Madde Döngüleri ve Enerji Akışı Nedir?

Karbon döngüsünü açıklamadan önce kısaca madde döngüleri ve enerji akışından bahsetmek gerekir.

Canlıların yapısına katılan ve yaşamın temel unsurlarından olan su, oksijen, karbon, azot, fosfor gibi inorganik maddelerin canlı ve cansız ortamlar arasında yaptığı sürekli dolaşıma madde döngüsü denir.

Döngüye katılan maddelerin toplam miktarı, Dünya’da milyonlarca yıldan beri neredeyse aynı kalmış ancak maddeler devamlı hareket etmiştir. Yani kaynaklar sonsuz değil sınırlıdır ve hareket ettiği yerlerde dengeli seviyede bulunması gerekir.

Enerji akışı ise, enerjinin güneşten başlayarak fotosentez ve besin zinciri aracılığıyla üreticiler, otçullar ve etçillere doğru, tek yönlü olarak akmasını ifade eder.

Madde ve enerji döngüleri, ekosistemin ve yaşamın devamlılığını ve doğal dengesini korumasını mümkün kılar. Doğada bulunan birçok madde canlılar tarafından üretilir veya tüketilir. Bu maddelerin miktarı sınırlı olduğu için ekosistem içinde bir döngü halinde kullanılması hayatın devamlılığını sağlar.

Enerjinin besin zinciri yoluyla aktarımı ve tüketilen maddelerin üretim için ekosisteme geri dönmesi, ekosistemdeki canlıların çeşitliliklerini devam ettirebilmeleri için gerekli zemini hazırlayan temel etmenler arasındadır.

Madde döngülerinde meydana gelebilecek herhangi bir aksama veya maddenin bir bölgeye dağılımının gereğinden fazla / düşük olması ekosistem dengesini etkiler.

Örneğin, karbon döngüsü sırasında fosil yakıtların fazla yakılması sonucu atmosferde biriken sera gazları, sera etkisine ve dünyanın aşırı ısınmasına neden olurken, bunun sonucunda oluşabilecek fazla buharlaşma su döngüsünü olumsuz etkileyebilir ve bazı bölgelerde kuraklık tehlikesi ortaya çıkabilir.

Karbon Döngüsü Nedir?

Karbon döngüsü, madde döngüsü çeşitlerinden biridir.

Karbonun fotosentez, ayrışma, aşınma, yakma, solunum, beslenme gibi olaylar sayesinde atmosfer, yerküre, suküre ve canlılar arasında devam olarak hareket etmesine karbon döngüsü adı verilir.

Karbon, tüm canlıların yapısında bulunan karbonhidrat, yağ, protein ve vitaminlerin, yani organik maddelerin ortak bileşenlerinden biridir. Ayrıca enerji üretimi için gerçekleştirilen solunum sonucunda da açığa çıkar. Bu nedenle canlı ve cansız varlıklar arasındaki döngüsü, yaşamın sürekliliğini sağlar.

Karbon elementinin (C) Dünya’da 4 temel kaynağı vardır:

1.Atmosfer (Havaküre)

Karbon, karbondioksit formunda atmosferde sürekli bulunan gazlardan biridir.

2.Hidrosfer (Suküre)

Göller, akarsular, denizler ve okyanuslarda karbondioksit ve bikarbonat (HCO3) formunda, su içerisinde çözünmüş olarak bulunur.

Atmosferden suya çeşitli şekillerde karbon geçişi ve suda yaşayan tüketici canlıların solunumları ve ayrışmaları hidrosferdeki karbon bulunmasının nedenleridir.

3.Litosfer (Yerküre)

Litosferde bulunan petrol, doğal gaz, kömür ve kireç taşı gibi fosil maddeler bol miktarda karbon içerir. Fosil maddeler, ölen canlı organizmaların toprak altındaki oksijensiz ortamda milyonlarca yıl boyunca çözünmeleriyle oluşur.

4.Biyosfer (Canlılar Küresi)

Tüm canlı organizmaların yapıtaşları olan organik bileşikler karbon temellidir ve biyosferde de karbon, organik moleküller olarak bulunur. Bu aynı zamanda fosilleşmiş organizmaların yüksek miktarda karbon içermesinin de nedenidir.

Canlı hücrelerin yapısında organik bileşik olarak yer alan karbon, canlının ölmesiyle ayrıştırıcılar (çürükçüller) tarafından karbondioksite dönüştürülerek atmosfere verilir.

Karbon, çeşitli olaylar sonucu bu 4 ortam arasında hareket eder.

Karbon Döngüsünü Sağlayan Olaylar Nelerdir?

• CO2 fotosentez ile beraber üreticiler tarafından alınır, üreticilerin yapısına katılır ve oksijen (O2) ve bir organik madde olan glikoza (C6H12O6) çevrilir. Oksijen ve glikoz ise tüketiciler tarafından enerji kazanmak için kullanılır ve solunum ile karbondioksit + su olarak doğaya geri verilirler. Üreticiler karbondioksiti atmosferden, suyu ise topraktan alırlar.
• Üreticiler fotosentezin yanında solunum da yapar ve kendi ürettikleri besini tüketerek atmosfere CO2 yayarlar. Yani karbon beslenme sırasında glikoz olarak alınır ve hem üreticiler hem tüketiciler tarafından solunum ile geri verilir.
• Bu besinleri tüketen canlılar öldükten sonra toprakta bulunan ayrıştırıcılar, karbonu CO2 olarak atmosfere geri gönderir.
• Canlı atıklarının fosilleşmiş biçimlerinin çıkarılıp fosil yakıt olarak yanması da atmosfere büyük oranda CO2 yayar.
• Son olarak yerküredeki karbon kaynaklarından biri olan kireç taşının aşınması sonucu da CO2 açığa çıkar.

Atmosferdeki Karbon Miktarını Etkileyen Faktörler Nelerdir?

Karbonun büyük bir kısmı karbondioksit olarak bulunur.

Atmosferde karbondioksit oluşumunu etkileyen faktörler şunlardır:

• Yanmalar sırasında açığa çıkar (orman yangınları, fosil yakıtların yanması vb.)
• Yanar dağlardaki volkanik patlamalar sonucunda açığa çıkar
• Hücresel solunum ile atmosfere iletilir
• Çözünen kireç taşları ve karbonatlı kayaçlar karbondioksiti serbest bırakır
• Ölen canlıların çürümesi ile içlerindeki karbondioksit açığa çıkar
• Su yüzeyinin hareketli olması hava ile su arasında çift yönlü karbondioksit alışverişini sağlar

Atmosferde karbondioksit azalmasını etkileyen faktörler ise şunlardır:

• Yeşil bitkiler ve klorofile sahip mikroorganizmalar tarafından fotosentez için kullanılır
• Kemosentetik bakteriler tarafından glikoz üretimi için kemosentezde kullanılır
• Atmosferdeki karbondioksit çözünerek suya geçebilir
• Deniz hayvanlarının kabuk oluşumu için kullanılır
• Deniz canlılarının ölümü ile dibe çöken karbondioksit karbonatlı kayaçları içerisinde depo edilir
• Öle canlıların içinde bulunan karbon, basıncın etkisi ve uzun zaman sonra fosil yakıtlara dönüşür

Karbon Döngüsü Nasıl Gerçekleşir?

Atmosferde karbondioksit olarak bulunan karbon, fotosentez yoluyla döngüye girer. Yeşil bitkiler ve klorofile sahip mikroorganizmalar, karbondioksiti alarak fotosentezde kullanır. Bitki karbondioksiti kendi dokusuna katar, oksijen ve organik madde üretir. Bir kısmını ise solunum yoluyla karbondioksit şeklinde atmosfere geri verir.

Besin zinciri yoluyla otçulların ve etçil hayvanların bitkiyi yemesiyle karbon aktarılmış olur. Karbonu kendi yapılarına alan hayvanlar ise yine karbonun bir kısmını solunum ile karbondioksit şeklinde atmosfere iletir. Hayvanların ve bitkilerin solunum yapmasıyla, fotosentezle başlayan döngü tamamlanmış olur.

Yapısına karbon almış olan bitki eğer bir otçul tarafından yenmeden ölürse, karbon, bitki üzerinden ayrıştırıcıya geçer. Buradan bir kısmı ayrıştırıcıdan solunum yoluyla karbondioksit olarak atmosfere yayılırken, kalan kısmı ayrışarak toprağa ve yeraltına karışır.

Milyonlarca yıl sonra ise bunların bir kısmı basınçla sıkışarak petrol, kömür gibi fosil yakıtlara dönüşebilir. Fosil yakıtların yakılması ile büyük oranda karbondioksit çıkacak ve döngüye yeniden girmiş olacaktır.

Aynı şekilde ölen bir hayvanın ayrıştırılmadan veya yanmadan gömülü kalmış karbon parçası, organik madde olarak kalır ve çok uzun zaman sonra fosil yakıta dönüşebilir. Yakıtın yanmasıyla karbondioksit olarak atmosfere geri dönecektir.

İçerisinde karbon yer alan kireçtaşları zaman içinde aşınma ve erozyon ile parçalanır. İçlerindeki karbon da yavaşça ayrışır ve karbondioksit halinde suya ya da havaya karışır.

Bazı su canlılarının kabuk yapılarında karbon depolanır böylece bir miktar karbon döngüden ayrılmış olur. Bu canlılar ölünce ise kalıntıları uzun zaman sonra kireçtaşı kayalarına dönüşür. Yine uzun zaman sonra, jeolojik olaylar sonucu yeryüzüne çıkan kireçtaşı kayaları aşınır ve açığa çıkan karbon tekrar döngüye katılır.

Okyanuslar da karbon döngüsünün önemli bir parçasıdır. Denizler atmosfere kıyasla çok daha fazla miktarda karbon içerir ancak aralarındaki alışveriş çok yavaştır ve deniz yüzeyinin ilk 100 metresinde gerçekleşir.

Karbon gazları difüzyon yolu ile iki yüzey arasında hareket eder.

Kabuklu deniz hayvanlarından gelen karbonat ve bikarbonatlar, erozyon yoluyla karalardan taşınan organik ve inorganik maddelerle gelen karbonlara eklenir. Bu karbonlar kireçtaşı kayaları oluşturmak yerine deniz tabanındaki tortullarda birikebilir. Biriken bu karbonlar, atmosferin tekrar ihtiyacı olana kadar deniz tabanında binlerce yıl bekleyebilir, bu şekilde de karbon döngüsünden çekilir. Atmosferdeki karbon oranı arttıkça okyanuslar karbonu emer ve depolamaya devam ederler.

Atmosferdeki oran azaldıkça okyanustan karbondioksit gazı verilerek karbon döngüsüne tekrar girilmiş olur. Böylece atmosferin karbondioksit dengesi korunur.

Bunun yanında aynı kara bitkileri gibi okyanus bitkileri de fotosentez için karbondioksite ihtiyaç duyar ve bir kısmını depolarlar. Bu bitkileri yiyen hayvanlar karbonun bir kısmını solunumla açığa çıkarır, kalan kısım ise hayvanlar öldükten sonra çürükçüller tarafından ayrıştırılır.

Bu şekilde de karbon, kullanılıncaya kadar taban tortularında birikebilir.