Aliran Energi dan Daur Biogeokimia

Pada suatu tempat di sekitar kita dapat ditemukan adanya berbagai jenis organisme, baik sejenis maupun berbeda jenis yang membentuk suatu organisasi kehidupan. Mereka berinteraksi saling mempengaruhi antara yang satu dengan yang lain dalam berbagai bentuk.

Satu organisme dikenal sebagai individu, dan populasi merupakan sekumpulan organisme sejenis yang berinteraksi pada tempat dan waktu yang sama. Jumlah individu sejenis yang terdapat pada satuan luas tertentu dinamakan kepadatan populasi. Antara populasi yang satu dengan populasi yang lain selalu terjadi interaksi, baik secara langsung atau tidak langsung dalam suatu komunitas. Dalam suatu komunitas senantiasa terdapat tumbuhan, hewan dan mikroorganisme. Organisasi kehidupan yang merupakan kesatuan komunitas-komunitas dengan lingkungan abiotik (fisik) tempat hidupnya membentuk suatu ekosistem. Seluruh ekosistem yang ada di dunia ini membentuk biosfer sebagai bagian permukaan bumi yang dihuni oleh suatu kehidupan.

Telah kita ketahui bahwa antara komponen ekosistem senantiasa saling berinteraksi. Tujuan utama interaksi antar komponen berkaitan erat dengan kelangsungan hidup. Bertambahnya anggota populasi menyebabkan kepadatan bertambah, sehingga antar individu harus bersaing untuk mencukupi kebutuhannya. Persaingan antar individu dalam populasi memiliki intensitas yang paling tinggi karena mereka memiliki persamaan kebutuhan hidup yang disebut kompetisi intraspesifik. Di dalam suatu komunitas, populasi yang satu senantiasa berinteraksi dengan populasi yang lain. Bentuk interaksi antar populasi dapat berupa kompetisi, predasi, simbiosis, maupun antibiosis. Kompetisi antar populasi dinamakan kompetisi interspesifik, yaitu bila kedua populasi menempati niche yang sama pada habitat yang sama. Misalnya, rumput ilalang dengan tanaman jagung di lahan petani. Interaksi mereka dapat menyebabkan terusirnya populasi tertentu, migrasi, adaptasi, dan kematian sehingga mempengaruhi kepadatan populasi pada suatu tempat.

Berikut ini akan kita kaji bentuk-bentuk interaksi dalam ekosistem lainnya yang meliputi rantai makanan, jaring-jaring makanan, piramida ekologi, aliran energi, dan daur materi.

1.       Rantai makanan dan Jaring-jaring makanan

Contoh rantai makanan

Rantai makanan merupakan proses aliran energi melalui memakan dan dimakan antarorganisme yang berlangsung secara teratur dan membentuk suatu garis tertentu. Misal: Rumput-Ulat-Burung Kecil-Kucing. sedangkan jaring-jaring makanan adalah kumpulan dari rantai makanan yang saling berhubungan dan membentuk skema mirip jaring.
Kelangsungan hidup organisme membutuhkan energi dari bahan organik yang dimakan. Bahan organik yang mengandung energi dan unsur-unsur kimia  transfer dari satu organisme ke organisme lain berlangsung melalui interaksi makan dan dimakan. Peristiwa makan dan dimakan antar organisme dalam suatu ekosistem membentuk struktur trofik yang bertingkat-tingkat.

Contoh jaring-jaring makanan

Setiap tingkat trofik merupakan kumpulan berbagai organisme dengan sumber makanan tertentu. Tingkat trofik pertama adalah kelompok organisme autotrop yang disebut produsen. Organisme autotrop adalah organisme yang dapat membuat bahan organik sendiri dari bahan anorganik dengan bantuan sumber energi. Bila  dapat menggunakan energi cahaya seperti cahaya, matahari disebut fotoautotrop, contohnya tumbuhan hijau dan fitoplankton. Apabila menggunakan bantuan energi dari reaksi-reaksi kimia disebut kemoautotrop, misalnya, bakteri sulfur, bakteri nitrit, dan bakteri nitrat.

Tingkat tropik kedua ditempati oleh berbagai organisme yang tidak dapat menyusun bahan organik sendiri yang disebut organisme heterotrop. Organisme heterotrop ini hanya menggunakan zat organik dari organisme lain sehingga disebut juga konsumen. Pembagian konsumen adalah sebagai berikut.

a.      Konsumen Primer

Organisme pemakan produsen atau dinamakan herbivora yang menempati tingkat trofik kedua.

b.       Konsumen Sekunder

Organisme pemakan herbivora yang dinamakan karnivora kecil yang menempati tingkat trofik ketiga.

c.       Konsumen Tersier

Organisme pemakan konsumen sekunder yang dinamakan karnivora besar yang menempati tingkat trofik keempat.

Dalam suatu ekosistem tidak selamanya memiliki tingkat trofik yang sama karena tergantung dari keanekaragaman pada suatu tempat. Namun, biasanya terdiri dari empat sampai lima tingkat trofik. Jalur makan dan dimakan dari organisme pada suatu tingkat trofik ke tingkat trofik berikutnya yang membentuk urutan dan arah tertentu disebut rantai makanan.

Berdasarkan macam trofik pertamanya (produsen), rantai makanan dibedakan menjadi rantai makanan perumput dan rantai makanan detritus.

Di dalam suatu ekosistem umumnya tidak hanya terdiri dari suatu rantai makanan saja, tetapi lebih banyak dan komplek. Setiap organisme mungkin mengambil makanan dari berbagai organisme dari trofik di bawahnya dalam rantai makanan yang sama atau rantai makanan yang lain. Misalnya, organisme pemakan segala (omnivora) dapat memakan produsen dan konsumen dari berbagai tingkat trofik. Dengan demikian, di dalam suatu ekosistem hubungan makan dan dimakan saling berkaitan dan bercabang sehingga membentuk jaring-jaring makanan.

2.       Piramida ekologi

Struktur trofik dapat disusun secara urut sesuai hubungan makan dan dimakan antar trofik yang secara umum memperlihatkan bentuk kerucut atau piramid. Gambaran susunan antar trofik dapat disusun berdasarkan kepadatan populasi, berat kering, maupun kemampuan menyimpan energi pada tiap trofik yang disebut piramida ekologi. Piramida ekologi ini berfungsi untuk menunjukkan gambaran perbandingan antar trofik pada suatu ekosistem. Pada tingkat pertama ditempati produsen sebagai dasar dari piramida ekologi, selanjutnya konsumen primer, sekunder, tersier sampai konsumen puncak.

Dikenal ada tiga macam piramida ekologi antara lain piramida jumlah, piramida biomassa dan piramida energi. Gambaran ideal suatu piramida ekologi adalah sebagai berikut.

a.       Piramida jumlah

Penentuan piramida jumlah didasarkan pada jumlah organisme yang terdapat pada satuan luas tertentu atau kepadatan populasi antar trofiknya dan mengelompokan sesuai dengan tingkat trofiknya. Perbandingan populasi antar trofik umumnya menunjukkan jumlah populasi produsen lebih besar dari populasi konsumen primer lebih besar dari populasi konsumen skunder lebih besar dari populasi konsumen tersier. Ada kalanya tidak dapat menggambarkan kondisi sebagaimana piramida ekologi. Misalnya, pada sebuah pohon asam tinggal jutaan semut, puluhan kupu-kupu, ratusan lebah, dan sekelompok burung pemakan serangga.

b.      Piramida biomassa

Piramida biomassa dibuat berdasarkan pada massa (berat) kering organisme dari tiap tingkat trofik persatuan luas areal tertentu. Secara umum perbandingan berat kering menunjukkan adanya penurunan biomassa pada tiap tingkat trofik. Perbandingan biomassa antar trofik belum dapat menggambarkan kondisi sebagaimana piramida ekologi.

c.       Piramida energi

Dasar penentuan piramida energi adalah dengan cara menghitung jumlah energi tiap satuan luas yang masuk ke tingkat trofik dalam waktu tertentu, (misalnya per jam, per hari, per tahun). Piramida energi dapat memberikan gambaran lebih akurat tentang kecepatan aliran energi dalam ekosistem atau produktivitas pada tingkat trofik. Kandungan energi tiap trofik sangat ditentukan oleh tingkat trofiknya sehingga bentuk grafiknya sesuai dengan piramida ekologi yang sesungguhnya di lingkungan. Energi yang mampu disimpan oleh individu tiap trofik dinyatakan dalam k kal/m2/hari.

Pada piramida energi tampak jelas adanya penurunan jumlah energi secara bertahap dari trofik terendah ke trofik di atasnya. Penurunan ini disebabkan oleh hal-hal berikut.

1)       Hanya sejumlah makanan tertentu yang dapat dimakan oleh organisme trofik di atasnya.

2)      Beberapa bahan makanan yang sulit dicerna dibuang dalam keadaan masih mengandung energi kimia.

3)      Hanya sebagian energi kimia dalam bahan makanan yang dapat disimpan dalam sel dan sebagian lainnya untuk melakukan aktivitas hidup.

Selain itu bentuk piramida energi jika dibandingkan pada suatu tempat dengan tempat lain, dapat diketahui efisiensi produktivitas pada kedua tempat itu.

3.              Arus energi dan daur materi

Dari aktivitas di atas kamu dapat melihat adanya perpindahan energi pada sebuah rantai makanan. Pada proses perpindahan selalu terjadi pengurangan jumlah energi setiap melalui tingkat trofik makan-memakan. Energi dapat berubah menjadi bentuk lain, seperti energi kimia, energi mekanik, energi listrik, dan energi panas. Perubahan bentuk energi menjadi bentuk lain ini dinamakan transformasi energi.

Sumber energi utama bagi kehidupan adalah cahaya matahari. Energi cahaya matahari masuk ke dalam komponen biotik melalui produsen (organisme fotoautotropik) yang diubah menjadi energi kimia tersimpan di dalam senyawa organik. Energi kimia mengalir dari produsen ke konsumen dari berbagai tingkat tropik melalui jalur rantai makanan. Energi kimia tersebut digunakan organisme untuk pertumbuhan dan perkembangan. Kemampuan organisme-organisme dalam ekosistem untuk menerima dan menyimpan energi dinamakan produktivitas ekosistem. Produktivitas ekosistem terdiri dari produktivitas primer dan produktivitas sekunder.

    a.    Produktivitas primer

Produktivitas primer adalah kecepatan organisme autotrop sebagai produsen mengubah energi cahaya matahari menjadi energi kimia dalam bentuk bahan organik. Hanya sebagian kecil energi cahaya yang dapat diserap oleh produsen. Produktivitas  primer berbeda pada setiap ekosistem, yang terbesar ada pada ekosistem hutan hujan tropis dan ekosistem hutan bakau.

Seluruh bahan organik yang dihasilkan dari proses fotosintesis pada organisme fotoautotrop disebut produktivitas primer kotor (PPk). Lebih kurang 20% dari PPK digunakan oleh organisme fotoautotrop untuk respirasi, tumbuh dan berkembang. Sisa PPK yang baru disimpan dikenal sebagai produktivitas primer bersih (PPB). Biomassa organisme autotrop (produsen) diperkirakan mencapai 50%-90% dari seluruh bahan organik hasil fotosintesis. Hal ini menunjukkan simpanan energi kimia yang dapat ditransfer ke trofik selanjutnya melalui hubungan makan dimakan dalam ekosistem.

      b.  Produktivitas sekunder

Produktivitas sekunder adalah kecepatan organisme heterotrop mengubah energi kimia dari bahan organik yang dimakan menjadi simpanan energi kimia baru di dalam tubuhnya. Energi kimia dalam bahan organik yang berpindah dari produsen ke organisme heterotrop (konsumen primer) dipergunakan untuk aktivitas hidup dan hanya sebagian yang dapat diubah menjadi energi kimia yang tersimpan di dalam tubuhnya sebagai produktivitas bersih.

Demikian juga perpindahan energi ke konsumen sekunder dan tersier akan selalu menjadi berkurang. Perbandingan produktivitas bersih antara trofik dengan trofik-trofik di atasnya dinamakan efisiensi ekologi. Diperkirakan hanya sekitar 10% energi yang dapat ditransfer sebagai biomassa dari trofik sebelumnya ke trofik berikutnya.

4.      Daur biogeokimia

Berbeda dengan energi, materi kimia yang berupa unsurunsur penyusun bahan organik dalam ekosistem, berpindah ke trofik-trofik rantai makanan tanpa mengalami pengurangan, melainkan berpindah kembali ke tempat semula. Unsur-unsur tersebut masuk ke dalam komponen biotik melalui udara, tanah atau air. Perpindahan unsur kimia dalam ekosistem melalui daur ulang yang melibatkan komponen biotik dan abiotik ini dikenal dengan sebutan daur biogeokimia. Hal ini menunjukkan adanya hubungan antara komponen biotik dengan abiotik dalam suatu ekosistem. Daur biokimia meliputi : daur air, daur sulfur, daur pospor, daur nitrogen, daur karbon dan daur oksigen.

a.      Daur air

Semua organisme hidup memerlukan air untuk melakukan aktivitas hidupnya. Oleh karena itu, ketersediaan air di lingkungan sangat mutlak bagi organisme hidup. Hewan mengambil air, langsung dari air permukaan, tumbuhan dan hewan yang dimakan, sedangkan tumbuhan mengambil air dari air tanah dengan menggunakan akarnya. Manusia menggunakan sekitar seperempat air tanah yang ada di daratan. Air keluar dari hewan dan manusia berupa urin dan keringat, sedangkan pada tumbuhan melalui proses transpirasi.

b.      Daur sulfur (Belerang)

Sulfur merupakan bahan penting untuk pembuatan semua protein dan banyak terdapat di kerak bumi. Tumbuhan mengambil sulfur dalam bentuk dari tanah, sedangkan hewan dan manusia mendapatkannya dari tumbuhan yang mereka makan. Perhatikan skema daur sulfur di samping ini.

c.       Daur fosfor

Fosfor merupakan unsur kimia yang jarang terdapat di alam dan merupakan faktor pembatas produktivitas ekosistem, serta merupakan unsur yang penting untuk pembentukan asam nukleat, protein, ATP dan senyawa organik vital lainnya. Fosfor satu-satunya daur zat yang tidak berupa gas, sehingga daurnya tidak melalui udara. Sebagian besar fosfor mengalir ke laut dan terikat pada endapan di perairan atau dasar laut. Begitu sampai di laut hanya ada dua mekanisme untuk daur ulangnya ke ekosistem darat, salah satunya melalui burung-burung laut yang mengambil fosfor melalui rantai makanan laut dan mengembalikan ke darat melalui kotorannya kemudian masuk ke rantai makanan. Perhatikan skema daur fosfor di samping ini.

d.      Daur nitrogen

Semua organisme memerlukan unsur nitrogen untuk pembentukan protein dan berbagai molekul organik esensial lainnya. Unsur nitrogen sebagian besar terdapat di atmosfer dalam bentuk gas nitrogen (N2) dan kadarnya 78% dari semua gas di atmosfer.

Gas nitrogen ini di atmosfer masuk ke dalam tanah melalui fiksasi nitrogen oleh bakteri (Rhizobium, Azotobacter, Clostridium), alga biru (Anabaena, Nostoc) dan jamur (Mycorhiza) nitrogen yang masuk ke tanah melalui fiksasi diubah menjadi amonia (NH3) oleh bakteri amonia. Proses penguraian nitrogen menjadi amonia disebut amonifikasi.

Nitrogen yang masuk ke tanah bersama kilat dan air hujan berupa ion nitrat (NO3−), sedangkan nitrogen yang ada di dalam tubuh tumbuhan dan akan hewan melalui proses mineralisasi oleh bakteri pengurai menjadi amonia. Amonia yang dihasilkan melalui proses amonifikasi dan mineralisasi oleh bakteri nitrit (nitrosomonas dan nitrosococcus) dirombak menjadi ion nitrit (NO2−), selanjutnya ion nitrit dirombak bakteri nitrat (nitrobacter) menjadi ion nitrat (NO3−). Perombakan amonia menjadi ion nitrit, ion nitrit menjadi ion nitrat disebut nitrifikasi.

Tumbuhan umumnya menyerap nitrogen dalam bentuk ion nitrat, sedangkan hewan mengambil nitrogen dalam bentuk senyawa organik (protein) yang terkandung pada tumbuhan dan hewan yang dimakan.

Sebagian ion nitrat dirombak oleh bakteri denitrifikasi (Thiobacillus denitrificans, Pseudomonas denitrificans) menjadi nitrogen. Nitrogen yang dihasilkan akan kembali ke atmosfer. Proses penguraian ion nitrat menjadi nitrogen disebut denitrifikasi.

e.       Daur karbon dan oksigen

Unsur karbon di atmosfer dalam bentuk gas karbon dioksida (CO2), sedangkan unsur oksigen dalam bentuk gas oksigen (O2). Konsentrasi (CO2) di atmosfer diperkirakan 0,03%. Karbon dioksida masuk ke dalam komponen biotik melalui organisme fotoautotrop (tumbuhan hijau) dan kemoautotrop (bakteri kemoautotrop) dalam proses fotosintesis dan kemosintesis. Karbon kemudian tersimpan sebagai zat organik dan berpindah melalui rantai makanan, respirasi dan ekskresi ke lingkungan. Sedangkan, oksigen (O2) masuk ke komponen biotik melalui proses respirasi untuk membakar bahan makanan, lalu dihasilkan karbon dioksida (CO2). Daur karbon berkaitan erat dengan daur oksigen di alam kita ini.

LATIHAN 
1. Jelaskan Apa yang dimaksud dengan rantai makanan? buat contohnya (BUKAN GAMBAR DARI BLOG INI)  dan tentukan produsen, konsumen primer, konsumen sekunder dan konsumen tersier dari rantai makanan itu!

2. Jelaskan apa yang dimaksud dengan jaring-jaring makan? berikan contohnya (BUKAN GAMBAR DARI BLOG INI) !

 2. Buatlah aliran energi (jaring-jaring makanan atau rantai makan) dari nyamuk, ikan dan manusia!

3. Dari ketiga  (piramida jumlah, piramida biomassa dan piramida energi) yang mana menunjukkan piramida ekologi yang paling akurat? jelaskan alasannya!

4. Jelaskan tentang daur air dilengkapi dengan gambar!