ALIRAN ENERGI DALAM EKOSISTEMEnergy flow in ecosystemsRamadhan Hidayat

Pengertian energiEnergy is the capacity to do work. Energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja. Tanpa energi tidak ada kegiatan.Lampu di rumah, komputer, TV, radio, kipas angin, AC dan peralatan elektronik lainnya bisa berfungsi karena ada aliran energi. Jika listrik mati, pasokan energi terhenti sehingga alat-alat tersebut tidak bisa berfungsi.Alat transportasi bisa bergerak karena ada energi.Orang bisa bergerak dan melaksanakan aktivitas karena mendapat pasokan energi dari makanan. Jika manusia berhenti makan, dia tidak akan dapat bergerak lagi.

Energi untuk transportasi (1)

Energi untuk transportasi (2)

Tingkat konsumsi energi suatu negara berhubungan erat dengan tingkat kemakmuran negara tersebut

SUMBER ENERGISumber energi dalam ekosistem adalah cahaya matahari. Energi dari cahaya matahari dapat dimanfaatkan secara langsung sejak zaman dulu untuk mengeringkan barang: biji-bijian, ikan, daging, baju, dll. Di zaman modern cahaya matahari dapat diubah menjadi energi listrik dengan photovoltaic cells.Cahaya matahari menyebabkan fotosintesis pada tumbuhan, menghasilkan karbohidrat. Tumbuhan dimakan hewan. Tumbuhan dan hewan merupakan sumber energi bagi manusia. HIDUP MANUSIA 100% TERGANTUNG PADA TUMBUHANHasil fotosinthesis juga dapat diolah menjadi biofuel.

ENERGI FOSILBahan bakar fossil (minyak, batu bara dan gas) berasal dari tumbuhan dan hewan yang terkubur dalam tanah selama jutaan tahun. Jadi bahan bakar fosil juga berasal dari cahaya matahari. Karena sumber energi utama saat ini adalah energi fosil, maka negara-negara yang memiliki banyak energi fossil menjadi negara kaya. Negara-negara maju perlu menjamin pasokan energi untuk mempertahankan standard hidup di negara tsb. Perang di Irak menyangkut penguasaan minyak.

ENERGI AIRAir mengalir dari tempat tinggi ke tempat yang lebih rendah. Aliran air tersebut dapat dimanfaatkan manusia untuk menggerakkan turbin pada generator dan menghasilkan listrik. Setelah air mencapai laut dia tidak mengalir lagi. Cahaya matahari mengenai air laut sehingga sebagian di antaranya berubah menjadi uap air yang bergerak ke atmosfer. Uap air mengalami kondensasi dan kemudian menjadi awan dan hujan. Air yang jatuh di permukaan bumi mengalir ke tempat yang lebih rendah. Energi air juga bersumber dari cahaya matahari.

Hydropower

Energi AnginTempat yang berbeda di bumi mendapatkan cahaya matahari dengan intensitas dan durasi (lama) yang berbeda. Akibatnya tempat-tempat tersebut memiliki suhu udara yang berbeda, sehingga tekanan udaranya juga berbeda. Perbedaan tekanan udara menimbulkan angin. Angin dapat memutar kincir angin dan menghasilkan listrik. Energi angin juga bersumber dari cahaya matahari.

TREND KONSUMSI ENERGI

SUPPLY ENERGI DUNIA

ALIRAN ENERGI (1)Energi dikatakan mengalir karena transfer anergi berjalan ke satu arah, dan energi tidak dapat didaur ulang.

MatahariProdusenKonsumen dan penguraiEnergi cahayaEnergi kimiaEnergi panasEnergi panasEnergi mekanis

Aliran energi dan siklus materiMateri berputar di antara komponen ekosistemEnergi mengalir dari matahari (cahaya) ke ekosistem dan ke luar (panas).Merah: energi. Coklat: energi &materi.Biru: materi

Anggaran energi matahari untuk planet bumi(nilai dalam persentase)

ANGGARAN ENERGI MATAHARI%TOTAL DARI MATAHARI (1370 Wm-2)100Direfleksi31Diserap (panas)47Digunakan untuk evaporasi23Digunakan untuk angin dan gelombang0.2Fotosintesis0.1Catatan: persentase bervariasi antar peneliti.

PHOTOSYNTHESIS (1)Photosynthesis is an energy-storing process that takes place in leaves and other green parts of plants in the presence of light. The light energy is stored in a simple sugar molecule that is produced from carbon dioxide present in the air and water absorbed by the plant. Oxygen is released as a by-product.Fotosinthesis adalah proses penyimpanan energi yang berlangsung di daun dan bagian hijau lainnya dari tumbuhan dengan kehadiran cahaya. Energi cahaya disimpan dalam molekul gula sederhana yang dihasilkan dari CO2 yang ada di udara dan air yang diserap tumbuhan. Oksigen dikeluarkan sebagai hasil sampingan.

PHOTOSYNTHESIS (2)6CO2 +6 H2O C6H1206 + 6O2

Fotosinthesis terjadi di khloroplast di dalam sel daun tumbuhan atau bagian hijau lainnya. Khloroplast mengandung pigmen chlorofil yang menangkap energi dari cahaya.

cahaya

Photosynthesis

Photosynthesis

Penampang lintang daun

PHOTOSYNTHESIS (4)The process of photosynthesis takes place in two successive processes called the light reaction and dark reaction. Proses fotosinthesis berlangsung dalam dua proses berurutan yang disebut reaksi terang dan reaksi gelap.In light reaction water molecules are split apart producing H+ and electron and O2 is released, and energy storing molecules ATP created. Dlm reaksi terang molekul air terpisah menjadi H+ dan elektron dan O2 dibebaskan, dan molekul penyimpan ATP terbentuk.

Reaksi terang dan Calvin cycle

Faktor-faktor yang mempengaruhi laju fotosinthesisFaktor internal tumbuhan: Jenis tumbuhan yang berbeda mempunyai laju fotosintesis yang berbeda. Pada awal perkembangan daun, laju fotosinthesis meningkat, kemudian setelah daun tua, lajunya turun.Faktor eksternal tumbuhan.Laju fotosinthesis dibatasi oleh ketersediaan air dan CO2.Cahaya juga mempengaruhi laju fotosinthesis, tergantung pada jenis tumbuhannya. Ada jenis yang toleran terhadap naungan ada jenis yang membutuhkan banyak cahaya. Pengaruh suhu terhadap laju fotosinthesis tergantung pada jenis tumbuhannya. Ada jenis yang biasa hidup di daerah panas, dan ada yang di daerah dingin.

Hasil Sampingan FotosinthesisSelain menghasilkan karbohidrat, fotosinthesis juga menghasilkan oksigen. Sebelum ada tumbuhan hijau di bumi, kandungan oksigen di atmosfer tidak cukup untuk kehidupan manusia. Jadi peran tumbuhan bagi manusia bukan hanya menyediakan sumber makanan (energi dan zat gizi lainnya) tetapi juga sebagai penyedia oksigen.

RESPIRATIONRespiration is an energy releasing process that takes place in all living cells 24 hours a day. The energy is released from simple sugar molecules that are broken down during a series of steps controlled by enzymes. Respirasi (pernafasan) adalah proses pelepasan energi yg berlangsung di semua sell hidup 24 jam/hari. Energi dilepaskan dari gula sederhana yang diuraikan selama beberapa tahap yang dikontrol oleh enzim.C6H1206 + 6O2 6CO2 +6 H2O enzymes

ALIRAN ENERGI (2)

Aliran energi dalam ekosistem (3)Sebagian dari energi yang ada pada tumbuhan selanjutnya ditransfer ke herbivor karena tumbuhan dimakan oleh herbivor, dan selanjutnya sebagian dari energi herbivor ditransfer ke hewan karnivor melalui rantai makanan. Tumbuhan dan hewan yang mati diuraikan oleh pengurai.Aliran energi dari tumbuhan ke karnivor terjadi melalui rantai makanan.

Rantai makananFood chain

Kupu-kupu mengisap nektarA butterfly sips nectar

Kupu-kupu dimakan capung

A butterfly is eaten by a dragonfly

Capung dimakan katakA dragonfly is eaten by a frog

Katak dimakan ularA frog is eaten by a snake

Ular dimakan elang

A snake is eaten by an eagle

Food chain in terrestrial ecosystems

Foodchain in Aquatic Ecocosystems

Hukum ThermodinamikaHukum I: Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari satu tipe (misalnya cahaya) ke tipe yang lain (misalnya makanan). Hukum II: Transformasi energi tidak 100% efisien. Dari 100 cal energi dalam tumbuhan yang dimakan hewan, < 10 cal yang dapat ditransfer ke tubuh herbivor, yang > 90 cal berubah menjadi panas yang tidak dapat digunakan untuk bekerja. Dari 10 cal herbivor yg dimakan karnivor, < 1 cal yang dapat ditransfer ke tubuh karnivor.

SUPLAI ENERGI MEMBATASI UKURAN KOMUNITAS

Membatasi batas maksimal biomassa produsen primer, kemudian Mempengaruhi potensi biomassa herbivora, dan akhirnya Mempengaruhi potensi biomassa karnivora

ENERGI YANG MELEWATI TINGKATAN TROFIK ADALAH + 10% EFISIENSI

Piramida energi/biomassa

Konsekuensi Hukum thermodinamika (1)Mengapa harimau terancam punah?Harimau adalah karnivora. Dia berada di puncak piramida. Sesuai dengan hukum thermodinamika II, ketersediaan energi semakin ke atas trophic level semakin sedikit. (Pepatah China mengatakan: gunung kecil tidak dapat menghidupi harimau).Harimau memiliki badan yang besar, perlu banyak makanan daging.Harimau diburu oleh manusia.

ENTROPYKetika energi digunakan untuk bekerja, energi itu tidak hilang tetapi menurun kualitasnya sehingga tidak lagi dapat menghasilkan kerja. Ukuran jumlah energi yang tidak tersedia untuk bekerja ini disebut entropy. Hukum thermodinamika II juga disebut hukum entropy karena dalam transformasi energi terjadi penurunan kualitas; sebagian energi berubah menjadi entropy.Entropy juga merupakan ukuran ketidakteraturan (disorder).

Konsekuensi Hukum thermodinamika (2)Karena energi yang sudah digunakan berubah menjadi entropy (ketidak teraturan) maka diperlukan input energi terus menerus untuk mempertahankan struktur yang teratur. Jika tidak ada input energi maka struktur akan hancur. Manusia dan hewan perlu makan (input energi) untuk mempertahankan keutuhan tubuhnya. Hidup manusia dan hewan tergantung pada tumbuhan.Rumah dan barang-barang lain perlu dirawat (input energi) agar tidak hancur.Tumbuhan dapat membangun strtuktur dari unsur yang tercerai berai di alam karena dia memperoleh input energi dari matahari.

Produktifitas ekosistem (1)Produktifitas primer kotor (gross primary production): banyaknya energi cahaya matahari yang diasimilasi tumbuhan menjadi biomassa pada satuan waktu. (kcal/ha/th), (ton/ha/th)Produktifitas primer bersih (net primary production): banyaknya energi primer yang masih ada setelah digunakan untuk respirasi. (produktifitas kotor dikurangi respirasi)

Produktifitas ekosistem (2)Produktifitas sekunder kotor : banyaknya energi yang diikat oleh herbivor dalam satuan waktu dan luas.Produktifitas sekunder bersih = produktifitas sekunder yang tersisa setelah digunakan untuk respirasi.Produktifitas komunitas/ekosistem bersih: produktifitas seluruh komponen biologi dalam ekosistem yang tersisa.

Metoda pengukuran produktifitas primer (1a)Metoda panen: secara periodik tumbuhan dipanen, dikeringkan dan ditimbang.Pengukuran asimilasi karbon (C). Daun atau cabang tumbuhan hidup dimasukan dalam kontainer terang dan sebagian lagi dalam kontainer gelap dan dibiarkan beberapa waktu. Konsentrasi C sebelum dan sesudah percobaan diukur. Pada kontainer gelap, C akan bertambah karena respirasi (dan tidak ada fotosintesis). Pada kontainer terang terjadi fotosinthesis (mengurangi C) dan respirasi (menambah C). Berkurangnya C pada kontainer terang adalah produksi bersih. Jika ditambah dengan bertambahnya C pada kontainer gelap merupakan produksi kotor.

Metoda pengukuran produktifitas primer (2)Pengukuran produksi oksigen: untuk tumbuhan akuatik. Tumbuhan dimasukkan dalam botol gelap dan botol terang. Biarkan selama 24 jam. Ukur konsentrasi oksigen sebelum dan sudah percobaan. Pada botol terang terjadi fotosinthesis (menambah O) dan respirasi (mengurangi O). Pada botol gelap terjadi respirasi (mengurangi O) dan tidak terjadi fotosinthesis. Bertambahnya O pada botol terang merupakan produksi bersih. Jika ditambahkan dengan berkurangnya O pada botol gelap merupakan produksi kotor.

Produktifitas Beberapa Tipe Ekosistem

KOTA VERSUS EKOSISTEM ALAMIHutan alam merupakan ekosistem yang mandiri. Hutan alam tidak memerlukan perawatan dari manusia untuk mempertahankan eksistensinya. Bahkan hutan alam dapat memulihkan dirinya kembali (melalui proses suksesi menuju keseimbangan dengan iklim) jika dirusak manusia sampai tahap tertentu.Kota bukan ekosistem yang mandiri. Eksistensi kota dapat dipertahankan karena ada input energi dan materi terus menerus dari ekosistem di luarnya. Jika hubungan kota dengan ekosistem luar ditutup kehidupan manusia kota akan terhenti.

RENUNGAN (1)BENARKAH PENDAPAT YANG MENGATAKAN: Sumberdaya alam tidak penting; yang penting adalah sumber daya manusia. Meskipun kita miskin dalam SDA, kalau SDM kita bagus, kita akan makmur.

PertanyaanDari mana kita makan? Dari mana kita mendapatkan kain, kayu dan kertas?Dari mana kita mendapatkan besi, timah, kaca dll?Dari mana kita memperoleh energi untuk alat transportasi, industri dan rumah tangga? Dari kita mendapatkan obat-obatan?Apakah manusia dapat memenuhi kebutuhan di atas tanpa SDA?

KOTA VERSUS DESAKota bukan ekosistem yang alami dan karena itu tidak mandiri. Namun kota yang memiliki SDM lebih bagus menyedot energi dan materi dari pedesaan. Akibatnya, energi dan materi terpusat di kota sehingga pusat aktivitas manusia berada di kota.

RENUNGAN (2)JIKA SEMUA DAERAH PEDESAAN BERKEMBANG MENJADI KOTA, BISAKAH KEHIDUPAN MANUSIA DIPERTAHANKAN?