Energi dalam Ekologi

Energi didefenisikan sebagai suatu kesanggupan untuk melakukan kerja. Untuk mengetahui prilaku energi perlu diketahui hukum-hukum termodinamika, yaitu:

a. Hukum termodinamika pertama
Energi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lain, tetapi tak pernah bertambah atau berkuran (tak pernah diciptakan baru dan dihancurkan).



Misalnya cahaya, adalah salah satu bentuk energi; untuk itu dia dapat diubah menjadi kerja, panas, atau energi potensial dari makanan. Tergantung pada keadaan, tetapi tak pernah berkurang jumlahnya.
Sebagian dari energi cahaya yang menjadi energi panas dari tanah, menjadi energi kinetik dari pergerakan angin yang dapat melakukan pekerjaan memompa air. Energi tidak hilang dengan menaikkan air, tetapi menjadi energi potensial karena energi laten (tersimpan) dalam air yang menyebabkan air dapat dinaikkan dapat diubah menjadi beberapa tipe energi dengan membiarkan air jatuh kembali ke dalam sumur.
Zat organik yang dihasilkan oleh aktivitas fotosintesis tumbuh-tumbuhan hijau mengandung energi potensial yang akan berubah ke lain bentuk bila zat organik itu dipakai oleh organisme.
Energi potensial dalam bentuk makanan dapat dipergunakan oleh hewan. Sebagian besar dari makanan hewan itu diubah menjadi panas dan hanya sedikit diubah menjadi protoplasma baru. Pada setiap langkah dalam pengalihan energi dari suatu organisme ke yang lain, sebagian dari energi didegradasikan menjadi panas.

b. Hukum termodinamika dua
Tak ada suatu proses pun yang menyangkut transformasi energi akan terjadi secara spontan, kecuali jika disertai degredasi energi dari bentuk yang pekat ke bentuk yang tipis (memencar).

Panas, misalnya dalam bentuk suatu objek yang panas akan segera memencar lebih ke dalam lingkungan yang dingin.
Berbagai bentuk kehidupan selalu diikuti oleh perubahan-perubahan energi. Energi yang disampai ke permukaan bumi sebagai cahaya matahari diimbangi oleh energi yang keluar dari permukaan bumi sebagai radiasi panas. Esensi kehidupan ialah perkembangan dari perubahan-prubahan seperti pertumbuhan penggandaan dan sintesis.

* Lingkungan Energi
Pada lapisan teratas atmosfer besarnya radiasi adalah kurang lebih 2 gcal/cm2/detik. Jumlah ini akan berkurang apabila melewati atmosfer, paling banyak 67 % (1,34 gcal/cm2/detik) yang dapat mencapai permukaan bumi pada tengah hari di musim panas. Radiasi matahari pada lapisan atmosfer adalah konstan dibandingkan dengan:
(1) Radiasi matahari yang mencapai permukaan laut pada hari yang cerah.
(2) Sinar matahari yang menembus mendung sempurna.
(3) Cahaya yang menembus vegetasi
Jadi, radiasi matahari semakin berkurang dan terjadi perubahan spektrum energi bilamana ia melewati awan, air dan vegetasi.
Absorbsi di dalam atmosfer secara luas mengurangi cahaya nampak dan secara tidak beraturan mengurangi radiasi inframerah. Cahaya nampak tersebut sedikit berkurang ketika melewati awan yang tebal dan air, yang berarti bahwa fotosintesis dapat diteruskan pada hari yang berawan dan pada beberapa kedalaman air yang jernih. Vegetasi menyerap gelombang panjang cahaya nampak yang berwarna biru dan merah serta infra merah secara lemah.
Pada daerah perbukitan atau daerah pegunungan di belahan bumi utara, permukaan lereng di bagian selatan menerima radiasi lebih besar dan lereng bagian selatan lebih kecil dari pada yang diperoleh di permukaan datar; hal ini menyebabkan perbedaan dalam iklim setempat dan vegetasi.

* Konsep Produktivitas
Produktivitas ialah laju produksi azat-azat organik dalam suatu ekosistem yang dimulai dengan konversi energi cahaya matahari menjadi zat-zat organik melalui fotosintesis pada tumbuhan hijau.

Di bawah ini diberikan beberapa batasan (defenisi) yang penting:
1. Produktivitas primer dari suatu ekosistem ialah laju konversi energi cahaya menjadi zat organik melalui fotosintetis dan khemosintetis oleh organisme produser (terutama tumbuhan hijau).
2. Produktivitas primer bruto ialah laju dari fotosintetis total, termasuk zat-zat organik yang dipakai untuk pernafasan selama masa pengukuran; dikenal pula dengan istilah asimilasi total.
3. Produktivitas primer neto ialah laju dari penyimpanan zat-zat organik di dalam jaringan tumbuh-tumbuhan setelah dikurangi pemakaian untuk pernafasan selama masa pengukuran, disebut juga fotosintetis nyata (apparent photosynthetis) atau asimilasi neto.
Biasanya jumlah energi/zat organik yang digunakan untuk pernafasan ditambahkan kepada jumlah fotosintesis nyata, sebagai koreksi untuk menaksir jumlah produktivitas bruto.
4. Produktivitas komunitas neto, yaitu laju dari penyimpanan zat-zat organik yang tidak digunakan heterotrof (jadi, produktivitas primer neto dikurangi konsumsi oleh heterotrof) selama waktu pengukuran, biasanya selama musim tumbuh atau setahun.
5. Produktivitas skunder adalah laju dari penyimpanan energi pada tingkat konsumer atau dekomposer.

Jadi, produktivitas primer sebenarnya adalah drajat energi sebagai hasil fotosintetis dan khemosintetis dari organisme produser (terutama tumbuhan hijau) dalam bahan organik yang dapat dipergunakan sebagai makanan. Sedangkan produktivitas skunder adalah drajat persediaan energi pada tingkat konsumer dan dekomposer.
Derajat produksi yang tinggi, baik pada ekosistem alami maupun ekosistem budidaya, terjadi apabila faktor-faktor fisik cocok, lebih-lebih lagi apabila ada subsidi dari luar. Subsidi energi yang dimaksud dapat terbentuk hasil kerja dari angin dan hujan di suatu hutan hujan. Energi pasang surut di suatu daerah estuaria atau bahan bakar binatang atau energi kerja manusia yang digunakan dalam pertanian.
Pengertian subsidi itu sendiri adalah sejumlah energi tambahan yang dapat mengurangi kerugian dalam rangka mempertahankan kondisi suatu ekosistem sehingga energi yang utama dapat lebih banyak digunakan untuk konversi menjadi produksi.

Hal lain lagi yang harus diingat mengenai pengertian umum dari pada subsidi energi adalah bahwa pada suatu perangkat keadaan lingkungan ia dapat bertindak sebagai pendukung, tetapi pada keadaan lingkungan yang lain dapat bertindak sebagai penguras energi yang mengurangi produktivitas.
Sebagai contoh evapotranspirasi mungkin merupakan suatu tekanan energi pada iklim-iklim kering, tetapi merupakan subsidi energi di dalam iklim basah.

Produktivitas primer berbeda secara vertikal dan horisontal. Secara vertikal, di perairan dekat pantai produksi primer paling tinggi terdapat pada kedalaman 30 m dari permukaan, tetapi di laut terbuka zone produksi primer dapat mencapai kedalaman 100 m dari permukaan. Di semua perairan puncak fotosintetis cendrung terjadi dekat di bawah permukaan air dimana fitoplankton dapat menerima cukup energi matahari. Di dalam hutan pun fotosintetis lebih intensif di bagian-bagian tajuk pohon yang teratas.
Secara horisontal, produksi primer berbagai ekosistem dunia, baik ekosistem perairan maupun daratan, akan berbeda menurut perbedaan fisisnya. Khlorofil memegang peranan yang amat penting dalam produksi primer. Hubungan antara jumlah khlorofil dengan laju fotosintetis dinyatakan sebagai rasio asimilasi, yaitu laju produksi per gram khlorofil, yang ditunjukkan sebagai gram O2/jam/gram khlorofil. Jumlah khlorofil yang paling tinggi berada pada komunitas yang berlapis-lapis seperti hutan; dan pada umumnya jumlah khlorofil lebih tinggi pada komunitas daratan daripada komunitas perairan.
Produksi primer digunakan oleh manusia sebagai pangan, serat dan bahan bakar. Panen bahan pangan di dunia merupakan 1 persen dari produksi primer neto atau 0,5 persen dari produksi primer bruto biosfer.
Negara-negara yang sedang berkembang umumnya mempuyai produksi pangan rendah perhektar, sebab mereka terlalu miskin untuk memberikan subsidi energi. Suatu kenyataan yang suram yang harus dihadapi ialah bahwa produksi pangan dunia lebih dekat ke kisaran yang lebih rendah dan bukan ke kisaran yang lebih tinggi, dan di negara yang sedang berkembang kenaikan hasil tidak secepat pertambahan penduduknya.

Untuk separoh penduduk dunia, kayu adalah bahan bakar utama. Di negara-negara paling miskin, kayu dipakai lebih banyak dari kemampuan produksinya, sehingga terjadi kerusakan hutan yang cepat. Dari segi ini, mengingat makin menipisnya persediaan minyak bumi, penggunaan kayu harus lebih ditekan dengan misalnya mendaurulangkan kertas, sehingga kayu pulp dapat digunakan sebagai sumber energi.

* Rantai makanan, jaring-jaring makanan dan tingkat tropik
Pemindahan energi makanan dari sumbernya (tumbuhan) melalui serangkaian organisme dengan saling makan memakan, dinamakan rantai makanan. Rantai makanan tersebut tidaklah berjalan sendiri dan terpisah, tetapi berhubungan satu sama lainnya, membentuk jaring-jaring makanan. Pada dasarnya rantai makanan atau jaringan makanan adalah pengalihan energi, yang dimulai dari radiasi matahari yang diubah oleh produser ke dalam bentuk energi kimia dan energi potensial, dan seterusnya ke dalam bentuk-bentuk lainnya.
Odum (1983) membagi rantai makanan dalam 2 tipe dasar, yaitu rantai makanan perumputan, yang mulai dari tumbuhan sebagai dasar herbivora yang merumput (organisme yang memakan tumbuhan hidup) dan terus ke carnivora (organisme pemakan binatang): dan rantai detritus, yang dimulai dari bahan-bahan mati ke mikro-organisme dan kemudian ke mikro-organisme yang makan sisa dari predatornya.
Di dalam komunitas yang kompleks, organisme-organisme yang makanannya diperoleh dari tumbuhan dengan jumlah langkah yang sama dikatakan termasuk ke dalam tingkat tropik yang sama. Jumlah rangkaian/langkah tersebut biasanya 4 sampai 5 langkah. Makin pendek rantai makanan, makin besar energi yang tersedia yang dapat diubah menjadi biomass.
Binatang-binatang dan konsumer lainnya tidaklah semata-mata pasif sebagai pemakan di sepanjang rantai makanan. Mereka sering berusaha untuk memberikan umpan balik yang positif.

* Kualitas Energi
Energi memiliki kualitas maupun kuantitas. Jumlah yang sama dari bentuk-bentuk energi yang berbeda bervariasi besar di dalam potensi kerjanya. Kualitas energi diukur dengan energi yang digunakan di dalam transformasi atau lebih spesifik dengan jumlah dari satu tipe energi yang diperlukan untuk membangun bentuk energi yang lain di dalam rantai transformasi energi seperti rantai makanan atau rantai konversi energi pembangkit tenaga listrik. Apabila kualitas yang dikonversi ke dalam bentuk-bentuk baru menurun, kualitas dari bagian yang dikonversi itu ditingkatkan secara proporsional pada tiap-tiap tahap. Dengan kata lain, apabila kuantitas menurun maka kualitas akan meningkat.
Suatu faktor kualitas dapat didefinisikan sebagai jumlah kalori sinar matahari yang perlu digunakan untuk memproduksi satu kalori dari bentuk kualitas yang lebih tinggi (misalnya makanan atau kayu). Struktur kimia sumber energi menentukan kualitasnya sebagai sumber makanan bagi konsumer. Apakah energi potensial di dalam suatu komponen tersedia bagi konsumer, tergantung pada nilai kualitas sumber sebagai makanan.

Sumber: Buku Ekologi Umum