu olmak durumundadır. Otoburlar piramidin ikinci basamağını oluştururlar ve otoburlar bitkilerden aldıkları enerjinin tamamını termodinamiğin ikinci kanununa göre etoburlara aktaramazlar, dolayısıyla ikinci basamak üçüncüden, üçüncü basamak dördüncüden geniştir. Her basamakta ortalama %90n enerji kaybı olur (Şekil 7).





Şekil 7 – Enerji piramidi



İnsanın besin zincirindeki yeri:

İnsanın diğer tüketicilerden farkı kendi beslenme düzeyine akan enerjiyi aktif olarak denetleyebilmesi ve bu enerjiyi destek enerjilerle artırmasıdır. İnsan popülasyonunun artışı da enerjetik terimleriyle düşünüldüğünde böyle açıklanabilir. Yani daha fazla dışsal enerji kullanma kapasitesinin artışı, daha fazla üretim ve tüketim ile insan nüfusu giderek artmıştır.

İnsan topluluklarında bitkisel beslenme birinci sırada gelir. Dünyada insanlar tarafından alınan proteinin sadece %25’i hayvansal kaynaklardan sağlanır. Bu oran gelişmemiş ülkelerde %20’lerde, gelişmiş ülkelerde ise %60’ın üzerindedir. Yani gelişmemiş ülke toplumları otobur sayılabilir.

İnsan besin zincirdeki yerine göre (tükettiği besine göre) birincil, ikincil, üçüncül tüketici olabilir. Basamak yükseldikçe enerji verimi düşeceğine göre ekoloji yasalarına göre bir ülkenin tarımsal üretimi teoride otobur olarak 10 milyon kişiyi besliyorsa, otobur olarak 100 milyon kişiyi besleyebilir demektir (Şekil 8). Ancak hiçbir ülke nüfusu tamamen etobur ve otobur olamayacağına göre bu oran 1:10 değil pratikte 1:5 gibidir. Yüzölçümleri ve toplam tarımsal üretimi benzeyen ABD ve Çin’in nüfusları arasındaki oran da 1:5’dir.



Şekil 8 – İnsanın beslenme zincirindeki yeri

Yine bu besin zincirine göre daha üst düzeyde tüketici olan bir hayvanı (örneğin alabalık) tüketmek lüks olarak kalacak demektir.

Özet olarak besin zinciri ne kadar uzun olursa termodinamik kanunları gereğince insana erişen kullanılabilir enerji miktarı o kadar düşecektir.




6- EKOLOJİK MADDE DÖNGÜLERİ

Maddelerin ekosistem içinde canlılar ile cansız çevre arasında alınıp verilmeleriyle oluşan dolaşıma ekolojik döngüler veya çevrimler denir. Ekosfer yada biyosfer denen canlı yerkürenin içindeki tüm maddeler sürekli olarak ekosfer içinde devirler yapıp canlılar tarafından yeniden kullanılırlar. Yaşam içim gerekli tüm maddelerin ekosferde belirli birer deposu vardır. Döngülerin ana enerji kaynağı güneştir (Şekil 9).



Şekil 9 – Ekolojik döngüler



Ekolojik döngü kavramının çevre bilimleri için önemi, önemli çevre sorunlarının hepsinin bu döngülerin bozulmasına bağlanabilmesidir. Endüstride geri dönüşüm uygulanması da atıkların yine ekolojik döngü mantığıyla hammadde olarak yeniden çevrime sokulması sayılabilir.

‘Kaynak’ bir maddenin dünyadaki mevcut tüm stokudur (rezerv). Bu stokların bazıları hiçbir zaman kullanılamayacak niteliktedir. İşletilebilecek olanlara ‘ekonomik rezerv’ denir.

Yenilenebilir kaynaklar belli sınırlar içinde kendi kendini yenileyebilen ve tüketilmesi mümkün olmayan maddelerdir. Örneğin ormanlar, hayvanlar, toprak, su, güneş ve türev güneş enerjileri yenilenebilir ve tükenmezdirler. Fosil yakıtlar ve madenler, fosfat kayaları, hatta kum, çakıl gibi maddeler yenilenemez.



Canlılara gerekli olan ve olmayan maddeler:

Ekosferdeki tüm kimyasal maddeler, canlılara gereklilikleri açısından dört sınıfa ayrılabilirler:

(1) Yaşam için önemli miktarlarda gerekli maddeler à C, H, O, N, K, Ca, Mg, S, P ve bileşikleri.

(2) Yaşam için eser miktarda gereken maddeler à Fe, Cu, Mn, Zn, B, Na, Mo, Cl, Va, Co...

(3) Yaşam için gerekli olmayan, fakat doğal çevrede bulunan maddeler à Au, Hg...

(4) Yaşam için gerekli olmayan insan yapısı sentetik maddeler à DDT, PCB, Sr-90

Sınırlayıcı etken:

Çevrede yeterli miktarda bulunmadığı zaman biyolojik gelişimi sınırlayan maddelere sınırlayıcı etken adı verilir. Liebig Kanunu da denen ‘Sınırlayıcı Etkenler İlkesi’ne göre bir bitkinin gelişmesi için gerekli kimyasal maddeler arasında hangisi bitki için gereken minimum miktara en yakın değerdeyse o maddenin büyümeyi sınırlayıcı etkisi görülecektir. Bu ilkenin gelişimi sonucunda sadece maddelerin değil ısı ve nemlilik gibi etkenlerin de sınırlayıcı olabileceği anlaşılmıştır.

‘Dayanıklılık Sınırları İlkesi’ yada Shelford Kanununa göre ise değişik çevresel etkenlerin canlılar için sınırlayıcı alt ve üst değerleri vardır. Bu değerler arasında kalan dar bir bölgede bir canlı organizma yaşam işlevlerini en iyi biçimde yani optimal olarak sürdürür.

Optimal değerler ve azalan verimler ilkesi:

Besleyici mineraller belirli ölçülerde sisteme eklendikleri zaman biyolojik üretim artar. Ancak bu maddenin giderek artan miktarlarda kullanılması üretimde azalmaya neden olur. Buna azalan verimler ilkesi denir.

Ekolojik madde döngülerinin iki temel tipi:

Biyo-jeokimyasal döngüler iki gruba ayrılır:

o Gaz tipte rezerv büyük ölçüde atmosferdir. (ör: Azot)

o Sedimenter tipte yerkabuğudur (Şekil 10). (ör: Fosfor)



Şekil 10– Sedimenter döngü – örnek olarak fosfor döngüsü

Önemli madde döngülerine örnekler:

Önemli bazı döngüler, karbon, azot, fosfor ve kükürt döngüleridir.

1. Karbon döngüsü:

Karbon canlı dokuların temel maddelerden biridir. Karbonun yeryüzünde dört büyük rezervi vardır: atmosferde CO2 halinde, hidrosferde (denizler ve tatlı sular) bikarbonat ve CO2 halinde, litosferde (yer kabuğu) karbon yada kömür, doğal gaz, petrol yada kireç taşı şeklinde ve canlılarda (tüm moleküllerde) bulunur (Şekil 11).

Karbon döngüsü oksijen döngüsüyle yakından ilişkilidir.

Fosil yakıtların kullanılmasının başlamasıyla doğal karbon döngüsünü bozulmuştur. İklim değişimine neden olan başlıca sera gazı olan CO2’nin atmosferdeki düzeyinin artışı karbon döngüsünün bozulmasıyla yakından ilişkilidir.



Şekil 11 – Karbon döngüsü



2. Azot döngüsü:

Canlıların temel yapı taşı olan proteinlerin, nükleik asitlerin ve hormon ve vitaminlerin yapısında bulunur, canlıların dahil olduğu en önemli döngülerden biridir. Yeryüzündeki iki büyük azot rezervi canlılar ve atmosferdir (Şekil 12). Atmosferin %80’ini azot gazı oluşturur.

Azot döngüsünün temeli havadaki serbest azotun inorganik tuzlara ve canlılarda azot içeren organik moleküllere dönüşümü, organik moleküllerin biyolojik ayrışma yoluyla parçalanmasıyla da yeniden inorganik tuzlara çevrilmesidir. Ara basamaklarda mikroorganizmalar rol oynar.

Endüstriyel yolla azot döngüsünün engellenmesinin asıl yolu havadaki azotun gübre yapımı için tespitidir. Bu tespit için gereken enerji de fosil yakıtlardan sağlanarak dolaylı olarak karbon döngüsünü de bozar.

Azotlu gazlar ayrıca fosil yakıtların yakılmasıyla hava kirliliği etkeni olarak da çıkar.





Şekil 12– Azot döngüsü

3. Fosfor döngüsü:

Fosfor da canlılar için temel bir maddedir ve nükleik asitlerin, ATP’nin, hücre zarının yapısında ve diş ve kemiklerde bulunur. Fosforun yeryüzündeki temel rezervi fosfatlı kayalardır. İkinci rezervse sulardır. Döngü sular ve yerkabuğu arasında olur (Şekil 13). Jeolojik hareketlerin yanı sıra balıkçılık ve balık yiyen kuşların dışkıları da (guano) fosfor döngüsünün içinde yer alır.



Şekil 13 – Fosfor döngüsü

İnsan eliyle fosfor döngüsüne müdahalede fosfatlı gübreler ve fosfatlı deterjanlar ve endüstriyel atıklar sayılabilir. Döngünün bozulması göllerde ve denizlerde aşırı birincil üretim anlamına gelen ötrifikasyon olarak karşımıza çıkar. Öte yandan fosfor da tıpkı karbon deposu olan fosil yakıtlar gibi tüketilebilir kaynaklar arasında yer alır.



4. Kükürt döngüsü:

Kükürdün başlıca doğal kaynakları yanardağlar ve bataklıklardan çıkan hidrojen sülfit gazı ve kayalardaki kükürtlü bileşiklerdir. Fosil yakıt kullanımı ve madencilik normalde yavaş olan kükürt döngüsünü hızlandırmıştır. Bu durum en çok hava kirliliği olarak ortaya çıkar (Şekil 14).



Şekil 14 – Kükürt döngüsü

Biyolojik birikim:

Bazı kirletici maddeler besin zincirlerinde birikirler. Biyolojik birikimin nedenleri:

1- Kirletici maddenin doğada kimyasal ya da biyolojik yollarla ayrıştırılamaması, ya da çok yavaş parçalanması,

2- Suda çözünmeyen, yağda çözünen maddeler olmaları, dolayısıyla yağ dokusunda birikebilmeleri,

3- İkinci termodinamik kanunu gereğince besin zincirlerinde enerji aktarımlarının verimsiz oluşudur. %90’lık verim kaybı nedeniyle bir üst basamaktaki tüketiciler alt basmaktan çok fazla yemek zorundadır (Şekil 15).

Biyolojik birikimi olan başlıca maddeler DDT, PCB gibi sentetik organik kimyasallar, bazı radyoaktif maddeler, ve bazı ağır metallerdir.



Şekil 15 – Biyolojik birikim






7- SONUÇ: EKOLOJİ İLKELERİ ÇEVRE SAĞLIĞI YÖNTEMİNİ NASIL ETKİLER?

Çevre sağlığının bilimsel temeli ekolojidir. Çevre bilimleri çok disiplinli, etkileşimli ve bütüncül yaklaşıma sahip olmak durumundadır. Çevre sorunlarının çözümünde bilimsel ekolojiden başlayarak çevre etiğine, ekoloji felsefelerine, çevre hukukuna, çevre mevzuatına, yönetime, tıbba, mühendisliğe kadar çok farklı disiplinler yan yana durmak zorundadır. Öte yandan bir sağlıkçının çevre sağlığı sorunlarını kavraması ekolojinin temellerini, dolayısıyla;



- sistem yaklaşımını,

- ekosistem sağlığı ilkelerini,

- bütünsel bakışı

- sürdürülebilirliği,

- esnekliği,

- enerji akışlarını

- madde döngülerini

- popülasyon dinamiklerini

- denge ve kararlılığın önemini ve

- çeşitliliğin güzelliğini özümsemesi gerekir.



‘Ekolojik’ çevre sağlığı bataklıkları kurutmak, fabrikaların kimyasal atıklarıyla kirlenmiş su kaynaklarından gelen suyu klorlamak, tüm sorunları nüfus artışına bağlamak, çevre sağlığı yöntemlerini ekonomik kalkınmanın aracına dönüştürmek, sadece laboratuarda ölçüm yapmak, karar mekanizmalarına müdahale etmeden sadece çevre eğitimi vermek, ya da gözle görünen hasarları azaltmaya çalışmak değildir.

Ekolojik yaklaşım her şeyden önce aydınlıkta olmayan noktalara fener tutmayı ve aramayı gerektirir. Aradığınız şey genellikle ışığın altında değildir çünkü.

Çevre sağlığına ekolojik yaklaşımın ekoloji biliminin de ötesinde etik, felsefi ve politik tartışmaları izlemekle mümkün olduğunu da unutmamak gerekiyor.