Madde döngüleri ( Su döngüsü, Azot döngüsü, Karbon döngüsü )

Ekosistemlerde kimyasal elementler sınırlı miktarlarda bulunurlar. Bu yüzden yeryüzündeki yaşamın sürekliliği kimyasal elementlerin devirli kullanımına bağlıdır. İşte hayatsal önem taşıyan kimyasal elementlerin canlı ve cansız çevre arasındaki hareketine madde döngüsü denir.

MADDE DÖNGÜLERİ

Ekosistemlerde kimyasal elementler sınırlı miktarlarda bulunurlar. Bu yüzden yeryüzündeki yaşamın sürekliliği kimyasal elementlerin devirli kullanımına bağlıdır. İşte hayatsal önem taşıyan kimyasal elementlerin canlı ve cansız çevre arasındaki hareketine madde döngüsü denir.

Su Döngüsü

Yeryüzünün 2/3'ü sularla kaplıdır. Yeryüzündeki su kütlesinin büyük bir kısmı buzullar, okyanuslar, denizler, göller ve nehirlerde bulunur. Bu su kütlesi az çok sabit olup, güneş enerjisi ve yerçekiminin etkisiyle doğada düzenli olarak hareket eder. Suyun litosfer (taş küre), hidrosfer (deniz ve tatlı sular) ve atmosfer arasındaki bu hareketine su
döngüsü denir.

Su döngüsü buharlaşma ve yoğunlaşma gibi fiziksel kurallara dayalı olarak gerçekleşir. Su, güneş ışınlarının etkisiyle okyanuslar, göller ve nehirlerden buharlaşarak atmosfere geçer. Ayrıca bitki ve diğer canlılardan terleme ve solunum yoluyla buharlaşan su da atmosfere geçer. Su atmosferde nem olarak bulunur. Su buharı atmosfere yükselip soğuduğunda, gaz halindeki su yoğuşarak yeryüzüne yağmur, kar veya dolu olarak düşer. Su yeryüzüne düştükten sonra ortam koşullarına bağlı olarak farklı yolları izler: Suyun bir kısmı tekrar buharlaşarak atmosfere geri döner; bir kısmı karaların üzerinden yüzeysel akışla ırmaklara, oradanda göl, deniz veya okyanuslara karışır; bir kısmı da topraktan süzülerek yer altı sularına akar. Sonuç olarak bütün sular göl, deniz ve okyanuslara geri döner; buharlaşma ile atmosfere tekrar katılır ve döngü bu şekilde devam eder.

Karasal ekosistemlerden döngüye katılan suyun %90'ının kaynağı, bitkilerin terleme olayı ile atmosfere verdiği sudur.

Karbon Döngüsü

Yaşam için vazgeçilmez olan bütün organik moleküllerin yapısında karbon elementi bulunduğu için tüm canlılar bir kaynaktan karbon almak zorundadır. Canlıların başlıca karbon kaynağını karbondioksit oluşturur.

Yeşil bitkiler fotosentez yoluyla karbondioksiti kullanarak organik madde sentezlerler.Fotosentez sonucu organik besinlerin yapısına katılan karbon elementi besin zinciri yoluyla tüketici hayvanların yapısına geçer. Üretici, tüketici ve ayrıştırıcı organizmaların solunumları sonucu, organik madde yapısındaki karbon elementinin bir kısmı karbondioksit halinde atmosfere geri döner. Karbon elementinin bir kısmı ise hem ölü bitki ve hayvan dokuları halinde hem de atık madde olarak toprağa geçer. Fotosentezle üretilen organik maddelerdeki karbonun tamamı solunum ve ayrıştırıcıların faaliyetleriyle geri dönmez. Hayvansal ve bitkisel kaynaklı organik maddelerin uzun jeolojik zamanlar boyunca ayrışmadan toprak altında kalmaları sonucu kömür, petrol ve doğal gaz gibi fosil yakıtlar oluşur. Bu fosil yakıtların yanması sonucu yapılarındaki karbon, karbondioksit olarak atmosfere geri döner.

Yerkürenin karbon kaynaklarından biri de kireç taşı kayalarıdır. Denizde yaşayanbazı canlı türlerinin kabuk ve kemiklerinde karbon depolanır. Bu canlılar öldüğünde kalıntılarıuzun yıllar boyunca birikerek jeolojik periyotda kireç taşı kayalarına dönüşür.

Deprem, volkan püskürmesi gibi jeolojik olaylarda kireç taşı kayalarının yeryüzüne çıkmasını sağlar. Kireç taşları havayla temas ettiğinde aşınma ve erozyona uğrar. Böylece içinde bulunan karbon minerali yavaş yavaş ayrışır; CO2 halinde denizlere ve atmosfere karışarak karbon döngüsüne katılır.

Miktarı artan karbondioksit sera etkisi yaratarak güneşten dünyaya ulaşan ve sonra da geri yansıtılan kızıl ötesi ışınları soğurur ve büyük bir bölümünü geri yansıtır. Bu durum yeryüzü sıcaklığının normalden fazla artmasına yol açar (Küresel ısınma). Küresel ısınma nedeniyle kutuplardaki buzulların erimesi, deniz suyu seviyesinin yükselmesi ve sonuçta bir çok yerleşim alanının sular altında kalacağı tahmin edilmektedir.

Azot Döngüsü

Azot, canlılar için çok önemli temel elementlerden biridir. Canlılar için hayati önem taşıyan proteinlerin, nükleik asitlerin, hormonların ve vitaminlerin yapısına katılır. Atmosferdeki azotun canlılar tarafından kullanımı ve tekrar atmosfere dönmesi olayına azot döngüsü denir. Atmosferde yaklaşık % 78 oranında azot gazı (N2) bulunur. Doğadaki azot kaynağını öncelikle atmosfer daha sonra canlılar oluşturur. Atmosfer azotunun çok azı canlılar tarafından doğrudan kullanılabilir. Bu nedenle, bitkilerin ve diğer canlıların azotu kullanabilmesi için azotun önce dönüşüm geçirmesi gereklidir.

Bazı prokaryotlar tarafından azotun bağlanması gerçekleştirilir. Prokaryotlar azotu aminoasit gibi azotlu organik bileşiklerin sentezinde kullanılabilen minerallere dönüştürürler. Karasal ekosistemlerde, atmosfer azotu hem toprak bakterileri (azot bağlayıcı bakteriler) tarafından hem de baklagiller ve diğer bazı bitkilerin köklerinde yaşayan bakteriler (Rhizobium) tarafından tutulur. Sucul ekosistemlerde ise bazı siyanobakteriler azotu tutabilir. Bunlardan başka havadaki sebest azot yıldırım ve şimşek gibi atmosferik olaylarla da toprağa bağlanabilir. Yıldırım ve şimşeklerin sağladığı enerji ile atmosferik azot, suyun hidrojeni ve oksijeni ile birleşip amonyak (NH₃) ve nitrata dönüşür.

Sera etkisi: Yeryüzüne, bitkilere ve diğer varlıklara ulaşan güneş ışınları, ısı veya kızıl ötesi ışınlar (infrared radyasyon (IR)) üretir. Bunların bir kısmı gökyüzüne geri döner. Tıpkı seraların cam panellerinin yaptığı gibi, yeryüzünü çevreleyen sera gazları güneş ışığının içeriye geçişine izin verirken infrared radyasyonu dışarıya (uzaya) bırakmaz. Bunun bir sonucu olarak atmosfer ısınır.

Daha sonra bu maddeler yağışlarla yeryüzüne iner. Suda çözünen nitratlar tekrar bitki kökleri ile topraktan alınır. Diğer taraftan insanların çeşitli endüstriyel etkinlikleri (özellikle azot gübresi kullanımı) sonucu toprağa önemli oranda azot bağlanabilir.

Topraktaki amonyak (NH₃) ya da amonyum (NH⁺⁴) iyonlarının çoğu bazı bakteriler tarafından enerji kaynağı olarak kullanılır. Amonyak ve amonyumun kemosentetik bakteri faaliyetleri sonucu nitrata dönüştürülmesine nitrifikasyon denir. Bu dönüştürme işlemi iki aşamalı bir oksidasyon olayıdır. İlk aşamada, amonyak ve amonyumu nitrit bakterileri okside ederek nitrite (NO^–2) dönüştürür. İkinci aşamada, nitrat bakterileri nitriti, nitrata (NO^–3) dönüştürür ve toprağa bırakır. Nitrifikasyon olayı, bu bakterilere, karbondioksiti organik bileşiklere dönüştürebilmeleri için gereken enerjiyi sağlar.

Nitrat ve amonyum iyonları bitki kökleri tarafından alınır ve amino asit, nükleik asit gibi organik bileşiklerin yapısına katılır. Hayvanlar ise azot ihtiyaçlarını bitkileri ya da diğer hayvanları yemek suretiyle karşılar. Yani azotlu maddeler besin zinciri yoluyla diğer organizmalara aktarılır. Bu olay bütün canlılar tarafından gerçekleştirilir. Ölü bitki ve hayvanlardaki ya da organizmaların atık ürünlerindeki azotlu organik bileşikler bakteri ve mantarlar gibi ayrıştırıcı canlılar tarafından parçalanarak amonyak ve amonyum iyonlarına çevrilir.

Oluşan amonyak ve amonyum iyonları tekrar nitrifikasyon işlemine girerek, bitkilerin kullanabileceği formlara dönüştürülür. Toprakta bulunan denitrifikasyon bakterilerinin etkisiyle nitrit ya da nitrat azot gazına dönüştürülerek atmosfere geri verilir. Bu olaya denitrifikasyon denir Denitrifikasyonla oluşan moleküler azot atmosfere verilir ya da bakteriler tarafından yeniden bitkilerin kullanılabileceği azot bileşikleri halinde toprağa bağlanır. Su ekosistemlerinde açığa çıkan azot ise dipteki tortular içinde birikir. Denitrifikasyon olayı toprakta kullanılabilir azotun kaybına neden olduğu için toprağın verimini düşürür.