Asal Energi dalam Ekosistem

By On Tuesday, February 21st, 2017 Categories : Sains

Darimanakah asal energi dalam kehidupan? Dalam kebanyakan ekosistem, sinar matahari diserap dan diubah menjadi bentuk energi yang dapat digunakan melalui fotosintesis. Bentuk-bentuk energi yang dapat digunakan dengan berbasis karbon.

Hukum fisika menggambarkan interaksi antara energi dan massa: energi dalam sistem tertutup adalah kekal, dan materi tidak dapat diciptakan maupun dihancurkan. Fisika modern menunjukkan bahwa realitas yang lebih kompleks pada skala yang sangat besar dan sangat kecil (misalnya, persamaan Einstein yang terkenal, E = mc2 menunjukkan bahwa massa dapat diubah menjadi energi di matahari atau reaktor nuklir), tetapi dalam konteks ekosistem bumi, energi dan materi tidak kekal dapat diciptakan maupun dihancurkan.

Pernyataan yang tampaknya sederhana memiliki konsekuensi besar ketika kita mempelajari bagaimana fungsi ekosistem. Secara khusus, saat ini energi dalam ekosistem dikumpulkan dan dibagi oleh organisme dalam berbagai cara, “berbagi” ini terjadi melalui interaksi ekologis, seperti dinamika predator-mangsa dan simbiosis.

Namun, ketika kita bergerak ke tingkat ekosistem, kita mempertimbangkan interaksi antara organisme, populasi, komunitas, dan lingkungan fisik dan kimianya. Interaksi ini memiliki pengaruh penting pada struktur organisme, ekosistem, dan, dari waktu ke waktu geologi, planet itu sendiri.

 Sebuah contoh utama dari ini yang melibatkan mata uang energi dalam ekosistem, yaitu karbon. Jumlah dan bentuk karbon yang hadir di kubangan ekosistem yang berbeda – seperti tumbuhan, hewan, udara, tanah, dan air – dikendalikan oleh organisme, dan akhirnya mempengaruhi keberhasilan ekologi mereka. Berapa banyak karbon dioksida (CO2) hadir di atmosfer adalah pengatur utama iklim bumi, sampai manusia mulai membakar bahan bakar fosil dalam jumlah besar, selama rentang waktu dari tahun ke abad, konsentrasi CO2 yang dikontrol sepenuhnya oleh tanaman dan mikroorganisme (dengan kontribusi kecil dari hewan, dan secara berkala, sumber geologi penting seperti gunung berapi).

Bagaimana pertukaran karbon ini antara organisme dan kolam anorganik dalam ekosistem bekerja? Jawabannya memiliki dua bagian penting untuk itu: pertama berkaitan dengan bagaimana energi dihasilkan dalam ekosistem, dan yang kedua melibatkan bagaimana energi yang digunakan.

Produksi energi

Dalam kebanyakan ekosistem, sumber utama dari semua energi merupakan matahari. Tanaman dan mikroorganisme di darat dan di laut menggunakan fotosintesis untuk menghasilkan biomassa (bahan hidup): mereka menyerap panjang gelombang tertentu dari cahaya matahari dengan menggunakan pigmen klorofil, untuk mengubah sinar matahari menjadi energi kimia, dan “memperbaiki” (yaitu, mengkoversi) CO2 dari atmosfer menjadi senyawa organik seperti gula, lipid, dan protein. Banyak organisme lain – termasuk manusia – mengkonsumsi gula tersebut, lipid, dan protein dan menggunakan energi yang tersimpan untuk daya kegiatan mereka. Bahkan, energi dari kekuatan lampu dan bahan bakar mobil kita juga “dibantu sinar matahari” – itu berasal dari bahan organik yang telah terkubur di dasar laut atau rawa, dan diubah oleh panas dan tekanan untuk minyak, batubara , atau gas alam dari waktu ke waktu geologi. Hal ini mengarah pada kesimpulan yang sering mengejutkan bahwa sebagian besar dari energi yang digunakan di Bumi pada akhirnya berasal dari sinar matahari.

Ada tiga pengecualian penting untuk ini, salah satu yang penting dalam ekosistem, dan dua yang memiliki pengaruh yang kecil dalam ekologi. Kedua panas bumi dan energi nuklir telah dimanfaatkan oleh manusia, namun tidak digunakan oleh organisme lain, ini bisa menjadi sumber energi yang penting di kota-kota kita, tapi tidak dalam ekosistem alam. Sebaliknya, banyak mikroorganisme dapat menghasilkan energi dengan melakukan reaksi kimia yang mengubah senyawa untuk bentuk kimia yang berbeda, dan melepaskan energi dalam proses. Ini dikenal sebagai oksidasi-reduksi (atau reaksi redoks). Beberapa mikroba ini dapat menggunakan energi kimia untuk memperbaiki CO2 – seperti organisme berfotosintesis, tetapi menggunakan reaksi redoks kimia daripada sinar matahari. Ini bukan proses yang penting pada skala global, tetapi bisa sangat penting dalam keadaan tertentu. Misalnya, nitrifikasi adalah proses biogeokimia penting yang dilakukan oleh “chemoautotrophs” global. Di antara contoh yang paling terkenal adalah ekosistem yang luar biasa yang berkembang di ventilasi laut dalam. Komunitas ventilasi tidak didukung oleh panas yang keluar dari ventilasi ini, tapi malah ditopang oleh senyawa kimia (misalnya, metana dan hidrogen sulfida) yang keluar dari ventilasi dan secara kimiawi dikonversi oleh mikroorganisme, sehingga menghasilkan energi. Ini energi kimia adalah sumber utama energi mendukung ekosistem ini secara keseluruhan, dan sebelum fotosintesis berevolusi, seluruh kehidupan di Bumi dipertahankan dengan cara yang sama dengan menggunakan energi kimia.

Konsumsi Energi

Dalam bumi ‘hijau‘ kita didominasi oleh tanaman dan organisme fotosintesis lainnya (secara kolektif dikenal sebagai photoautotrophs), ventilasi laut dalam adalah pengecualian: sebagian besar ekosistem bumi yang akhirnya didukung oleh sinar matahari. Gula, lipid, dan protein yang dihasilkan oleh tanaman dan mikroba menyimpan energi dari matahari ikatan; dalam karbon-Hidrogen (CH) ini dipecah dalam sel untuk melepaskan energi melalui respirasi, dan kita juga menghancurkan mereka turun dari tangki bahan bakar kita untuk melepaskan energi melalui pembakaran. Meskipun respirasi dan pembakaran adalah proses yang sangat berbeda, mereka akhirnya menghasilkan hasil yang sama, yaitu untuk menggunakan oksigen untuk mengubah senyawa organik yang mengandung ikatan CH kembali menjadi CO2. Proses ini sangat energetik, sehingga organisme yang menggunakan ikatan CH untuk rentang energi dari bakteri kecil untuk hewan besar dan hampir segala sesuatu di antaranya. Beberapa organisme menggunakan energi yang dihasilkan oleh tanaman secara langsung, beberapa memakan organisme yang makan tanaman, sebagian memakan organisme yang memakan organisme yang memakan tanaman, dan sebagainya, beberapa organisme menggunakan campuran sumber karbon dan beberapa produk limbah digunakan, tetapi akhirnya jaring makanan menyebabkan kembali ke energi yang dihasilkan oleh tanaman dan mikroba. Akibatnya, persamaan bersih untuk fotosintesis dan respirasi yang sangat penting dalam ekologi ekosistem:

Fotosintesis: 6CO2 + 6H2O + energi cahaya ? C6H12O6 (glukosa) + 6O2
Respirasi: C6H12O6 + 6O2 ? 6CO2 + 6H2O + energi kimia

Karena banyak organisme yang berbeda (dari bakteri hewan) dapat menggunakan materi yang menghasilkan photoautotrophs, hampir semua itu akan digunakan, dan fotosintesis dan respirasi sering erat seimbang dari waktu ke waktu. Hal ini menyebabkan beberapa pemahaman kunci. Pertama, CO2 yang ditetapkan oleh photoautotrophs ini akhirnya kembali ke atmosfer, hal ini mungkin tidak persis sama – terutama sebagai akibat dari modifikasi ekosistem manusia, dan juga atas skala waktu geologi – tetapi biasanya dekat dengan sama. Kedua, ini seimbang dengan pelepasan hampir sama dan konsumsi oksigen, dan konsumsi dan pelepasan air. Karena syarat produksi dan konsumsi cenderung menyeimbangkan satu sama lain, mereka meniadakan jika kita menggabungkan persamaan di atas: CO2 dan air yang dikonsumsi oleh fotosintesis diregenerasi oleh respirasi, oksigen dihasilkan oleh fotosintesis dikonsumsi oleh respirasi. Efek bersih dari fotosintesis dan respirasi adalah untuk energi cahaya untuk diubah menjadi energi kimia. Ini adalah konservasi energi dalam ekosistem: sinar matahari diserap oleh tanaman dan mikroba akhirnya melanjutkan dengan energi seluruh ekosistem.

Konservasi Energi: Menyeimbangkan Anggaran

Karbon bertindak sebagai mata uang energi dalam ekosistem karena cahaya diubah menjadi senyawa karbon organik (gula, lemak, protein), dan senyawa karbon organik tersebut kemudian diubah menjadi energi kimia. Oleh karena itu, jumlah total bahan organik yang dihasilkan oleh tanaman secara langsung berkaitan dengan jumlah energi cahaya yang diserap. Ini adalah produksi primer, sebuah istilah yang mengacu pada pertumbuhan tanaman atau perubahan biomassa keseluruhan. Hal ini disebut sebagai produksi ‘primer’ karena biomassa yang dihasilkan langsung dari CO2, sedangkan produksi sekunder dihasilkan dari bahan organik yang sudah ada. Produksi primer dinyatakan dalam karbon tetap per satuan waktu dan per ruang unit, dan merupakan properti fundamental dari suatu ekosistem, yang merupakan tingkat energi yang dihasilkan dari waktu ke waktu.

Yang dibayangkan, mengukur semua pertumbuhan tanaman di hutan atau seluruh pertumbuhan fitoplankton di laut sangat menantang. Namun, karena ini pada akhirnya terkait dengan jumlah energi cahaya yang diserap, dan kita dapat mengukur diserap dan dipancarkan menggunakan satelit cahaya dalam ruang, para ilmuwan telah menemukan cara-cara cerdas untuk mengukur produksi primer dengan menggunakan data satelit. Ini bekerja karena ekosistem tampaknya memiliki efisiensi penggunaan cahaya relatif konsisten (LUE) yang merupakan proporsi cahaya yang diserap yang diubah menjadi biomassa. Menariknya, ini adalah sebagian kecil dari total energi yang mencapai bumi dari matahari – banyak sinar matahari tercermin, atau diserap dan kembali dipancarkan kembali ke angkasa – dan jika Anda melihat sekeliling dan melihat berapa banyak pertumbuhan tanaman atau produksi primer terjadi , Anda mendapatkan ide dari berapa banyak energi matahari dapat memberikan. Data satelit telah memberikan gambar luas dari biosfer hidup yang dapat digunakan untuk menentukan jumlah total produksi, karbon, dan energi yang siklus melalui ekosistem.

Menggunakan peta seperti ini, kita dapat membandingkan tempat yang berbeda, atau mengukur produksi primer dari musim ke musim atau tahun ke tahun. Ketika hal ini pertama kali diterima oleh Field et al. pada tahun 1998, para ilmuwan terkejut menemukan bahwa sekitar jumlah yang sama dari total produksi primer terjadi di laut seperti di darat, meskipun dinamika fisik yang berbeda yang memilih bagi produsen primer yang berbeda (fitoplankton laut dan tanaman darat). Lautan mencakup wilayah jauh lebih besar daripada tanah, harga per daerah sehingga lebih rendah daripada mereka di darat. Seperti yang diharapkan, daerah yang berbeda memiliki tingkat yang sangat berbeda dari produksi, dengan hutan tropis yang sangat produktif dan gurun dan kutub tundra yang jauh kurang produktif. Lautan juga menunjukkan variasi yang kuat dari gyres pertengahan laut – yang pada dasarnya gurun laut – untuk lautan tropis dan kutub produktif.

Ringkasan

Pada akhirnya, karena energi kekal dalam ekosistem, energi kimia yang digunakan oleh kerbau dan bakteri harus kurang dari energi kimia yang dihasilkan melalui produksi primer, karena inefisiensi tidak dapat dihindari dalam menangkap energi. Fotosintesis adalah sumber energi dominan di sebagian besar ekosistem melalui konversi cahaya untuk ikatan CH dalam bahan organik, sehingga aliran dan atau nasib karbon terkait erat dengan aliran energi. Memahami bagaimana karbon dan aliran energi yang terkait dengan unsur-unsur lain dan nutrisi, pola dukungan keanekaragaman hayati, dan menghubungkan karnivora, herbivora, dan tanaman, semua akan menarik pada fakta fundamental ini.

25570984, 25570985, 25570986, 25570987, 25570988, 25570989, 25570990, 25570991, 25570992, 25570993, 25570994, 25570995, 25570996, 25570997, 25570998, 25570999, 25571000, 25571001, 25571002, 25571003, 25571004, 25571005, 25571006, 25571007, 25571008, 25571009, 25571010, 25571011, 25571012, 25571013, 25571014, 25571015, 25571016, 25571017, 25571018, 25571019, 25571020, 25571021, 25571022, 25571023