Ekosistemler bir alanda yaşayan tüm organizmalardan ve bu organizmaların etkileşim içinde olduğu cansız çevreden oluşan sistemlerdir. Ekosistemler okyanuslar gibi çok büyük olabildikleri gibi, bir kaya altı ya da küçük bir su birikintisi gibi çok küçük de olabilirler. Ayrıca, büyük ekosistemlerin içinde çok sayıda küçük ekosistem bulunur. Ekosistemler, genel olarak üreticilerden, tüketicilerden, ayrıştırıcılardan ve cansız (abiyotik) maddelerden oluşur.
Bir ekosistemdeki enerji akışı enerji piramidiyle gösterilebilir. Enerji piramidinde beslenme basamakları üst üste bloklar halindedir, en alt basamağı birincil üreticiler oluşturur. Her basamaktaki enerji miktarının ancak % 10’luk bir kısmı bir üstteki basamağa geçer. Geri kalan kısım solunum sırasında ısı olarak kaybedilir. Biyokütle miktarı arttıkça birey sayısı azalır. Bu nedenle etçillerin sayısı otçullardan az olur. Ayrıştırıcılar her basamakla ilişkilidir. Birincil üreticiler güneş ışığındaki enerjinin ancak % 1’ini net birincil üretime dönüştürür.
Ekosistemlerde yaşamın devamı enerji akışı ve kimyasal döngü olarak tanımlanan iki süreçle sağlanır. Enerji güneş ışığı olarak sisteme girer ve üretici (ototrof) organizmalarla kimyasal enerjiye dönüştürülür. Besinlerdeki organik bileşikler halinde tüketicilere (heterotroflar) aktarılır ve ısı olarak ortama bırakılır. Karbon ve azot gibi elementler canlı ve cansızlar arasında döngüye girer. Fotosentez yapan organizmalar bu elementleri canlıların organik yapısına katar. Bu organik moleküllerin bazıları hayvanlar tarafından tüketilir. Organik moleküller hayvan ve bitki hücrelerinde tekrar yıkıma uğrar. Sonra da ayrıştırma gibi süreçler sonucu yeniden toprağa, suya ve havaya geri döndürülür.
Işık enerjisinin üreticiler tarafından kimyasal enerjiye dönüştürülmesi birincil üretimdir. Bu süreç ekosistem mekanizması ve enerji akışı çalışmaları için başlangıç noktası olarak kabul edilebilir. Bir ekosistemin enerji bütçesi birincil üretime bağlıdır. Üreticiler tarafından fotosentez sayesinde kimyasal enerjiye dönüştürülen ışık miktarına “toplam birincil üretim” denir. Bu üretimin tümü organizmalarda organik madde olarak depolanmaz. Organizmalar bunların bir kısmını hücre içindeki biyolojik olaylarda, örneğin solunumda kullanır. Kalan kısma da “net birincil üretim” denir. Bu aynı zamanda bir ekosistemde tüketicilerin hazır olarak kullanabileceği depolanmış kimyasal enerjidir. Net birincil üretim hesaplanırken brüt solunumda kullanılan enerji birincil üretimden çıkarılır.
Güneş’ten her gün 1022 joulluk (1 joule = 0,239 cal) enerji Dünya’ya ulaşır. Bu enerjinin bir kısmı emilir, bir kısmı da yansıtılır. Çok küçük bir bölümü de fotosentez yapan organizmalar tarafından kullanılır. Kullanılan ışık fotosentez için uygun dalga boyunda olan ışıktır. Fotosentez yapan organizmalara ulaşan görülebilir ışığın % 1’i fotosentez sayesinde kimyasal enerjiye dönüştürülür. Bu düşük orana karşın birincil üreticilerin yılda 170 milyar ton organik madde ürettiği tahmin ediliyor. Yeryüzündeki toplam üretim, farklı ekosistemlerin farklı katkılarıyla oluşur. Birincil üretime en fazla katkı tropikal yağmur ormanlarından gelir. Açık okyanus bölgeleri verimlidir, ancak geniş bir alan kapladıklarından birim başına düşen verim düşüktür. Bataklıklar ve mercan resifleri de yüksek üretime sahiptir, ancak bu ekosistemler çok geniş alan bir oluşturmadıklarından küresel ölçekte katkıları düşüktür. Çöllerde ve tundralarda üretim düşüktür. Sıcaklık, nem, besin maddeleri karasal ekosistemlerdeki birincil üretimi sınırlar. Denizlerde birincil üretimin sınırlanması azot, fosfor gibi besin maddeleriyle, tatlısu ekosistemlerindeyse ışıkla ilgilidir.
Birincil üretimin belirlenmesinde uzaktan algılama sistemleri kullanılır.
Karbon canlıların yapısındaki temel maddelerden biridir. Karbon doğada genel olarak karbondioksit (CO2) formunda bulunur. Karbon yeryüzünde atmosferde (hava küre), hidrosferde (su küre), litosferde (taş küre) ve biyosferde (canlılar küresi) bulunur. Atmosferde karbondioksit, hidrosferde karbondioksit ve bikarbonat, litosferde petrol, kömür, doğal gaz, canlılarda da organik moleküller halindedir. Karbon döngüsünde en önemli rol atmosferindir. Atmosferdeki karbon fotosentez için önemlidir. Fotosentez sırasında karbondioksit havadan alınır ve ışık enerjisi yardımıyla organik bileşiklerin üretiminde kullanılır. Bitkiler tarafından alınan karbonun bir kısmı solunum sonucu atmosfere geri verilir. Geri kalan kısım bitkilerin yapısına girer. Karbon, bitki öldüğünde ayrıştırıcılara, bitki tüketiciler tarafından tüketildiğindeyse hayvanlara geçer. Ayrıştırıcılar ve hayvanların solunumu sonucu karbondioksitin bir kısmı atmosfere verilir. Kalan kısım da toprağa karışır. Toprakta belirli bölgelerde çok fazla birikirse petrol, kömür gibi fosil yakıtlar oluşur. Fosil yakıtların kullanılması, atmosferin karbondioksit oranını çok fazla artırır.
Denizler ve okyanuslar da atmosferdeki karbon seviyesinin belirlenmesinde önemli rol oynar. Atmosferdeki karbon içeren gazlar denizlere ve okyanuslara difüzyon yoluyla geçebilir. Sucul ekosistemin bitkileri de karasal bitkiler gibi karbonu fotosentez yoluyla sentezler ve depolar. Sucul ekosistemin tüketicileri bu bitkileri yer ve solunum yaparak karbonu suya geri verirler ve karbon tekrar döngüye girer. Ayrıca karbonun bir kısmı sucul bitkiler ve hayvanlar öldüğünde okyanusun ya da denizin dibine çöker, ayrışmaya uğrar ve döngüye karışır. Büyük oranda karbon, okyanuslarda ve denizlerde bikarbonat formunda depolanır.
Döngüler içinde en önemlilerden biri su döngüsüdür. Organizmaların yapısının büyük bir kısmı su içerir. Yaşadığımız Dünya’nın da büyük bir kısmı sularla kaplıdır. Hava, kara ve denizler arasında devamlı su değişimi vardır. Ancak su döngüsü kimyasal bir süreçten çok fiziksel bir süreç olarak kabul edilir. Döngü genel olarak sıvı ve gaz fazları arasındaki değişiklikleri, sıvı haldeki suyun ve su buharının taşınması sırasındaki değişiklikleri içerir. Su döngüsü buharlaşma, yoğunlaşma ve yağışlar halinde bölümlere ayrılır. Güneş’in yeryüzünü ısıtmasıyla birlikte buharlaşma başlar ve yeryüzünde bulunan su (okyanus, deniz, göl, akarsular, toprak yüzeyi vb.) atmosfere verilir. Bitkiler ve diğer canlılar da terleyerek suyun buharlaşmasına katkıda bulunur. Atmosferdeki su soğuyarak yoğunlaşır ve bulut halini alır. Daha da soğuk hale gelince su damlaları halinde yeryüzüne düşer. Suyun bir kısmı da canlılar tarafından kullanılır. Bu suyun bir kısmı akarsular aracılığıyla denizlere ve okyanuslar gider. Bir kısmı da toprakta süzülür. Sonra yeraltı suları olarak yine denizlere ve okyanuslara gider. Sonra buharlaşma tekrar başlar ve döngü devam eder. Okyanus ve deniz üzerinde buharlaşma sonucu su buharı oluşur. Karalarda buharlaşan suyun % 90’ı bitkilerdeki terlemeye uygun olarak ortaya çıkar ve bu olay evapotranspirasyon olarak adlandırılır.
İnsan nüfusunun hızlı artışı barınma, yiyecek, giyecek vb gibi gereksinimlerin de artmasına neden oluyor.
Bunlar da yeni yerleşim alanlarını, yeni ve daha fazla tarım alanlarını, yeni endüstriyel yatırımları da beraberinde getiriyor. Bu etkinliklerin tümü doğal ekosistemlerin işleyişi, enerji akışı ve kimyasal döngüler üzerinde olumsuz etki yapar. Bu etkiler bölgesel olabildiği gibi çok geniş alanları da etkileyebilir.
Örnek vermek gerekirse, tarımda kullanılan endüstriyel gübreler, fosil yakıtlar, zehirli maddeler, insan etkinliklerin atmosferdeki karbondioksit oranını artırması, ozonu azaltması gibi etkenler ekosistemlerdeki enerji akışını, kimyasal döngüleri ve besin zincirini bozar.
İnsan etkinliklerinin bir sonucu da biyoçeşitliliğin azalması üzerinedir. Bu etkinlikler türlerin doğal yaşam alanlarının bozulmasına, istilacı türlerin yeni ortamlara girmesine, doğal toplulukların aşırı kullanılmasına, besin zincirinin bozulmasına neden olur.
Biyoçeşitliliğin azalmasında en büyük etkiyi doğal yaşam alanlarının bozulması yapar. Yeni yerleşim yerleri, tarımsal etkinlikler, ormancılık, madencilik doğal yaşam alanlarının bozulmasına neden olur. Dünya Doğa Koruma Birliği (IUCN), soyu tükenen veya tehlike altında olan, az rastlanan türlerin yaklaşık %75’inin doğal yaşam alanlarının bozulduğunu belirtiyor. Doğal yaşam alanlarının bozulması, yalnız karasal ekosistemlerde değil, sucul ekosistemlerde de gerçekleşiyor. Doğal yaşam alanlarının bozulmasının yanı sıra parçalara ayrılarak küçülmesi de biyoçeşitliliği azaltır.
Ekosistemlerde enerji Güneş tarafından karşılanır ve sınırsız olarak kabul edilir. Kimyasal elementler sınırlıdır ve döngüsel olarak kullanımları önemlidir. Bir organizma öldüğü zaman yapısında bulunan moleküller ayrıştırıcıların da etkisiyle daha basit yapılı moleküller haline getirilip toprağa, suya ve atmosfere geri verilir ve döngü sağlanır. Yaşamın devamı için karbon, su, azot ve fosfor gibi maddeler ekosistemler içinde döngüsel olarak kullanılır. Canlılar bu maddeleri gereksinimleri doğrultusunda alır, kullanır ve ortama geri verir. Canlı ve cansız varlıklar arasında gerçekleşen bu döngüler kimyasal elementlerin döngüsü, madde döngüsü, biyojeo kimyasal döngüler adlarıyla bilinir. Farklı ekosistemlerin besin döngülerinin hızları da farklıdır. Bunun nedeni ayrışma hızlarının farklı olmasıdır. Örneğin tropikal yağmur ormanlarında organik maddelerin çoğu 1-2 ay ile 1-2 yıl içinde ayrışabilir. Ilıman bölgelerde bu süre 4-6 yıl kadar sürer. Tundra bölgelerinde ayrışma 50 yıl kadar sürer. Ayrışma hızını, dolayısıyla da besin döngü süresini sıcaklık, su ve oksijen durumu belirler. Bunların yanı sıra toprağın kimyasal yapısı ve yangınlar da besin döngü süresini etkiler.
Dünya’nın atmosferinin % 80’i azot gazından (N2) oluşur. Gaz formundaki azot genelde canlılar tarafından (bazı mikroorganizmalar hariç) kullanılamaz haldedir. Azotun canlılar tarafından kullanılabilmesi için amonyağa dönüştürülmesi yani bağlanması gerekir.
Volkanik etkenler, yıldırım gibi doğa olayları sonucu oluşan elektrik boşalımları döngüye bir miktar azot girmesini sağlayabilir. Ancak canlıların kullanabileceği formdaki azotun büyük bölümü, karasal ekosistemlerde serbest yaşayan (ortak yaşam olmayan) toprak bakterileri ve bazı bitkilerin, özellikle baklagillerin köklerindeki yumrularda ortak yaşayan bakteriler (Rhizobium) tarafından oluşturulur. Yani azot gazı amonyağa dönüştürülür. Sucul ekosistemlerde bazı siyanobakteriler azot bağlayıcı özelliktedir.
Karasal ekosistemlerdeki azot bağlayan bakteriler, azotu amonyağa (NH3) dönüştürerek diğer organizmaların kullanımı için toprağa salar. Buradaki fazla amonyak bakteriler tarafından önce nitrite (NO2), ardından da nitrifikasyon denilen işlemle nitrata (NO3) dönüştürülür. Nitratlar bitkiler tarafından emilerek amino asit, protein gibi moleküllerin yapımında kullanılır. Hayvanlar azot ihtiyaçlarını bitkileri ya da diğer hayvanları yiyerek karşılar. Besin zincirine bu biçimde giren azot, bitkiler ve hayvanlar öldüğünde ayrışarak tekrar toprağa döner.
Ayrışmayı bazı bakteriler ve mantarlar yapar. Toprakta bulunan ve denitrifikasyon bakterileri olarak bilinen bazı bakteriler, nitriti ya da nitratı tekrar azot gazına dönüştürür. Denitrifikasyon olarak bilinen bu işlem sonucunda bir miktar azot tekrar atmosfere karışır ve döngü devam eder. Doğal sistemlerdeki azot döngüsünün büyük bir kısmında, atmosferdeki azot değil topraktaki ve sudaki azotlu bileşikler kullanılır. Atmosfer ve toprak arasındaki azot alışverişi uzun dönemde önemlidir. Ancak ekosistemlerdeki azotun büyük bir kısmı ayrıştırma ve yeniden emilim ile döngüde tekrar tekrar kullanılır.
Yaşam için önemli bir mineral olan fosfor, kemiklerin ve dişlerin yapısında bulunur. Nükleik asitlerin, fosfolipitlerin, ATP’nin ana bileşenlerindendir. Canlılar çok miktarda fosfora ihtiyaç duyar. Fosfor döngüsünün temelinde, fosforun karasal ekosistemlerden denizel ekosistemlere, denizel ekosistemlerden de karasal ekosistemlere taşınması yatar. Fosfor doğada inorganik bir bileşik olarak fosfat halinde bulunur. En önemli kaynak kayaçlardır. Kayaçlar atmosferik olaylar sonucu (rüzgâr, yağmur, erozyon vb.) aşınır. Toprağa karışan fosfor yağmurlarla akarsulara, göllere ve okyanuslara taşınır. Burada kayaçların yapısına girerek depolanır ve yıllarca kalabilir.
Fosforun karaya çıkması deniz tabanının yeniden yükselmesi gibi olaylarla (örneğin kıta hareketleriyle) gerçekleşir. Deniz tabanının yükselmesinden sonra ya da deniz seviyesinde aşınmanın başlamasıyla döngü devam eder. Ekosistemlerde fosfor döngüsü daha hızlıdır. Bitkiler, fosforun çözünüp iyonlaşmış formunu kullanır. Bitkiler topraktan fosforu alarak biyolojik yapılarına katar. Tüketiciler bitkileri yediğinde fosfor onlara geçmiş olur. Tüketiciler de boşaltım yoluyla fosforu tekrar toprağa verir. Buradaki fosforun bir kısmı bitkiler tarafından tekrar alınır ve döngü devam eder. Bir kısmı da denizel ortamlara sürüklenir ve tekrar döngüye katılır.
Denizlerdeki fosfor deniz canlılarının fosfor ihtiyacını da karşılar.
