ÜNİTE 6 - BESİN ZİNCİRLERİ VE BESİN AĞLARI

Besin Zincirleri

Ekosistemdeki canlılar besinlerini sağlama yollarına göre üçe ayrılır; üretici, tüketici ve ayrıştırıcı. Her toplumda mutlaka bu üç üye bulunur ve birbirleriyle sıkı etkileşim içindedirler. Ekosistemlerdeki enerji akışı bir organizmadan diğerine besin zincirleriyle sağlanır. Üreticiler besin zincirini fotosentezle güneş enerjisini yakalayarak başlatır. Otçullar bitkileri yiyerek enerjilerini alır ve kendi vücutlarını oluşturur. Sonra etçiller, otçullarda depolanmış enerjiyi alır. Besin zincirinin en sonunda ayrıştırıcılar diğer organizmaların vücut atıklarındaki organik molekülleri kullanırlar. Enerjinin bir organizmadan diğerine aktarılırken kademe kademe yol almasına yani bir organizmadan diğer bir organizmaya geçişine beslenme kademesi (trofik seviye) denir. Trofik seviyelerin birbirini takip etmesi halinde besin zincirleri (veya enerji zinciri) meydana gelir.

Şekil 6-1. Kara ve su ekosistemlerinde trofik seviyeler

Ekosistemlerde iki ana besin zinciri bulunur ve bunları birbirinden kolayca ayırabiliriz. Bunlar bitkiye dayalı besin zinciri ile, ölü maddeler ve döküntüye dayalı besin zincirleridir. Her ekosistemde bu iki sistem mevcut olup birbiriyle iç içedir. Her enerji dönüşümünde belirli bir verim mevcuttur. Bitkilere giren enerjinin ancak yüzde bir kadarı ot yiyen hayvanlar için besin maddesi haline gelir. Geri kalanı yansır veya ısı şeklinde çevreye iade edilir.

Bir besin zincirinin en önemli özelliği her beslenme kademesinde, termodinamiğin ikinci kanununa göre faydalı enerjinin bir kısmının ziyan olmasıdır. Bunun çoğu ısı şeklinde çevreye iletilir.

Şekil 6-2. Tek yönlü enerji akışı

Besin zincirinin her kademesinde verim, beslenme şekline, organizmanın cinsine ve yaşama alışkanlığına bağlı olarak değişir. Genel olarak enerjinin dönüşüm randımanı % 10 olarak kabul edilir. Geri kalan % 90 ya depolanır, ya solunum sırasında yakılır veya ısı şeklinde çevreye verilir. Besin zincirlerinden iki önemli prensip çıkarılabilir. Birincisi bütün hayatın, güneş ışığı ve yeşil bitkilerle başlamasıdır. İkinci önemli unsur zincir ne kadar kısa ise verim o kadar yüksek olur.

Doğada basitleştirilmiş bezin zincirlerine çok az rastlanır çünkü, çok az canlı sadece bir tür besin ile beslenir. Basit ekosistemde bile çok farklı beslenme alternatifleri vardır, bu nedenle besin ağları enerji akışı ve madde döngüsü yönünden daha gerçekçi modeldir.

Ekolojik Piramitler

Bir trofik seviyeden diğerine enerji kışının en önemli özelliği, besin zinciri veya besin ağında geçerken kaybolmasıdır. Trofik seviyelerin nispi enerji değeri grafiksel olarak ekolojik piramitlerde gösterilir. Üç tip piramit vardır; enerji piramidi, biyokütle piramidi ve sayı piramidi. Enerji piramidi ekosistemdeki enerji ilişkisini gösterir enerji değeri her kademedeki biyokütlenin kalorisi olarak gösterilir. Bir çok besin zinciri, her kademede fazla miktarda enerji kaybı nedeniyle küçüktür. Yeme alışkanlıklarına göre bazı hayvanların beslenebilmesi için çok geniş alanlara gereksinimleri vardır. Buna hayvanın büyüklüğünün de etkisi vardır. Örneğin kaplanın beslenebilmesi için 250 kilometrekareye ihtiyacı varken, tavşanın beslenebilmesi için 6 hektar alan yeterlidir. Biyokütle piramidinde her trofik seviyede toplam biyokütle ağırlığı gösterilir. Her kademede biyokütle % 90 oranında azalır. Her ne kadar etçiller otla beslenmese de onları desteklemek için çok fazla bitkiye ihtiyaç vardır. Sayı piramidinde her trofik seviyede azalan oranlarda birey sayıları gösterilir. Örneğin Afrika'da zebraların sayısı, onlarla beslenen aslanlardan daha fazladır. Tam tersine ayrıştırıcı sayıları gösterildiğinde trofik seviyelerdeki birey sayısı artar. Tek bir ağaç örneğin binlerce böceği besleyebilir.

Şekil 6-3. Ekolojik piramitler

Ekosistemlerin Üretkenliği

İlk Üretim: Yeşil bitkilerin kullanılabilir besin enerjisi yapma hızına, yani birim zamanda üretilen madde miktarına net üretim adı verilir. Genel olarak net üretim birim zamanda, birim alanda üretilen kullanılabilir besin maddesi ağırlığı veya bunun eşdeğeri enerji cinsinden verilir. Ençok kullanılan birimi gr/m²/yıl veya Kcal/m²/yıl şeklindedir. Enerji dönüşümünde belirli bir verim olduğunda bitki ürettiğinden çok daha fazla enerjiyi absorbe eder. Bitki bu enerjiyle hücre maddelerini kurar. Buna Brüt üretim denir. BÜ ile gösterilir. "O" üretimin "ototrofik" organizmalara ait olduğunu gösterir. Bu enerjinin çoğu bitkiyi hayatta tutmak için sarf edilir ve solunum yolu ile yakılarak ısıya dönüştürülür:

Net Üretim (NÜo) = Brüt Üretim (BÜo) - Solunum (So)

Şekil 6-4. Bitki yapraklarında gerçekleşen fotosentez

Üretkenliği pek çok faktör etkilemektedir. Bazı bitkiler diğerlerinden daha etkin fotosentez kapasitesine sahiptir. Çevre faktörlerinden, güneş enerjisi miktarı, su, mineral maddeler, iklim faktörleri ile toplumun olgunluk durumu ve insanın etki derecesi de verimliliğe etkendir. Sınırlayıcı faktörler ortadan kalktığı sürece net üretim artar. Ekosistemlerin üretkenlik değeri birbirlerinden çok farklıdır. Genellikle kara ekosistemleri, ışık ve mineral madde alınabilirliği nedeni ile su ekosistemlerinden daha üretkendir.

Milyarlarca insanın beslenmesi söz konusu olduğunda, hangi ekosistemler daha üretkendir, net üretimi hangi faktörler sınırlandırır soruları akla gelmektedir. Bazı ekosistemlerin üretkenlik değeri Tablo 6-1'de verilmiştir. Bu tablodan görülebileceği gibi, en verimli ekosistemler tropikal yağmur ormanlarıdır. Bununla beraber burada çok bol bulunan bitkisel maddeler, gıda maddeleri olmadığı gibi, ormanı açıp tarım arazisi yapmak da bol üretim almaya yetmez. Bu ekosistemde besin elementleri toprakta değil, bitki örtüsünün kendisindedir ve bunların çürüyüp ayrışması sayesinde yeni bitkiler yetişir. Bitki örtüsü kaldırılıp tarla yapılırsa, bu elementler yağışlarla yıkanarak toprak kısa sürede çoraklaşır.

Tablo 6-1. Farklı ekosistemlerin net üretimi

Okyanusların % 90'ını meydana getiren derin sular net üretim bakımından çöl gibidir. Diğer yandan karalar ile denizlerin buluştuğu sahiller ve haliçler çok üretkendir. Denizler besi elementlerinin eksikliğinden ve karalar yeterli suyun bulunmaması nedeniyle düşük üretim kategorisinde bulunurlar.

Biyosferin Toplam Üretiminin Hesabı

Yeşil bitkiler güneş enerjisini yakalayarak, fotosentez yoluyla kimyasal enerjiye dönüştürürler. Fotosentezde karbondioksit ve su basit karbonhidratları oluştururken, oksijen atmosfere verilir. Basit karbonhidratlar sonra yağ, nükleik asit, protein ve diğer organik moleküllere dönüştürülür ve yaprak, gövde, kök, yumru, meyve, tohum gibi organlarda depo edilir. Bitki ve bitkisel ürünler diğer canlıların temel gıda kaynağını oluşturur. Farklı bitkilerin yılda bağladıkları karbon miktarı Tablo 6-2'de verilmiştir.

Tablo 6-2. Bir yılda bağlanan karbon miktarı

Bir yılda bağlanan karbon miktarı bitkisel üretkenlik değeri ile, alan çarpılarak hesaplanmış ve net üretim olarak verilmiştir. Yeşil bitkiler bağladıkları karbonun % 30'unu kendi solunumlarında kullanmaktadır. Bitki grupları arasındaki fotosentetik etkinlik farklılığına neden olan temel faktörler, sıcaklık, su, mineraller ve bitkilerin morfolojik yapısıdır. Örneğin yaprağını döken ve dökmeyen ağaçlar arasındaki fark ve çevre faktörleri yönünden tropikal yağmur ormanları ve her dem yeşil bitkiler. Kara ve su ekosistemlerinde bağlanan toplam karbon 1,39 x 10¹⁴ kg karbon, daha tanıdık rakam metrik tona çevrildiğinde 139 x 10⁹ ton karbon bir yılda bağlanmaktadır.

Fotosentezle organik madde üretimi; inorganik elementlerin alınabilirliği, yeterli su, karbondioksit, uygun sıcaklık, radyant enerji ve çevrede toksik bileşiklerin olmamasına bağlıdır. Bitkilerin güneş enerjisinin kimyasal enerjiye dönüştürme etkinliği, birim zamanda birim alanda üretilen bitkisel materyalin kalori cinsinden hesaplanmaktadır.

Enerji dönüştürme etkinliği = Bitkisel materyalin kalori değeri / Güneş enerjisi miktarı

Yapılan hesaplamalarda, karbondioksitin, karbonhidrata (CH₂O) dönüştürülmesi için 10 foton (güneş ışığı) gerektiği bulunmuştur. Kırmızı dalga boyundaki ışığın enerji değeri 40 kcal'dir (40*10) 400 kcal bir mol karbondioksiti, karbonhidrata dönüştürmek için gereklidir. Bir CH₂O nin enerji değeri 114 kcal'dir. Bu durumda enerji dönüştürme etkinliği 114/400 %29 olarak hesaplanır. Bu değer fotosentezle enerji dönüştürme etkinliğinin teorik üst limitidir.

Bu formülle yapılan hesaplamalarda modern tarım yapılan alanlarda dönüştürme etkinliğinin % 2-2,5, geleneksel tarım yapılan alanlarda % 0,1-1,0 olduğu, dönüştürme etkinliği yüksek olan bitkilerde % 6-10, laboratuvar koşullarında kısa süreli % 20-25 olduğunu gösteren hesaplamalar vardır.

Enerji Akımıyla Organizmaların Biyolojik Kütleleri Arasındaki Bağıntı

Her ardışık trofik seviyede enerji akımı azalır. Buna bağlı olarak genellikle o anda mevcut organizmaların biyolojik kütleleri de azalır. Genel olarak organizma ne kadar küçükse metabolizma hızı o kadar büyük olur. Bu nedenle küçük alg yosunlarından meydana gelen 1 gramlık bir kütle metabolizma bakımından gramlarca ağaç yaprağına eş değer olabilir. Bu kurala göre bir ekosistemin üreticileri çoğunlukla pek küçük organizmalardan meydana geliyorsa ve tüketicilerde büyükse tüketicilerin biyolojik kütleleri üreticilerin kütlelerinden daha büyük olabilir. Böyle bir durum suyun derin olduğu deniz ekosisteminde mevcuttur. Denizde yaşayan istiridye ve balıkların ağırlığı, onların besinini oluşturan mikroskopik fitoplanktonlardan daha fazladır. Küçük algler sık aralıklarla hasat edildiklerinde, uzun bir zaman aralığında hasat edilen ekin tarlasından daha fazla besin maddesi edilebilir. Bununla beraber herhangi bir zamanda mevcut alg miktarı, olgun bir ekin tarlasındakinden daha azdır.

Herhangi bir anda mevcut organizmaların biyolojik kütleleri birim alan başına gram organik madde, gram karbon veya kalori cinslerinden biri ile ifade edilir. Üretim ise birim zamanda birim alana düşen kalori miktarı veya birim zamanda meydana gelen organizmanın gram olarak ağırlığı cinsinden ifade edilen bir hızdır.

Üretim ve Tüketim Hızları

Brüt üretim ile, organizma topluluğunun bütününe ait solunum arasındaki bağıntı, ekosistemin toplam fonksiyonunun anlaşılması ve gelecekteki olayların tahmini bakımından önemlidir. Yıllık organik madde üretimi toplam tüketime eşitse (Ü/S=1) ve sistemden ne organik madde çıkıyor ve ne de giriyorsa ekolojik bakımdan bir çeşit kararlı hal mevcuttur. Buna klimaks durumda denir. Eğer bir toplum kendi kendine yeter ise üretim tüketime eşit olur. Eğer ilk üretim ile, heterotrofik tüketim birbirine eşit değilse ekosistem değişim geçiriyor demektir. Üretim ayrıştırılıp parçalanan organik madde miktarından fazla ise (Ü>S) burada organik madde yığılması olur. Ötrofik göllerde bu durum gölün sığlaşmasına sebep olur. Göl önce bataklık sonra kara parçası haline gelir. Kirletilmiş akarsularda ise üretimden daha fazla tüketimin olduğu başka bir değişimin olduğu denge düzeyine doğru değişim gösterir.

Örnek Problem: Bir meşe, çam ormanında, fotosentezin olmadığı gece saatlerinde CO₂ ölçülerek ototrofların solunum kaybı So=1450, yıllık brüt üretim BÜo=2650, heterotrofların solunumu Sh=650 g/m²/yıl ise ormanın net üretimi ne oranda klimaks olduğunu bulunuz.

NÜ = BÜ - So = 2650 - 1450 = 1200 g/m²/yıl
NEÜ = BÜ - (Sh + So) = 2650 - (650 + 1450) = 550 g/m²/yıl

Bu ekosistemde depolama meydana geldiğinden klimaks değildir.

(Sh + So) / BÜ = (650 + 1450) / 2650 = 0,80 % 80 oranında klimakstır.

Döküntü Yolu Enerji Akımı

Hemen hemen bütün ekosistemlerde net üretimin tamamı birinci tüketicilere aktarılmaz, önemli bir kısmı ölü maddeler halinde kurtlar ve mikroorganizmalara gider. Örneğin ot yiyen hayvanların aldığı besin maddelerinin tamamı asimile edilmez, bir kısmı (dışkıları) ayrıştırıcılara gider. Bitkisel artıklar parçalanıp ayrışınca humus adı verilen bir madde ortaya çıkar. Humus çeşitli çürüme safhalarında olan organik maddelerle heterotrof olan organizmaların kompleks bir karışımıdır.

Döküntüleri iki tip organizma tüketir;

• Kara ekosisteminde toprak kurtları veya kırk ayaklar; su ekosisteminde çeşitli kurtlar ve yumuşakçalar gibi döküntü ile beslenen küçük hayvanlar.
• Çürüme ve ayrışmaya sebep olan bakteriler ve mantarlar.

Birçok hallerde bu ikisi ortak olarak gözükür. Çünkü hayvanlar tarafından büyük parçaların küçük parçalara indirgenmesi bu maddelerin mikro organizmalar için daha rahatça temin edilmesini sağlar. Böylece küçük hayvanlar için yiyecek maddesi sağlanması olur.

Denizdeki canlı topluluğu otlakçı besin zinciri yoluyla gelen büyük bir enerji akımı ve balık vs. büyük organizma kütleleriyle karakterize edilir. Gelen akıma nazaran biyolojik kütle yüksektir. Bunun tersine orman ekosisteminde esas akım döküntü yolundan geçer, bitkilerin toplam biyolojik kütleleri hayvanlarınkine nazaran son derece büyüktür.

Enerji Akımının ve İlk Kademe Veriminin Ölçülmesi

Bir ekosistemde fotosentez yoluyla yapılan biyolojik maddeler brüt üretimi teşkil eder. Solunum ve ayrışma yolu ile bunların bir kısmı harcanır. Geriye net üretim kalır. Ekosistemin verimini ölçmek için çeşitli yöntemler vardır. Bu yöntemlerde:

• Üretilen madde (protoplazma, klorofil vs.)
• Tüketilen madde (azot, fosfor)
• Açığa çıkan yan ürünler (oksijen, karbondioksit)

Ölçülmek suretiyle net üretim tayin edilir. Verim ölçülmesinde radyoaktif yöntemler de kullanılır.

Oksijen Ölçme Yöntemi

Alg üretiminin belirlenmesi için yapılan bu yöntemde 3 adet BOİ (biyokimyasal oksijen ihtiyacı) şişesi kullanılır. Şişeler ilk üretimin ölçülmek istendiği derinlikten alınan numunelerle doldurulur. Şişelerden ikisi şeffaf, birisi ışık geçirmez olarak hazırlanır. Birinci şeffaf şişe kontrol olup deney başlangıcında, suyun içinde başlangıçtaki oksijen konsantrasyonu ölçülür (ÇO₁). Diğer iki şişe alg üretiminin belirlenmek istendiği derinliğe bırakılır. İkinci şeffaf şişede hem fotosentez hem solunum meydana gelir (ÇO₂). Siyah şişede sadece solunum gerçekleşir (ÇO₃). Bu şişeler gündüz 6-8 saat su içinde tutulduktan sonra çıkarılır ve oksijen konsantrasyonları ölçülür.

Solunum, S= ÇO₁ - ÇO₃
Net üretim, NÜ = ÇO₂ - ÇO₁
Brüt Üretim, BÜ = Net Üretim + Solunum
BÜ = ÇO₂ - ÇO₃
Siyah ve şeffaf şişelerde yapılan bu deneyde şu oksijen konsantrasyonları ölçülmüş olsun; ÇO₁ 4; ÇO₂ 6; ÇO₃ 3

BÜ = ÇO₂ - ÇO₃ = 6 - 3 = 3
S = ÇO₁ - ÇO₃ = 4 - 3 = 1
NÜ = ÇO₂ - ÇO₁ = 6 - 4 = 2

Biyolojik Büyümenin Kinetiği

Organizmalar ototrofik ve heterotrofik olarak ikiye ayrılır. Kendi kendine beslenen ototroflar, enerji kaynağı olarak ya güneş veya kimyasal enerjiyi kullanırlar. Karbon kaynağı ise karbondioksittir. Güneş enerjisini kullananlara fotosentetik organizmalar; kimyasal enerjiyi kullanan mikro organizmalara kemosentetik mikro organizmalar denir. Bunlar inorganik oksitlenme ve redüklenme olaylarından enerji sağlarlar.

Oksitlenme H₂S ---> S ---> SO₄
Redüklenme NH₃---> NO₂---> NO₃

Heterotrofik organizmalarda ise hem karbon hem enerji kaynağı hazır organik maddelerdir. Biyolojik faaliyetler sırasında organik maddeler oksitlenerek veya redüklenerek değişikliğe uğrar.

Mikroorganizma Hücrelerinin Bileşimi

Bakterilerin ağırlığı olarak %80 i su, geri kalan %20 katı maddelerden meydana gelir. Katı maddelerin %18 i organik %2 si inorganiktir. Hücre ağırlığının % 20'sini oluşturan katı maddeler aşağıdaki elementlerden meydana gelir.

Mikro Organizmaların Çoğalması

Mikro organizmalar ikiye bölünerek çoğalırlar. Bu sebeple sayıları daima bir öncekinin iki katına çıkar. Başlangıçta bakteri sayısı N₀ ise n. nesilde bakteri sayısı:
N_n = 2ⁿ * N₀ olur.
Başlangıçta N_o = 1 bakteri varsa,

1. nesilde N₁ = 2¹ * N₀ = 2 bakteri
2. nesilde N₂ = 2² * N₀ = 4 bakteri
3. nesilde N₃ = 2³ * N₀ = 8 bakteri meydana gelir.

Başlangıçta bakteri sayısı N₀ = 10² ise, N = N₉ olması için bakterilerin kaç defa bölünmesi gerekir?
N_n = 2ⁿ * N₀
10⁹ = (2ⁿ) (10²)
2ⁿ = 10⁷; n.log 2 = 7
n = 7/log 2 = 23.3

Alglerde Net Üretimin Hesabı

Algler, klorofil ve diğer boya maddeleri içeren tek hücreli mikroorganizmalardır. Yeşil, mavi, sarı renklerde bulunabilir. C, N, P gibi besi elementleri alg oluşumu için gereklidir. Bu elementler kullanılmış suyla göllere karıştığında, su yüzeyinde algle kesif bir örtü meydana getirir. Besi elementleri atık sulardan ve tarım alanlarından süzülerek göllere gelmektedir. Azot kaynağı olarak nitratların kullanılması durumunda;

106CO₂ + 16NO₃ + HPO₄ + 12H₂O + 18H + iz elementler + enerji ---> C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₆P₁ + 138O₂

Alg maddesinin molekül ağırlığı = 106*12 + 263*1 + 110*16 + 16*14 + 1*31 = 3550g

3550 g kuru alg maddesi için 1*31 g fosfor kullanılmıştır. 1 g fosfor ile 3550 : 31 = 114,5 g alg meydana gelmektedir.

Azot kaynağı olarak amonyağın kullanılması durumunda;

106CO₂ + 66H₂O + 16NH₃ + PO₄ + iz elementler + enerji C₁₀₆H₁₈₀O₄₅N₁₆P₁ + 118,5 O₂
116*12 + 180*1 + 45*16 + 16*14 + 1*31 = 2427 g alg oluşmaktadır.

Tüketilen 1 g fosfor başına oluşan alg miktarı
2427 : 31 = 78.29 g

1 g fosfor tüketilmesine karşılık oluşan alg kütlesi kullanılan azot kaynağına göre değişmektedir. Ortalama bir değer olarak 100 gr alg/gr fosfor olarak kabul edilmektedir.

Kullanılmış sularla deşarj edilen fosfor 3 ila 8 mg/litre kabul edilirse bunun meydana getireceği alg kütlesi 3*100 ila 8*100 mg/litre olacaktır.

Çalışma Soruları

1. Trofik seviyeler neyi tarif eder? Toplumlarda temel trofik seviyeler nelerdir?

2. Kalori ve kilokalori ne demektir?

3. Besin zinciri ve besin ağları arasında farklılık var mıdır?

4. Ekolojik piramitler neyi gösterir?

5. Ekosistemlerin üretkenliğini belirleyen faktörler nelerdir?