أكاديمية سانت بطرسبرغ الحكومية
طب بيطري.
قسم الأحياء العامة والبيئة والأنسجة.
ملخص عن علم البيئة حول الموضوع:
البيئة الأرضية الجوية وعواملها
وتكيف الكائنات الحية معها"
أكملها: طالب في السنة الأولى
مجموعة Oi Pyatchenko N. L.
تدقيق: أستاذ مشارك بالقسم
فاخميستروفا إس.
سان بطرسبورج
مقدمة
ظروف المعيشة (ظروف الوجود) هي مجموعة من العناصر الضرورية للكائن الحي، والتي يرتبط بها ارتباطًا وثيقًا والتي بدونها لا يمكن أن يوجد.
تسمى تكيفات الكائن الحي مع بيئته بالتكيف. تعد القدرة على التكيف إحدى الخصائص الأساسية للحياة بشكل عام، مما يضمن إمكانية وجودها وبقائها وتكاثرها. ويتجلى التكيف على مستويات مختلفة - من الكيمياء الحيوية للخلايا وسلوك الكائنات الحية الفردية إلى بنية وأداء المجتمعات والنظم البيئية. تنشأ التكيفات وتتغير أثناء تطور النوع.
تسمى الخصائص الفردية أو عناصر البيئة التي تؤثر على الكائنات الحية بالعوامل البيئية. العوامل البيئية متنوعة. لديهم طبائع مختلفة وأفعال محددة. تنقسم العوامل البيئية إلى مجموعتين كبيرتين: اللاأحيائية والحيوية.
العوامل غير الحيويةهي مجموعة الظروف الموجودة في البيئة غير العضوية والتي تؤثر على الكائنات الحية بشكل مباشر أو غير مباشر: درجة الحرارة، الضوء، الإشعاع الإشعاعي، الضغط، رطوبة الهواء، التركيب الملحي للمياه، إلخ.
العوامل الحيوية هي جميع أشكال تأثير الكائنات الحية على بعضها البعض. يتعرض كل كائن حي باستمرار للتأثير المباشر أو غير المباشر للآخرين، ويدخل في التواصل مع ممثلي الأنواع الخاصة به والأنواع الأخرى.
في بعض الحالات، يتم تصنيف العوامل البشرية المنشأ كمجموعة منفصلة إلى جانب العوامل الحيوية وغير الحيوية، مما يؤكد التأثير الشديد للعامل البشري.
العوامل البشرية هي جميع أشكال نشاط المجتمع البشري التي تؤدي إلى تغييرات في الطبيعة كموطن للأنواع الأخرى أو تؤثر بشكل مباشر على حياتهم. تستمر أهمية التأثير البشري على العالم الحي للأرض بأكمله في النمو بسرعة.
التغيرات في العوامل البيئية مع مرور الوقت يمكن أن تكون:
1) قوة التأثير ثابتة بانتظام، وتتغير بسبب الوقت من اليوم أو الموسم من السنة أو إيقاع المد والجزر في المحيط؛
2) غير منتظم، دون دورية واضحة، على سبيل المثال، التغيرات في الظروف الجوية في سنوات مختلفة، والعواصف، والاستحمام، والتدفقات الطينية، وما إلى ذلك؛
3) موجهة على مدى فترات زمنية معينة أو طويلة، على سبيل المثال، تبريد أو ارتفاع درجة حرارة المناخ، أو زيادة نمو الخزان، وما إلى ذلك.
يمكن أن يكون للعوامل البيئية البيئية تأثيرات مختلفة على الكائنات الحية:
1) كمهيجات تسبب تغيرات تكيفية في الوظائف الفسيولوجية والكيميائية الحيوية.
2) كمحددات تجعل من المستحيل التواجد في البيانات
شروط؛
3) كمعدلات تسبب تغيرات تشريحية ومورفولوجية في الكائنات الحية؛
4) كإشارات تشير إلى التغيرات في العوامل الأخرى.
على الرغم من التنوع الكبير للعوامل البيئية، فإنه يمكن تحديد عدد من الأنماط العامة في طبيعة تفاعلها مع الكائنات الحية وفي استجابات الكائنات الحية.
إن شدة العامل البيئي الأكثر ملاءمة لحياة الكائن الحي هي الأمثل، والعامل الذي يعطي أسوأ الأثر هو التشاؤم، أي. الظروف التي يتم فيها تثبيط النشاط الحيوي للكائن الحي إلى أقصى حد، لكنه لا يزال من الممكن أن يوجد. وبالتالي، عند زراعة النباتات في ظروف درجات حرارة مختلفة، فإن النقطة التي يتم ملاحظة أقصى نمو فيها ستكون هي النقطة الأمثل. في معظم الحالات، يكون نطاق درجة الحرارة معينًا بعدة درجات، لذلك من الأفضل التحدث هنا عن المنطقة المثلى. يُطلق على نطاق درجة الحرارة بأكمله (من الحد الأدنى إلى الحد الأقصى) الذي لا يزال النمو فيه ممكنًا، نطاق الاستقرار (التحمل) أو التسامح. والنقطة التي تحدها (أي الحد الأدنى والحد الأقصى) من درجات الحرارة المناسبة للحياة هي حد الاستقرار. بين المنطقة المثلى وحد الاستقرار، مع اقترابه من الأخير، يتعرض النبات لضغوط متزايدة، أي. نحن نتحدث عن مناطق التوتر، أو مناطق القمع، ضمن نطاق المقاومة
اعتماد عمل العامل البيئي على شدته (بحسب V.A. Radkevich، 1977)
عندما تتحرك لأعلى ولأسفل على المقياس، لا يزداد التوتر فحسب، بل في النهاية، عندما تصل مقاومة الجسم إلى حدودها، يحدث موته. ويمكن إجراء تجارب مماثلة لاختبار تأثير العوامل الأخرى. سوف تتوافق النتائج بيانياً مع نوع مماثل من المنحنى
بيئة الحياة الأرضية- الجوية وخصائصها وأشكال التكيف معها.
تتطلب الحياة على الأرض تكيفات تبين أنها غير ممكنة إلا في الكائنات الحية عالية التنظيم. تعد بيئة الهواء الأرضي أكثر صعوبة للحياة، فهي تتميز بارتفاع نسبة الأكسجين، وانخفاض كمية بخار الماء، وانخفاض الكثافة، وما إلى ذلك. أدى هذا إلى تغيير كبير في ظروف التنفس وتبادل المياه وحركة الكائنات الحية.
تحدد كثافة الهواء المنخفضة قوة الرفع المنخفضة والدعم الضئيل. يجب أن يكون لكائنات البيئة الجوية نظام دعم خاص بها يدعم الجسم: النباتات - الأنسجة الميكانيكية المختلفة، الحيوانات - الهيكل العظمي الصلب أو الهيدروستاتيكي. بالإضافة إلى ذلك، يرتبط جميع سكان الهواء ارتباطًا وثيقًا بسطح الأرض، مما يخدمهم للارتباط والدعم.
توفر كثافة الهواء المنخفضة مقاومة منخفضة للحركة. ولذلك اكتسبت العديد من الحيوانات البرية القدرة على الطيران. 75% من جميع الحيوانات البرية، وخاصة الحشرات والطيور، تكيفت مع الطيران النشط.
بفضل حركة الهواء والتدفقات الرأسية والأفقية للكتل الهوائية الموجودة في الطبقات السفلى من الغلاف الجوي، من الممكن الطيران السلبي للكائنات الحية. في هذا الصدد، طورت العديد من الأنواع تشتتًا ضارًا بمساعدة التيارات الهوائية. Anemochory هو سمة من سمات الجراثيم والبذور وثمار النباتات والخراجات الأوالي والحشرات الصغيرة والعناكب وما إلى ذلك. تسمى الكائنات الحية التي تنتقل بشكل سلبي عن طريق التيارات الهوائية مجتمعة بالعوالق الهوائية.
توجد الكائنات الأرضية في ظروف الضغط المنخفض نسبيًا بسبب انخفاض كثافة الهواء. عادة ما يكون 760 ملم زئبق. ومع زيادة الارتفاع، ينخفض الضغط. قد يحد الضغط المنخفض من توزيع الأنواع في الجبال. بالنسبة للفقاريات، يبلغ الحد الأعلى للحياة حوالي 60 ملم. يؤدي انخفاض الضغط إلى انخفاض في إمدادات الأكسجين وجفاف الحيوانات بسبب زيادة معدل التنفس. النباتات العليا لها نفس حدود التقدم في الجبال تقريبًا. تعتبر المفصليات، التي يمكن العثور عليها على الأنهار الجليدية فوق خط الغطاء النباتي، أكثر قدرة على التحمل إلى حد ما.
تكوين الغاز في الهواء. بالإضافة إلى الخصائص الفيزيائية للهواء، فإن خصائصه الكيميائية مهمة جدًا لوجود الكائنات الأرضية. تكوين غاز الهواء في الطبقة السطحية للغلاف الجوي موحد تمامًا من حيث محتوى المكونات الرئيسية (النيتروجين - 78.1٪، الأكسجين - 21.0٪، الأرجون 0.9٪، ثاني أكسيد الكربون - 0.003٪ من حيث الحجم).
ساهم المحتوى العالي من الأكسجين في زيادة التمثيل الغذائي في الكائنات البرية مقارنة بالكائنات المائية الأولية. لقد كان في البيئة الأرضية، على أساس الكفاءة العالية لعمليات الأكسدة في الجسم، نشأت الحرارة المنزلية الحيوانية. الأكسجين، بسبب محتواه العالي المستمر في الهواء، ليس عاملاً مقيدًا للحياة في البيئة الأرضية.
يمكن أن يختلف محتوى ثاني أكسيد الكربون في مناطق معينة من الطبقة السطحية للهواء ضمن حدود كبيرة جدًا. زيادة تشبع الهواء بثاني أكسيد الكربون؟ ويحدث في مناطق النشاط البركاني وبالقرب من الينابيع الحرارية وغيرها من المنافذ الجوفية لهذا الغاز. في التركيزات العالية، يكون ثاني أكسيد الكربون سامًا. في الطبيعة، مثل هذه التركيزات نادرة. محتوى منخفض من ثاني أكسيد الكربون يمنع عملية التمثيل الضوئي. في ظروف التربة المغلقة، يمكنك زيادة معدل التمثيل الضوئي عن طريق زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون. يتم استخدام هذا في ممارسة الدفيئة والزراعة الدفيئة.
يعتبر نيتروجين الهواء غازًا خاملًا بالنسبة لمعظم سكان البيئة الأرضية، ولكن بعض الكائنات الحية الدقيقة (البكتيريا العقيدية، وبكتيريا النيتروجين، والطحالب الخضراء المزرقة، وما إلى ذلك) لديها القدرة على ربطه وإشراكه في الدورة البيولوجية للمواد.
يعد نقص الرطوبة أحد السمات الأساسية لبيئة الحياة البرية والهواء. كان التطور الكامل للكائنات الأرضية تحت علامة التكيف للحصول على الرطوبة والحفاظ عليها. تتنوع أنظمة الرطوبة على الأرض بشكل كبير - بدءًا من التشبع الكامل والمستمر للهواء ببخار الماء في بعض مناطق المناطق الاستوائية وحتى غيابها شبه الكامل في الهواء الجاف بالصحاري. هناك أيضًا تقلب يومي وموسمي كبير في محتوى بخار الماء في الغلاف الجوي. تعتمد إمدادات المياه للكائنات الأرضية أيضًا على نظام هطول الأمطار، ووجود الخزانات، واحتياطيات رطوبة التربة، وقرب المياه الجوفية، وما إلى ذلك.
وأدى ذلك إلى تطور تكيف الكائنات الأرضية مع أنظمة إمدادات المياه المختلفة.
نظام درجة الحرارة. ميزة أخرى مميزة للبيئة الجوية الأرضية هي التقلبات الكبيرة في درجات الحرارة. وفي معظم مناطق اليابسة يصل نطاق درجات الحرارة اليومية والسنوية إلى عشرات الدرجات. تختلف مقاومة التغيرات في درجات الحرارة في البيئة بين سكان الأرض اختلافًا كبيرًا، اعتمادًا على الموطن المحدد الذي تجري فيه حياتهم. ومع ذلك، بشكل عام، فإن الكائنات الأرضية أكثر يوريثرميًا بكثير مقارنة بالكائنات المائية.
وتزداد الظروف المعيشية في البيئة الأرضية الجوية تعقيدًا بسبب التغيرات المناخية. الطقس - ظروف الغلاف الجوي المتغيرة باستمرار على السطح، حتى ارتفاع حوالي 20 كم (حدود طبقة التروبوسفير). يتجلى تقلب الطقس في التباين المستمر في مجموعة العوامل البيئية مثل درجة الحرارة ورطوبة الهواء والغيوم وهطول الأمطار وقوة الرياح واتجاهها، وما إلى ذلك. يميز نظام الطقس طويل المدى مناخ المنطقة. لا يشمل مفهوم "المناخ" متوسط قيم الظواهر الجوية فحسب، بل يشمل أيضًا دورتها السنوية واليومية والانحراف عنها وتكرارها. يتم تحديد المناخ حسب الظروف الجغرافية للمنطقة. يتم قياس العوامل المناخية الرئيسية - درجة الحرارة والرطوبة - من خلال كمية هطول الأمطار وتشبع الهواء ببخار الماء.
بالنسبة لمعظم الكائنات الأرضية، وخاصة الصغيرة منها، فإن مناخ المنطقة ليس مهمًا بقدر أهمية ظروف بيئتها المباشرة. في كثير من الأحيان، تغير العناصر البيئية المحلية (الإغاثة، والتعرض، والغطاء النباتي، وما إلى ذلك) نظام درجات الحرارة والرطوبة والضوء وحركة الهواء في منطقة معينة بحيث تختلف بشكل كبير عن الظروف المناخية للمنطقة. تسمى هذه التغيرات المناخية التي تتطور في الطبقة السطحية من الهواء بالمناخ المحلي. المناخ المحلي متنوع للغاية في كل منطقة. يمكن تحديد المناخات الدقيقة لمناطق صغيرة جدًا.
يتميز نظام الإضاءة في بيئة الهواء الأرضي أيضًا ببعض الخصائص المميزة. شدة وكمية الضوء هنا هي الأكبر ولا تحد عمليا من حياة النباتات الخضراء، كما هو الحال في الماء أو التربة. قد توجد على الأرض أنواع شديدة المحبة للضوء. بالنسبة للغالبية العظمى من الحيوانات الأرضية التي تمارس نشاطًا نهاريًا وحتى ليليًا، تعد الرؤية إحدى طرق التوجيه الرئيسية. في الحيوانات الأرضية، الرؤية مهمة للبحث عن الفريسة؛ حتى أن العديد من الأنواع لديها رؤية ملونة. في هذا الصدد، يطور الضحايا سمات تكيفية مثل رد الفعل الدفاعي، والتمويه والتلوين التحذيري، والتقليد، وما إلى ذلك.
في الأحياء المائية، تكون هذه التكيفات أقل تطورًا بكثير. يرتبط ظهور الزهور ذات الألوان الزاهية للنباتات العليا أيضًا بخصائص جهاز التلقيح، وفي النهاية، بنظام الإضاءة في البيئة.
إن خصائص التضاريس والتربة هي أيضًا الظروف المعيشية للكائنات الأرضية، وقبل كل شيء، النباتات. تتحد خصائص سطح الأرض التي لها تأثير بيئي على سكانها من خلال "العوامل البيئية edaphic" (من "edaphos" اليونانية - "التربة").
فيما يتعلق بخصائص التربة المختلفة، يمكن تمييز عدد من المجموعات البيئية للنباتات. وبالتالي، وفقا للرد على حموضة التربة، يتم تمييزها:
1) الأنواع المحبة للحموضة - تنمو في التربة الحمضية ذات درجة حموضة لا تقل عن 6.7 (نباتات مستنقعات الطحالب) ؛
2) تميل العدلات إلى النمو في التربة ذات الرقم الهيدروجيني 6.7-7.0 (معظم النباتات المزروعة)؛
3) تنمو الخلايا القاعدية عند درجة حموضة تزيد عن 7.0 (Echinops، شقائق النعمان الخشبية)؛
4) يمكن أن تنمو الأنواع غير المبالية في التربة ذات قيم الحموضة المختلفة (زنبق الوادي).
تختلف النباتات أيضًا فيما يتعلق برطوبة التربة. تقتصر بعض الأنواع على ركائز مختلفة، على سبيل المثال، تنمو النباتات الصخرية في التربة الصخرية، وتعيش النباتات البسموفيتية في الرمال السائبة.
تؤثر التضاريس وطبيعة التربة على الحركة المحددة للحيوانات: على سبيل المثال ذوات الحوافر والنعام والحبارى التي تعيش في المساحات المفتوحة والأرض الصلبة لتعزيز التنافر عند الجري. في السحالي التي تعيش في الرمال المتحركة، تكون أصابع القدم مُحاطة بحافة من الحراشف القرنية التي تزيد من الدعم. بالنسبة لسكان الأرض الذين يحفرون الثقوب، فإن التربة الكثيفة غير مواتية. تؤثر طبيعة التربة في بعض الأحيان على توزيع الحيوانات البرية التي تحفر الجحور أو تحفر في التربة، أو تضع بيضها في التربة، الخ.
حول تكوين الهواء.
يبدو تكوين الغاز في الهواء الذي نتنفسه كما يلي: 78% نيتروجين، 21% أكسجين و1% غازات أخرى. ولكن في أجواء المدن الصناعية الكبيرة غالبا ما تنتهك هذه النسبة. وتتكون نسبة كبيرة من الشوائب الضارة الناجمة عن الانبعاثات الصادرة عن المؤسسات والمركبات. يُدخل النقل الآلي العديد من الشوائب إلى الغلاف الجوي: الهيدروكربونات ذات التركيب غير المعروف، البنزو (أ) بيرين، ثاني أكسيد الكربون، مركبات الكبريت والنيتروجين، الرصاص، وأول أكسيد الكربون.
يتكون الغلاف الجوي من خليط من عدد من الغازات - الهواء الذي تعلق فيه الشوائب الغروية - الغبار والقطرات والبلورات وما إلى ذلك. يتغير تكوين الهواء الجوي قليلاً مع الارتفاع. لكن بدءاً من ارتفاع حوالي 100 كيلومتر، ومعه الأكسجين الجزيئي والنيتروجين، يظهر الأكسجين الذري أيضاً نتيجة تفكك الجزيئات، ويبدأ فصل الغازات بفعل الجاذبية. فوق 300 كيلومتر، يسود الأكسجين الذري في الغلاف الجوي، فوق 1000 كيلومتر - الهيليوم ثم الهيدروجين الذري. يتناقص الضغط الجوي وكثافته مع الارتفاع؛ ويتركز حوالي نصف إجمالي كتلة الغلاف الجوي في الـ 5 كيلومترات السفلية، و9/10 في الـ 20 كيلومترًا السفلية، و99.5% في الـ 80 كيلومترًا السفلية. على ارتفاعات حوالي 750 كم، تنخفض كثافة الهواء إلى 10-10 جم/م3 (بينما تبلغ على سطح الأرض حوالي 103 جم/م3)، ولكن حتى هذه الكثافة المنخفضة لا تزال كافية لحدوث الشفق القطبي. الغلاف الجوي ليس له حدود عليا حادة. كثافة الغازات المكونة لها
تشتمل تركيبة الهواء الجوي الذي يتنفسه كل منا على عدة غازات، أهمها: النيتروجين (78.09%)، الأكسجين (20.95%)، الهيدروجين (0.01%)، ثاني أكسيد الكربون (ثاني أكسيد الكربون) (0.03%) و الغازات الخاملة (0.93%). بالإضافة إلى ذلك، هناك دائمًا كمية معينة من بخار الماء في الهواء، وتتغير كميته دائمًا مع تغيرات درجة الحرارة: كلما ارتفعت درجة الحرارة، زاد محتوى البخار والعكس صحيح. وبسبب التقلبات في كمية بخار الماء الموجودة في الهواء، فإن نسبة الغازات فيه ليست ثابتة أيضًا. جميع الغازات التي يتكون منها الهواء عديمة اللون والرائحة. يتغير وزن الهواء ليس فقط حسب درجة الحرارة، ولكن أيضًا وفقًا لمحتوى بخار الماء فيه. عند نفس درجة الحرارة يكون وزن الهواء الجاف أكبر من وزن الهواء الرطب، وذلك لأن بخار الماء أخف بكثير من بخار الهواء.
ويبين الجدول تركيب الغاز في الغلاف الجوي بنسبة الكتلة الحجمية، وكذلك عمر المكونات الرئيسية:
| عنصر | ٪ مقدار | ٪ كتلة |
| ن2 | 78,09 | 75,50 |
| O2 | 20,95 | 23,15 |
| آر | 0,933 | 1,292 |
| ثاني أكسيد الكربون | 0,03 | 0,046 |
| ني | 1,8 10-3 | 1,4 10-3 |
| هو | 4,6 10-4 | 6,4 10-5 |
| CH4 | 1,52 10-4 | 8,4 10-5 |
| كر | 1,14 10-4 | 3 10-4 |
| H2 | 5 10-5 | 8 10-5 |
| N2O | 5 10-5 | 8 10-5 |
| XE | 8,6 10-6 | 4 10-5 |
| O3 | 3 10-7 - 3 10-6 | 5 10-7 - 5 10-6 |
| آر إن | 6 10-18 | 4,5 10-17 |
تتغير خصائص الغازات التي يتكون منها الهواء الجوي تحت الضغط.
على سبيل المثال: الأكسجين تحت ضغط أكثر من 2 أجواء له تأثير سام على الجسم.
النيتروجين تحت ضغط أعلى من 5 أجواء له تأثير مخدر (تسمم بالنيتروجين). يؤدي الارتفاع السريع من الأعماق إلى الإصابة بمرض تخفيف الضغط بسبب الإطلاق السريع لفقاعات النيتروجين من الدم، كما لو كانت تزبد.
- زيادة ثاني أكسيد الكربون بنسبة تزيد عن 3% في خليط الجهاز التنفسي تسبب الوفاة.
كل مكون من مكونات الهواء، مع زيادة الضغط إلى حدود معينة، يصبح سمًا يمكن أن يسمم الجسم.
دراسات تكوين الغاز في الغلاف الجوي. كيمياء الغلاف الجوي
بالنسبة لتاريخ التطور السريع لفرع علمي صغير نسبيًا يسمى كيمياء الغلاف الجوي، فإن المصطلح الأكثر ملاءمة هو "الطفرة" (الرمي)، المستخدمة في الرياضات عالية السرعة. ربما تم إطلاق مسدس البداية من خلال مقالتين نُشرتا في أوائل السبعينيات. وناقشوا التدمير المحتمل للأوزون الستراتوسفيري بواسطة أكاسيد النيتروجين - NO وNO2. الأول ينتمي إلى الحائز على جائزة نوبل في المستقبل، ثم موظف في جامعة ستوكهولم، P. Crutzen، الذي اعتبر أن أكسيد النيتروز الطبيعي N2O، الذي يتحلل تحت تأثير ضوء الشمس، هو المصدر المحتمل لأكاسيد النيتروجين في الستراتوسفير. اقترح مؤلف المقال الثاني، الكيميائي من جامعة كاليفورنيا في بيركلي ج. جونستون، أن أكاسيد النيتروجين تظهر في طبقة الستراتوسفير نتيجة للنشاط البشري، أي أثناء انبعاثات منتجات الاحتراق من المحركات النفاثة للطائرات على ارتفاعات عالية.
وبطبيعة الحال، فإن الفرضيات المذكورة أعلاه لم تنشأ من العدم. كانت نسبة المكونات الرئيسية على الأقل في الهواء الجوي - جزيئات النيتروجين والأكسجين وبخار الماء وما إلى ذلك - معروفة قبل ذلك بكثير. بالفعل في النصف الثاني من القرن التاسع عشر. وفي أوروبا، تم إجراء قياسات لتركيزات الأوزون في الهواء السطحي. وفي ثلاثينيات القرن العشرين، اكتشف العالم الإنجليزي إس. تشابمان آلية تكوين الأوزون في جو أكسجيني خالص، مما يشير إلى مجموعة من التفاعلات بين ذرات وجزيئات الأكسجين، وكذلك الأوزون، في غياب أي مكونات هوائية أخرى. ومع ذلك، في أواخر الخمسينيات، أظهرت القياسات باستخدام صواريخ الطقس أن هناك كمية أقل بكثير من الأوزون في طبقة الستراتوسفير مما ينبغي أن يكون وفقًا لدورة تفاعل تشابمان. وعلى الرغم من أن هذه الآلية لا تزال أساسية حتى يومنا هذا، فقد أصبح من الواضح أن هناك بعض العمليات الأخرى التي تشارك أيضًا بشكل فعال في تكوين الأوزون الجوي.
ومن الجدير بالذكر أنه بحلول بداية السبعينيات، تم الحصول على المعرفة في مجال كيمياء الغلاف الجوي بشكل أساسي من خلال جهود العلماء الأفراد، الذين لم تكن أبحاثهم متحدة بأي مفهوم مهم اجتماعيا وكانت في أغلب الأحيان ذات طبيعة أكاديمية بحتة. عمل جونستون أمر مختلف: وفقًا لحساباته، يمكن لـ 500 طائرة تحلق 7 ساعات يوميًا أن تقلل كمية الأوزون الستراتوسفيري بنسبة لا تقل عن 10٪! وإذا كانت هذه التقييمات عادلة، فقد أصبحت المشكلة على الفور اجتماعية واقتصادية، لأنه في هذه الحالة يجب أن تخضع جميع برامج تطوير طيران النقل الأسرع من الصوت والبنية التحتية ذات الصلة لتعديلات كبيرة، وربما حتى الإغلاق. بالإضافة إلى ذلك، لأول مرة، نشأ السؤال حقا أن النشاط البشري المنشأ لا يمكن أن يسبب كارثة محلية، بل عالمية. بطبيعة الحال، في الوضع الحالي، كانت النظرية بحاجة إلى التحقق الصارم للغاية وفي نفس الوقت التشغيلي.
ولنتذكر أن جوهر الفرضية السابقة هو أن أكسيد النيتروجين يتفاعل مع الأوزون NO + O3 ® NO2 + O2، ثم يتفاعل ثاني أكسيد النيتروجين المتكون في هذا التفاعل مع ذرة الأكسجين NO2 + O ® NO + O2، وبالتالي استعادة وجود NO في الغلاف الجوي، في حين يتم فقدان جزيء الأوزون إلى الأبد. في هذه الحالة، يتكرر هذا الزوج من التفاعلات التي تشكل الدورة التحفيزية للنيتروجين لتدمير الأوزون، حتى تؤدي أي عمليات كيميائية أو فيزيائية إلى إزالة أكاسيد النيتروجين من الغلاف الجوي. على سبيل المثال، يتأكسد ثاني أكسيد النيتروجين إلى حمض النيتريك HNO3، وهو شديد الذوبان في الماء، وبالتالي يتم إزالته من الغلاف الجوي عن طريق السحب وهطول الأمطار. تعتبر الدورة التحفيزية للنيتروجين فعالة للغاية: حيث يتمكن جزيء واحد من أكسيد النيتروجين أثناء وجوده في الغلاف الجوي من تدمير عشرات الآلاف من جزيئات الأوزون.
ولكن، كما تعلمون، المشاكل لا تأتي فرادى. وسرعان ما اكتشف خبراء من جامعات الولايات المتحدة - ميشيغان (R. Stolarski وR. Cicerone) وهارفارد (S. Wofsey وM. McElroy) - أن الأوزون قد يكون له عدو أكثر قسوة - مركبات الكلور. كانت الدورة الحفزية للكلور لتدمير الأوزون (تفاعلات Cl + O3 ® ClO + O2 و ClO + O ® Cl + O2) ، وفقًا لتقديراتهم ، أكثر كفاءة بعدة مرات من دورة النيتروجين. وكان السبب الوحيد للتفاؤل الحذر هو أن كمية الكلور الموجودة طبيعيا في الغلاف الجوي صغيرة نسبيا، مما يعني أن التأثير الإجمالي لتأثيره على الأوزون قد لا يكون قويا للغاية. ومع ذلك، تغير الوضع بشكل كبير عندما أثبت موظفو جامعة كاليفورنيا في إيرفين س. رولاند وم. مولينا في عام 1974 أن مصدر الكلور في الستراتوسفير هو مركبات الكلوروفلوروكربون (CFCs)، المستخدمة على نطاق واسع في وحدات التبريد، وتغليف الأيروسول، إلخ. ولكون هذه المواد غير قابلة للاشتعال وغير سامة وسلبية كيميائيا، فإنها تنتقل ببطء عن طريق التيارات الهوائية الصاعدة من سطح الأرض إلى طبقة الستراتوسفير، حيث تتدمر جزيئاتها بفعل أشعة الشمس، مما يؤدي إلى إطلاق ذرات الكلور الحرة. الإنتاج الصناعي لمركبات الكربون الكلورية فلورية، الذي بدأ في الثلاثينيات، وانبعاثاتها في الغلاف الجوي، زاد بشكل مطرد في جميع السنوات اللاحقة، وخاصة في السبعينيات والثمانينيات. وهكذا، خلال فترة زمنية قصيرة جدًا، حدد المنظرون مشكلتين في كيمياء الغلاف الجوي ناجمة عن التلوث البشري الشديد.
ومع ذلك، ومن أجل اختبار صحة الفرضيات المطروحة، كان لا بد من القيام بالعديد من المهام.
أولاً،التوسع في الأبحاث المختبرية، والتي يمكن خلالها تحديد أو توضيح معدلات التفاعلات الكيميائية الضوئية بين مختلف مكونات الهواء الجوي. يجب أن أقول أن البيانات الضئيلة للغاية حول هذه السرعات التي كانت موجودة في ذلك الوقت كانت تحتوي أيضًا على قدر لا بأس به من الخطأ (يصل إلى عدة مئات بالمائة). بالإضافة إلى ذلك، فإن الظروف التي أجريت فيها القياسات، كقاعدة عامة، لم تتوافق بشكل وثيق مع حقائق الغلاف الجوي، مما أدى إلى تفاقم الخطأ بشكل خطير، حيث أن شدة معظم التفاعلات تعتمد على درجة الحرارة وأحيانا على الضغط أو كثافة الغلاف الجوي. هواء.
ثانيًا،دراسة مكثفة للخصائص الإشعاعية الضوئية لعدد من الغازات الجوية الصغيرة في ظروف المختبر. يتم تدمير جزيئات عدد كبير من مكونات الهواء الجوي بواسطة الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس (في تفاعلات التحلل الضوئي)، ومن بينها ليس فقط مركبات الكربون الكلورية فلورية المذكورة أعلاه، ولكن أيضًا الأكسجين الجزيئي والأوزون وأكاسيد النيتروجين وغيرها الكثير. لذلك، كانت تقديرات بارامترات كل تفاعل تحلل ضوئي ضرورية ومهمة للتكاثر الصحيح للعمليات الكيميائية الجوية مثل معدلات التفاعلات بين الجزيئات المختلفة.
ثالث،كان من الضروري إنشاء نماذج رياضية قادرة على وصف التحولات الكيميائية المتبادلة لمكونات الهواء الجوي بشكل كامل قدر الإمكان. كما ذكرنا سابقًا، يتم تحديد إنتاجية تدمير الأوزون في الدورات الحفزية من خلال المدة التي يبقى فيها المحفز (NO، Cl أو أي شيء آخر) في الغلاف الجوي. من الواضح أن مثل هذا المحفز، بشكل عام، يمكن أن يتفاعل مع أي من العشرات من مكونات الهواء الجوي، وينهار بسرعة في هذه العملية، ومن ثم سيكون الضرر الذي يلحق بالأوزون الستراتوسفيري أقل بكثير من المتوقع. ومن ناحية أخرى، عندما تحدث العديد من التحولات الكيميائية في الغلاف الجوي كل ثانية، فمن المحتمل أن يتم تحديد آليات أخرى تؤثر بشكل مباشر أو غير مباشر على تكوين الأوزون وتدميره. وأخيرا، فإن مثل هذه النماذج قادرة على تحديد وتقييم أهمية التفاعلات الفردية أو مجموعاتها في تكوين الغازات الأخرى التي يتكون منها الهواء الجوي، كما تسمح بحساب تركيزات الغازات التي لا يمكن قياسها.
وأخيرا،وكان من الضروري تنظيم شبكة واسعة لقياس محتوى الغازات المختلفة في الهواء، بما في ذلك مركبات النيتروجين والكلور وغيرها، باستخدام المحطات الأرضية، وإطلاق بالونات الطقس وصواريخ الطقس، ورحلات الطائرات لهذا الغرض. بالطبع، كان إنشاء قاعدة بيانات هو المهمة الأكثر تكلفة، والتي لا يمكن حلها في وقت قصير. ومع ذلك، فإن القياسات فقط هي التي يمكن أن توفر نقطة انطلاق للبحث النظري، وتكون في نفس الوقت محكًا لحقيقة الفرضيات المعبر عنها.
منذ أوائل السبعينيات، تم نشر مجموعات خاصة يتم تحديثها باستمرار مرة واحدة على الأقل كل ثلاث سنوات، تحتوي على معلومات حول جميع التفاعلات الجوية المهمة، بما في ذلك تفاعلات التحلل الضوئي. علاوة على ذلك، فإن الخطأ في تحديد معلمات التفاعلات بين مكونات الغاز في الهواء اليوم هو عادة 10-20٪.
شهد النصف الثاني من هذا العقد تطورًا سريعًا في النماذج التي تصف التحولات الكيميائية في الغلاف الجوي. تم إنشاء العدد الأكبر منها في الولايات المتحدة الأمريكية، لكنها ظهرت في أوروبا والاتحاد السوفييتي. في البداية كانت هذه النماذج مربعة (صفرية الأبعاد)، ثم نماذج أحادية البعد. الأول مستنسخ بدرجات متفاوتة من الموثوقية محتوى غازات الغلاف الجوي الرئيسية في حجم معين - صندوق (ومن هنا اسمها) - نتيجة للتفاعلات الكيميائية بينهما. نظرًا لافتراض الحفاظ على الكتلة الإجمالية لخليط الهواء، لم يتم النظر في إزالة أي جزء منه من الصندوق، على سبيل المثال، بواسطة الريح. وكانت النماذج الصندوقية مناسبة لتوضيح دور التفاعلات الفردية أو مجموعاتها في عمليات التكوين الكيميائي وتدمير غازات الغلاف الجوي، ولتقييم حساسية تكوين غاز الغلاف الجوي تجاه عدم الدقة في تحديد معدلات التفاعل. وبمساعدتهم، يمكن للباحثين، من خلال تحديد بارامترات الغلاف الجوي في المربع (على وجه الخصوص، درجة الحرارة وكثافة الهواء) المقابلة لارتفاع رحلات الطيران، والتقدير التقريبي لكيفية تغير تركيزات الشوائب الجوية نتيجة للانبعاثات منتجات الاحتراق من محركات الطائرات. في الوقت نفسه، كانت النماذج الصندوقية غير مناسبة لدراسة مشكلة مركبات الكلوروفلوروكربون (CFCs)، لأنها لم تتمكن من وصف عملية حركتها من سطح الأرض إلى الستراتوسفير. وهنا جاءت فائدة النماذج أحادية البعد، والتي جمعت بين الأخذ بعين الاعتبار الوصف التفصيلي للتفاعلات الكيميائية في الغلاف الجوي وانتقال الشوائب في الاتجاه الرأسي. وعلى الرغم من أن النقل الرأسي تم تحديده هنا بشكل تقريبي إلى حد ما، إلا أن استخدام النماذج أحادية البعد كان خطوة ملحوظة إلى الأمام، لأنها جعلت من الممكن وصف الظواهر الحقيقية بطريقة أو بأخرى.
إذا نظرنا إلى الوراء، يمكننا أن نقول أن الكثير من معرفتنا الحديثة تعتمد على العمل الجاد الذي تم إنجازه في تلك السنوات بمساعدة النماذج أحادية البعد والمربع. لقد جعل من الممكن تحديد آليات تكوين تكوين الغاز في الغلاف الجوي، وتقييم شدة المصادر الكيميائية ومصارف الغازات الفردية. ومن السمات المهمة لهذه المرحلة في تطور كيمياء الغلاف الجوي أن الأفكار الجديدة التي ظهرت تم اختبارها على نماذج ومناقشتها على نطاق واسع بين المتخصصين. غالبًا ما تمت مقارنة النتائج التي تم الحصول عليها مع تقديرات المجموعات العلمية الأخرى، حيث كانت القياسات الميدانية غير كافية بشكل واضح، وكانت دقتها منخفضة جدًا. بالإضافة إلى ذلك، لتأكيد صحة نمذجة بعض التفاعلات الكيميائية، كان من الضروري إجراء قياسات معقدة، عندما تم تحديد تركيزات جميع الكواشف المشاركة في وقت واحد، وهو ما كان مستحيلًا عمليًا في ذلك الوقت وحتى الآن. (حتى الآن، لم يتم إجراء سوى عدد قليل من قياسات مجمع الغازات من المكوك على مدى 2-5 أيام). لذلك، تقدمت الدراسات النموذجية عن الدراسات التجريبية، ولم تشرح النظرية الملاحظات الميدانية كثيرًا بقدر ما ساهمت في ذلك. التخطيط الأمثل لهم. على سبيل المثال، ظهر مركب مثل نترات الكلور ClONO2 لأول مرة في دراسات النمذجة، وبعد ذلك فقط تم اكتشافه في الغلاف الجوي. حتى مقارنة القياسات المتاحة بتقديرات النماذج كانت صعبة، نظرًا لأن النموذج أحادي البعد لا يمكنه أن يأخذ في الاعتبار حركات الهواء الأفقية، ولهذا السبب كان من المفترض أن يكون الغلاف الجوي متجانسًا أفقيًا، وكانت نتائج النموذج التي تم الحصول عليها تتوافق مع بعض الحالات العالمية المتوسطة. ومع ذلك، في الواقع، يختلف تكوين الهواء فوق المناطق الصناعية في أوروبا أو الولايات المتحدة كثيرًا عن تكوينه فوق أستراليا أو فوق المحيط الهادئ. ولذلك فإن نتائج أي ملاحظة ميدانية تعتمد إلى حد كبير على مكان ووقت القياسات، وبالطبع لا تتوافق تمامًا مع القيمة المتوسطة العالمية.
للقضاء على هذه الفجوة في النمذجة، أنشأ الباحثون في الثمانينيات نماذج ثنائية الأبعاد، حيث تم أيضًا أخذ النقل الجوي على طول خط الطول في الاعتبار، إلى جانب النقل العمودي (على طول دائرة العرض، كان الغلاف الجوي لا يزال يعتبر متجانسًا). كان إنشاء مثل هذه النماذج في البداية محفوفًا بصعوبات كبيرة.
أولاً،زاد عدد معلمات النموذج الخارجي بشكل حاد: في كل عقدة شبكة، كان من الضروري ضبط معدلات النقل الرأسي وبين خطوط العرض، ودرجة الحرارة وكثافة الهواء، وما إلى ذلك. لم يتم تحديد العديد من المعلمات (في المقام الأول السرعات المذكورة أعلاه) بشكل موثوق في التجارب وبالتالي تم اختيارها لأسباب نوعية.
ثانيًا،أعاقت حالة تكنولوجيا الكمبيوتر في ذلك الوقت بشكل كبير التطوير الكامل للنماذج ثنائية الأبعاد. على عكس النماذج الاقتصادية أحادية البعد وخاصة النماذج المعبأة، تتطلب النماذج ثنائية الأبعاد قدرًا أكبر بكثير من الذاكرة ووقت الكمبيوتر. ونتيجة لذلك، اضطر المبدعون إلى تبسيط مخططات حساب التحولات الكيميائية في الغلاف الجوي بشكل كبير. ومع ذلك، فإن مجموعة معقدة من دراسات الغلاف الجوي، سواء النموذجية أو واسعة النطاق باستخدام الأقمار الصناعية، مكّنت من رسم صورة متناغمة نسبيًا، وإن كانت غير كاملة، لتكوين الغلاف الجوي، وكذلك تحديد السبب والسبب الرئيسي. علاقات التأثير التي تسبب تغيرات في محتوى مكونات الهواء الفردية. وعلى وجه الخصوص، أظهرت العديد من الدراسات أن رحلات الطائرات في طبقة التروبوسفير لا تسبب أي ضرر كبير للأوزون التروبوسفيري، ولكن يبدو أن صعودها إلى الستراتوسفير له آثار سلبية على طبقة الأوزون. كان رأي معظم الخبراء حول دور مركبات الكربون الكلورية فلورية شبه إجماعي: تم تأكيد فرضية رولاند ومولينا، وأن هذه المواد تساهم بالفعل في تدمير الأوزون الستراتوسفيري، كما أن الزيادة المنتظمة في إنتاجها الصناعي تعتبر قنبلة موقوتة، حيث أن ولا يحدث اضمحلال مركبات الكربون الكلورية فلورية على الفور، بل بعد عشرات ومئات السنين، وبالتالي فإن آثار التلوث ستؤثر على الغلاف الجوي لفترة طويلة جدًا. علاوة على ذلك، إذا استمرت مركبات الكلوروفلوروكربون لفترة طويلة، فمن الممكن أن تصل إلى أي نقطة، حتى إلى أبعد نقطة في الغلاف الجوي، وبالتالي فإن هذا يشكل تهديداً على نطاق عالمي. لقد حان الوقت لاتخاذ قرارات سياسية متفق عليها.
وفي عام 1985، وبمشاركة 44 دولة، تم إعداد واعتماد اتفاقية حماية طبقة الأوزون في فيينا، مما حفز على دراستها الشاملة. ومع ذلك، فإن مسألة ما يجب فعله بمركبات الكربون الكلورية فلورية لا تزال مفتوحة. وكان من المستحيل ترك الأمر يأخذ مجراه وفق مبدأ «سيحل من تلقاء نفسه»، لكن من المستحيل أيضاً منع إنتاج هذه المواد بين عشية وضحاها من دون أضرار جسيمة على الاقتصاد. يبدو أن هناك حلاً بسيطًا: من الضروري استبدال مركبات الكربون الكلورية فلورية بمواد أخرى يمكنها أداء نفس الوظائف (على سبيل المثال، في وحدات التبريد) وفي نفس الوقت غير ضارة أو على الأقل أقل خطورة على الأوزون. لكن تنفيذ الحلول البسيطة غالباً ما يكون صعباً للغاية. ولا يقتصر الأمر على أن إنشاء مثل هذه المواد وبدء إنتاجها يتطلب استثمارات رأسمالية هائلة ووقتاً هائلاً، بل إن هناك حاجة إلى معايير لتقييم تأثير أي منها على الغلاف الجوي والمناخ.
لقد عاد المنظرون إلى دائرة الضوء. د. اقترح ويبلز من مختبر ليفرمور الوطني استخدام إمكانية استنفاد الأوزون لهذا الغرض، مما أظهر مدى تأثير جزيء مادة بديلة أقوى (أو أضعف) على الأوزون الجوي مقارنة بجزيء CFCl3 (فريون-11). في ذلك الوقت، كان من المعروف أيضًا أن درجة حرارة الطبقة السطحية من الهواء تعتمد بشكل كبير على تركيز شوائب غازية معينة (كانت تسمى غازات الدفيئة)، وفي المقام الأول ثاني أكسيد الكربون CO2، وبخار الماء H2O، والأوزون، وما إلى ذلك. العديد من البدائل المحتملة لهم. أظهرت القياسات أنه خلال الثورة الصناعية ارتفع متوسط درجة الحرارة العالمية السنوية للطبقة السطحية من الهواء ويستمر في الارتفاع، وهذا يشير إلى حدوث تغيرات كبيرة وغير مرغوبة دائمًا في مناخ الأرض. ومن أجل السيطرة على هذا الوضع، إلى جانب إمكانية استنفاد الأوزون لمادة ما، تم أيضًا النظر في قدرتها على الاحترار العالمي. يشير هذا المؤشر إلى مدى قوة أو ضعف تأثير المركب المدروس على درجة حرارة الهواء مقارنة بنفس الكمية من ثاني أكسيد الكربون. وأظهرت الحسابات أن مركبات الكربون الكلورية فلورية والمواد البديلة لها إمكانات عالية للغاية في إحداث الاحترار العالمي، ولكن لأن تركيزاتها في الغلاف الجوي كانت أقل بكثير من تركيزات ثاني أكسيد الكربون أو الماء أو الأكسجين، فإن إجمالي مساهمتها في ظاهرة الاحتباس الحراري ظلت ضئيلة. في الوقت الحاضر...
شكلت جداول احتمالات استنفاد الأوزون المحسوبة وإمكانات الاحترار العالمي لمركبات الكربون الكلورية فلورية وبدائلها المحتملة الأساس للقرارات الدولية لتقليل إنتاج واستخدام العديد من مركبات الكربون الكلورية فلورية وحظرها لاحقًا (بروتوكول مونتريال لعام 1987 وتعديلاته اللاحقة). ربما لم يكن الخبراء المجتمعون في مونتريال قد أجمعوا على هذا الإجماع (بعد كل شيء، استندت مواد البروتوكول إلى "افتراءات" المنظرين التي لم تؤكدها التجارب الطبيعية)، لكن "شخصًا" مهتمًا آخر تحدث لصالح التوقيع على هذه الوثيقة - الجو نفسه.
أصبح الإعلان عن اكتشاف العلماء الإنجليز "ثقب الأوزون" فوق القارة القطبية الجنوبية في نهاية عام 1985، دون مشاركة الصحفيين، ضجة كبيرة لهذا العام، ويمكن وصف رد فعل المجتمع الدولي على هذا الإعلان بسهولة في كلمة واحدة قصيرة. - صدمة. إنه شيء واحد عندما يكون التهديد بتدمير طبقة الأوزون موجودا فقط في المستقبل البعيد، وآخر عندما نواجه جميعا أمرا واقعا. ولم يكن الناس العاديون ولا السياسيون ولا المنظرون مستعدين لذلك.
وسرعان ما أصبح من الواضح أن أياً من النماذج الحالية لا يمكنه إنتاج مثل هذا الانخفاض الكبير في مستويات الأوزون. وهذا يعني أن بعض الظواهر الطبيعية المهمة إما لم تؤخذ بعين الاعتبار أو تم التقليل من أهميتها. وسرعان ما أثبتت الدراسات الميدانية التي أجريت في إطار برنامج دراسة ظاهرة القطب الجنوبي أن خصوصيات الغلاف الجوي تلعب دورًا مهمًا في تكوين "ثقب الأوزون" إلى جانب التفاعلات الجوية العادية (المرحلة الغازية). نقل الهواء الجوي في الستراتوسفير في القطب الجنوبي (عزلته شبه الكاملة في الشتاء عن بقية الغلاف الجوي)، وكذلك في ذلك الوقت القليل من التفاعلات غير المتجانسة التي تمت دراستها (التفاعلات على سطح الهباء الجوي - جزيئات الغبار، والسخام، والجليد الطافي، قطرات الماء، الخ). فقط مع الأخذ في الاعتبار العوامل المذكورة أعلاه، أصبح من الممكن تحقيق اتفاق مرض بين نتائج النموذج وبيانات الرصد. والدروس التي تعلمها "ثقب الأوزون" في القطب الجنوبي أثرت بشكل خطير على التطوير الإضافي لكيمياء الغلاف الجوي.
أولاً، تم إعطاء دفعة قوية لدراسة مفصلة للعمليات غير المتجانسة التي تحدث وفقًا لقوانين مختلفة عن تلك التي تحدد عمليات الطور الغازي. ثانيًا، كان هناك فهم واضح أنه في نظام معقد مثل الغلاف الجوي، يعتمد سلوك عناصره على مجموعة كاملة من الروابط الداخلية. بمعنى آخر، يتم تحديد محتوى الغازات في الغلاف الجوي ليس فقط من خلال شدة العمليات الكيميائية، ولكن أيضًا من خلال درجة حرارة الهواء، وانتقال الكتل الهوائية، وخصائص تلوث الهباء الجوي لأجزاء مختلفة من الغلاف الجوي، وما إلى ذلك. يعتمد التسخين والتبريد الإشعاعي، الذي يشكل مجال درجة حرارة الهواء الستراتوسفيري، على تركيز الغازات الدفيئة وتوزيعها في الفضاء، وبالتالي على العمليات الديناميكية في الغلاف الجوي. وأخيرا فإن التسخين الإشعاعي غير المنتظم لمناطق مختلفة من الكرة الأرضية وأجزاء من الغلاف الجوي يولد تحركات الهواء الجوي ويتحكم في شدتها. وبالتالي، فإن الفشل في مراعاة أي ردود فعل في النماذج يمكن أن يكون محفوفًا بأخطاء كبيرة في النتائج التي تم الحصول عليها (على الرغم من أننا نلاحظ بشكل عابر أن تعقيد النموذج بشكل مفرط دون حاجة ملحة هو أمر غير مناسب مثل إطلاق المدافع على ممثلي الطيور المعروفين) .
إذا تم أخذ العلاقة بين درجة حرارة الهواء وتكوينه الغازي في الاعتبار في النماذج ثنائية الأبعاد في الثمانينيات، فإن استخدام النماذج ثلاثية الأبعاد للدوران الجوي العام لوصف توزيع الشوائب الجوية أصبح ممكنًا بفضل ازدهار الكمبيوتر فقط في التسعينيات. تم استخدام النماذج الأولى للتداول العام لوصف التوزيع المكاني للمواد السلبية كيميائيًا - المتتبعات. في وقت لاحق، بسبب عدم كفاية ذاكرة الوصول العشوائي لأجهزة الكمبيوتر، تم تحديد العمليات الكيميائية بمعلمة واحدة فقط - وقت بقاء الشوائب في الغلاف الجوي، وفي الآونة الأخيرة فقط أصبحت كتل التحولات الكيميائية أجزاء كاملة من النماذج ثلاثية الأبعاد. وعلى الرغم من أن الصعوبات لا تزال قائمة في تمثيل العمليات الكيميائية الجوية بالتفصيل في نماذج ثلاثية الأبعاد، إلا أنها لم تعد تبدو مستعصية على الحل، وتتضمن أفضل النماذج ثلاثية الأبعاد مئات التفاعلات الكيميائية، إلى جانب النقل المناخي الفعلي للهواء في الغلاف الجوي العالمي.
وفي الوقت نفسه، فإن الاستخدام الواسع النطاق للنماذج الحديثة لا يشكك على الإطلاق في مدى فائدة النماذج الأبسط التي تمت مناقشتها أعلاه. ومن المعروف أنه كلما كان النموذج أكثر تعقيدا، كلما زادت صعوبة فصل "الإشارة" عن "ضوضاء النموذج"، وتحليل النتائج التي تم الحصول عليها، وتحديد آليات السبب والنتيجة الرئيسية، وتقييم تأثير بعض العوامل. الظواهر على النتيجة النهائية (وبالتالي استصواب أخذها بعين الاعتبار في النموذج). وهنا تكون النماذج الأبسط بمثابة أرض اختبار مثالية؛ فهي تتيح الحصول على تقديرات أولية تُستخدم لاحقًا في النماذج ثلاثية الأبعاد، لدراسة الظواهر الطبيعية الجديدة قبل إدراجها في الظواهر الأكثر تعقيدًا، وما إلى ذلك.
لقد أدى التقدم العلمي والتكنولوجي السريع إلى ظهور العديد من مجالات البحث، المرتبطة بطريقة أو بأخرى بكيمياء الغلاف الجوي.
مراقبة الغلاف الجوي عبر الأقمار الصناعية.عندما تم إنشاء تجديد منتظم لقاعدة البيانات من الأقمار الصناعية، بالنسبة لمعظم أهم مكونات الغلاف الجوي، والتي تغطي الكرة الأرضية بأكملها تقريبًا، كانت هناك حاجة إلى تحسين طرق معالجتها. ويشمل ذلك تصفية البيانات (فصل أخطاء الإشارة والقياس)، واستعادة الملامح الرأسية لتركيزات الشوائب بناءً على محتوياتها الإجمالية في العمود الجوي، واستيفاء البيانات في تلك المناطق التي يستحيل فيها إجراء قياسات مباشرة لأسباب فنية. بالإضافة إلى ذلك، يتم استكمال المراقبة عبر الأقمار الصناعية من خلال رحلات جوية تم التخطيط لها لحل المشكلات المختلفة، على سبيل المثال، في المحيط الهادئ الاستوائي وشمال المحيط الأطلسي وحتى في الستراتوسفير الصيفي في القطب الشمالي.
جزء مهم من البحث الحديث هو استيعاب (استيعاب) قواعد البيانات هذه في نماذج متفاوتة التعقيد. في هذه الحالة، يتم اختيار المعلمات بناءً على شرط القرب الأقرب بين القيم المقاسة والنموذجية لمحتوى الشوائب عند النقاط (المناطق). وبهذه الطريقة يتم فحص جودة النماذج وكذلك استقراء القيم المقاسة خارج مناطق وفترات القياس.
تقدير تركيزات الملوثات الجوية قصيرة العمر. الجذور الجوية، التي تلعب دورًا رئيسيًا في كيمياء الغلاف الجوي، مثل الهيدروكسيل OH، بيرهيدروكسيل HO2، أكسيد النيتريك NO، الأكسجين الذري في الحالة المثارة O (1D)، وما إلى ذلك، لها أكبر تفاعل كيميائي، وبالتالي، صغيرة جدًا ( عدة ثوان أو دقائق) "مدى الحياة" في الغلاف الجوي. ولذلك، فإن قياس هذه الجذور أمر صعب للغاية، وغالبًا ما يتم إعادة بناء محتواها في الهواء باستخدام العلاقات النموذجية بين المصادر الكيميائية ومصارف هذه الجذور. لفترة طويلة، تم حساب شدة المصادر والمصارف باستخدام بيانات النموذج. ومع ظهور القياسات المناسبة، أصبح من الممكن إعادة بناء التركيزات الجذرية بناءً عليها، مع تحسين النماذج وتوسيع المعلومات حول تكوين الغاز في الغلاف الجوي.
إعادة بناء تكوين الغاز في الغلاف الجوي في فترة ما قبل الصناعة والعصور السابقة للأرض.بفضل القياسات التي أجريت في قلوب الجليد في القطب الجنوبي وجرينلاند، والتي يتراوح عمرها من مئات إلى مئات الآلاف من السنين، أصبحت تركيزات ثاني أكسيد الكربون وأكسيد النيتروز والميثان وأول أكسيد الكربون، وكذلك درجة الحرارة في تلك الأوقات، معروفة. . إن إعادة بناء نموذج لحالة الغلاف الجوي في تلك العصور ومقارنتها بالعصر الحالي يجعل من الممكن تتبع تطور الغلاف الجوي للأرض وتقييم درجة التأثير البشري على البيئة الطبيعية.
تقييم شدة مصادر أهم مكونات الهواء.أصبحت القياسات المنهجية لمحتوى الغازات الموجودة في الهواء السطحي، مثل الميثان وأول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين، هي الأساس لحل المشكلة العكسية: تقدير كمية انبعاثات الغازات من المصادر الأرضية إلى الغلاف الجوي بناءً على تركيزاتها المعروفة. . لسوء الحظ، فإن جرد مسببات الضجة العالمية - مركبات الكربون الكلورية فلورية - هو مهمة بسيطة نسبيًا، نظرًا لأن جميع هذه المواد تقريبًا ليس لها مصادر طبيعية وكميتها الإجمالية التي تدخل الغلاف الجوي محدودة بحجم إنتاجها. أما الغازات المتبقية فلها مصادر طاقة مختلفة وقابلة للمقارنة. على سبيل المثال، مصدر غاز الميثان هو المناطق المغمورة بالمياه والمستنقعات وآبار النفط ومناجم الفحم. يتم إفراز هذا المركب بواسطة مستعمرات النمل الأبيض وهو من فضلات الماشية. ويدخل أول أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي كجزء من غازات العادم، نتيجة احتراق الوقود، وكذلك أثناء أكسدة الميثان والعديد من المركبات العضوية. ومن الصعب إجراء قياسات مباشرة لانبعاثات هذه الغازات، ولكن تم تطوير تقنيات لتوفير تقديرات للمصادر العالمية للغازات الملوثة، والتي انخفض عدم اليقين بشأنها بشكل كبير في السنوات الأخيرة، على الرغم من أنها لا تزال كبيرة.
التنبؤ بالتغيرات في تكوين الغلاف الجوي للأرض والمناخمع الأخذ في الاعتبار الاتجاهات - الاتجاهات في محتوى غازات الغلاف الجوي، وتقييم مصادرها، ومعدلات نمو سكان الأرض، ومعدل الزيادة في إنتاج جميع أنواع الطاقة، وما إلى ذلك - تقوم مجموعات خاصة من الخبراء بإنشاء سيناريوهات محتملة وتعديلها باستمرار تلوث الغلاف الجوي خلال الـ 10، 30، 100 سنة القادمة. وبناءً عليها، يتم التنبؤ بالتغيرات المحتملة في تكوين الغاز ودرجة الحرارة ودوران الغلاف الجوي باستخدام النماذج. وبهذه الطريقة، من الممكن اكتشاف الاتجاهات غير المواتية لحالة الغلاف الجوي مسبقًا ويمكنك محاولة القضاء عليها. ويجب ألا تتكرر صدمة القارة القطبية الجنوبية عام 1985.
ظاهرة الاحتباس الحراري للغلاف الجوي
في السنوات الأخيرة، أصبح من الواضح أن التشبيه بين الدفيئة العادية وتأثير الدفيئة في الغلاف الجوي ليس صحيحا تماما. في نهاية القرن الماضي، أظهر الفيزيائي الأمريكي الشهير وود، بعد أن استبدل الزجاج العادي بزجاج الكوارتز في نموذج مختبري للدفيئة ودون العثور على أي تغييرات في عمل الدفيئة، أن المشكلة ليست في تأخير الإشعاع الحراري للتربة بواسطة الزجاج الذي ينقل الإشعاع الشمسي، لكن دور الزجاج في هذه الحالة يتمثل فقط في “قطع” التبادل الحراري المضطرب بين سطح التربة والغلاف الجوي.
إن تأثير الدفيئة (الاحتباس الحراري) للغلاف الجوي هو قدرته على نقل الإشعاع الشمسي، مع الاحتفاظ بالإشعاع الأرضي، مما يعزز تراكم الحرارة بواسطة الأرض. ينقل الغلاف الجوي للأرض الإشعاع الشمسي قصير الموجة بشكل جيد نسبيًا، والذي يمتصه سطح الأرض بالكامل تقريبًا. التسخين بسبب امتصاص الإشعاع الشمسي، يصبح سطح الأرض مصدرًا للإشعاع الأرضي، وخاصة الإشعاع طويل الموجة، والذي يذهب جزء منه إلى الفضاء الخارجي.
تأثير زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون
يواصل العلماء والباحثون الجدال حول تركيبة ما يسمى بالغازات الدفيئة. والأكثر أهمية في هذا الصدد هو تأثير زيادة تركيزات ثاني أكسيد الكربون (CO2) على ظاهرة الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي. يقترح أن المخطط المعروف: "زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون يعزز ظاهرة الاحتباس الحراري، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المناخ العالمي" مبسط للغاية وبعيد جدًا عن الواقع، لأن أهم "غازات الدفيئة" ليس كذلك. ثاني أكسيد الكربون على الإطلاق، إلا بخار الماء. في الوقت نفسه، فإن التحفظ القائل بأن تركيز بخار الماء في الغلاف الجوي يتم تحديده فقط من خلال معايير النظام المناخي نفسه لم يعد قابلاً للنقد، حيث تم إثبات التأثير البشري على دورة المياه العالمية بشكل مقنع.
وكفرضيات علمية، نشير إلى العواقب التالية لظاهرة الاحتباس الحراري القادمة. أولاً،وفقا للتقديرات الأكثر شيوعا، بحلول نهاية القرن الحادي والعشرين، سيتضاعف محتوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، الأمر الذي سيؤدي حتما إلى زيادة في متوسط درجة حرارة سطح الأرض بمقدار 3 - 5 درجات مئوية. وفي الوقت نفسه، من المتوقع ارتفاع درجات الحرارة مما يؤدي إلى فصول صيف أكثر جفافاً في المناطق المعتدلة في نصف الكرة الشمالي.
ثانيًا،ومن المفترض أن مثل هذه الزيادة في متوسط درجة حرارة السطح العالمية ستؤدي إلى زيادة في مستوى المحيط العالمي بمقدار 20 - 165 سم بسبب التمدد الحراري للمياه. أما بالنسبة للغطاء الجليدي في القطب الجنوبي، فإن تدميره ليس أمرا حتميا، لأن ذوبانه يتطلب درجات حرارة أعلى. على أية حال، فإن عملية ذوبان الجليد في القطب الجنوبي ستستغرق وقتا طويلا جدا.
ثالث،يمكن أن يكون لتركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي تأثيرات مفيدة جدًا على غلات المحاصيل. تسمح لنا نتائج التجارب بافتراض أنه في ظل ظروف الزيادة التدريجية في محتوى ثاني أكسيد الكربون في الهواء، ستصل النباتات الطبيعية والمزروعة إلى الحالة المثلى؛ سيزداد سطح أوراق النباتات، وسيزداد الوزن النوعي للمادة الجافة للأوراق، وسيزداد متوسط حجم الثمار وعدد البذور، وسيتسارع نضج الحبوب، وسيزداد إنتاجها.
رابعا،عند خطوط العرض العليا، يمكن أن تكون الغابات الطبيعية، وخاصة الغابات الشمالية، حساسة للغاية للتغيرات في درجات الحرارة. يمكن أن يؤدي الاحترار إلى انخفاض حاد في مساحة الغابات الشمالية، فضلا عن تحول حدودها نحو الشمال؛ ومن المحتمل أن تكون غابات المناطق الاستوائية وشبه الاستوائية أكثر حساسية للتغيرات في هطول الأمطار بدلا من درجة الحرارة.
تخترق الطاقة الضوئية الصادرة من الشمس الغلاف الجوي، ويمتصها سطح الأرض وتقوم بتسخينها. وفي هذه الحالة تتحول الطاقة الضوئية إلى حرارة تنطلق على شكل أشعة تحت حمراء أو إشعاع حراري. وهذا الأشعة تحت الحمراء المنعكسة من سطح الأرض يمتصها ثاني أكسيد الكربون في حين أنه يسخن نفسه ويسخن الغلاف الجوي. وهذا يعني أنه كلما زاد عدد ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، كلما زاد تأثيره على مناخ الكوكب. ويحدث نفس الشيء في البيوت الزجاجية، ولهذا تسمى هذه الظاهرة بظاهرة الاحتباس الحراري.
إذا استمرت ما يسمى بالغازات الدفيئة في التدفق بالمعدل الحالي، ففي القرن المقبل سيرتفع متوسط درجة حرارة الأرض بمقدار 4 - 5 درجات مئوية، مما قد يؤدي إلى ظاهرة الاحتباس الحراري للكوكب.
خاتمة
إن تغيير موقفك تجاه الطبيعة لا يعني أنه يجب عليك التخلي عن التقدم التكنولوجي. فإيقافها لن يحل المشكلة، بل لن يؤدي إلا إلى تأخير حلها. من الضروري السعي باستمرار وصبر لتقليل الانبعاثات من خلال إدخال تقنيات بيئية جديدة لتوفير المواد الخام واستهلاك الطاقة وزيادة عدد المزارع وتنفيذ الأنشطة التعليمية فيما يتعلق بالنظرة البيئية العالمية للسكان.
على سبيل المثال، في الولايات المتحدة الأمريكية، تقع إحدى شركات إنتاج المطاط الصناعي بجوار المناطق السكنية، وهذا لا يثير احتجاج السكان، لأن المخططات التكنولوجية الصديقة للبيئة تعمل، والتي كانت في الماضي مع التقنيات القديمة، لم تكن نظيفة جداً.
وهذا يعني أننا بحاجة إلى اختيار صارم للتقنيات التي تلبي المعايير الأكثر صرامة، فالتقنيات الحديثة الواعدة ستسمح لنا بتحقيق مستوى عالٍ من الإنتاج الصديق للبيئة في جميع قطاعات الصناعة والنقل، فضلاً عن زيادة عدد المساحات الخضراء المزروعة. في المناطق والمدن الصناعية.
في السنوات الأخيرة، اتخذت التجربة مكانة رائدة في تطوير كيمياء الغلاف الجوي، ومكان النظرية هو نفسه كما هو الحال في العلوم الكلاسيكية المحترمة. ولكن لا تزال هناك مجالات حيث تظل البحوث النظرية ذات أولوية: على سبيل المثال، التجارب النموذجية فقط هي القادرة على التنبؤ بالتغيرات في تكوين الغلاف الجوي أو تقييم فعالية التدابير التقييدية المنفذة بموجب بروتوكول مونتريال. بدءًا من حل مشكلة مهمة ولكنها خاصة، تغطي كيمياء الغلاف الجوي اليوم، بالتعاون مع التخصصات ذات الصلة، مجموعة كاملة من المشكلات المعقدة في دراسة البيئة وحمايتها. ولعلنا نستطيع أن نقول إن السنوات الأولى لتطور كيمياء الغلاف الجوي مرت تحت شعار: "لا تتأخر!" انتهى اندفاع البداية، ويستمر الجري.
أي موطن هو نظام معقد، يتميز بمجموعته الفريدة من العوامل اللاأحيائية والحيوية، والتي تشكل، في جوهرها، هذه البيئة. ومن الناحية التطورية، نشأت البيئة البرية الجوية متأخرة عن البيئة المائية، والتي ترتبط بالتحولات الكيميائية في تكوين الهواء الجوي. تعيش معظم الكائنات الحية ذات النواة في البيئة الأرضية، والتي ترتبط بمجموعة واسعة من المناطق الطبيعية والعوامل المادية والبشرية والجغرافية وغيرها من العوامل المحددة.
خصائص البيئة الجوية الأرضية
تتكون هذه البيئة من تربة سطحية ( يصل عمقها إلى 2 كم) والغلاف الجوي السفلي ( ما يصل إلى 10 كم). تتميز البيئة بوجود تنوع كبير في أشكال الحياة المختلفة. من بين اللافقاريات يمكننا أن نلاحظ: الحشرات، وأنواع قليلة من الديدان والرخويات، وبالطبع الفقاريات هي السائدة. أدى ارتفاع نسبة الأكسجين في الهواء إلى تغير تطوري في الجهاز التنفسي ووجود عملية التمثيل الغذائي الأكثر كثافة.
يتميز الجو بالرطوبة غير الكافية والمتغيرة في كثير من الأحيان، مما يحد في كثير من الأحيان من انتشار الكائنات الحية. في المناطق ذات درجات الحرارة المرتفعة والرطوبة المنخفضة، تقوم حقيقيات النوى بتطوير تكيفات مختلفة، والغرض منها هو الحفاظ على المستوى الحيوي للمياه (تحويل أوراق النبات إلى إبر، وتراكم الدهون في سنام الجمل).
بالنسبة للحيوانات الأرضية، تعتبر هذه الظاهرة مميزة الدورة الضوئيةوبالتالي فإن معظم الحيوانات تنشط فقط أثناء النهار أو في الليل فقط. وتتميز البيئة الأرضية أيضًا بتقلبات كبيرة في درجات الحرارة والرطوبة وشدة الضوء. ترتبط التغييرات في هذه العوامل بالموقع الجغرافي وتغير الفصول والوقت من اليوم. بسبب انخفاض كثافة وضغط الغلاف الجوي، تطورت أنسجة العضلات والعظام بشكل كبير وأصبحت أكثر تعقيدًا.
طورت الفقاريات أطرافًا معقدة تتكيف لدعم الجسم والتحرك على ركائز صلبة في ظروف ذات كثافة جوية منخفضة. تتمتع النباتات بنظام جذر تقدمي يسمح لها بالحصول على موطئ قدم في التربة ونقل المواد إلى ارتفاع كبير. طورت النباتات البرية أيضًا أنسجة ميكانيكية وأساسية ولحاء ونسيج الخشب. تمتلك معظم النباتات تكيفات تحميها من النتح الزائد.
التربة
على الرغم من أن التربة تصنف على أنها موطن أرضي-جوي، إلا أنها تختلف كثيرًا عن الغلاف الجوي في خصائصها الفيزيائية:
- كثافة عالية وضغط.
- نقص الأكسجين.
- سعة منخفضة لتقلبات درجات الحرارة.
- انخفاض شدة الضوء.
في هذا الصدد، لدى سكان تحت الأرض تكيفاتهم الخاصة التي يمكن تمييزها عن الحيوانات الأرضية.
الموائل المائية
بيئة تشمل المحيط المائي بأكمله، سواء المسطحات المائية المالحة أو العذبة. وتتميز هذه البيئة بقلة تنوع الحياة وبظروفها الخاصة. يسكنها اللافقاريات الصغيرة التي تشكل العوالق والأسماك الغضروفية والعظمية والديدان الرخويات وعدد قليل من أنواع الثدييات
يختلف تركيز الأكسجين بشكل كبير مع العمق. في الأماكن التي يلتقي فيها الغلاف الجوي والغلاف المائي، يوجد كمية أكبر بكثير من الأكسجين والضوء مقارنة بالعمق. الضغط العالي، الذي يكون في أعماق كبيرة أعلى 1000 مرة من الضغط الجوي، يحدد شكل جسم معظم السكان تحت الماء. إن نطاق التغيرات في درجات الحرارة صغير، لأن انتقال الحرارة للمياه أقل بكثير من سطح الأرض.
الاختلافات بين البيئة المائية والبيئية الأرضية
كما ذكرنا سابقًا، يتم تحديد السمات المميزة الرئيسية للموائل المختلفة من خلال العوامل غير الحيوية. وتتميز البيئة الأرضية الجوية بتنوع بيولوجي كبير، وتركيز عالي للأكسجين، ودرجات حرارة ورطوبة متغيرة، وهي العوامل الرئيسية التي تحد من استيطان الحيوانات والنباتات. تعتمد الإيقاعات البيولوجية على طول النهار والموسم والمنطقة المناخية الطبيعية. في البيئة المائية، تتواجد معظم المواد العضوية المغذية في عمود الماء أو على سطحه، ولا توجد سوى نسبة قليلة منها في القاع في البيئة الجوية الأرضية، وجميع المواد العضوية توجد على السطح؛
يتميز سكان الأرض بتطور أفضل للأنظمة الحسية والجهاز العصبي ككل، كما تغيرت الأجهزة العضلية الهيكلية والدورة الدموية والجهاز التنفسي بشكل ملحوظ. الجلود مختلفة تمامًا لأنها مختلفة وظيفيًا. تنتشر النباتات السفلية (الطحالب) تحت الماء، والتي لا تحتوي في معظم الحالات على أعضاء حقيقية، على سبيل المثال، تعمل الجذور الجذرية كأعضاء ملحقة. غالبًا ما يرتبط توزيع السكان المائيين بالتيارات الدافئة تحت الماء. وإلى جانب الاختلافات بين هذه الموائل، هناك حيوانات تكيفت للعيش في كليهما. وتشمل هذه الحيوانات البرمائيات.
هناك العديد من البيئات المعيشية الرئيسية على كوكب الأرض:
ماء
الهواء الأرضي
تربة
كائن حي.
بيئة المعيشة المائية.
الكائنات الحية التي تعيش في الماء لها تكيفات تحددها الخصائص الفيزيائية للماء (الكثافة، التوصيل الحراري، القدرة على إذابة الأملاح).
بسبب قوة المياه المزدهرة، يتم تعليق العديد من سكان البيئة المائية الصغيرة وغير قادرين على مقاومة التيارات. يُطلق على مجموعة هؤلاء السكان المائيين الصغار اسم العوالق. تشمل العوالق الطحالب المجهرية والقشريات الصغيرة وبيض الأسماك ويرقاتها وقناديل البحر والعديد من الأنواع الأخرى.
العوالق
الكائنات العوالق تحملها التيارات ولا تستطيع مقاومتها. إن وجود العوالق في الماء يجعل من الممكن إجراء نوع من الترشيح للتغذية، أي التصفية باستخدام أجهزة مختلفة وكائنات صغيرة وجزيئات الطعام المعلقة في الماء. يتم تطويره في كل من الحيوانات القاعية العائمة وغير اللاطئة، مثل الزنابق وبلح البحر والمحار وغيرها. ستكون الحياة المستقرة مستحيلة بالنسبة لسكان الأحياء المائية إذا لم تكن هناك عوالق، وهذا بدوره ممكن فقط في بيئة ذات كثافة كافية.
كثافة الماء تجعل الحركة النشطة فيه صعبة، لذلك يجب أن تتمتع الحيوانات سريعة السباحة مثل الأسماك والدلافين والحبار بعضلات قوية وشكل جسم انسيابي.
ماكو قرش
بسبب كثافة الماء العالية، يزداد الضغط بشكل كبير مع العمق. يستطيع سكان أعماق البحار تحمل ضغط أعلى بآلاف المرات من ضغط سطح الأرض.
يخترق الضوء الماء فقط إلى عمق ضحل، لذلك لا يمكن للكائنات الحية النباتية أن توجد إلا في الآفاق العليا لعمود الماء. حتى في أنظف البحار، فإن عملية التمثيل الضوئي ممكنة فقط على عمق 100-200 متر. وفي أعماق أكبر، لا توجد نباتات، وتعيش حيوانات المياه العميقة في ظلام دامس.
نظام درجة الحرارة في الخزانات أكثر اعتدالًا منه على الأرض. نظرًا للقدرة الحرارية العالية للمياه، يتم تخفيف تقلبات درجات الحرارة فيها، ولا يواجه سكان الأحياء المائية الحاجة إلى التكيف مع الصقيع الشديد أو الحرارة التي تصل إلى أربعين درجة. فقط في الينابيع الساخنة يمكن أن تقترب درجة حرارة الماء من نقطة الغليان.
إحدى الصعوبات في حياة سكان الأحياء المائية هي محدودية كمية الأكسجين. قابليته للذوبان ليست عالية جدًا، علاوة على ذلك، تنخفض بشكل كبير عندما يكون الماء ملوثًا أو ساخنًا. لذلك، في الخزانات، هناك في بعض الأحيان المجاعة - الموت الجماعي للسكان بسبب نقص الأكسجين، والذي يحدث لأسباب مختلفة.
قتل السمك
يعد التركيب الملحي للبيئة مهمًا جدًا أيضًا للكائنات المائية. لا يمكن للأنواع البحرية أن تعيش في المياه العذبة، ولا يمكن لأنواع المياه العذبة أن تعيش في البحار بسبب خلل في وظيفة الخلايا.
بيئة الحياة الأرضية-الجوية.
هذه البيئة لديها مجموعة مختلفة من الميزات. وهي بشكل عام أكثر تعقيدًا وتنوعًا من المائية. يحتوي على الكثير من الأكسجين، والكثير من الضوء، وتغيرات حادة في درجة الحرارة في الزمان والمكان، وغالبًا ما يحدث انخفاض كبير في الضغط ونقص في الرطوبة. على الرغم من أن العديد من الأنواع يمكنها الطيران، كما أن الحشرات الصغيرة والعناكب والكائنات الحية الدقيقة والبذور وأبواغ النباتات تحملها التيارات الهوائية، إلا أن تغذية وتكاثر الكائنات الحية يحدث على سطح الأرض أو النباتات. في بيئة منخفضة الكثافة مثل الهواء، تحتاج الكائنات الحية إلى الدعم. لذلك، طورت النباتات الأرضية أنسجة ميكانيكية، كما أن الحيوانات البرية لديها هيكل عظمي داخلي أو خارجي أكثر وضوحًا من الحيوانات المائية. كثافة الهواء المنخفضة تجعل من السهل التحرك فيه. لقد أتقن حوالي ثلثي سكان الأرض الطيران النشط والسلبي. وأغلبها من الحشرات والطيور.
طائرة ورقية سوداء
فراشة كاليجو
الهواء موصل رديء للحرارة. وهذا يجعل من السهل الحفاظ على الحرارة المتولدة داخل الكائنات الحية والحفاظ على درجة حرارة ثابتة في الحيوانات ذوات الدم الحار. لقد أصبح تطور الدم الدافئ ممكنًا في البيئة الأرضية. أسلاف الثدييات المائية الحديثة - الحيتان والدلافين والفظ والأختام - عاشوا ذات يوم على الأرض.
لدى سكان الأرض مجموعة واسعة من التكيفات المتعلقة بتزويد أنفسهم بالمياه، خاصة في الظروف الجافة. في النباتات، يعد هذا نظام جذر قوي، وطبقة مقاومة للماء على سطح الأوراق والسيقان، والقدرة على تنظيم تبخر الماء من خلال الثغور. في الحيوانات، هذه أيضًا سمات هيكلية مختلفة للجسم والتكامل، ولكن بالإضافة إلى ذلك، يساهم السلوك المناسب أيضًا في الحفاظ على توازن الماء. يمكنهم، على سبيل المثال، الهجرة إلى فتحات الري أو تجنب ظروف الجفاف بشكل خاص. يمكن لبعض الحيوانات أن تعيش حياتها بأكملها على الطعام الجاف، مثل الجربوع أو عثة الملابس المعروفة. وفي هذه الحالة، يحصل الجسم على الماء الذي يحتاجه نتيجة أكسدة مكونات الغذاء.
جذر شوك الجمل
كما تلعب العديد من العوامل البيئية الأخرى دورًا مهمًا في حياة الكائنات الأرضية، مثل تركيب الهواء، والرياح، وتضاريس سطح الأرض. الطقس والمناخ لهما أهمية خاصة. يجب أن يتكيف سكان البيئة البرية الجوية مع مناخ الجزء الذي يعيشون فيه من الأرض ويتحملون تقلبات الظروف الجوية.
التربة كبيئة للعيش.
التربة هي طبقة رقيقة من سطح الأرض، تتم معالجتها بواسطة نشاط الكائنات الحية. تتخلل الجزيئات الصلبة في التربة مسام وتجويفات، مملوءة جزئيًا بالماء وجزئيًا بالهواء، لذلك يمكن للكائنات المائية الصغيرة أيضًا أن تعيش في التربة. يعد حجم التجاويف الصغيرة في التربة من الخصائص المهمة جدًا لها. في التربة الرخوة يمكن أن يصل إلى 70٪، وفي التربة الكثيفة - حوالي 20٪. في هذه المسام والتجاويف أو على سطح الجزيئات الصلبة تعيش مجموعة كبيرة ومتنوعة من الكائنات المجهرية: البكتيريا والفطريات والطفيليات والديدان المستديرة والمفصليات. تصنع الحيوانات الأكبر حجمًا ممرات في التربة بنفسها.
سكان التربة
يتم اختراق التربة بأكملها عن طريق جذور النباتات. يتم تحديد عمق التربة من خلال عمق تغلغل الجذور ونشاط الحيوانات المختبئة. لا يزيد عن 1.5-2 م.
الهواء الموجود في تجاويف التربة مشبع دائمًا ببخار الماء، وتكوينه غني بثاني أكسيد الكربون وينضب الأكسجين. وبهذه الطريقة تشبه الظروف المعيشية في التربة البيئة المائية. ومن ناحية أخرى، فإن نسبة الماء والهواء في التربة تتغير باستمرار تبعا للظروف الجوية. تكون تقلبات درجات الحرارة حادة جدًا على السطح، ولكنها تتلاشى بسرعة مع العمق.
السمة الرئيسية لبيئة التربة هي الإمداد المستمر بالمواد العضوية، ويرجع ذلك أساسًا إلى موت جذور النباتات وتساقط أوراقها. فهي مصدر قيم للطاقة للبكتيريا والفطريات والعديد من الحيوانات، لذا فإن التربة هي البيئة الأكثر ثراءً بالحياة. عالمها الخفي غني ومتنوع للغاية.
الكائنات الحية كبيئة حية.
الدودة الشريطية العريضة
تتميز البيئة البرية الجوية بخصائص الظروف البيئية التي شكلت تكيفات نوعية في نباتات وحيوانات الأرض، وهو ما ينعكس في مجموعة متنوعة من التكيفات المورفولوجية والتشريحية والفسيولوجية والكيميائية الحيوية والسلوكية.
إن الكثافة المنخفضة للهواء الجوي تجعل من الصعب الحفاظ على شكل الجسم، ولهذا السبب طورت النباتات والحيوانات نظام دعم. في النباتات، هذه هي الأنسجة الميكانيكية (ألياف اللحاء والخشب) التي توفر مقاومة للأحمال الثابتة والديناميكية: الرياح والأمطار والغطاء الثلجي. الحالة المتوترة لجدار الخلية (تورم)، الناجمة عن تراكم السوائل ذات الضغط الأسموزي العالي في فجوات الخلايا، تحدد مرونة الأوراق وسيقان العشب والزهور. في الحيوانات، يتم توفير الدعم للجسم عن طريق الهيكل المائي (في الديدان المستديرة)، والهيكل الخارجي (في الحشرات)، والهيكل العظمي الداخلي (في الثدييات).
الكثافة المنخفضة للبيئة تسهل حركة الحيوانات. العديد من الأنواع الأرضية قادرة على الطيران (نشطة أو مزلقة) - الطيور والحشرات، وهناك ممثلون عن الثدييات والبرمائيات والزواحف. ترتبط الرحلة بالحركة والبحث عن الفريسة. الطيران النشط ممكن بسبب الأطراف الأمامية المعدلة والعضلات الصدرية المتطورة. في الحيوانات المنزلقة، تتشكل طيات من الجلد بين الأطراف الأمامية والخلفية، والتي تمتد وتلعب دور المظلة.
شكلت الحركة العالية للكتل الهوائية في النباتات أقدم طريقة لتلقيح النباتات بواسطة الرياح (فقر الدم) ، وهي سمة من سمات العديد من النباتات في المنطقة الوسطى وتنتشر بمساعدة الرياح. هذه المجموعة البيئية من الكائنات الحية (العوالق الهوائية) تكيفت بسبب مساحة سطحها النسبية الكبيرة بسبب المظلات والأجنحة والنتوءات وحتى الشبكات، أو بسبب حجمها الصغير جدًا.
أدى الضغط الجوي المنخفض، الذي يبلغ عادة 760 ملم زئبق (أو 101325 باسكال)، والاختلافات الصغيرة في الضغط إلى خلق حساسية لدى جميع سكان الأرض تقريبًا تجاه تغيرات الضغط القوية. الحد الأعلى لحياة معظم الفقاريات هو حوالي 6000 متر. انخفاض الضغط الجوي مع زيادة الارتفاع فوق مستوى سطح البحر يقلل من ذوبان الأكسجين في الدم. وهذا يزيد من معدل التنفس، ونتيجة لذلك يؤدي التنفس المتكرر إلى الجفاف. هذا الاعتماد البسيط ليس نموذجيًا فقط بالنسبة للأنواع النادرة من الطيور وبعض اللافقاريات.
يتميز تكوين الغاز في البيئة الأرضية والهواءية بمحتوى عالي من الأكسجين (أعلى بأكثر من 20 مرة من البيئة المائية). وهذا يسمح للحيوانات أن يكون لديها معدل أيض مرتفع جدًا. لذلك، فقط على الأرض يمكن أن تنشأ الحرارة المنزلية (القدرة على الحفاظ على درجة حرارة ثابتة للجسم، ويرجع ذلك أساسًا إلى الطاقة الداخلية).
تتحدد أهمية درجة الحرارة في حياة الكائنات الحية من خلال تأثيرها على معدل التفاعلات الكيميائية الحيوية. تؤدي الزيادة في درجة الحرارة البيئية (حتى 60 درجة مئوية) إلى تمسخ البروتينات في الكائنات الحية. يؤدي الانخفاض الشديد في درجة الحرارة إلى انخفاض معدل التمثيل الغذائي، وكحالة حرجة، تجميد الماء في الخلايا (بلورات الجليد في الخلايا تنتهك سلامة الهياكل داخل الخلايا). في الأساس، على الأرض، لا يمكن للكائنات الحية أن توجد إلا في حدود 0 درجة - +50 درجة، لأن وتتوافق درجات الحرارة هذه مع حدوث العمليات الحياتية الأساسية. ومع ذلك، فإن كل نوع له قيم درجة الحرارة المميتة العليا والسفلى الخاصة به، وقيمة قمع درجة الحرارة ودرجة الحرارة المثلى.
الكائنات الحية التي تعتمد حياتها ونشاطها على الحرارة الخارجية (الكائنات الحية الدقيقة، الفطريات، النباتات، اللافقاريات، السيكلوستوم، الأسماك، البرمائيات، الزواحف) تسمى poikilotherms. من بينها هناك stenotherms (cryophiles - تتكيف مع الاختلافات الصغيرة في درجات الحرارة المنخفضة وthermophiles - تتكيف مع الاختلافات الصغيرة في درجات الحرارة المرتفعة) وeurytherms، والتي يمكن أن توجد ضمن سعة درجة حرارة كبيرة. يتم إجراء التكيفات لتحمل درجات الحرارة المنخفضة، والتي تسمح بتنظيم عملية التمثيل الغذائي لفترة طويلة، في الكائنات الحية بطريقتين: أ) القدرة على الخضوع للتغيرات البيوكيميائية والفسيولوجية - تراكم مضاد التجمد، الذي يقلل من درجة تجمد السوائل في الخلايا و الأنسجة وبالتالي يمنع تكون الجليد؛ التغيير في مجموعة وتركيز ونشاط الإنزيمات والتغيير. ب) تحمل التجميد (مقاومة البرد) هو توقف مؤقت للحالة النشطة (نقص الحيوية أو الكريبتوبيوسيس) أو تراكم الجلسرين والسوربيتول والمانيتول في الخلايا، مما يمنع تبلور السائل.
تتمتع Eurytherms بقدرة متطورة على الدخول إلى حالة كامنة عندما تكون هناك انحرافات كبيرة في درجة الحرارة عن القيمة المثلى. بعد قمع البرد، تستعيد الكائنات الحية عند درجة حرارة معينة عملية التمثيل الغذائي الطبيعي، وتسمى قيمة درجة الحرارة هذه عتبة درجة الحرارة للتطور، أو الصفر البيولوجي للتطور.
أساس التغيرات الموسمية في الأنواع متجانسة الحرارة، والمنتشرة على نطاق واسع، هو التأقلم (التحول في درجة الحرارة المثلى)، عندما يتم تعطيل بعض الجينات وتشغيل البعض الآخر، المسؤول عن استبدال بعض الإنزيمات بأخرى. تم العثور على هذه الظاهرة في أجزاء مختلفة من النطاق.
في النباتات، تكون الحرارة الأيضية ضئيلة للغاية، لذلك يتم تحديد وجودها من خلال درجة حرارة الهواء داخل الموائل. تتكيف النباتات لتحمل تقلبات درجات الحرارة الكبيرة إلى حد ما. الشيء الرئيسي في هذه الحالة هو النتح الذي يبرد سطح الأوراق عند ارتفاع درجة حرارته. الحد من شفرة الورقة، وحركة الأوراق، والظهور، والطلاء الشمعي. تتكيف النباتات مع الظروف الباردة باستخدام شكل النمو (القزامة، نمو الوسادة، التعريشة)، واللون. كل هذا يتعلق بالتنظيم الحراري الجسدي. التنظيم الحراري الفسيولوجي هو سقوط الأوراق، وموت الجزء الأرضي، ونقل المياه الحرة إلى حالة مقيدة، وتراكم التجمد، وما إلى ذلك).
تتمتع الحيوانات ذات الدم المتغير بالحرارة بإمكانية التنظيم الحراري التبخري المرتبط بحركتها في الفضاء (البرمائيات والزواحف). إنهم يختارون الظروف الأمثل، وينتجون الكثير من الحرارة الداخلية (الداخلية) أثناء تقلص العضلات أو ارتعاش العضلات (يقومون بتسخين العضلات أثناء الحركة). لدى الحيوانات تكيفات سلوكية (وضعية، ملاجئ، جحور، أعشاش).
تتمتع الحيوانات ذات الحرارة المنزلية (الطيور والثدييات) بدرجة حرارة ثابتة للجسم ولا تعتمد إلا قليلاً على درجة الحرارة المحيطة. وتتميز بالتكيفات القائمة على الزيادة الحادة في عمليات الأكسدة نتيجة لكمال الأجهزة العصبية والدورة الدموية والجهاز التنفسي وغيرها من الأجهزة. لديهم تنظيم حراري كيميائي حيوي (عندما تنخفض درجة حرارة الهواء، يزداد استقلاب الدهون؛ وتزداد عمليات الأكسدة، خاصة في العضلات الهيكلية؛ وهناك أنسجة دهنية بنية متخصصة، حيث تذهب جميع الطاقة الكيميائية المنبعثة إلى تكوين ATP ولتدفئة الجسم؛ يزداد حجم الطعام المستهلك). لكن مثل هذا التنظيم الحراري له قيود مناخية (غير مربحة في الشتاء، في الظروف القطبية، في الصيف في المناطق الاستوائية والاستوائية).
التنظيم الحراري الجسدي مفيد بيئيًا (الانكماش المنعكس وتوسيع الأوعية الدموية في الجلد، وتأثير العزل الحراري للفراء والريش، والتبادل الحراري المعاكس)، لأن يتم تنفيذها عن طريق الاحتفاظ بالحرارة في الجسم (تشيرنوفا، بيلوفا، 2004).
يتميز التنظيم الحراري السلوكي للحرارة المنزلية بالتنوع: التغيرات في الوضعية، والبحث عن مأوى، وبناء الجحور المعقدة، والأعشاش، والهجرة، والسلوك الجماعي، وما إلى ذلك.
العامل البيئي الأكثر أهمية للكائنات الحية هو الضوء. العمليات التي تحدث تحت تأثير الضوء هي التمثيل الضوئي (يتم استخدام 1-5% من الضوء الساقط)، والنتح (يتم استخدام 75% من الضوء الساقط لتبخر الماء)، وتزامن الوظائف الحيوية، والحركة، والرؤية، والتوليف. من الفيتامينات.
يتم تنظيم مورفولوجيا النبات وبنية المجتمعات النباتية من أجل إدراك الطاقة الشمسية بشكل أكثر فعالية. إن سطح النباتات المستقبلة للضوء على الأرض أكبر بأربع مرات من سطح الكوكب (أكيموفا، هاسكين، 2000). بالنسبة للكائنات الحية، الطول الموجي مهم، لأنه الأشعة ذات الأطوال المختلفة لها أهمية بيولوجية مختلفة: الأشعة تحت الحمراء (780 - 400 نانومتر) تعمل على المراكز الحرارية للجهاز العصبي، وتنظم عمليات الأكسدة، والتفاعلات الحركية، وما إلى ذلك، والأشعة فوق البنفسجية (60 - 390 نانومتر) تعمل على الأنسجة التكاملية ، تعزيز إنتاج الفيتامينات المختلفة، وتحفيز نمو الخلايا والتكاثر.
للضوء المرئي أهمية خاصة لأنه... نوعية الضوء مهمة للنباتات. في طيف الأشعة، يتم تمييز الإشعاع النشط الضوئي (PAR). يقع الطول الموجي لهذا الطيف في النطاق 380 – 710 (370-720 نانومتر).
ترتبط ديناميكيات الإضاءة الموسمية بالأنماط الفلكية، والإيقاع المناخي الموسمي لمنطقة معينة، ويتم التعبير عنها بشكل مختلف عند خطوط العرض المختلفة. بالنسبة للطبقات السفلية، يتم فرض هذه الأنماط أيضًا على الحالة الفينولوجية للنباتات. الإيقاع اليومي للتغيرات في الإضاءة له أهمية كبيرة. ينتهك مسار الإشعاع التغيرات في حالة الغلاف الجوي والغيوم وما إلى ذلك (جوريشينا، 1979).
النبات عبارة عن جسم معتم يعكس الضوء ويمتصه وينقله جزئيًا. يوجد في خلايا وأنسجة الأوراق تشكيلات مختلفة تضمن امتصاص ونقل الضوء ولزيادة إنتاجية النبات يتم زيادة المساحة الكلية وعدد عناصر التمثيل الضوئي، ويتم ذلك عن طريق ترتيب الأوراق في عدة طوابق على النبات. ; الترتيب الطبقي للنباتات في المجتمع.
فيما يتعلق بشدة الإضاءة، يتم التمييز بين ثلاث مجموعات: محبة للضوء، محبة للظل، متسامحة مع الظل، والتي تختلف في التكيفات التشريحية والمورفولوجية (في النباتات المحبة للضوء، الأوراق أصغر حجما، متنقلة، محتلة، لها طلاء شمعي، بشرة سميكة، شوائب بلورية، وما إلى ذلك. في النباتات المحبة للظل، تكون الأوراق كبيرة، والبلاستيدات الخضراء كبيرة ومتعددة)؛ التكيفات الفسيولوجية (قيم مختلفة لتعويض الضوء).
تسمى الاستجابة لطول اليوم (مدة الإضاءة) بالدورة الضوئية. في النباتات، ترتبط العمليات المهمة مثل الإزهار وتكوين البذور والنمو والانتقال إلى حالة السكون وسقوط الأوراق بالتغيرات الموسمية في طول النهار ودرجة الحرارة. لكي تزدهر بعض النباتات، يلزم أن يكون طول اليوم أكثر من 14 ساعة، والبعض الآخر يكفي 7 ساعات، والبعض الآخر يزهر بغض النظر عن طول النهار.
بالنسبة للحيوانات، للضوء قيمة إعلامية. بادئ ذي بدء، تنقسم الحيوانات حسب النشاط اليومي إلى نهارية، وشفقية، وليلية. العضو الذي يساعد على التنقل في الفضاء هو العيون. الكائنات الحية المختلفة لها رؤية مجسمة مختلفة - الشخص لديه رؤية عامة 180 درجة - مجسمة -140 درجة، الأرنب لديه رؤية عامة 360 درجة، مجسمة 20 درجة. الرؤية المجهرية هي سمة أساسية للحيوانات المفترسة (القطط والطيور). بالإضافة إلى ذلك، فإن التفاعل مع الضوء يحدد الانجذاب الضوئي (الحركة نحو الضوء)،
التكاثر، الملاحة (الاتجاه إلى موضع الشمس)، التلألؤ البيولوجي. الضوء هو إشارة لجذب الأفراد من الجنس الآخر.
العامل البيئي الأكثر أهمية في حياة الكائنات الأرضية هو الماء. من الضروري الحفاظ على السلامة الهيكلية للخلايا والأنسجة والكائن الحي بأكمله، لأن هو الجزء الرئيسي من بروتوبلازم الخلايا والأنسجة والعصائر النباتية والحيوانية. بفضل الماء، يتم تنفيذ التفاعلات الكيميائية الحيوية، وإمداد المواد الغذائية، وتبادل الغازات، والإفراز، وما إلى ذلك. محتوى الماء في جسم النباتات والحيوانات مرتفع جدًا (في أوراق العشب - 83-86٪، وأوراق الأشجار - 79). -82٪، جذوع الأشجار 40-55٪، في أجسام الحشرات - 46-92٪، البرمائيات - ما يصل إلى 93٪، الثدييات - 62-83٪.
يشكل الوجود في بيئة برية هوائية مشكلة مهمة للكائنات الحية للحفاظ على الماء في الجسم. ولذلك، فإن شكل ووظائف النباتات والحيوانات البرية يتم تكييفها للحماية من الجفاف. في حياة النباتات، يعد توفير المياه، وتوصيله، ونتحه، وتوازن الماء أمرًا مهمًا (والتر، 1031، 1937، شيفر، 1956). تنعكس التغييرات في توازن الماء بشكل أفضل من خلال قوة الشفط للجذور.
يمكن للنبات أن يمتص الماء من التربة طالما أن قوة الامتصاص للجذور يمكن أن تتنافس مع قوة الامتصاص للتربة. يوفر نظام الجذر المتفرع للغاية مساحة كبيرة من الاتصال بين الجزء الممتص من الجذر ومحاليل التربة. يمكن أن يصل الطول الإجمالي للجذور إلى 60 كم. تختلف قوة امتصاص الجذور حسب الطقس والخصائص البيئية. كلما كان سطح الشفط للجذور أكبر، كلما تم امتصاص المزيد من الماء.
وفقًا لتنظيم توازن الماء ، تنقسم النباتات إلى poikilohydric (الطحالب والطحالب والسراخس وبعض النباتات المزهرة) ومتجانسة (معظم النباتات العليا).
فيما يتعلق بنظام المياه، تتميز المجموعات البيئية للنباتات.
1. Hygrophytes هي نباتات برية تعيش في موائل رطبة ذات رطوبة هواء عالية وإمدادات مياه التربة. السمات المميزة للنباتات الرطبة هي الجذور السميكة والمتفرعة بشكل ضعيف، والتجويف الحامل للهواء في الأنسجة، والثغور المفتوحة.
2. النباتات المتوسطة - نباتات ذات موائل رطبة إلى حد ما. قدرتها على تحمل التربة والجفاف الجوي محدودة. يمكن العثور عليها في الموائل القاحلة - وتتطور بسرعة في فترة قصيرة. يتميز بنظام جذر متطور مع العديد من الشعيرات الجذرية وتنظيم شدة النتح.
3. النباتات الجافة - نباتات الموائل الجافة. هذه نباتات مقاومة للجفاف ونباتات جافة. يمكن أن تفقد نباتات xerophytes السهوب دون ضرر ما يصل إلى 25٪ من الماء، ونباتات xerophytes الصحراوية - ما يصل إلى 50٪ من الماء الموجود فيها (للمقارنة، تذبل نباتات الغابة المتوسطة بفقدان 1٪ من الماء الموجود في الأوراق). وفقًا لطبيعة التكيفات التشريحية والمورفولوجية والفسيولوجية التي تضمن الحياة النشطة لهذه النباتات في ظل ظروف نقص الرطوبة، تنقسم النباتات الجافة إلى نباتات عصارية (لديها أوراق وسيقان لحمية ونضرة، وهي قادرة على تجميع كميات كبيرة من الماء في تتطور أنسجتها إلى قوة امتصاص صغيرة وتمتص الرطوبة من هطول الأمطار) والنباتات الصلبة (نباتات ذات مظهر جاف تبخر الرطوبة بشكل مكثف، ولها أوراق ضيقة وصغيرة تلتف أحيانًا على شكل أنبوب، وتكون قادرة على تحمل الجفاف الشديد، وقوة الامتصاص للنباتات. يمكن أن تصل الجذور إلى عدة عشرات من الأجواء).
في مجموعات مختلفة من الحيوانات، في عملية التكيف مع ظروف الوجود الأرضي، كان الشيء الرئيسي هو منع فقدان الماء. تحصل الحيوانات على الماء بطرق مختلفة - من خلال الشرب، مع الطعام النضر، نتيجة لعملية التمثيل الغذائي (بسبب أكسدة وتحلل الدهون والبروتينات والكربوهيدرات). يمكن لبعض الحيوانات امتصاص الماء من خلال أغطية من الركيزة الرطبة أو الهواء. يحدث فقدان الماء نتيجة التبخر من الجلد، والتبخر من الأغشية المخاطية في الجهاز التنفسي، وإفراز البول وبقايا الطعام غير المهضومة. تعتمد الحيوانات التي تحصل على الماء عن طريق الشرب على موقع المسطحات المائية (الثدييات الكبيرة والعديد من الطيور).
من العوامل المهمة بالنسبة للحيوانات رطوبة الهواء، لأن... يحدد هذا المؤشر كمية التبخر من سطح الجسم. ولهذا السبب فإن بنية غلاف الجسم مهمة لتوازن الماء في جسم الحيوان. في الحشرات، يتم ضمان تقليل تبخر الماء من سطح الجسم عن طريق بشرة لا يمكن اختراقها تقريبًا وأعضاء إفراز متخصصة (أنابيب مالبيجي)، التي تفرز منتجًا استقلابيًا غير قابل للذوبان تقريبًا، وفتحات تنفسية، مما يقلل من فقدان الماء من خلال نظام تبادل الغازات - من خلال القصبة الهوائية والقصبات الهوائية.
في البرمائيات، يدخل الجزء الأكبر من الماء إلى الجسم من خلال الجلد النفاذ. يتم تنظيم نفاذية الجلد عن طريق هرمون تفرزه الغدة النخامية الخلفية. تفرز البرمائيات كميات كبيرة جدًا من البول المخفف، والذي يكون خافضًا للضغط على سوائل الجسم. في الظروف الجافة، يمكن للبرمائيات تقليل فقدان الماء عن طريق البول. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لهذه الحيوانات أن تتراكم المياه في المثانة والمساحات اللمفاوية تحت الجلد.
تتمتع الزواحف بالعديد من التكيفات على مستويات مختلفة - المورفولوجية (يتم منع فقدان الماء عن طريق الجلد المتقرن)، والفسيولوجية (الرئتين الموجودتين داخل الجسم، مما يقلل من فقدان الماء)، والكيميائية الحيوية (يتكون حمض البوليك في الأنسجة، والذي يتم إفرازه دون الكثير. فقدان الرطوبة، تصبح الأنسجة قادرة على تحمل زيادة تركيزات الأملاح بنسبة 50%.
يكون معدل التبخر عند الطيور منخفضًا (الجلد غير منفذ للماء نسبيًا، ولا توجد غدد عرقية أو ريش). تفقد الطيور الماء (ما يصل إلى 35% من وزن الجسم يوميا) عند التنفس بسبب التهوية العالية في الرئتين وارتفاع درجة حرارة الجسم. تقوم الطيور بعملية إعادة امتصاص الماء من بعض الماء الموجود في البول والبراز. بعض الطيور البحرية (طيور البطريق، الأطيش، الغاق، طيور القطرس)، التي تأكل الأسماك وتشرب مياه البحر، لديها غدد ملحية تقع في مآخذ العين، والتي يتم من خلالها إزالة الأملاح الزائدة من الجسم.
في الثدييات، يتم إقران أعضاء الإفراز والتنظيم التناضحي، والكلى المعقدة، والتي يتم تزويدها بالدم وتنظيم تكوين الدم. وهذا يضمن تكوين ثابت للسائل داخل الخلايا والسائل الخلالي. يتم الحفاظ على الضغط الاسموزي المستقر نسبيًا للدم بسبب التوازن بين إمداد الماء عن طريق الشرب وفقدان الماء من خلال هواء الزفير والعرق والبراز والبول. المسؤول عن التنظيم الدقيق للضغط الأسموزي هو الهرمون المضاد لإدرار البول (ADH)، الذي يفرز من الفص الخلفي للغدة النخامية.
من بين الحيوانات هناك مجموعات: محبي الرطوبة، حيث تكون آليات تنظيم استقلاب الماء ضعيفة التطور أو غائبة تمامًا (هذه حيوانات محبة للرطوبة وتتطلب رطوبة بيئية عالية - ذيل الربيع، وقمل الخشب، والبعوض، والمفصليات الأخرى، والرخويات الأرضية والبرمائيات) ; xerophiles، التي لديها آليات متطورة لتنظيم استقلاب الماء والتكيف مع الاحتفاظ بالمياه في الجسم، والعيش في الظروف القاحلة؛ mesophiles الذين يعيشون في ظروف الرطوبة المعتدلة.
إن العامل البيئي الذي يعمل بشكل غير مباشر في بيئة الهواء الأرضي هو الإغاثة. تؤثر جميع أشكال الإغاثة على توزيع النباتات والحيوانات من خلال التغيرات في النظام الحراري المائي أو رطوبة التربة الأرضية.
في الجبال على ارتفاعات مختلفة فوق مستوى سطح البحر، تتغير الظروف المناخية، مما يؤدي إلى تقسيم المناطق الارتفاعية. تساهم العزلة الجغرافية في الجبال في تكوين المتوطنات والحفاظ على الأنواع الأثرية من النباتات والحيوانات. تسهل السهول الفيضية النهرية الحركة باتجاه الشمال لمجموعات نباتية وحيوانية جنوبية. إن تعرض المنحدرات له أهمية كبيرة، مما يخلق الظروف الملائمة لانتشار المجتمعات المحبة للحرارة شمالًا على طول المنحدرات الجنوبية، والمجتمعات المحبة للبرد جنوبًا على طول المنحدرات الشمالية ("القاعدة الأولية"، V.V. Alekhina) .
توجد التربة فقط في البيئة الأرضية الجوية وتتشكل نتيجة للتفاعل بين عمر الإقليم والصخور الأصلية والمناخ والإغاثة والنباتات والحيوانات والنشاط البشري. إن التركيب الميكانيكي (حجم الجزيئات المعدنية)، والتركيب الكيميائي (الرقم الهيدروجيني للمحلول المائي)، وملوحة التربة، وثراء التربة لها أهمية بيئية. تؤثر خصائص التربة أيضًا على الكائنات الحية كعوامل غير مباشرة، فتغير النظام الحراري الهيدرولوجي، مما يتسبب في تكيف النباتات (في المقام الأول) مع ديناميات هذه الظروف والتأثير على التمايز المكاني للكائنات الحية.
تسمى الطبيعة غير الحية والحية المحيطة بالنباتات والحيوانات والإنسان بالموطن (بيئة المعيشة، البيئة الخارجية). وفقًا لتعريف N.P. Naumov (1963)، فإن البيئة هي "كل ما يحيط بالكائنات الحية ويؤثر بشكل مباشر أو غير مباشر على حالتها ونموها وبقائها وتكاثرها". تتلقى الكائنات الحية كل ما تحتاجه للحياة من بيئتها وتطلق منتجات التمثيل الغذائي فيها.
يمكن أن توجد الكائنات الحية في بيئة معيشية واحدة أو أكثر. على سبيل المثال، البشر ومعظم الطيور والثدييات والنباتات البذرية والأشنات هم سكان البيئة الجوية الأرضية فقط؛ تعيش معظم الأسماك في البيئة المائية فقط؛ يقضي اليعسوب مرحلة واحدة في الماء والأخرى في الهواء.
بيئة الحياة المائية
وتتميز البيئة المائية بتنوع كبير في الخواص الفيزيائية والكيميائية للكائنات الحية الملائمة للحياة. من بينها: الشفافية، الموصلية الحرارية العالية، الكثافة العالية (حوالي 800 مرة كثافة الهواء) واللزوجة، التمدد أثناء التجميد، القدرة على إذابة العديد من المركبات المعدنية والعضوية، الحركة العالية (السيولة)، عدم وجود تقلبات حادة في درجات الحرارة (كلاهما). اليومية والموسمية)، والقدرة على دعم الكائنات الحية التي تختلف بشكل كبير في الكتلة بسهولة.
الخصائص غير المواتية للبيئة المائية هي: انخفاض الضغط الشديد، وضعف التهوية (محتوى الأكسجين في البيئة المائية أقل 20 مرة على الأقل مما هو عليه في الغلاف الجوي)، ونقص الضوء (خاصة في أعماق المسطحات المائية)، ونقص النترات والفوسفات (ضرورية لتركيب المادة الحية).
هناك مياه عذبة ومياه بحرية تختلف في التركيب وكمية المعادن الذائبة. مياه البحر غنية بأيونات الصوديوم والمغنيسيوم والكلوريد والكبريتات، في حين تهيمن أيونات الكالسيوم والكربونات على المياه العذبة.
تشكل الكائنات الحية التي تعيش في بيئة الحياة المائية مجموعة بيولوجية واحدة - الهيدروبيونتس.
في الخزانات، عادة ما يتم تمييز اثنين من الموائل البيئية الخاصة (البيئات الحيوية): عمود الماء (السطحي) والقاع (القاع). الكائنات الحية التي تعيش هناك تسمى Pelagos و Benthos.
من بين أسماك البيلاجوس، تتميز الأشكال التالية من الكائنات الحية: العوالق - الممثلين الصغار العائمين بشكل سلبي (العوالق النباتية والعوالق الحيوانية)؛ نيكتون - تسبح بنشاط الأشكال الكبيرة (الأسماك والسلاحف ورأسيات الأرجل)؛ نيوستون - سكان مجهرون وصغيرون للطبقة السطحية للماء. في المسطحات المائية العذبة (البحيرات والبرك والأنهار والمستنقعات وما إلى ذلك) لم يتم تحديد هذه المناطق البيئية بشكل واضح. يتم تحديد الحد الأدنى للحياة في منطقة السطح بعمق تغلغل ضوء الشمس الكافي لعملية التمثيل الضوئي ونادرا ما يصل إلى عمق أكثر من 2000 متر.
تتميز Benthal أيضًا بمناطق الحياة البيئية الخاصة: منطقة الانحدار التدريجي للأرض (إلى عمق 200-2200 م) ؛ منطقة شديدة الانحدار، وقاع محيطي (بمتوسط عمق 2800-6000 م)؛ المنخفضات في قاع المحيط (حتى 10000 م)؛ حافة الساحل، التي غمرتها المد والجزر (الساحلية). يعيش سكان المنطقة الساحلية في ظروف وفرة أشعة الشمس مع ضغط منخفض، مع تقلبات متكررة وكبيرة في درجات الحرارة. على العكس من ذلك، يعيش سكان منطقة قاع المحيط في ظلام دامس، في درجات حرارة منخفضة باستمرار، ونقص الأكسجين وتحت ضغط هائل، يصل إلى ما يقرب من ألف أجواء.
بيئة الحياة الأرضية-الجوية
تعد بيئة الحياة الأرضية والهواءية هي الأكثر تعقيدًا من حيث الظروف البيئية ولديها مجموعة واسعة من الموائل. أدى هذا إلى أكبر تنوع للكائنات الحية على الأرض. تتحرك الغالبية العظمى من الحيوانات في هذه البيئة على سطح صلب - التربة، وتترسخ النباتات عليها. تسمى الكائنات الحية في هذه البيئة المعيشية بالهوائيات (terrabionts، من الكلمة اللاتينية terra - الأرض).
من السمات المميزة للبيئة قيد النظر أن الكائنات الحية التي تعيش هنا تؤثر بشكل كبير على البيئة المعيشية وتخلقها بنفسها بطرق عديدة.
ومن خصائص هذه البيئة الملائمة للكائنات الحية وفرة الهواء الذي يحتوي على نسبة عالية من الأكسجين وأشعة الشمس. وتشمل السمات غير المواتية: التقلبات الحادة في درجات الحرارة والرطوبة والإضاءة (حسب الموسم والوقت من اليوم والموقع الجغرافي)، ونقص الرطوبة المستمر ووجودها على شكل بخار أو قطرات، ثلج أو جليد، رياح، تغير الفصول، التضاريس ميزات المناطق، الخ.
تتميز جميع الكائنات الحية في البيئة المعيشية الأرضية الجوية بأنظمة الاستهلاك الاقتصادي للمياه، وآليات التنظيم الحراري المختلفة، والكفاءة العالية لعمليات الأكسدة، وأجهزة خاصة لاستيعاب الأكسجين الجوي، وتكوينات هيكلية قوية تسمح لها بدعم الجسم في ظروف الكثافة البيئية المنخفضة، وأجهزة مختلفة للحماية من التقلبات المفاجئة في درجات الحرارة.
وتعتبر البيئة الجوية الأرضية بخصائصها الفيزيائية والكيميائية قاسية جداً بالنسبة لجميع الكائنات الحية. ولكن على الرغم من ذلك، فقد وصلت الحياة على الأرض إلى مستوى عالٍ جدًا، سواء من حيث الكتلة الإجمالية للمادة العضوية أو من حيث تنوع أشكال المادة الحية.
التربة
تحتل بيئة التربة موقعا وسطا بين بيئة الماء وبيئة الهواء الأرضية. إن ظروف درجة الحرارة وانخفاض محتوى الأكسجين وتشبع الرطوبة ووجود كميات كبيرة من الأملاح والمواد العضوية تجعل التربة أقرب إلى البيئة المائية. والتغيرات الحادة في درجات الحرارة والجفاف والتشبع بالهواء، بما في ذلك الأكسجين، تجعل التربة أقرب إلى بيئة الحياة الأرضية والهواء.
التربة هي طبقة سطحية رخوة من الأرض، وهي عبارة عن خليط من المواد المعدنية التي يتم الحصول عليها من تفتت الصخور تحت تأثير العوامل الفيزيائية والكيميائية، والمواد العضوية الخاصة الناتجة عن تحلل بقايا النباتات والحيوانات بواسطة العوامل البيولوجية. في الطبقات السطحية من التربة، حيث تصل المواد العضوية الميتة الطازجة، تعيش العديد من الكائنات الحية المدمرة - البكتيريا والفطريات والديدان والمفصليات الصغيرة، وما إلى ذلك. ويضمن نشاطهم تطوير التربة من الأعلى، في حين أن التدمير الفيزيائي والكيميائي يساهم حجر الأساس في تكوين التربة من الأسفل.
تتميز التربة باعتبارها بيئة معيشية بعدد من الميزات: الكثافة العالية، ونقص الضوء، وانخفاض سعة التقلبات في درجات الحرارة، ونقص الأكسجين، ومحتوى ثاني أكسيد الكربون المرتفع نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك، تتميز التربة ببنية فضفاضة (مسامية) من الركيزة. تمتلئ التجاويف الموجودة بمزيج من الغازات والمحاليل المائية، مما يحدد مجموعة واسعة للغاية من الظروف المعيشية للعديد من الكائنات الحية. في المتوسط، يوجد لكل متر مربع من طبقة التربة أكثر من 100 مليار خلية أولية، وملايين من الدوارات وبطيئات المشية، وعشرات الملايين من الديدان الخيطية، ومئات الآلاف من المفصليات، وعشرات ومئات من ديدان الأرض، والرخويات وغيرها من اللافقاريات، ومئات الملايين من البكتيريا والفطريات المجهرية (الشعيات) والطحالب والكائنات الحية الدقيقة الأخرى. يتفاعل جميع سكان التربة - edaphobionts (edaphobius، من edaphos اليونانية - التربة، bios - الحياة) مع بعضهم البعض، ويشكلون نوعًا من المجمع الحيوي الذي يشارك بنشاط في إنشاء البيئة المعيشية للتربة نفسها وضمان خصوبتها. تُسمى أيضًا الأنواع التي تعيش في بيئة معيشية للتربة باسم pedobionts (من الكلمة اليونانية payos - طفل، أي تمر بمرحلة اليرقات في تطورها).
طور ممثلو Edaphobius سمات تشريحية ومورفولوجية فريدة في عملية التطور. على سبيل المثال، في الحيوانات - شكل جسم متعرج، حجم صغير، غلاف قوي نسبيًا، تنفس الجلد، تقليل العينين، غلاف عديم اللون، البلعمة (القدرة على التغذية على بقايا الكائنات الحية الأخرى). بالإضافة إلى ذلك، إلى جانب التمارين الهوائية، يتم تمثيل اللاهوائية على نطاق واسع (القدرة على الوجود في غياب الأكسجين الحر).
الكائن الحي كبيئة حية
كبيئة معيشية، يتميز الكائن الحي لسكانه بميزات إيجابية مثل: الطعام سهل الهضم؛ ثبات درجة الحرارة والملح والأنظمة الاسموزية. لا يوجد تهديد بالجفاف. الحماية من الأعداء. تنشأ مشاكل سكان الكائنات الحية بسبب عوامل مثل: نقص الأكسجين والضوء؛ مساحة معيشة محدودة الحاجة إلى التغلب على ردود الفعل الدفاعية للمضيف؛ ينتشر من فرد مضيف إلى أفراد آخرين. بالإضافة إلى ذلك، فإن هذه البيئة محدودة دائمًا بحياة المالك.