Biyosfer
canlıların yaşadığı, sürekli enerji ve besin alışverişinin gerçekleştiği, görece ince yeryüzü ve su katmanı.
Yaşam başlamadan önce, büyük bölümü metan, amonyak, hidrojen sülfür ve su buharından oluşmuş ince bir gaz karışımıyla çevrili olan yerküre, sığ denizler ve çıplak kayalarla kaplıydı. Litosfer (taş ve toprak), hidrosfer (su) ve atmosferden (hava) oluşan bu cansız dünya ya da jeosfer, milyonlarca yıl, Güneş enerjisinden kaynaklanan kimyasal ve fiziksel olayların etkisi altında kaldı. Sonunda, şekilsiz, peltemsi, çevredeki enerjiden yararlanabilen ve kendi benzerlerini üretebilen ilk canlılar ortaya çıktı. Böylece canlı varlıklar, jeosferin ince üst katmanı olan biyosfere ya da yaşam kuşağına yerleşip çeşitlenmeye başladılar.
Yer’in canlı (biyotik) ve cansız (abiyotik ya da jeofiziksel) katmanlarını, ekosfer denen karmaşık bir sistemin bağımsız, ama karşılıklı ilişki içindeki bileşenleri olarak görmek oldukça yeni bir yaklaşımdır. Biyosferdeki canlılar, en basit tekhücrelilerden insana kadar uzanan büyük bir çeşitlilik gösterir. Belirli bir bölgede yaşayan değişik türden canlılar biyolojik karma topluluğu, bu karma topluluklar da yaşadıkları çevrenin cansız bileşenleriyle birlikte ekosistemi oluşturur.
Biyosferdeki tüm canlılar, işlevlerine göre üç kategoride toplanabilir.
- Birinci kategorideki yeşil bitkiler, yaşam için gerekli temel besin maddesi olan karbonhidratları, fotosentez yoluyla su ve karbon dioksitten oluşturabildikleri için üretken canlılardır.
- İkinci kategori, bitkilerle beslenen ve bitkilerin depoladığı enerjiyi başka biçimlere dönüştürerek kendi yararlarına kullanan canlıları kapsar; bütün hayvan türleri bu kategoridendir.
- Üçüncü kategori, organik birikintileri basit bileşenlerine ayrıştırarak, bitkilerin üretim sürecinde yeniden kullanabilecekleri biçime dönüştüren mikroorganizmaları içerir.
Biyosferde gelişen olayları kavramak için, yalnızca biyosferin canlı öğelerini değil, enerji akışını, besin, su ve gaz çevrimini, organik ve inorganik madde yığılmasını da incelemek gerekir.
Enerji akışı
Yaşamın temel enerji kaynağı Güneş ışınları ve Güneş enerjisinin canlıların yararlanabileceği besinlere dönüştürülmesinin ilk evresi olan fotosentezdir. Fotosentezde, klorofil tarafından emilen güneş ışığı karbon dioksit ve suyu, karbonhidrat ve oksijene dönüştürür. Böylece klorofilde biriken enerji, karbonhidrat oluşumuyla daha üst enerji düzeyine yükselir. Bu karmaşık süreçte, yüksek enerjili fosfat bağları kurularak adenozin trifosfat (ATP) açığa çıkar. Bu sürecin son ürünleri olan karbonhidratlar ve yüksek enerjili bileşikler, bitki yiyenlerden (otçul) hayvan yiyenlere (etçil) kadar uzanan bir dizi canlının besinidir. Ekosistemin beslenme zinciri bu yoldan kurulur.
Yeryüzüne ulaşan Güneş ışığının ancak yüzde 25’i fotosentezde kullanılabilecek dalgaboylarındadır; bu dalgaboyundaki ışığın da ancak bir bölümü yeşil bitkiler tarafından kullanılabilir. Gelen ışınların organik maddeye dönüştürülmesindeki verim oranı en çok yüzde 3, genellikle de yüzde 1 ya da daha azdır. Bu enerjinin besine dönüşmesi ve bitkilerden hayvanlara aktarılması sırasında, her basamakta yararlanma oranı giderek düşer. Bitkilerde depolanan enerjinin ancak yüzde 10-15 kadarı, otçul hayvanlar tarafından doku bileşenlerine dönüştürülebilir. Güneş ışığından sağlanan enerjinin bitki, hayvan ve insanlara kadar uzanan dönüştürme işlemi içindeki toplam verimliliği 100 binde 1 dolayındadır. Her canlı, aldığı enerjiden en yüksek düzeyde yararlanabilmek için, vücut sıcaklığını, çevreden sağladığı suyu ve temel elementleri belli düzeyde tutmanın yollarını bulmak zorundadır.
Madde çevrimi
Enerji, Güneş ışınlarından bitki ve hayvanlara doğru tek yönde akar ve bu akışın her basamağında kayba uğrarken, yaşam için gerekli olan kimyasal elementler de biyojeokimyasal çevrimle cansız doğadan canlılara doğru akar ve sonunda organik parçalanma ürünleri biçiminde cansız doğaya geri döner. Gaz halindeki elementler genellikle atmosfer ya da hidrosfer yoluyla aktarılırken magnezyum, bor, kükürt, kalsiyum, potasyum ve fosfor gibi mineral halindeki elementler topraktan emilip su aracılığıyla bitkilere ve hayvanlara iletilir. Üstün yapılı hayvanlardaki metabolizma süreçlerinin enerji kaynağı olan oksijen, hayvanlar tarafından solunum yoluyla alınır, organik ürünlere bağlanır, su ve karbon dioksidin bileşimine girer, sonunda serbest oksijen biçiminde fotosentezle atmosfere döner. Ayrıca suyun ve minerallerin bileşiminde yer alan bir element olarak biyosferdeki çeşitli madde çevrimlerine de katılır.
Atmosferin yaklaşık yüzde 80’ini oluşturan serbest azot, ancak bazı bakteriler ve algler tarafından nitrit, nitrat ya da amonyağa dönüştürüldükten sonra bitkiler tarafından kullanılabilir; böylece aminoasitlerin ve bitkisel proteinlerin yapısına katılır. Suda çözünen bu azot bileşikleri, nitrat bozucu bakteriler tarafından parçalandığında hem enerji, hem de ya atmosfere dönen ya da başka bileşiklere katılan serbest azot açığa çıkar.
Birçok elementin gaz bileşenleri biyojeo-kimyasal çevrime katılırken, bazı elementlerin biyosferdeki çevrimi özellikle suya bağlı olarak gerçekleşir. Yeşil bitkilerin besince zengin topraktan aldıkları suda çözünmüş bileşikler, bu bitkilerin hücre yapılarına katıldıktan sonra, beslenme zinciriyle hayvanlara geçer, bitki ve hayvanların ölüp çürümeleriyle de toprağa geri döner. Suda çözünen bazı bileşikler buharlaşmayla atmosfere taşınır ve yağışlarla yeniden yeryüzüne iner.
Kalsiyum, potasyum, silisyum ve magnezyumun biyosferde önemli rolleri vardır; örneğin magnezyum, klorofil moleküllerinin temel elementidir; kalsiyum ve silisyum hayvanların kabuk, kemik ve dişlerinin oluşumuna katılır; demir, manganez ve sodyum, canlılarda az ya da eser miktarda bulunmakla birlikte gene de yaşamsal önem taşır.
Biyosferdeki karbonun büyük bölümü, ya kayaçlarda ve okyanuslarda inorganik karbonatlar biçiminde ya da kömür, petrol, doğal gaz gibi organik fosil yakıtlarında bulunur. Karbon, atmosferde karbon dioksit, canlılarda karbonhidrat ve öbür organik bileşikler biçiminde yer alır. Atmosfer ile hidrosfer arasındaki karbon dioksit değişimi fotosentez ve solunum yoluyla gerçekleşirken, fosil yakıtlar atmosferdeki karbon dioksidin yoğunluğunu artırmakta, bu artan miktarın önemli bir bölümü de çözünmüş halde deniz suyuna geçmektedir.
Proteinin bileşiminde karbon ve azotun yanı sıra kükürt de bulunur. Karbonun indirgenmesi için yeşil bitkiler ve güneş ışığı gerekliyken, azot ve kükürtün oksijensiz ortamda indirgenmesini genellikle mikroorganizmalar sağlar. Bu etkinliğin en yoğun gerçekleştiği yerler oksijence yoksul topraklar, turbalıklar ve bataklıklardır.
Kükürt, genellikle suda çözünen sülfat bileşikleri biçiminde aktarılırsa da, bu elementin çevrimi azot ve karbon çevrimi kadar iyi bilinmemektedir. Ölen canlıların bakteri ve mantarlar tarafından ayrıştırılmasıyla mineral biçimine dönüşen kükürt, oksijensiz koşullarda hidrojen sülfür gibi sülfür bileşiklerine indirgenebilir. Hidrojen sülfürün önemli bir bölümü de su ekosisteminin derin (oksijensiz) bölgelerinde oluşur. Fosil yakıtlar atmosfere büyük ölçüde kükürt dioksidin karışmasına ve çevre kirlenmesine yol açar. Fosfor doğada çok az bulunur; örneğin gübre katkısıyla artırılmış yoğun fosfor birikimi de bir ekosistemin dengesini ciddi biçimde bozabilir.
Su, çok yönlü etkisiyle yaşam için temel maddelerin başında gelir; atmosferde sıvı ve gaz biçiminde bulunarak iklimi düzenler. Yaşam denizde başlamış, sularda gelişmiş ve karalara yayılmıştı; bugün de suya bağımlı olarak sürmektedir. Kullanılabilir suyun karalar üzerindeki dağılımı, bitki örtüsünü doğrudan belirleyen etkenlerden biridir. Su, bir yandan yeryüzündeki kay alan aşındırır, oyar, taşır ve çökeltirken, bir yandan da göl, bataklık, akarsu ve denizleri oluşturup, biçimlendirir. Güneş ışığı karalardaki ve denizlerdeki suyu buharlaştırarak atmosfere katar; su buharı hava akımlarının etkisiyle yer değiştirir ve yağmur ya da kar biçiminde yeryüzüne döner. İçinde çözünmüş madde taşıyan su, aynı zamanda yüzey gerilimi en yüksek olan sıvıdır. Bitkiler suyu büyük ölçüde kökleriyle alır ve terleme olarak bilinen işlemle yapraklarından buharlaştırır. Bütün canlıların temel bileşeni olan su, aynı zamanda besinlerin dokulara aktarılmasını sağlayan bir ortam ve vücut sıcaklığı gibi bazı iç koşulların düzenlenmesine yardımcı olan önemli bir etkendir.
