Madde Döngüleri Nedir? Karbon, Azot, Su ve Fosfor Döngüleri Nasıl İşlemektedir?

Madde döngüleri, kimyasal elementlerin kayaçlar, hava, su ve canlılar arasında taşınması, biçim değiştirmesi ve bu ortamlarda bir süre depolanmasıdır. Karbon, azot, su ve fosfor gibi maddeler bu yollarla sürekli yer değiştirmektedir. Örneğin bir yaprağın havadan aldığı karbon, yaprak çürüdüğünde yeniden havaya dönebilmektedir. Aynı atom daha sonra başka bir bitkinin yaprağına, oradan da bu bitkiyi yiyen bir hayvanın bedenine geçebilmektedir. Madde bu yolculukta kaybolmamaktadır. Ancak her yolculuk aynı hızda ilerlememektedir. Bazı döngü halkaları canlıların büyüme ve çürüme temposunda işlemekte, bazıları ise 100 ila 200 milyon yıl sürebilmektedir.

Azot döngüsü, karbon döngüsü ve su döngüsünün aşamaları birbirinden kopuk şemalar olarak anlatılsa da bu döngüler aynı mantıkla işlemekte, üstelik birbirine bağlı bulunmaktadır. Su, azot ve fosfor gibi maddeleri tarlalardan göllere, kıtalardan okyanuslara taşımaktadır. Nitekim karbonu kayaçlara bağlayan tepkime bile yağmur suyuyla başlamaktadır. Bu yazıda dört döngü aynı çerçeveyle ele alınmakta, kükürt döngüsüne de kısaca değinilmektedir. Ardından bir döngü modelinin ölçümlerle ve basit hesaplarla nasıl sınandığı, bu modellerin nerede yanlış okunabildiği ve insan etkinliklerinin depoları nasıl değiştirdiği gösterilmektedir.

Madde Döngüsü Nedir?

Madde döngüsü (İng: "biogeochemical cycle"), kimyasal maddelerin jeosfer, atmosfer, hidrosfer ve biyosfer arasında taşınmasını, dönüşmesini ve depolanmasını kapsayan süreçlerin bütünüdür.⁠^[1] Jeosfer kayaçları ve toprağı, atmosfer havayı, hidrosfer suları, biyosfer de canlıları kapsamaktadır. Terimin İngilizce adındaki "bio" ve "geo" parçaları, canlıların yapısındaki karbonlu molekülleri kapsayan organik dünya ile kayaçları, suyu ve havadaki gazları kapsayan inorganik dünya arasındaki etkileşimi anlatmaktadır.

Bu dört kesimde maddenin bir süre beklediği yerlere depo denmektedir. Örneğin okyanus, atmosfer, bir orman veya bir kayaç katmanı birer depo olarak düşünülebilmektedir. Ancak depolar birbirinden yalıtılmış değildir. Bir depodan çıkan madde başka bir deponun girdisi olabilmektedir. Maddenin bir deponun içindeki veya depolar arasındaki bu hareketine akı adı verilmektedir. Örneğin okyanustan buharlaşan su, okyanus deposundan çıkıp atmosfer deposuna giren bir akıdır. Bir döngü şemasındaki kutular depoları, oklar da akıları göstermektedir.

Döngü modellerinin temelinde kütlenin korunumu yaklaşımı bulunmaktadır. Bu yaklaşıma göre incelenen sistemde elementler yaratılmamakta ve yok edilmemektedir. Dolayısıyla bir depodaki madde azaldığında, eksilen miktarın başka bir depoya geçmiş veya başka bir biçime dönüşmüş olması gerekmektedir. Kütle dengesi modelleri tam olarak bu hesabı yapmaktadır. Bu modeller bir elementin depolanmasını, taşınmasını ve kimyasal dönüşümünü birlikte izleyerek bütün kimyasal biçimlerini ve fiziksel hallerini dikkate almaktadır. Bu açıdan yöntem bir banka hesabının dökümüne benzemektedir. Giren ve çıkan para bilindiğinde, hesaptaki değişim de bilinmektedir.

Hesabın işlemesi için bir koşul vardır. Elementin bütün halleri ve bütün bileşikleri aynı birimle ifade edilmelidir. Örneğin karbon havada gaz halindeki karbondioksitte, okyanusta çözünmüş halde, kayaçta da kireç taşının içinde bulunabilmektedir. Bu biçimler doğrudan toplanamamaktadır. Bir ton karbondioksit ile bir ton kireç taşı içerdikleri karbon bakımından aynı miktar değildir. Bu yüzden önce ton karbon gibi ortak bir birime çevrilmeleri gerekmektedir. Ayrıca elementler birleşerek bileşik oluşturduğu için her elementin döngüsünün öteki elementlerin döngüleriyle ilişkisi içinde ele alınması gerekmektedir.

Evrim Ağacı

Karbon Döngüsü

Karbon döngüsü (İng: "carbon cycle"), karbonun depolar arasında yaptığı alışverişe verilen addır. Bu alışverişin hızlı ve yavaş olmak üzere iki bileşeni bulunmaktadır. Hızlı bileşende karbon canlıların bedenine girip çıkmakta, yavaş bileşende ise kayaçlara kilitlenerek ancak jeolojik süreçlerle serbest kalmaktadır. Jeolojik süreçler, kayaçların oluşması, aşınması ve yanardağ etkinliği gibi yer kabuğunda çok uzun sürelere yayılan olaylardır. Bu nedenle iki bileşeni ayıran temel ölçüt hızdır.

Hızlı ve yavaş ayrımı, karbonun bir depoda ne kadar beklediğine dayanmaktadır. Bir yaprakta veya bir planktonun hücresinde tutulan karbon, canlının ömrüyle ölçülen sürelerde yeniden havaya dönebilmektedir. Kayaca kilitlenen karbon ise jeolojik zaman ölçeğinde beklemektedir.

Karbonun Depoları

Dünya'daki karbonun büyük kısmı, yaklaşık 65.500 milyar metrik tonu, kayaçlarda depolanırken geri kalan karbon okyanusta, atmosferde, bitkilerde, toprakta ve fosil yakıtlarda (İng: "fossil fuel") bulunmaktadır.⁠^[2] Dünya karbonunun çoğunu taşıyan depo, yerin altındaki kayaçlardır. Fosil yakıtlar da bu açıdan dikkat çekicidir. Kömür, petrol ve doğal gaz milyonlarca yıldır yerin içinde tutulan karbonu taşımaktadır.

Karbon bu depolarda farklı kimyasal biçimlerde durmaktadır. Cansız çevrede karbon, atmosferde gaz halindeki karbondioksit (CO₂) olarak ve suda çözünmüş halde bulunmaktadır. Suda çözünen karbondioksit bikarbonat iyonunu (HCO₃⁻) oluşturmaktadır. İyon, elektrik yükü taşıyan atom veya atom grubudur. Canlılarda ise karbon şeker gibi organik moleküllerin yapısına girmiş, fosil yakıtlarda da kömürün, petrolün ve doğal gazın yapısında yer almaktadır. Ayrıca kayaçlarda karbon, kabuklu canlıların ürettiği kalsiyum karbonatın içinde bulunmaktadır. Böylece aynı element, depodan depoya geçerken başka bir kimyasal biçime girebilmektedir.

Hızlı Karbon Döngüsü: Fotosentez ve Solunum

Hızlı karbon döngüsünün başlıca bileşenleri bitkiler ve fitoplanktondur. Plankton, suda sürüklenen ve akıntıya karşı yüzemeyen küçük canlılardır. Bu canlılar sularda yaşayıp fotosentez yapan planktona fitoplankton (İng: "phytoplankton") denmektedir. Yeşil bitkiler ve fitoplanktonların karbondioksit ile suyu birleştirerek şeker ve oksijen ürettiği bu sürece fotosentez adı verilmektedir. Sürecin gerektirdiği enerji ışıktan gelmektedir. Bu sürecin karbonu izleyen basitleştirilmiş modeli şöyle yazılmaktadır:

Bu denklemde CH₂O, şekerin basitleştirilmiş bir gösterimidir. Sol taraftaki karbon havadan veya sudan alınan karbondioksitin içindeyken sağ tarafta aynı karbon atomu artık bir organik molekülün parçasıdır. Dolayısıyla denklem, karbonun cansız bir depodan canlı bir depoya geçtiği akıyı tek satırda göstermektedir. Ototrof kendi besinini cansız maddelerden üreten canlıdır. Örneğin bitkiler, ışık enerjisini kullanarak karbondioksiti organik maddeye çeviren fotoototrof canlılardır.⁠^[3] Ancak karbonu organik maddeye katmanın tek yolu ışık değildir. Kemoototrof (İng: "chemoautotroph") denen bazı bakteri ve arkeler, bulundukları ortamdaki molekülleri yükseltgeyerek (oksitleyerek) elde ettikleri enerjiyle aynı işi yapmaktadır. Yükseltgenme, bir molekülün elektron kaybetmesidir.

Organik maddeye giren karbon, aynı canlılarda geri dönüş yoluna da girmektedir. Bitkiler büyümek için gereken enerjiyi ürettikleri şekeri parçalayarak elde etmektedir. Solunum denen bu süreçte karbon yeniden CO₂ olarak atmosfere ve suya verilmektedir. Dolayısıyla fotosentez karbonu havadan alırken, solunum aynı karbonu havaya geri göndermektedir. Böylece akı iki yönlü işlemektedir. Bunun yanı sıra karbonun atmosfere ve suya dönüşünü sağlayan öteki iki süreç, yanma ve ayrışmadır. Örneğin bir orman yangınında veya bir odun sobasında, bitkide birikmiş karbon yanma yoluyla havaya karışabilmektedir.

Ayrışma (İng: "decay"), ölü organizmaların ve atıkların parçalanmasıdır. Bu işi ayrıştırıcı (İng: "decomposer") canlılar yürütmektedir. Ayrıştırıcılar (saprotrof canlılar), ölü maddeyi besin olarak kullanırken içindeki karbonu açığa çıkarmaktadır. Basitleştirilmiş bir açıklamayla, ortamda oksijen varsa ayrışma sonucu CO₂, oksijen yoksa metan (CH₄) oluşmaktadır. Örneğin oksijensiz bir su tortusuna gömülen yaprak ile havadar bir toprakta çürüyen yaprak, karbonlarını farklı gazlar halinde geri verebilmektedir. Bu açıdan ayrışma, solunum ve yanma gibi, karbonun atmosfere ve suya dönüş yollarından biridir.

Yavaş Karbon Döngüsü: Kayaçlar ve Okyanus

Yavaş karbon döngüsünün kayaçlara uzanan kolu, atmosferdeki karbonun suyla birleşerek zayıf bir asit olan karbonik asidi oluşturmasıyla başlamaktadır. Zayıf asit, suda sadece kısmen iyonlarına ayrışan asittir. Bu asit yağmurla yeryüzüne düşmekte ve kayaçları yavaş yavaş çözmektedir. Bu sürece kimyasal ayrışma denmektedir. Ancak buradaki ayrışma çürüme değildir. Aslında sözü edilen olay kayacın kimyasal olarak çözünmesi olduğu için aynı kelime karbon döngüsünün iki ayrı kolunda iki farklı olayı adlandırmaktadır.

Evrim Ağacı

Okyanusta da karbonun bir kısmı canlıların kabuklarına girmektedir. Kalsiyum karbonatın büyük kısmını mercan gibi kabuk oluşturan canlılar ve planktonlar üretmektedir. Tortu, suyun dibine çöken ve zamanla katman katman biriken parçacıklardır. Zamanla kabuk ve tortu katmanları birbirine kenetlenerek kayaca dönüşmektedir. Böylece karbon, kireç taşı (İng: "limestone") ve türevlerinde depolanmaktadır. Kayaca kilitlenen karbonun atmosfere geri dönüşü ise yanardağlar aracılığıyla gerçekleşmektedir.

Okyanus yüzeyinde çok daha sürekli bir alışveriş yaşanmaktadır. Karbondioksit gazı atmosferden okyanus suyuna çözünmekte, okyanustan da yeniden atmosfere salınmaktadır. Bu alışveriş kesintisiz sürmektedir. Bu yüzden okyanus ile atmosfer arasında karbon her an iki yönde birden akmaktadır. Öte yandan kayaçlara uzanan yollar insan ölçeğiyle düşünüldüğünde son derece yavaştır. Nitekim yavaş karbon döngüsünde karbonun kayaç, toprak, okyanus ve atmosfer arasında yer değiştirmesi 100 ila 200 milyon yıl sürebilmektedir.

Azot Döngüsü

Azot döngüsü (İng: "nitrogen cycle"), azotun atmosfer, toprak, su ve canlılar arasında geçirdiği kimyasal dönüşümler zinciridir. Bu zincirde, bakteriler ve arkeler gibi çıplak gözle görülemeyecek kadar küçük canlıların genel adı olan mikroorganizmalar rol almaktadır. Azot havadan canlılara, canlılardan toprağa, topraktan da yeniden havaya dönerken her basamakta başka bir kimyasal biçime girmektedir.

Döngünün halkaları farklı canlı gruplarına dağılmıştır. Havadaki azotu bağlayan bakteri ve arkeler, ölü maddeyi parçalayan ayrıştırıcılar, amonyağı nitrata çeviren bakteriler ve azotu yeniden gaza dönüştüren bakteriler aynı döngünün farklı basamaklarını yürütmektedir.

Azotun Deposu ve Canlılar İçin Önemi

Bütün canlılar azotlu bileşiklere gereksinim duymaktadır. Proteinler ve nükleik asitler bu bileşiklere örnektir. Proteinler hücrelerde yapı taşı ve enzim olarak görev yapan moleküllerdir. Nükleik asitler ise DNA ve RNA gibi kalıtsal bilgiyi taşıyan moleküllerdir. Azotun başlıca deposu, %79'u azot gazından (N₂) oluşan havadır. Ancak canlıların çoğu azotu bu gaz haliyle kullanamamaktadır.⁠^[5]

Örneğin bitkiler azotu ancak bağlanmış biçimde alabilmektedir. Bağlanmış azot, nitrat (NO₃⁻) iyonu, amonyum (NH₄⁺) iyonu veya üre gibi bileşiklerin içine girmiş azottur. Hayvanlar ise azotlu bileşiklerini bitkileri veya bitkilerle beslenmiş hayvanları yiyerek edinmektedir.

Azot Fiksasyonu

Azot fiksasyonu (İng: "nitrogen fixation"), havadaki azot gazının canlıların kullanabileceği bağlanmış biçimlere çevrilmesidir. Bu dönüşüm kolay değildir. Nitekim azot moleküllerini parçalamak için bir şimşeğin taşıdığı çok büyük enerji veya canlı hücrelerde bol miktarda ATP harcanması gerekmektedir. ATP, hücrelerin enerji taşımak için kullandığı moleküldür. Biyolojik yoldan azot bağlama yeteneği ise sadece belirli bakteri ve arkelerde bulunmakta, buna karşın bitkiler ve hayvanlar bu yetenekten tümüyle yoksun kalmaktadır.

Azot bağlayıcı bakterilerin (İng: "nitrogen-fixing bacteria") bir kısmı toprakta serbest olarak yaşamaktadır. Bunun yanı sıra bazı siyanobakteriler de azot bağlamaktadır. Hatta pirinç tarlaları gibi yarı sucul ortamların verimliliğini korumak için azot bağlayan siyanobakteriler vazgeçilmezdir. Siyanobakteriler, fotosentez yapabilen bakterilerdir. Biyolojik bağlamanın ilk kararlı ürünü olan amonyak (NH₃) hücrede uzun süre serbest kalmamakta, hızla proteinlerin ve başka organik azot bileşiklerinin yapısına katılmaktadır. Havadan alınan azot, bu yolla canlının kendi molekülleri arasına girmektedir.

Evrim Ağacı

Biyolojik azot fiksasyonunun en iyi araştırılmış örneği, baklagiller ile Rhizobium cinsi bakteriler arasındaki birlikteliktir.⁠^[6] Baklagiller fasulye, nohut ve mercimek gibi bitkileri kapsayan gruptur. Bu ilişkide iki ortak da kazançlıdır. İki tarafın da yarar gördüğü bu tür simbiyotik ilişkilere mutualizm denmektedir. Simbiyoz, iki farklı türün uzun süre yakın bir birliktelik içinde yaşamasıdır. Bakteriler köke girdikten sonra kökün korteks hücreleri hızla bölünmeye başlamakta ve nodül (İng: "root nodule") adı verilen yapıları oluşturmaktadır. Korteks, kökün dış kabuğu ile merkezindeki iletim dokusu arasında kalan doku katmanıdır. Bakteriler de bu nodüllerin hücrelerinde hızla çoğalmaktadır.

Nodüllerde yaşayan bakteriler azotu amonyağa çevirmek için büyük miktarda ATP'ye gereksinim duymakta, baklagil de bakterilerin bu ATP'yi üretebilmesi için gereken besinleri sağlamaktadır. Ancak işin bir de kimyasal bir engeli vardır. Azot bağlamanın temel enzimi olan nitrojenaz oksijen tarafından güçlü biçimde baskılanmaktadır. Enzim, bir kimyasal tepkimeyi hızlandıran protein yapılı moleküldür. Bu ortaklıktan tarımda da yararlanılmakta ve baklagil tohumlarını uygun Rhizobium suşuyla aşılamak rutin bir uygulama olarak yürütülmektedir. Suş, aynı türün kalıtsal özellikleri bakımından ayırt edilebilen bir alt soyudur.

Azotun bağlanması için her zaman canlılara gerek yoktur. Bir şimşeğin taşıdığı yüksek enerji, havadaki azot moleküllerini parçalamakta ve azot atomlarının havadaki oksijenle birleşmesini sağlamakta, böylece azot oksitler oluşmaktadır. Bu oksitler yağmur suyunda çözünerek nitratlara dönüşmekte ve nitrat halinde yeryüzüne taşınmaktadır. Bu yola atmosferik bağlama adı verilmektedir. Burada su döngüsü ile azot döngüsü yine kesişmektedir. Bunun nedeni, şimşeğin bağladığı azotu toprağa indirenin yağmur olmasıdır.

Amonifikasyon ve Nitrifikasyon

Bağlanmış azot canlılar öldüğünde veya atık bıraktığında yeniden toprağa dönmektedir. Burada ayrıştırıcı mikroorganizmalar dışkıdaki ve ölü organizmalardaki molekülleri amonyağa parçalamaktadır. Bu dönüşüme amonifikasyon denmektedir. Organik dokuyu bu sırada çeşitli mantarlar ile hücre çekirdeği bulunmayan bakteri ve arke gibi canlılar olan prokaryotlar ayrıştırmaktadır.⁠^[15] Bitkiler oluşan amonyağı, genellikle kökleri aracılığıyla, doğrudan da alabilmektedir.

Amonyağın bir kısmı ise başka bir yola girmektedir. Toprakta yaşayan bazı bakteriler amonyağı önce nitrite, ardından nitrata yükseltgemektedir. Bu olaya nitrifikasyon (İng: "nitrification") denmektedir. İlk adımı Nitrosomonas cinsi bakteriler yürütüp NH₃'ü nitrite (NO₂⁻) çevirirken, ikinci adımda Nitrobacter cinsi bakteriler nitriti nitrata (NO₃⁻) yükseltgemektedir. Yani nitrifikasyon, iki farklı bakteri grubunun art arda çalıştığı bir bayrak yarışı olarak anlatılmaktadır. Ancak bu anlatımın önemli bir istisnası yanılgılar bölümünde ele alınmaktadır.

Nitrifikasyon bakterileri bütün enerji gereksinimlerini bu yükseltgeme tepkimelerinden karşılamaktadır. Nitrifikasyon bakterileri kemoototroftur. Nitrifikasyonun çoğu oksijenli koşullarda gerçekleşmektedir. Bu işi sadece prokaryotlar yürütmektedir. Üstelik oluşan nitrat bitkilerin köklerinden aldığı bağlanmış azotun önemli biçimlerinden biri olduğu için nitrifikasyon bakterileri hem kendi enerjilerini kazanmakta hem de bitkilerin kullanacağı azotu hazırlamaktadır. Karbon döngüsü anlatılırken sözü edilen kemoototrofların bir örneği de bu bakterilerdir.

Denitrifikasyon ve Anammox

Döngünün son halkası azotu yeniden atmosfere göndermektedir. Denitrifikasyon (İng: "denitrification"), nitrat ve nitritin azot gazına indirgenmesidir. Böylece atmosferdeki azot yenilenmektedir.⁠^[5] İndirgenme, yükseltgenmenin tersi olarak bir molekülün elektron kazanmasıdır. Denitrifikasyon bakterileri, oksijensiz koşulların bulunduğu derin toprak katmanlarında ve sucul tortularda yaşamaktadır. Yani denitrifikasyon, azot fiksasyonuyla havadan çekilen azotu atmosfere iade eden akılardan biridir.

Oksijensiz bir ortamda yaşamak, bu bakterilerin solunumunu farklı kılmaktadır. Bu bakteriler oksijen yerine nitratı son elektron alıcısı (İng: "final electron acceptor") olarak kullanmaktadır. Solunumda besinlerden koparılan elektronlar bir zincir boyunca aktarılıp zincirin sonunda bir maddeye teslim edilmektedir. İnsan hücrelerinde bu madde oksijendir. Oksijen dışındaki bir maddenin son elektron alıcısı olduğu bu tür solunuma oksijensiz solunum (anaerobik solunum) denmektedir.

Azotun gaza dönüştüğü tek yol denitrifikasyon değildir. Anammox adı verilen süreçte bazı bakteriler amonyumu (NH₄⁺) oksijensiz ortamda nitritle yükseltgemektedir. Sürecin adı, İngilizcede amonyumun oksijensiz yükseltgenmesi anlamına gelen ifadeden türetilmiştir. Bu tepkimede nitrit elektron alıcısı, ürün ise yine azot gazı olduğu için amonyumdaki azot nitrata dönüşmeden de atmosfere geri dönebilmektedir. Böylece anammox, azotun havaya dönüşü için uzun yolun yanında daha kısa bir yol açmaktadır. Bu tepkimenin atomları koruyup korumadığı, ilerideki çözümlü örnekte atomlar sayılarak sınanmaktadır.

Evrim Ağacı

Su Döngüsünün Aşamaları Nelerdir?

Su döngüsü (İng: "water cycle"), suyun Dünya üzerinde nerede bulunduğunu ve nasıl hareket ettiğini açıklayan modeldir. Suyun depoları okyanuslardan buzullara, yeraltındaki kayaç gözeneklerine kadar uzanırken, akıları buharlaşmadan yağışa, yüzey akışından yeraltı suyunun kaynaklardan çıkmasına kadar süreçleri kapsamaktadır. Karbon ve azottan farklı olarak su, bu yolculukta kimyasal kimliğini koruduğu için değişen şey suyun molekül yapısı değil, bulunduğu yer ve halidir. Yine de depo ve akı kavramları, öteki döngülerde olduğu gibi burada da aynı biçimde işlemektedir.

Su döngüsünü öteki döngülerden ayıran bir özellik daha vardır. Bu özellik, suyun başka kimyasal maddeleri taşıyan ve dönüştüren bir etken olmasıdır. Örneğin yağmur suyu havadaki karbonu karbonik asit, azot oksitleri de nitrat halinde yeryüzüne indirirken akarsular kıtalardan ayrışan fosforu okyanuslara taşımaktadır. Bu nedenle su döngüsü, besin maddelerinin ve enerjinin taşınmasında ve döngüsünde önemli bir rol oynamaktadır.⁠^[10] Hatta tarlalardan yıkanan gübreler de göllere su yoluyla ulaşmaktadır.

Suyun Depoları

Su atmosferde, yer yüzeyinde ve yeraltında depolanmaktadır. Bu depolarda su sıvı, katı veya gaz halinde bulunabilmektedir. Dünya'daki bütün suyun %96'sı okyanuslardadır.⁠^[8] Yani göller, akarsular, buzullar, yeraltı suyu ve atmosferdeki su, toplamın kalan %4'ünü paylaşmaktadır. Ne var ki okyanus suyu tuzlu olduğu için insanların ve kara canlılarının doğrudan kullanabileceği tatlı su, bu küçük payın içinde aranmaktadır.

Tatlı su göllerde, yapay rezervuarlarda, akarsularda ve sulak alanlarda sıvı halde depolanırken buz tabakaları, buzullar ve kar örtüsü suyun donmuş depolarıdır. Rezervuar, suyun biriktirildiği doğal veya yapay haznedir. Ayrıca yeraltında da su bulunmaktadır. Akifer denen kayaç katmanlarındaki yeraltı suyu kayaçların çatlaklarında ve gözeneklerinde durmaktadır. Bu su bir yeraltı gölü biçiminde değil, kayacın içindeki küçük boşlukları dolduran su olarak bulunmaktadır. Bir süngerin içindeki su, bu durumu anlamak için iyi bir benzetmedir.

Hal Değişimleri

Su döngüsündeki akıların bir kısmı suyun yerini, bir kısmı da halini değiştirmektedir. Bu hal değişimleri, suyun sıvı, buhar ve buz arasındaki geçişleridir. Su atmosfer ile yüzey arasında buharlaşma, evapotranspirasyon ve yağış yoluyla taşınmaktadır. Bunlardan evapotranspirasyon, yüzeyden buharlaşma ile bitkilerin terlemesini birlikte kapsayan akının adıdır. Buharlaşma (İng: "evaporation") sıvı suyun su buharına dönüşmesi, terleme (İng: "transpiration") ise sıvı suyun bitki yapraklarından buharlaşmasıdır.⁠^[9]

Yoğuşma (İng: "condensation"), su buharının yeniden sıvıya dönüşmesidir. Bulut damlacıkları ile yerdeki çiy bu yolla oluşmaktadır. Süblimleşme kar veya buzun erimeden doğrudan su buharına dönüşmesi, kırağılaşma ise su buharının önce sıvılaşmadan doğrudan buza dönüşmesi olduğu için kar örtüsüyle buzul gibi donmuş depolar ile atmosfer arasındaki alışverişte bu iki yol, suyun sıvı hale hiç uğramadan yer değiştirmesini sağlamaktadır.

Yağış, Akış ve Yeraltı Suyu

Yağış (İng: "precipitation"), atmosferde yoğuşmuş suyun yağmur, kar veya başka biçimlerde yeniden yeryüzüne düşmesidir. Ancak su, yağmadan önce de uzun yollar katedebilmektedir. Su atmosferde sıvı, buz veya buhar halinde taşınabilmektedir. Gökyüzünde ilerleyen bulutlar da bu taşınmanın görünür bir örneğidir.

Yere ulaşan su farklı yollar izlemektedir. Su yüzeyde kar erimesi, yüzey akışı ve akarsu akışıyla yer değiştirmekte, bir kısmı ise toprağa girmektedir. Yüzeydeki suyun toprağa girmesine sızma, toprağa giren suyun aşağıya, yeraltı suyuna doğru ilerlemesine ise perkolasyon denmektedir. Akiferler bu yolla beslenmektedir.⁠^[9] Bu akıya yeraltı suyu beslenmesi adı verilmektedir.

Evrim Ağacı

Yeraltına inen su da döngünün dışında kalmamaktadır. Yeraltı suyu akarsulara ve okyanusa karışarak veya kaynaklardan yüzeye çıkarak doğal yollarla boşalabilmektedir. Bütün bu hareketin iki itici gücü vardır. Güneş'ten gelen enerji suyu buharlaştırıp atmosfere taşırken yerçekimi suyu yağış ve akış halinde aşağıya, okyanuslara ve akiferlere doğru çekmektedir. Böylece su döngüsü, Güneş'in suyu yukarı kaldırdığı, yerçekiminin de aşağı indirdiği iki yönlü bir çark olarak düşünülebilmektedir.

Fosfor Döngüsü

Fosfor döngüsü (İng: "phosphorus cycle"), fosforun kayaçlar, toprak, su, canlılar ve okyanus tortuları arasındaki dolaşımıdır. Fosfor canlıların temel moleküllerinde yer almaktadır. Hücrelerde enerjinin depolanması ve sağlanmasında görev yapan ATP (adenozin trifosfat) molekülünün yapısında fosfor bulunmaktadır. Fosfor ayrıca DNA ve RNA'nın önemli bir bileşenidir. Ayrıca fosfor, kemiklerin ve dişlerin başlıca bileşenlerinden biridir.

Fosforu öteki döngülerden ayıran özellik, havaya karışan belirgin bir biçiminin olmamasıdır. Günümüzdeki koşullarda fosfor atmosferde gaz fazına geçmediği için fosforun jeokimyası kayaç ile su arasındaki etkileşimlere dayanmaktadır.⁠^[12] Jeokimya, elementlerin yer kabuğundaki ve sulardaki dağılımını ve tepkimelerini inceleyen bilim dalıdır. Karbon ve azot havadan alınıp yeniden havaya verilmektedir. Fosforun ise dolaşımı kayaçtan suya, sudan canlıya ve sonunda yeniden kayaca uzanan bir yoldan geçmektedir.

Kayaçtan Canlıya

Yer kabuğunda fosfor taşıyan en önemli mineraller apatit grubundadır. Mineral, doğada kendiliğinden oluşan, belirli bir kimyasal bileşimi ve düzenli bir iç yapısı olan katı maddedir. Fosfatlı birikintilerin ayrışması fosfatları, yani bir fosfor atomunun dört oksijen atomuna bağlanmasıyla oluşan iyonları, toprağa ve sucul ekosistemlere bırakmaktadır. Ayrıca madencilik bu ayrışmayı zaman zaman hızlandırmaktadır. Toprağa veya suya geçen fosfat, yeşil bitkiler gibi üreticiler tarafından alınabilmektedir.⁠^[13] Üreticiler, kendi besinini üreterek besin zincirinin tabanını oluşturan canlılardır.

Mikroorganizmalar da fosfat taşıyan minerallerin kimyasal ayrışmasını ve dolaylı olarak fiziksel ayrışmasını artırarak bu süreci hızlandırmaktadır. Örneğin pek çok mikroorganizma grubunun ortama salgıladığı proton ve organik asitler, mineraldeki fosfatı çözünür hale getiren mekanizmalar arasındadır. Proton, artı yüklü hidrojen iyonudur ve ortamı daha asidik hale getirmektedir.

Bitkiler fosfat alımında mantarlardan da yardım almaktadır. Mikoriza, bir mantar ile bitki kökü arasında kurulan ortaklığa verilen addır. Arbüsküler mikoriza mantarları bitkinin başta fosfat olmak üzere besin alımını artırmakta, karşılığında da bitkiden karbonhidrat ve lipit almaktadır. Ardından fosfor besin zinciri boyunca ilerlemektedir. Otçullar bu fosforun önemli bir kısmını bitkileri yiyerek almaktadır.

Canlıdan Okyanus Tabanına

Bitkiler ve hayvanlar öldüğünde fosfor ayrıştırıcılar aracılığıyla çözünmüş organik bileşikler halinde toprağa ve suya dönmekte, ardından bakteriler bu organik bileşikleri parçalayarak döngüye yeniden katılabilen inorganik fosfatlara çevirmektedir. Mikroorganizmalar, çürüyen ölü biyokütlede başka türlü erişilemeyen organik fosforlu bileşiklere enzimlerle saldırarak fosfatı yeniden serbest bırakmaktadır. Biyokütle, canlıların veya canlılardan kalan maddenin toplam kütlesidir. Bu sayede aynı fosfat kayaca dönmeden önce yeniden bir bitkiye geçebilmektedir. Karada bu yolla kısa bir fosfor dolaşımı bulunmaktadır.

Fosforun bir kısmı ise karadaki bu kısa dolaşımdan kaçmaktadır. Kıtalarda aşınan ve ayrışan fosfor akarsularla okyanuslara taşınmaktadır. Akarsuların çoğunlukla parçacık halinde getirdiği bu fosfat, kıtalardan okyanuslara ulaşan en büyük fosfor akısını oluşturmaktadır.⁠^[12] Sonuçta okyanusa ulaşan fosfor, kıtaların kıyıdan başlayıp denizin altında sığ biçimde uzanan kenar kesimleri olan kıta sahanlıklarında ve derin denizlerde tortulara gömülmektedir.

Gömülen fosforun yeniden canlılara ulaşması çok uzun süren jeolojik süreçlere bağlıdır. İlk olarak tortular birikmekte ve yer kabuğunun derinliklerine dalmaktadır. Tortul kayaçlar üst mantoda erimekte, ardından yanardağ etkinliği veya tektonik yükselme sırasında magmatik kayaç olarak yeniden oluşmaktadır. Manto yer kabuğunun altındaki kalın ve sıcak kayaç katmanı, magmatik kayaç ise erimiş kayacın soğuyup katılaşmasıyla oluşan kayaçtır. Son olarak yeryüzüne çıkan bu kayaçların ayrışması, fosforu yeniden toprağa ve suya bırakarak döngüyü tamamlamaktadır.

Evrim Ağacı

Kükürt Döngüsü

Kükürt, proteinleri oluşturan yapı taşları olan amino asitlerin bazılarının temel bileşenlerinden biri olduğu için canlıların proteinlerinde kükürde de yer vardır. Yeşil bitkiler kükürdü sülfat biçiminde alıp proteinlerinin yapısına katmaktadır. Kükürt döngüsü hava, toprak ve suyu birbirine bağlayan, hem tortul bir deposu hem de bundan daha küçük bir atmosferik deposu bulunan bir döngüdür. Bu döngü fosfor döngüsünü de doğrudan etkilemektedir. Tortularda demir sülfürler oluştuğunda fosfor bitkilerin kullanabileceği hale gelmektedir.⁠^[13]

Kükürdün biçim değiştirmesinde de mikroorganizmalar rol oynamaktadır. Oksijensiz ortamlarda yaşayan bazı mikroorganizmaların sülfatı (SO₄²⁻) indirgemesiyle oluşan hidrojen sülfür gazı (H₂S), hem kükürdün tortul depodan atmosferik depoya geçebileceği yollardan birini oluşturmakta hem de yukarı doğru hareket ederken kükürdü tortunun daha sığ katmanlarındaki öteki canlılar için kullanılabilir hale getirmektedir. Bunun yanı sıra insan etkinlikleri de bu döngüye müdahale etmektedir. Örneğin kükürt içeren fosil yakıtların yakılması, bazı bölgelerde atmosferdeki kükürtdioksit (SO₂) miktarını çarpıcı biçimde artırmıştır. Atmosferdeki kükürtdioksit nemle tepkimeye girerek sülfürik asit oluşturmaktadır.

Döngü Modelini Sayılarla Sınamak

Bir döngü şeması, ancak depoları ve akıları sayılarla doldurulduğunda sınanabilir bir modele dönüşmektedir. Bu sayıların bir kısmı doğrudan ölçümden, bir kısmı da hesaplardan ve modellerden gelmektedir. Nicel modeller, ölçülebilen değişkenlere ve bazı basitleştirmelere dayanmaktadır. Nicel model, bir olguyu sayılarla ve hesaplanabilir ilişkilerle anlatan modeldir. Örneğin okulda çizilen bir su döngüsü şeması nitel bir modeldir. Aynı şemanın oklarına su miktarları yazıldığında ise şema nicel bir modele dönüşmektedir.

Bu bölümde gerçek ölçümler, üç çözümlü hesap ve bu modellerin yanlış okunabilen yerleri bir arada ele alınmaktadır. Her basitleştirmenin bir sınırı vardır. Bir şemayı veya hesabı okurken neyin ölçüldüğünü, neyin varsayıldığını ve neyin dışarıda bırakıldığını ayırt etmek gerekmektedir. Aynı sayı, ölçülmüş bir değer olarak okunduğunda başka, bir varsayımın sonucu olarak okunduğunda başka bir anlam taşımaktadır.

Ölçümler ve Kütle Dengesi Hesapları

Atmosferdeki karbondioksidin düzenli ölçümü, karbon döngüsünü sayılarla izlemenin yollarından biridir. C. D. Keeling, 1960'ta yayımladığı makalede, Antarktika, Hawaii ve Kaliforniya'daki istasyonlarda karbondioksit derişimini sürekli ölçtüğü bir araştırmanın sonuçlarını raporlamıştır. Derişim, bir maddenin belirli bir hacimdeki miktarıdır. Keeling ayrıca çeşitli yerlerde cam şişelere toplanan hava örneklerini laboratuvardaki dördüncü bir çözümleyiciyle incelemiştir. Araştırma, Kuzey Yarımküre'de atmosferdeki karbondioksidin derişiminin ve izotop bolluğunun mevsime ve enleme göre sistematik olarak değiştiğini ortaya koymuştur.⁠^[4] İzotoplar, aynı elementin nötron sayısı farklı olan atomlarıdır.

Su döngüsünde çok ölçekli bir yaklaşım kullanılmaktadır. Su döngüsünün depoları ve akıları, uydu görüntülerinden yağışölçerlere ve akarsu akım ölçümlerine kadar farklı yöntemlerle ve farklı ölçeklerde izlenmektedir. Uydu geniş bir alanı görebilirken, bir yağışölçer sadece bulunduğu noktaya düşen yağmuru kaydetmektedir.

Kütlenin korunumu en küçük ölçekte bir tepkimenin iki tarafındaki atomlar sayılarak sınanabilmektedir. Yöntem basittir. Bir tepkime denklemi bir döngü modelinin tek bir okunu temsil ettiği için bu okun iki ucundaki atom sayıları tutmadığında model daha ilk adımda madde yaratmış veya yok etmiş olmaktadır. Bu bağlamda anammox tepkimesi, bu denetimi adım adım göstermek için bir örnektir.

Çözümlü örnek 1: Anammox tepkimesinde atomlar korunmakta mıdır?

Verilenler: Anammox sürecinin basitleştirilmiş tepkimesi aşağıdaki gibidir ve katsayıları sırasıyla 1, 1, 1 ve 2'dir:⁠^[7]

İstenen: Tepkimenin sol ve sağ tarafındaki azot (N), hidrojen (H) ve oksijen (O) atomlarının sayısı ve bu sayıların eşit olup olmadığı.

1. adım: Sol taraftaki iki türün katsayısı 1 olduğu için atomlar formüllerdeki alt simgelerden doğrudan sayılmaktadır:

2. adım: Sağ tarafta suyun katsayısı 2 olduğu için sudaki her atom ikiyle çarpılmaktadır:

3. adım: İki tarafın sayıları her element için ayrı ayrı karşılaştırılmaktadır:

Sonuç: Tepkimenin iki tarafında da 2 azot, 4 hidrojen ve 2 oksijen atomu bulunmaktadır. Dolayısıyla denklem kütlenin korunumuyla uyumludur. Suyun önündeki 2 katsayısı atom sayımına yansıtılmazsa sağ tarafta 2 hidrojen ile 1 oksijen sayılmakta ve denklem yanlış biçimde dengesiz görünmektedir.

Aynı korunum mantığı bir bölgenin suyuna da uygulanabilmektedir. Su bütçesi, sınırları belirlenmiş bir alana giren suyun, alandan çıkan suyun ve alandaki depolamada yaşanan değişimin birlikte nicelendirilmesidir. Neyin "giriş", neyin "çıkış" olduğu, sınırın nereden geçtiğine bağlıdır. Örneğin bir akarsu, havzanın içinde akarken bir iç akıdır. Havzanın sınırını geçtiğinde ise bütçe için bir çıkışa dönüşmektedir. Havza, yağış sularının toplanıp aynı akarsuya veya göle aktığı alandır.

Evrim Ağacı

Çözümlü örnek 2: Bir bölgeye düşen yağışın ne kadarı atmosfere geri dönmektedir?

Verilenler: ABD'nin birbirine bitişik eyaletlerine 2010 ile 2020 arasındaki su yıllarında yağışla ortalama yaklaşık 5.000 milyar galon/gün su girmektedir. Bu yağışın yaklaşık %63'ü evapotranspirasyonla atmosfere dönmekte, %25'i akarsu akışı olarak ülke dışına veya denizlere gitmekte, %2'si tüketimli kullanıma gitmekte, %10'u ise yüzeyde veya yeraltında depolanmaktadır.⁠^[11] Galon bir hacim birimidir ve Ggal/gün kısaltması "milyar galon/gün" anlamına gelmektedir.

İstenen: Evapotranspirasyonla atmosfere dönen günlük su miktarı ve dört kalem toplandığında yağış girdisine ulaşılıp ulaşılmadığı.

1. adım: Yüzde, girdinin bir kesri olduğu için yağış girdisi 0,63 ile çarpılmaktadır:

2. adım: Öteki üç kalem de aynı yolla, kendi oranlarıyla hesaplanmaktadır:

3. adım: Kütle dengesi kurulmuşsa çıkışlar ile depo değişiminin toplamı girdiye eşit olmalıdır:

Sonuç: Yağışın yaklaşık 3.150 milyar galon/günü evapotranspirasyonla atmosfere dönmektedir. Dört kalemin toplamı girdiye eşittir. Bu değer yaklaşık oranlarla bulunmuş, bölgesel ve tarihsel bir sonuç olduğu için bütün Dünya için geçerli bir oran olarak okunmamalıdır.

Sık Yapılan Model Yanılgıları

Bir yanılgı, su döngüsünü madde döngülerinin yanında ayrı bir kategori olarak görmektir. Oysa su döngüsü de bir madde döngüsüdür. Madde döngüleri sınıflandırılırken su, azot, oksijen ve karbonla birlikte gazlı döngüler arasında yer almaktadır.⁠^[1] Suyu bu tablonun dışında tutmak, azotu ve fosforu tarlalardan göllere taşıyan akının da su olduğunu gözden kaçırmaya yol açabilmektedir. Üstelik su, başka kimyasal maddelerin taşınmasında ve dönüşmesinde rol oynamaktadır.

İkinci yanılgı, su döngüsünü buharlaşma, yoğuşma ve yağıştan oluşan basit bir çember sanmaktır. Bu çember yararlı bir başlangıç modelidir. Fakat gerçek su döngüsü çok daha karmaşıktır. Örneğin çemberde terleme, süblimleşme, sızma, yeraltı suyu beslenmesi ve boşalımı gibi akıların hiçbiri görünmemektedir.

Bu eksik, gündelik bir yanlış sonuca da kapı açmaktadır. Suyun döngü yapması, kullanılabilir tatlı suyun tükenmez olduğu anlamına gelmemektedir. Ayrıca hız da önemlidir. Bazı kaynakların, örneğin yeraltı sularının, yeniden dolması uzun zaman aldığı için tatlı su kaynaklarından su yenilendiğinden daha hızlı çekilirse kaynak azalabilmekte, hatta tükenebilmektedir.

Azot döngüsünde bir genelleme, nitrifikasyonun her zaman iki farklı organizma gerektirdiğidir. Nitrosomonas ve Nitrobacter örneği ilk bakışta bu genellemeyi desteklemektedir. Ancak 2015'te iki araştırma grubu, Nitrospira cinsindeki bazı bakterilerin iki basamağı da tek başına yürütebildiğini bildirmiştir. Bu yeteneğe, tam amonyak yükseltgenmesi anlamına gelen İngilizce ifadenin kısaltmasıyla comammox denmektedir. Yine de iki basamaklı model nitrifikasyonun kimyasını hala doğru anlatmaktadır. Ancak yanlış olan, iki basamağın mutlaka iki ayrı canlıya dağıtıldığı varsayımıdır.

Anammox için de iki yanlış okuma bulunmaktadır. Birincisi, anammox bakterilerinin nitrit yerine nitratı da elektron alıcısı olarak kullanabileceğini varsaymaktır. Bu varsayım yanlıştır. Bu bakteriler enerji elde ettikleri tepkimelerde elektron alıcısı olarak sadece nitriti kullanabilmektedir.⁠^[7] İkincisi, sadece azot gazı ve su gösteren tepkimeyi bakterinin bütün metabolizması sanmaktır. Büyümeyi de içeren ayrıntılı modelde bakteri, biyokütle üretmek için karbondioksiti indirgemekte ve bu indirgeme nitritin nitrata yükseltgenmesine dayanmaktadır. Oysa çözümlü örnek 1'deki denklem büyümenin bu ayrıntılarını içermemektedir.

Fosforun gaz fazının olmaması da yanlış okunabilmektedir. Bundan, atmosferin fosfor döngüsünde hiçbir rol oynamadığı sonucunu çıkarmak hatalıdır. Aslında kıtalarda aşınan ve ayrışan fosfatın okyanuslara ulaşmasında akarsular başlıca yol olsa da daha küçük bir kısmı rüzgarla taşınmaktadır. Fosfor bu yolculukta havada gaz olarak değil, çoğunlukla parçacık halinde ilerlemektedir. "Gaz fazı yok" ifadesi, fosforun havaya hiç karışmadığını değil, havada gaz olarak bulunmadığını anlatmaktadır.

Son olarak ölçümlerin ve modellerin sınırları da gözden kaçabilmektedir. Keeling, 1960 tarihli makalesinde mevsimsel değişime dair sonuçlarının görece az sayıda izotop ölçümüne dayandığını ve bu yüzden geçici sayılması gerektiğini açıkça belirtmiştir.⁠^[4] Benzer şekilde ulusal su bütçesindeki akı değerleri de doğrudan ölçümlerin tek başına sonucu değildir. Bu değerler model benzetimlerinden ve bilimsel yayınlardaki değerlerden türetilmiştir.⁠^[11] Çözümlü örnek 2'deki 3.150 milyar galon/gün de bu türetilmiş değerlerden hesaplanmıştır.

Evrim Ağacı

İnsan Etkinliklerinin Döngülere Etkisi

İnsan etkinlikleri madde döngülerini iki farklı yoldan etkilemektedir. Bazı etkinlikler döngüye daha önce bulunmayan yeni akılar eklerken bazıları var olan akıları hızlandırmakta, yavaşlatmakta veya yönünü değiştirmektedir. Sonuçta iki durumda da depolar arasındaki dağılım değişmektedir. Örneğin fosil yakıt yakmak, milyonlarca yıldır yerin içinde tutulan karbonu atmosfere vermektedir. Öte yandan bir baraj, suyu depolayarak var olan bir akarsu akısını değiştirmektedir.

Kütle dengesi açısından bakıldığında bir depoya giren akı artarken çıkan akı aynı ölçüde artmıyorsa bu depoda madde birikmektedir. İnsan etkisini incelemek, hangi akının değiştiğini ve bu değişimi hangi deponun karşıladığını ayırmayı gerektirmektedir. Örneğin atmosfere giren karbon artarken okyanusun ve bitkilerin aldığı karbon aynı ölçüde artmıyorsa, aradaki fark atmosferde kalmaktadır.

Fosil Yakıtlar ve Ormansızlaştırma

Fosil yakıtların (kömür, petrol ve doğal gaz) yanması, milyonlarca yıldır yerin içinde tutulan karbonu yeniden atmosfere vermektedir.⁠^[3] 2009'da insanlar fosil yakıt yakarak atmosfere yaklaşık 8,4 milyar ton karbon vermiştir. Her yıl bu salımın yaklaşık yarısı hızlı karbon döngüsü tarafından atmosferden uzaklaştırılmaktadır. Bu iki bilgi, basit bir kütle dengesi hesabı kurmak için yeterlidir.

Çözümlü örnek 3: 2009 salımının ne kadarı hızlı döngüyle uzaklaştırılmış olabilir?

Verilenler: 2009'da fosil yakıtların yanmasıyla atmosfere verilen yaklaşık 8,4 milyar ton karbon ve her yıl salımın yaklaşık yarısının hızlı karbon döngüsüyle uzaklaştırıldığı bilgisi.⁠^[2]

İstenen: Bu yaklaşık oran 2009'a uygulandığında hızlı döngünün uzaklaştırdığı karbon miktarı ve uzaklaştırılmayan kısım.

1. adım: "Yaklaşık yarısı" ifadesi kesin bir ölçüm değil, bir oran olduğu için modele yaklaşık bir çarpan olarak girmektedir:

2. adım: Uzaklaştırılan miktar, salımın bu oranla çarpılmasıyla bulunmaktadır:

3. adım: Kütle dengesine göre uzaklaştırılmayan kısım, toplam salımdan uzaklaştırılan miktar çıkarılarak bulunmaktadır:

Sonuç: Bu model hesabına göre 2009 salımının yaklaşık 4,2 milyar tonu hızlı döngüyle uzaklaştırılmış, yaklaşık 4,2 milyar tonu ise bu yolla uzaklaştırılmamıştır. Sonuç, her yıl için geçerli yaklaşık bir oranın tek bir yıla uygulanmasıyla bulunmuştur. Bu yüzden ölçülmüş bir değer değil, yaklaşık bir tahmindir.

Karbon döngüsünü değiştiren tek etkinlik yakıt yakmak değildir. Bir orman kesildiğinde, büyürken atmosferden karbon alacak bitkiler de ortadan kalkmaktadır. Bu nedenle ormanlık alanların kesilerek veya yakılarak başka kullanımlara açılması anlamına gelen ormansızlaştırma, hızlı döngünün havadan karbon çeken kolunu zayıflatmaktadır. Öte yandan okyanus da bu değişimden etkilenmektedir. Okyanustaki fazla karbon suyu daha asidik hale getirmekte ve deniz yaşamını tehlikeye atabilmektedir.

Gübreler ve Ötrofikasyon

İnsanlar azot döngüsüne sanayi bağlaması denen bir yol da eklemiştir. Bu yöntemde atmosferdeki azot, genellikle doğal gaz veya petrolden elde edilen hidrojenle birleştirilerek amonyak üretilmektedir. Amonyak doğrudan gübre olarak kullanılabilmektedir. Böylece biyolojik bağlama ve şimşek gibi doğal yolların yanına, insanın yürüttüğü üçüncü bir azot fiksasyonu yolu eklenmiştir. Benzer şekilde fosfor döngüsünde de bir hızlanma yaşanmaktadır. Yüksek kaliteli fosfat kayaçlarından mineral gübreler ile hayvan yemi katkıları üretilmesi fosforun canlılar arasındaki akışını hızlandırmaktadır.

Ne var ki toprağa verilen gübrelerin hepsi bitkilerde kalmamaktadır. Tarım ve kent alanlarında sulama suyu ile yağış, gübreleri ve tarım ilaçlarını (pestisitleri) akarsulara ve yeraltı suyuna taşıyabilmektedir. Örneğin azotlu gübrelerin bitişik tarlaların ve çim alanlarının toprağından yıkanması, göl ve akarsulardaki alg patlamalarına katkıda bulunabilmektedir. Alg patlaması, sudaki alglerin kısa sürede aşırı çoğalmasıdır. Aynı şekilde tarlalardaki fazla fosfatın yüzey akışı ve yıkanmayla taşınması da ötrofikasyona (İng: "eutrophication") yol açabilmektedir. Ötrofikasyon, sulara karışan fazla besin maddelerinin göllerde ve kıyı denizlerinde oksijensizlik tehlikesi doğurduğu süreçtir.

Evrim Ağacı

Hangi besin maddesinin bu süreçte belirleyici olduğu, göl ölçeğinde deneylerle sınanmıştır. Bütün ekosistem deneyi, bir laboratuvar kabı yerine gölün tamamının deney ortamı olarak kullanıldığı deneydir. Lake 227 adlı gölde 37 yıl süren bir bütün ekosistem deneyinin son 16 yılında, 1990'dan 2005'e kadar, göl sadece fosforla gübrelenmiştir. Buna rağmen göl yüksek derecede ötrofik kalmıştır.⁠^[14] Araştırmacılar bu sonuca dayanarak göllerde ötrofikasyonun azot girdisini azaltarak denetlenemeyeceğini ileri sürmüştür. Yine de bu bulgu tek bir gölde yürütülmüş bir deneyin gözlenen sonucudur ve her su ortamına aynen genellenmesi için başka gözlemler gerekmektedir.

Barajlar, Sulak Alanlar ve Su Bütçesi

Su döngüsünde insan etkisi doğrudan depolarda ve akışta görülmektedir. İnsanlar nehirlerin yönünü değiştirmekte, su depolamak için barajlar kurmakta ve yapılaşma için sulak alanları kurutmaktadır.⁠^[8] Sulak alan, bataklık ve sazlık gibi toprağın yıl boyunca veya yılın bir bölümünde suyla kaplı olduğu alandır. Bir baraj akarsu akısının bir kısmını yapay bir rezervuar deposuna çevirirken kurutulan bir sulak alan bir tatlı su deposunu ortadan kaldırmaktadır.

Bu değişiklikler su bütçesine doğrudan yansımaktadır. İnsan etkinlikleri, su bütçesinin belirli bileşenlerini ve bu bileşenler arasındaki su hareketini değiştirmiştir.⁠^[10] Örneğin bir havzanın bütçesi bir barajın yapımından önce ve sonra ayrı ayrı kurulursa, yağış girdisi aynı kalsa bile suyun depolar arasındaki dağılımının değiştiği görülebilmektedir.

Sonuç

Madde döngüleri, elementlerin korunarak ve canlıların ve mikroorganizmaların da rol aldığı dönüşümler aracılığıyla kayaçlar, su, hava ve canlılar arasında taşınmasıdır. Ancak bu taşınmanın dönüş yolları aynı hızda işlememektedir.

İnsan kaynaklı akılar ise tek bir yılda milyarlarca ton karbonu harekete geçirebilmektedir.

Hangi akının hangi depoyu değiştirdiğini ancak sınırları, depoları ve akıları açıkça tanımlanmış bir model gösterebilmektedir. Keeling'in istasyon ölçümleri de bir ülkenin su bütçesi de sınırları belirlenmiş sistemlere ait sayılar vermiştir. Sadece fosforla gübrelenen Lake 227'nin yüksek derecede ötrofik kalması da sınırları belli bir gölde gözlenmiş bir sonuçtur.⁠^[14] Bu anlamda aynı modeller, bir değerin ölçülmüş mü yoksa türetilmiş mi olduğunu ve bir şemanın hangi akıyı dışarıda bıraktığını sormayı da zorunlu kılmaktadır.