Ekosistemlerde Enerji Akışı ve Besin Ağları: Büyük Balık Küçük Balığı, Daha Büyük Balık ise Büyük Balığı Yer!

Ekosistemler, canlı organizmalar ve bu organizmaların abiyotik (cansız) çevrelerinden oluşan bir topluluklardır. Birçok okyanusun kayalık kıyılarında bulunan gelgit havuzları gibi küçük veya Brezilya'daki Amazon Yağmur Ormanları gibi son derece büyük olabilirler.

Ekosistemler, ortamlarına göre tatlı su, deniz ve karasal ekosistemler olmak üzere üç geniş kategoriye ayrılır. Bu üç kategori içinde de çevre habitatı ve mevcut organizmalara bağlı olarak ayrı ekosistem tipleri yer almaktadır.

J. Kuhn; I. Mlinaric

Ekosistemler ve Afetler

Ekosistemler, birbirleriyle etkileşim halinde olan birçok parçadan oluşan karmaşık yapılardır ve rutin olarak bileşimlerini etkileyen yağış ve yıllık sıcaklık değişimleri gibi çeşitli çevresel değişikliklere maruz kalırlar. Ekosistemin deneyimlediği birçok değişiklik doğal süreçlerin bir sonucudur. Örneğin bir ormana bir yıldırım düşebilir ve yıldırımın çıkardığı orman yangını, bu orman ekosisteminin bir kısmını yakıp kül edebilir. Böylesi bir afetin ardından yanan orman zeminini otlar kaplayabilir; otların ardından çalılar boy gösterir, nihayetinde bu alan tekrar ağaçlanır ve orman ekosistemi eski haline döner. Bu süreç evrenseldir ve ekologlar tarafından "süksesyon" ismiyle anılmaktadır.

Bununla beraber insan kaynaklı tarım uygulamaları, hava kirliliği, asit yağmurları, küresel ormansızlaşma, aşırı avlanma, petrol sızıntıları ve yasadışı atık boşaltma gibi çevresel bozulmaların ve beşeri afetlerin etkisi, neredeyse doğal afetlerin etkileri kadar ciddi boyutlara ulaşmıştır.

Ekosistem dengesi, bir ekosistemin barındırdığı tür ve organizma sayısında yaşanan değişikliklere rağmen biyoçeşitliliğin korunması anlamına gelir. Ekoloji disiplininde ekosistem değişiklikleri direnç ve esneklik olmak üzere iki parametre çerçevesinde ölçülür. Bir ekosistemin afet ve çevresel değişikliklere rağmen dengesini koruyabilmesi direnç; bu denge bozulduktan sonra tekrar bir denge haline ulaşma hızı ise esneklik parametresidir. Ekosistemlerin direnç ve esneklik parametreleri özellikle beşeri etkiler konusunda önem kazanmaktadır; zira ekosistemlerin dengesi direncini bütünüyle kaybedecek kadar bozulabilir. Böylesi bir bozulma da ekosistemin tamamen değişmesi veya yok olması ile sonuçlanabilir.

Besin Zinciri ve Besin Ağı

Besin zinciri, bir organizmanın bir diğerini tüketmesi yoluyla besin ve enerji aldığı, doğrusal (tek yönlü) bir organizma dizisidir ve ekosistem yapılarını, dinamiklerini tanımlamakta kullanılır. Besin zinciri dizisi üreticiler, birinci düzey tüketiciler, daha yüksek düzeylerde tüketiciler ve son olarak da ayrıştırıcılardan meydana gelir. Besin zincirinin içerdiği her bir organizma belirli bir trofik düzeyi (enerji seviyesini) işgal eder ve bu düzey besin zincirindeki veya ağındaki pozisyonunu oluşturur.

Birçok ekosistemde besin zincirinin tabanı veya temeli, üreticiler olarak adlandırılan fotosentetik organizmalardan, yani bitkiler veya fitoplanktonlardan oluşur. Üreticileri tüketen organizmalar birincil tüketiciler, yani otçullardır. İkincil tüketiciler genellikle birincil tüketicileri yiyen etoburlardır. Üçüncül tüketiciler diğer etoburları yiyen etoburlardır. Üst düzey tüketiciler bir altındaki trofik düzeyden beslenir ve besin zinciri, tepe noktası olan uç tüketicilere ulaşana kadar bu şekilde devam eder. Aşağıdaki şekilde Ontario Gölü'nün besin zinciri gösterilmektedir. Bu besin zincirinin uç tüketicisi Chinook somonudur.

National Oceanic and Atmospheric Administration

Bir besin zincirindeki basamak sayısını sınırlayan en önemli faktör enerjidir. Enerji her bir trofik seviyede ve trofik seviyeler arasında ısı olarak ve ayrıştırıcılara aktarılırken kaybolur (aşağıdaki şekilde bunu görebilirsiniz). Bu nedenle, sınırlı sayıda trofik enerji transferinden sonra, besin zincirinde kalan enerji miktarı, daha yüksek bir trofik seviyede canlı popülasyonları destekleyecek kadar büyük olmayabilir.

Bir besin zincirindeki basamak sayısını sınırlayan en önemli faktör enerjidir. Enerji, her bir trofik düzeyde, trofik düzeyler arasında ve ayrıştırıcılara doğru gerçekleşen aktarımlar sırasında kaybolur. Bu nedenle, trofik enerji aktarımının ardından besin zincirinde kalan enerji miktarı, daha yüksek trofik düzeylerdeki canlı popülasyonlarını destekleyecek yüksek olamamaktadır.

Libre Texts

Ekosistemleri tanımlamak konusunda besin zincirlerinden faydalanmanın bir dezavantajı vardır. Ekosistemde yaşayan tüm organizmalar uygun trofik düzeylere dahil edilse bile, bu organizmaların bir kısmı birden fazla trofik düzeyden enerji sağlıyor (yani birden fazla trofik düzeyde bulunan organizmaları tüketiyor) olabilir. Benzer şekilde bazı organizmalar birden fazla trofik düzeyde bulunan avcılar tarafından avlanıyor olabilir. Bir başka deyişle ekosistemleri doğrusal bir modele indirgeyen besin zinciri, ekosistem yapısının ancak varsayımsal ve aşırı basitleştirilmiş bir temsilidir. Bu bağlamda farklı türler arasındaki tüm etkileşimleri ve bu türlerin çevreyle olan bağlantısını içerecek kapsamda bir model, yani bir "besin ağı" daha isabetli ve açıklayıcı bir model olarak karşımıza çıkmaktadır; zira besin ağında her bir türün avladığı ve bu türü avlayan türler çoklu trofik etkileşimler ile gösterilebilmekte, tüm ekosistemlerde madde ve enerji akışı rahatça gözlemlenebilmektedir (bu, aşağıdaki görselde gösterilmektedir).

NPS; USFWS; Wikimedia Commons; NIGMS; USDA Agricultural Research; CDC

Ekosistemler genellikle ilki temelinde bitki ve diğer fotosentetik organizmalar bulunan, bu organizmaları da otçul ve çeşitli etçil türlerin takip ettiği otçul; ikincisi temelinde ölü ve çürüyen organizmaları parçalayan ayrıştırıcıların ve organik detritusları tüketen detrivorların bulunduğu leşçil ağlar olmak üzere iki besin ağı ile tanımlanmaktadır. Detrivorlar genellikle bakteriler, mantarlar ve omurgasız hayvanlardan oluşur. Bu organizmalar, diğer organizmalar tarafından tüketilmek suretiyle organik maddeleri ekosistemin biyotik tarafına geri kazandırır ve böylelikle otçul besin ağlarının ayrılamaz bir parçası haline gelirler. Örneğin bir çayır ekosisteminde bitkiler, birincil ve diğer tüketici düzeylerinde farklı organizmalardan oluşan otçul bir besin ağının temelini oluşturur. Ölen bitkiler ve hayvanlar ise bakteri ve mantarların yetişebileceği leşçil bir besin ağını destekler. Bu iki besin ağı, temellerini paylaşmanın yanında otçul bir besin ağına dahil bir kuşun leşçil bir besin ağına dahil bir solucanı yemesi gibi birçok durumda birbirlerini etkiler.

Besin Ağları ve Enerji Kazanımı

Tüm canlılar şu veya bu şekilde enerjiye ihtiyaç duymaktadır. Bu ihtiyaç, enerjiyi ATP formunda kullanarak küçük bileşiklerden büyük moleküller oluşturan karmaşık metabolik yollar söz konusu olduğunda belirgin bir hal almaktadır. Canlılar, devamlı bir enerji girdisi olmaksızın protein, lipid, nükleik asit ve kompleks karbonhidratlar gibi makromolekülleri oluşturamazlar.

Besin ağı diyagramları, enerjinin ekosistem boyunca nasıl tek taraflı olarak aktığını, organizmaların enerji kazanım verimliliğini, kazanılan enerjinin nasıl kullanıldığını ve ağdaki diğer organizmalar tarafından kullanılabilecek enerji miktarını gösterir. Enerji, canlılar tarafından iki şekilde elde edilir: ototroflar ışık veya kimyasal yollarla; heterotroflar diğer canlı veya daha önce yaşamış organizmaların tüketimi ve sindirimi yoluyla enerji elde eder.

Fotosentetik ve kemosentetik organizmalar, kendi besinlerini sentezleyebilen (daha spesifik olarak, inorganik karbonu karbon kaynağı olarak kullanabilen) organizmalardır. Fotosentetik ototroflar (fotoototroflar) enerji kaynağı olarak güneş ışığını, kemosentetik ototroflar (kemoototroflar) ise enerji kaynağı olarak inorganik molekülleri kullanır. Ototroflar, üretici trofik düzeyde yer almaları sebebiyle çoğu ekosistem için kritik öneme sahiptir. Bu organizmalar bir ekosistemde bulunan diğer organizmalara enerji sağlar ve yoklukları takdirinde yaşam olmaz.

Bitkiler, algler ve fotosentetik bakteriler gibi fotoototroflar, güneş enerjisini ATP (ve NADP) şeklinde kimyasal enerjiye dönüştürerek glikoz gibi karmaşık organik molekülleri sentezlemekte kullanır; Dünya ekosistemlerinin büyük bir kısmı için enerji kaynağı görevi görürler. Fotosentetik üreticilerin güneş enerjisini kullanma verimliliği brüt birincil üretim değerini oluşturur. Bununla beraber üreticilerin sağladığı enerjinin bir kısmı, bu organizmaların büyümesi ve üremesine ayrılmaktadır. Bu sebeple enerjinin tümü besin ağındaki diğer organizmalara aktarılamaz. Bu organizmaların nefes alışverişi ve ısı kaybı brüt birincil üretim değerinden düşüldüğünde ise net birincil üretim değerine ulaşılır. Bu değer, trofik düzeyin bir üst aşaması için mevcut enerjiyi oluşturur.

Kemoototroflar, okyanusun dibindeki karanlık mağaralar veya hidrotermal bacalar gibi güneş ışığının bulunmadığı, nadir görülen ekosistemlerde bulunan başlıca bakteri ve arkelerdir. Hidrotermal bacalarda yaşayan birçok kemoototrof, kimyasal enerji kaynağı olarak bacalardan salınan hidrojen sülfürü (H₂S) kullanır; bu da glikoz gibi karmaşık organik molekülleri sentezleyebilmelerini ve ekosistemin geri kalanına enerji sağlamalarını mümkün kılar.

NOAA

Beşeri Müdahaleler: Biyo-Artış

Ekosistem dinamikleri konusunda dikkat çekici bir sonuç, beşeri kaynaklı, kalıcı ve yalnızca yağda çözünebilen toksik maddelerin giderek artan bir şekilde birikmesidir. Organizmaların yağ dokularında depolanan bu toksik maddeler, trofik düzeylerde adım adım yukarı çıkar ve bir biyo-artışa sebep olur.

Rachel Carson'un 1960'ların en çok satan kitabı Sessiz Bahar'da anlatılan, kel kartal gibi uç tüketiciler üzerindeki tehlikeleri keşfedilmeden ve 1960'lı yıllarda yasaklanmasından önce son derece yaygın olarak kullanılan pestisit diklorodifeniltrikloroetan (DDT) de dahil olmak üzere pek çok maddenin bu şekilde biriktiği bilinmektedir.

Su ekosistemlerinde tüm trofik düzeylerde yer alan organizmalar, bir aşağı düzeyinde bulunan organizmalar ile beslenmiş ve bu yolla uç tüketici olan kuşlarda DDT birikimine sebep olmuştur. Bu kuşlarda belirli bir düzeyde DDT birikimi ise yumurtalarının kırılganlıklarını ve buna bağlı olarak yuvalama sırasında kırılan yumurta sayısını artırmış ve popülasyon üzerinde yıkıcı etkilere sebep olmuştur.

Bu şekilde biriken diğer maddeler, 1979 yılında kullanımı yasaklanana kadar Amerika Birleşik Devletleri'nde soğutucu olarak kullanılan poliklorlu bifeniller (PCB) ve cıva, kurşun ve kadmiyum gibi ağır metallerdir.

Bu maddelerin etkileri, yırtıcı balık türlerinin çevrede ve üreticilerde oldukça düşük konsantrasyonlarda bulunan toksik maddeleri çok yüksek konsantrasyonlarda aldığı su ekosistemlerinde görülmektedir. NOAA tarafından yürütülen, Kuzey Amerika Büyük Gölleri'ndeki Huron Gölü'nün Saginaw Körfezi'nde yapılan bir çalışma, PCB konsantrasyonlarının ekosistemin üreticilerinden (fitoplanktonlar) balık türlerinin farklı trofik düzeylerine doğru arttığını göstermektedir. Bu ekosistemin uç tüketicisi olan tirsi balığı, ekosistemde bulunan fitoplanktonlara kıyasla dört kattan fazla PCB barındırmaktadır. Ayrıca, diğer çalışmalardan elde edilen sonuçlar, bu balıkları yiyen kuşların göllerde bulunan balıklara kıyasla en az bir kat daha yüksek PCB içerebileceğini belirtmektedir.

Bazı deniz ürünlerinde cıva ve kadmiyum gibi ağır metallerin biyolojik olarak birikmesi başka endişeleri de beraberinde getirmiştir. Amerika Birleşik Devletleri Çevre Koruma Ajansı, yüksek cıva içeriği nedeniyle hamile kadınların ve küçük çocukların kılıç balığı, köpek balığı, kral uskumru veya kiremit balığı tüketmemelerini önermekte; bu balıklar yerine cıva oranı düşük olan somon, karides, kömür balığı ve yayın balığı gibi balıkları tercih etmelerini tavsiye etmektedir. Bu çerçevede biyo-artış, ekosistem dinamiklerinin günlük yaşamımızı, hatta yediğimiz yiyecekleri nasıl etkileyebileceğine dair iyi bir örnektir.

P. Van Hoof, NOAA

Özet

• Ekosistemler yeraltında, karada, denizde ve havada olabilir.
• Bir ekosistemdeki organizmalar çeşitli yollarla enerji elde eder ve bu enerji besin ağının tabanından tepesine doğru, trofik seviyeler arasında aktarılır ve her aktarımda enerji kaybedilir.
• Her trofik seviyede enerji kaybı olur, bu nedenle besinzincirlerinin uzunlukları sınırlıdır.
• Yağda çözünen toksik bileşikler, toksinin konsantrasyonu düşük olsa bile, bir besin zincirinde biyolojik olarak birikerek uç tüketicilere zarar verebilir.