Besin Zincirleri ve Besin Ağları

Ekosistemlerdeki enerji akışı bir canlıdan diğerine besin zinciriyle saplanır Üreticiler besin zincirini fotosentezle güneş enerjisini yakalayarak başlatır, Otçullar bitkileri yiyerek enerjisini alır, etçiller ise otçullarda depolanmış enerjiyi alır. Besin zincirinin en sonunda diğer organizmaların vücut artıklarındaki organik molekülleri kullanan ayrıştırıcılar yer alır. Enerjinin bir organizmadan diğerine kademe kademe yol almasına, bir organizmadan diğerine geçişine Beslenme Kademesi “Trofik Seviye”denir. Trofik seviyelerin birbirini takip etmesi halinde Besin Zincirleri (Enerji Zincirleri) meydana gelir. Besin zincirinin her beslenme kademesinde termodinamiğin II. Kanununa göre faydalı enerjinin bir kısmı, ısı enerjisi şeklinde ziyan olur. Genel olarak enerjinin dönüşüm oranı % 10’dur. Geri kalan % 90’ı ya depolanır veya solunum sırasında yakılarak ısı enerjisi şeklinde kaybolur.

Madde ve Enerji Döngüsü

Besin Zincirleri 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.

Basit Besin Zinciri katil balina fok balık zooplankton plankton This is a representation of a simple, yet realistic food chain – Good at identifying plant/herbivore, prey/predator relationships plankton

Bütün Toplumların Trofik Seviyesi Vardır

Trofik Seviyeler Besin Zincirini Gösterir

Besin Zincirleri 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.

Çöl Ekosistemi Besin Ağı Besin Zincirinden Daha Gerçekçi Herbivor Koyun Fare Çöl Kaplumbağası Kumru Böcek Primer Üreticiler Çayır Kaktüs Kekik 1º Karnivor Kertenkele Yılan Doğan 2º Karnivor Kır Kurdu roadrunners Top Karnivor puma «Ya Mûsa! Biz bir türlü gıdaya elbette sabredemeyiz. Bizim için Rabbine dua et de yerin bitirdiği tere, hıyar, buğday, mercimek, soğandan Bizim için de çıkarsın yememize izin versin-Bakara 61

Besin ağı

Bu besin ağında yanlış olan ne ? Oooops ! Bu besin ağında yanlış olan ne ? 1. Üretici Yok. 2. Oklar ters yönü gösteriyor.

You Are What You Eat

İnsan Besin Zinciri

Ekolojik Piramitler Trofik Seviyelerin nispi enerji değeri grafiksel olarak ekolojik piramitlerde gösterilir. Üç tip piramit gösterimi vardır sayı piramidi, biyokütle piramidi ve enerji piramidi. Enerji piramidi, her kademedeki biyokütlenin kalorisini gösterir. Biyokütle ve enerji piramitlerinde her kademede fazla miktarda enerji ve biyokütle kaybı nedeniyle yukarıya çıktıkça küçülür. Her kademede biyokütle ve enerji % 90 oranında azalır. Sayı piramidinde de grafik gittikçe küçülür, örneğin zebralarla beslenen aslanların sayısı daha azdır. Fakat ayrıştırıcıların sayıları gösterildiğinde trofik seviyelerdeki birey sayısı artar. Örneğin tek bir ağaç binlerce böceği besleyebilir.

Trofik Seviyenin Yukarısındaki Bireyler Daha Az Enerji Alır

Biyomas

Sayı

Alan Gereksinimi

Ekosistemlerin Üretkenliği Yeşil itkilerin kullanılabilir besin enerjisi yapma hızına=Birim zamanda üretilen madde miktarına NET ÜRETİM denir. Birimi g/m2/yıl veya kcal/m2/yıl’dır. Bitkiler ürettiğinden çok daha fazla enerjiyi absorbe eder, buna BÜRÜT ÜRETİM denir Net Üretim (NÜ)= Bürüt Üretim (BÜ) – Solunum (S) Üretkenliği pek çok faktör etkiler Üretkenlik = Genotip + Çevre Faktörleri -Bazı Bitkiler diğerlerinden daha fazla fotosentez kapasitesine sahiptir -Güneş enerjisi miktarı, -Su ve mineral maddeler, -İklim Faktörleri -Toplumun olgunluk durumu -İnsanın etki derecesi (Sınırlandırıcı faktörler ortadan kalktığı sürece net üretim artar)

Biomas (Biyokütle): Herhangi bir sistemdeki organizmaların toplam ağırlığı. Bir metreküp sudaki fitoplanktonların gram olarak ağırlığı veya karada 1 metre alanda bitki materyalinin gram olarak ağırlığı.

Biyokütle

Farklı Ekosistemlerin Net Üretimi Yüksek Verimli Tropikal ormanlar, Haliçler, mercan resifleri, ılıman iklim ormanları, alüvyon ovalar 3000-7500 Kcal/m2/yıl Orta verimli Orta derecede yağış alan ormanlar, çayır alanları, tarım alanlarının çoğu, sığ göller 900-3000 Kcal/m2/yıl Az verimli Çayır alanları, dağ alanları, derin göller, kıta sahanlığındaki sular, bazı tarım alanları 300-900 Kcal/m2/yıl Çok az verimli Çöl ve tundralar, derin okyanuslar >500 Kcal/m2/yıl En verimli ekosistemler Tropikal Yağmur Ormanları görülmekle birlikte, buralar gıda maddesi üretim alanına dönüştürüldüğünde hızla çoraklaşmaktadır. Buralarda mineraller toprakta değil bitki örtüsünde tutulmaktadır.

Dünyada Net Primer Üretim

Bitkilerin güneş enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürme etkinliği, birim zamanda birim alanda üretilen bitkisel materyalin kalori cinsi ile 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.

Ekosistemelrin net primer üretimleri farklıdır Ekosistemelrin net primer üretimleri farklıdır. Dünyanın Net üretim miktarına katkıları da farklıdır Lake and stream Open ocean Continental shelf Estuary Algal beds and reefs Upwelling zones Extreme desert, rock, sand, ice Desert and semidesert scrub Tropical rain forest Savanna Cultivated land Boreal forest (taiga) Temperate grassland Tundra Tropical seasonal forest Temperate deciduous forest Temperate evergreen forest Swamp and marsh Woodland and shrubland 10 20 30 40 50 60 500 1,000 1,500 2,000 2,500 5 15 25 Percentage of Earth’s net primary production Key Marine Freshwater (on continents) Terrestrial 5.2 0.3 0.1 4.7 3.5 3.3 2.9 2.7 2.4 1.8 1.7 1.6 1.5 1.3 1.0 0.4 125 360 3.0 90 2,200 900 600 800 700 140 1,600 1,200 1,300 250 5.6 1.2 0.9 0.04 22 7.9 9.1 9.6 5.4 0.6 7.1 4.9 3.8 2.3 65.0 24.4 Figure 54.4a–c Percentage of Earth’s surface area (a) Average net primary production (g/m2/yr) (b) (c)

Bir Yılda Bağlanan Karbon Miktarı Bitki Grubu Alan (km2) Bağlanan C (kg/m2/yıl) Bağlanan C (kg/yıl) Orman 44x106 1.4 0.62x1014 Tarım alanı 23x106 0.91 0.21x1014 Çayır alanı 37x106 0.25x1014 Çöl 33x106 0.045 0.015x1014 Tundra–Buzul 22x106 0.02 0.005x1014 Toplam Kara 149x106 1.10x1014 Göl-Nehir 0.2x106 0.1 0.0002x1014 Okyanus 361x106 0.08 0.293x1014 Toplam Dünya 510x106 0.27 1.39x1014x1014

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.

Farklı Ekosistemlerde Brüt üretim ile Solunum Arasındaki İlişkiler Ototrofik Ekosistem Ü>S Tropikal Yağmur Orm. Genç Alg Kültürü Mercan resifi Olgun Orman Fotosenteteik Üretim İlk Orman Tarım alanı Çöller Oligotrofik Göller Ötrofik Göller Temiz Orman Akarsuları Heterotrofik EkosistemÜ<S Solunum

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 üretimini ve 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 mikroorganiz-malara 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; 1. Kara ekosisteminde toprak kurtları veya kırk ayaklar; su ekosisteminde çeşitli kurtlar ve yumuşakçalar gibi döküntü ile beslenen küçük hayvanlar. 2. 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.

Ayrıştırıcılar Aristotle, the great Greek philosopher, called earthworms the "intestines of the soil".

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.

Bürüt Üretim=Net Üretim + Solunum BÜ=ÇO2-ÇO3 Oksijen Ölçme Yöntemi Alg üretiminin belirlenmesi: 3 adet BOİ şişesi al, üretim miktarının belirleneceği derinlikten doldur. Şişelerden birini ışık geçirmez yap. Şeffaf şişelerden biri kontrol olsun. Kontrol şişesindeki O2 miktarını deney başlangıcında ölç. Diğerini siyah şişe ile suyun alındığı derinliğe bırak. 6-8 saat sonra O2 miktarını ölç. Siyah şişede sadece solunum, şeffaf şişede hem solunum hem fotosentez olmuştur. Bu şişelerde aşağıdaki O2 konsantrasyonları ölçülmüş olsun. BÜ, NÜ ve Solunum miktarlarını bulunuz? Solunum=ÇO1 – ÇO3 Net Üretim= ÇO2-ÇO1 Bürüt Üretim=Net Üretim + Solunum BÜ=ÇO2-ÇO3 Başlangıç üretim Solunum ÇO1 ÇO3 ÇO2 Çözünmüş Oksijen Miktarları ÇO1: 4 ÇO2: 6 ÇO3: 3 BÜ=ÇO2-ÇO3= 6-3=3 S= ÇO1-ÇO3= 4-3=1 NÜ=ÇO2-ÇO1=6-4=2

Mikroorganizmaların Çoğalması Bakterilerin ağırlık olarak % 80’i su, % 20’ katı maddelerden oluşur. Katı maddelerin % 18’i organik, % 2’si inorganik minerallerdir. Hücre ağırlığının % 20’si olan katı maddeler aşağıdaki minerallerden meydana gelir Karbon % 49 Hidrojen % 6 Oksijen % 27 Azot % 11 Fosfor % 2.5 Kükürt % 0.7 Sodyum % 0.7 Potasyum % 0.5 Kalsiyum %0.7 Magnezyum % 0.5 Demir % 0.1 Mikroorganizmalar ikiye bölünerek çoğalır. Başlangıçta bakteri sayısı N0 ise n. Nesilde bakteri sayısı, Nn= 2n x N0 Başlangıçta N0= 1 bakteri varsa 1. Nesilde N1=21 x N0 = 2 bakteri 2. Nesilde N2=22 x N0 = 4 bakteri 3. Nesilde N3=23 x N0 = 8 bakteri meydana gelir

Bakteri sayısının zamana bağlı olarak artışı Populasyon bir süre sonra neden azalmaktadır?

Azot kaynağı olarak nitratların kullanılması durumunda; 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.