أرز. 8. مخطط الدورة البيولوجية
يتم توفير جميع العمليات على الأرض في المرحلة الأولية بواسطة طاقة الشمس. يتلقى كوكبنا 4-5·10 13 سعرة حرارية/ثانية من الشمس. تمتص النباتات 0.1-0.2٪ فقط من الطاقة الشمسية، لكن هذه الطاقة تؤدي قدرًا هائلاً من العمل: فهي "تطلق" عمليات التخليق الحيوي وتتحول إلى طاقة الروابط الكيميائية للمواد العضوية المركبة. يتم الاحتفاظ بالعناصر الحيوية، على عكس الطاقة، في النظام البيئي، حيث تخضع لدورة مستمرة، تشارك فيها كل من الكائنات الحية والبيئة المادية.
وبما أن النباتات والحيوانات يمكنها فقط استخدام العناصر الغذائية الموجودة على سطح الأرض أو بالقرب منه، فإن الحفاظ على الحياة يتطلب أن تصبح المواد التي تستوعبها الكائنات الحية متاحة في نهاية المطاف للكائنات الحية الأخرى.
كل عنصر كيميائي، يصنع دورة في النظام البيئي، يتبع مساره الخاص، ولكن يتم تشغيل جميع الدورات بواسطة الطاقة، وتنتقل العناصر المشاركة فيها بالتناوب من الشكل العضوي إلى الشكل غير العضوي والعكس صحيح .
طاقة الشمس تسبب حركة دورتين - الجيولوجية الكبيرة والبيولوجية الصغيرة. دورة عظيمة أو جيولوجية– تداول المواد في النظام: التدفق الجيوكيميائي للأرض – الشبكة الهيدروغرافية – المحيط – الكتل الهوائية – الهباء الجوي – التدفق الجيوكيميائي للأرض. ويتجلى بشكل واضح في دورة المياه والدورة الجوية. صغيرة وبيولوجية(الحيوية)، – دخول العناصر الكيميائية من التربة والجو إلى الكائنات الحية؛ تحويل العناصر الواردة إلى مركبات معقدة جديدة وعودتها إلى التربة والجو في عملية النشاط الحياتي مع التساقط السنوي لجزء من المادة العضوية أو مع الكائنات الميتة تماما التي تشكل جزءا من النظام البيئي.
كلتا الدورتين مرتبطتان ببعضهما البعض وتمثلان عملية واحدة لحركة المادة على كوكبنا.
كما هو مذكور في المحاضرات 1-5، فإن أي نظام بيئي (الوحدة الهيكلية الرئيسية للمحيط الحيوي) يتميز بالتبادل المستمر للمادة والطاقة والمعلومات بين مكوناته الفردية. إن تبادل العناصر الغذائية بين الكائنات الحية والمكونات غير الحية متوازن في معظم المجتمعات. يمكن اعتبار النظام البيئي بمثابة سلسلة من الكتل التي تمر من خلالها مواد مختلفة والتي يمكن أن تبقى فيها هذه المواد لفترة طويلة. في معظم الحالات، تتضمن دورات المواد المعدنية في النظام البيئي ثلاث كتل نشطة: الكائنات الحية، والمخلفات العضوية الميتة، والمواد غير العضوية المتاحة. ترتبط كتلتان إضافيتان - المواد غير العضوية التي يمكن الوصول إليها بشكل غير مباشر والمواد العضوية المترسبة - بدورات العناصر الغذائية في بعض المناطق المحيطية، لكن التبادل بين هذه الكتل وبقية النظام البيئي يكون بطيئًا مقارنة بالتبادل الذي يحدث بين الكتل النشطة.
تتكون الكائنات الحية والمحيط الحيوي ككل من نفس العناصر الكيميائية الموجودة في البيئة. يتطلب تركيب الكتلة الحيوية حوالي 40 عنصرًا، أهمها الكربون والنيتروجين والأكسجين والهيدروجين والفوسفور والكبريت. يطلق عليهم العناصر الحيوية. الكتلة الحيوية الرئيسية تأتي من الكربون والأكسجين والهيدروجين. فهي تشكل 99.9% من وزن الكائنات الحية، وتشكل 99% من وزن القشرة الكاملة لكوكبنا، وبالتالي تضمن استدامة الحياة على الأرض. جميع العناصر الكيميائية الأخرى في حالة مشتتة. معظم وزن الكائنات الحية يأتي من O2 وC. وهي تشكل ما بين 50 إلى 90% من وزنها المطلق الجاف.
العناصر الحيوية، التي تنتقل بالتناوب من المادة الحية
إلى غير عضوي، ويشارك في الدورات البيوجيوكيميائية المختلفة.
الدورات البيوجيوكيميائية– دورة العناصر الكيميائية: من الطبيعة غير العضوية مروراً بالكائنات النباتية والحيوانية إلى الطبيعة غير العضوية. ويتم إنجازه باستخدام الطاقة الشمسية وطاقة التفاعلات الكيميائية.
وفق قانون الهجرة الحيوية للذرات بواسطة V. I. Vernadsky"هجرة العناصر الكيميائية على سطح الأرض وفي المحيط الحيوي
تتم عمومًا إما بمشاركة مباشرة من المادة الحية (الهجرة الحيوية)، أو تحدث في بيئة يتم تحديد خصائصها الجيوكيميائية من خلال المادة الحية، سواء تلك التي تعيش حاليًا في المحيط الحيوي أو تلك التي أثرت على الأرض في جميع أنحاء الجيولوجيا بأكملها. قصص".
يمكن تقسيم الدورات البيوجيوكيميائية إلى مجموعتين:
دورة الغازات التي يكون فيها الغلاف الجوي بمثابة الخزان الرئيسي للعنصر (الكربون، النيتروجين، الأكسجين، الماء)؛
الدورات الرسوبية التي تكون عناصرها في الحالة الصلبة جزءًا من الصخور الرسوبية (الفوسفور والكبريت وغيرها).
إن تبادل العناصر الغذائية بين الكائنات الحية والبيئة غير العضوية يكون متوازناً في معظم المجتمعات.
ونتيجة لذلك، فإن كمية الكتلة الحيوية للمادة الحية في المحيط الحيوي للأرض تميل إلى أن تكون ثابتة إلى حد ما. الكتلة الحيوية للمحيط الحيوي (2·10 12 جم) أقل بسبعة مرات من كتلة القشرة الأرضية (2·10 19 طن). تنتج نباتات الأرض سنويا مادة عضوية تعادل 1.61011 طن، أو 8% من الكتلة الحيوية للمحيط الحيوي. تقوم الكائنات المدمرة، التي تشكل أقل من 1% من إجمالي الكتلة الحيوية للكائنات الحية على الكوكب، بمعالجة كتلة من المواد العضوية أكبر بعشر مرات من الكتلة الحيوية الخاصة بها. في المتوسط، تبلغ فترة تجديد الكتلة الحيوية 12.5 سنة.
إن وجود الدورات الحيوية يخلق الفرصة للتنظيم الذاتي (التوازن) للنظام، مما يمنح استقرار النظام البيئي - ثبات النسبة المئوية لمحتوى العناصر المختلفة. وبالتالي، ينطبق المبدأ الأساسي لعمل النظم البيئية: الحصول على الموارد والتخلص من النفايات يحدث ضمن دورة جميع العناصر.
دعونا نفكر بمزيد من التفصيل في دورات العناصر الغذائية الرئيسية. لنبدأ بدورة المياه، لأنها تلعب دورًا حاسمًا في حركة الأكسجين والهيدروجين في النظم البيئية. تفقد الكائنات الحية الماء بسرعة من خلال التبخر والإفراز خلال حياة الفرد، ويمكن أن يتجدد الماء الموجود في الجسم مئات وآلاف المرات.
دورة المياه
دورة المياه- أحد المكونات الرئيسية للدورة اللاأحيائية للمواد، يشمل انتقال الماء من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية والصلبة والعودة (الشكل 9). تحتوي على جميع الميزات الرئيسية للدورات الأخرى - كما أنها متوازنة تقريبًا على نطاق الكرة الأرضية بأكملها ومدفوعة بالطاقة. تعد دورة المياه أهم دورة على وجه الأرض من حيث نقل الكتلة واستهلاك الطاقة. في كل ثانية، يتم استخدام 16.5 مليون متر مكعب من المياه ويتم إنفاق أكثر من 40 مليار ميجاوات من الطاقة الشمسية عليها.
أرز. 9. دورة الماء في الطبيعة
العمليات الرئيسية التي تضمن دورة المياه هي: التسلل والتبخر والجريان السطحي:
1. التسرب - التبخر - النتح: تمتص التربة الماء، وتحتفظ به كمياه شعرية، ثم تعود إلى الغلاف الجوي، فتتبخر من سطح الأرض، أو تمتصها النباتات وتطلقها كبخار أثناء النتح؛
2. التدفق السطحي والجوفي: يصبح الماء جزءاً من المياه السطحية. حركة المياه الجوفية: تدخل المياه وتتحرك عبر الأرض لتغذي الآبار والينابيع، قبل أن تعود إلى نظام المياه السطحية.
وهكذا يمكن تمثيل دورة المياه على شكل مسارين للطاقة: المسار العلوي (التبخر) مدفوع بالطاقة الشمسية، المسار السفلي (الهطول) يعطي الطاقة للبحيرات والأنهار والأراضي الرطبة وغيرها من النظم البيئية وبشكل مباشر للإنسان، على سبيل المثال، في محطات الطاقة الكهرومائية. للأنشطة البشرية تأثير كبير على دورة المياه العالمية، والتي يمكن أن تغير الطقس والمناخ. ونتيجة لتغطية سطح الأرض بمواد مقاومة للماء، وبناء أنظمة الري، وضغط الأراضي الصالحة للزراعة، وتدمير الغابات، وما إلى ذلك، يزداد تدفق المياه إلى المحيط وينخفض تجديد المياه الجوفية. وفي العديد من المناطق الجافة، يضخ البشر هذه الخزانات بشكل أسرع من ملئها.
وفي روسيا، تم استكشاف 3367 مستودعاً للمياه الجوفية لتوفير المياه وري الأراضي. ويبلغ الاحتياطي القابل للاستغلال من الرواسب المستكشفة 28.5 كم3/سنة. ولا تزيد درجة تطور هذه الاحتياطيات في الاتحاد الروسي عن 33%، وهناك 1610 ودائع قيد التشغيل.
تكمن خصوصية الدورة في أن كمية المياه التي تتبخر من المحيط (حوالي 3.8 × 10 14 طنًا تقريبًا) أكبر مما تعود مع هطول الأمطار (حوالي 3.4 × 10 14 طنًا). على الأرض، على العكس من ذلك، يسقط المزيد من الأمطار (حوالي 1.0 · 10 · 14 طن) أكثر من التبخر (في المجموع حوالي 0.6 · 10 14 طن). ولأن كمية المياه التي تتبخر من المحيط أكبر من تلك التي يتم إرجاعها، فإن الكثير من الرواسب التي تستخدمها النظم البيئية الأرضية، بما في ذلك النظم البيئية الزراعية التي تنتج الغذاء البشري، تتكون من المياه المتبخرة من البحر. تتدفق المياه الزائدة من الأرض إلى البحيرات والأنهار، ومن هناك تعود إلى المحيط. وبحسب التقديرات الموجودة فإن المسطحات المائية العذبة (البحيرات والأنهار) تحتوي على 0.25 10 14 طن من الماء، ويبلغ التدفق السنوي 0.2 10 14 طن. وبالتالي، فإن وقت دوران المياه العذبة هو ما يقرب من سنة واحدة. الفرق بين كمية هطول الأمطار التي تسقط على الأرض سنويًا (1.0 · 10 · 14 طن) والجريان السطحي (0.2 · 10 · 14 طن) هو 0.8 · 10 · 14 طن، والذي يتبخر ويدخل إلى طبقات المياه الجوفية تحت الأرض. يعمل الجريان السطحي على تجديد خزانات المياه الجوفية جزئيًا ويتم تجديده بنفسه منها.
يعد هطول الأمطار في الغلاف الجوي هو الرابط الرئيسي في دوران الرطوبة ويحدد إلى حد كبير النظام الهيدرولوجي للنظم الإيكولوجية البرية. توزيعها في جميع أنحاء الإقليم، وخاصة في الجبال، غير متساو، وهو ما يرجع إلى خصائص العمليات الجوية والسطح الأساسي. على سبيل المثال، بالنسبة لغابات التندرا المفتوحة في مقاطعة بوتورانا التي تنمو فيها الغابات في وسط سيبيريا، فإن كمية هطول الأمطار السنوية هي
617 ملم، بالنسبة لغابات التايغا الشمالية في منطقة غابات تونغوسكا السفلى - 548، وبالنسبة لغابات التايغا الجنوبية في منطقة أنجارا، تنخفض إلى 465 ملم (الجدول 2).
التبخر لديه واحدة من الأماكن الرائدة. مع ظهور الحياة على الأرض، أصبحت دورة المياه معقدة نسبيا، حيث أن الظاهرة الفيزيائية المتمثلة في تحول الماء إلى بخار استكملت بعملية التبخر البيولوجي المرتبطة بحياة النباتات والحيوانات - النتح. إلى جانب هطول الأمطار والجريان السطحي، يعد التبخر، الذي يشمل تبخر هطول الأمطار المعترض، ونتح الرطوبة بواسطة النباتات والتبخر تحت المظلة، بند الإنفاق الرئيسي لتوازن المياه، وخاصة في النظم الإيكولوجية للغابات. على سبيل المثال،
ففي الغابات الاستوائية المطيرة تصل كمية المياه التي تتبخرها النباتات إلى 7000 م3/كم2 سنوياً، بينما في السافانا على نفس خط العرض والارتفاع من نفس المنطقة لا تتجاوز 3000 م3/كم2 سنوياً.
ويلعب الغطاء النباتي بشكل عام دوراً كبيراً في تبخر الماء، وبالتالي التأثير على مناخ المناطق. ويعتمد معدل التبخر والنتح على التوازن الإشعاعي وإنتاجية الغطاء النباتي المختلفة. كما يتبين من الجدول. في الشكل 2، مع زيادة الكتلة النباتية الموجودة فوق سطح الأرض بسبب زيادة تبخر الرواسب المعترضة واستهلاك رطوبة النتح، يزداد إجمالي التبخر.
الجدول 2
التبخر في النظم البيئية للغابات في خط الطول ينيسي
* - فيدروفا وآخرون (من كتاب النظم البيئية للغابات في ينيسي ميريديان، 2002)؛
**, *** – بورينينا وآخرون (المرجع نفسه).
بالإضافة إلى ذلك، يؤدي الغطاء النباتي المرتفع وظيفة حماية المياه وتنظيم المياه، وهو أمر مهم جدًا للنظم الإيكولوجية الأرضية: فهو يخفف من الفيضانات، ويحتفظ بالرطوبة في التربة ويمنعها من الجفاف والتآكل. على سبيل المثال، عند حدوث إزالة الغابات، في بعض الحالات يزداد احتمال حدوث فيضانات وإغراق الأراضي، وفي حالات أخرى، يمكن أن يؤدي توقف عملية النتح إلى "تجفيف" المناخ. وتؤثر إزالة الغابات سلبًا على المياه الجوفية، مما يقلل من قدرة المنطقة على الاحتفاظ بهطول الأمطار. وفي بعض الأماكن، تساعد الغابات على تجديد طبقات المياه الجوفية، على الرغم من أن الغابات تستنزفها بالفعل في معظم الحالات.
الجدول 3
نسبة المياه العذبة والمالحة على الأرض
ويقدر إجمالي احتياطي المياه على الأرض بحوالي 1.5 إلى 2.5 مليار كيلومتر مكعب. وتشكل المياه المالحة حوالي 97% من حجم الكتلة المائية في المحيط العالمي؛ وتشكل 96.5% منها (الجدول 3). ويبلغ حجم المياه العذبة، حسب تقديرات مختلفة، 35-37 مليون كيلومتر مكعب، أو 2.5-2.7% من إجمالي احتياطيات المياه على الأرض. وتتركز معظم المياه العذبة (68-70%) في الأنهار الجليدية والغطاء الثلجي (وفقًا لرايمرز، 1990).
تدخل المواد إلى الكائنات الحية من التربة والهواء والماء. يتبخر الماء من المحيطات ويصعد إلى طبقات الجو مكونا الأمطار. تستخدم النباتات الخضراء الماء الذي يدخل التربة. مع الحفاظ على وظائفها الحيوية، فإنها تطلق في الوقت نفسه الأكسجين الضروري للحياة. في الوقت نفسه، دون التعرض للأكسجين، لا يمكن أن تحدث عمليات التحلل وتعفن النباتات. ما اسم هذه الحلقة المفرغة التي تجعل الحياة ممكنة على الأرض، وما هي مميزاتها؟
المفهوم الرئيسي للبيئة
الدورة البيولوجية هي تداول العناصر الكيميائية التي نشأت في وقت واحد مع أصل الحياة على كوكبنا، والتي تحدث بمشاركة الكائنات الحية.
الأنماط المتأصلة في دورة المواد تحل المشاكل الرئيسية للحفاظ على الحياة على الأرض. بعد كل شيء، فإن احتياطيات العناصر الغذائية على سطح الأرض بأكمله ليست غير محدودة، على الرغم من أنها ضخمة. إذا تم استهلاك هذه الاحتياطيات من قبل الكائنات الحية فقط، فيجب أن تنتهي الحياة في لحظة ما. كتب العالم ر. ويليامز: «إن الطريقة الوحيدة التي تسمح لكمية محدودة بأن تمتلك خاصية اللانهاية هي جعلها تدور على طول مسار خط منحني مغلق». لقد قررت الحياة نفسها استخدام هذه الطريقة على الأرض. يتم إنشاء المواد العضوية بواسطة النباتات الخضراء، في حين يتم تقسيم المواد غير الخضراء.
في الدورة البيولوجية، يأخذ كل نوع من الكائنات الحية مكانه. المفارقة الرئيسية للحياة هي أنه يتم الحفاظ عليها من خلال عمليات التدمير والتحلل المستمر. يتم تدمير المركبات العضوية المعقدة عاجلاً أم آجلاً. ويصاحب هذه العملية إطلاق الطاقة وفقدان المعلومات المميزة للكائن الحي. تلعب الكائنات الحية الدقيقة دورًا كبيرًا في الدورة البيولوجية للمواد وتطور الحياة - وبمشاركتها يتم تضمين أي شكل من أشكال الحياة في الدورة الحيوية.
روابط السلسلة الحيوية
تتمتع الكائنات الحية الدقيقة بخاصيتين تسمحان لها باحتلال مثل هذا المكان المهم في دائرة الحياة. أولا، يمكنهم التكيف بسرعة كبيرة مع الظروف البيئية المتغيرة. ثانيا، يمكنهم استخدام مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك الكربون، لتجديد احتياطيات الطاقة. ولا يمتلك أي من الكائنات العليا مثل هذه الخصائص. إنها موجودة فقط كبنية فوقية فوق الأساس الأساسي لمملكة الكائنات الحية الدقيقة.
الأفراد والأنواع من مختلف الطبقات البيولوجية هم روابط في دورة المواد. كما أنها تتفاعل مع بعضها البعض باستخدام أنواع مختلفة من الاتصالات. تتضمن دورة المواد على المستوى الكوكبي دورات بيولوجية خاصة في الطبيعة. ويتم تنفيذها بشكل رئيسي من خلال السلاسل الغذائية.
سكان خطير من غبار المنزل
تلعب النباتات الرخوة، "المقيمة" الدائمة في غبار المنزل، دورًا مهمًا أيضًا في الدورة البيولوجية. تتغذى على مجموعة متنوعة من المواد التي تشكل جزءًا من غبار المنزل. في الوقت نفسه، تنتج الخلايا الرمامية برازًا سامًا إلى حد ما، مما يثير الحساسية.
من هي هذه المخلوقات التي لا ترى بالعين البشرية؟ تنتمي النباتات الرخوة إلى عائلة العنكبوتيات. يرافقون الشخص طوال حياته. بعد كل شيء، يتغذى عث الغبار على غبار المنزل، والذي يشمل أيضًا جلد الإنسان. يعتقد العلماء أن النباتات الرمية كانت ذات يوم من سكان أعشاش الطيور، ثم "انتقلت" إلى منازل البشر.
عث الغبار، الذي يلعب دورًا كبيرًا في الدوران البيولوجي، له أحجام صغيرة جدًا - من 0.1 إلى 0.5 ملم. لكنها نشطة للغاية لدرجة أنه في غضون 4 أشهر فقط يمكن لعث الغبار أن يضع حوالي 300 بيضة. غرام واحد من غبار المنزل يمكن أن يحتوي على عدة آلاف من العث. من المستحيل تخيل عدد عث الغبار الذي يمكن أن يوجد في المنزل، لأنه يعتقد أن ما يصل إلى 40 كجم من الغبار يمكن أن يتراكم في منزل الإنسان في عام واحد.
دورة في الغابة
في الغابة تكون الدورة البيولوجية أقوى بسبب تغلغل جذور الأشجار في أعماق التربة. عادةً ما يُعتبر الرابط الأول في هذا الدوران هو ما يسمى برابط الجذور. منطقة الجذور هي طبقة رقيقة من التربة (3 إلى 5 ملم) تحيط بالشجرة. عادة ما تكون التربة المحيطة بجذور الشجرة (أو "تربة الغلاف الجوي") غنية جدًا بإفرازات الجذور والكائنات الحية الدقيقة المختلفة. رابط الجذور هو نوع من البوابة بين الطبيعة الحية وغير الحية.
رابط الاستهلاك موجود في الجذور التي تمتص المعادن من التربة. يتم غسل بعض المواد مرة أخرى إلى التربة عن طريق هطول الأمطار، ولكن يتم إرجاع معظم العناصر الغذائية خلال عمليتين - القمامة والتحلل.
دور القمامة والنفايات
للقمامة والقمامة معاني مختلفة في الدورة البيولوجية للمواد. تشمل القمامة مخاريط الأشجار والفروع والأوراق وحطام العشب. لا يقوم الباحثون بإدراج الأشجار في القمامة - فهي مصنفة على أنها قمامة. قد يستغرق التحلل عقودًا حتى يتحلل. في بعض الأحيان يمكن أن تكون القمامة بمثابة مادة غذائية لأنواع الأشجار الأخرى - ولكن فقط بعد الوصول إلى مرحلة معينة من التحلل. تحتوي النفايات على العديد من المواد التي تنتمي إلى فئة الرماد. تدخل التربة ببطء وتستخدمها النباتات لمزيد من النشاط الحياتي.
على ماذا تعتمد القمامة؟
للقمامة معنى مختلف قليلاً في الدورة البيولوجية. في غضون عام، يمر حجمه بالكامل إلى طبقة القمامة ويخضع للتحلل الكامل. تدخل عناصر الرماد إلى الدورة الحيوية بشكل أسرع بكثير. ومع ذلك، في الواقع، تعتبر القمامة جزءًا من الدوران البيولوجي بالفعل عندما تكون الأوراق على الشجرة. ويعتمد معدل المخلفات على عوامل عديدة: المناخ، والطقس في العام الحالي والسابق، وعدد الحشرات. في غابات التندرا يصل إلى عدة مراكز، في الغابات يقاس بالطن. أكبر كمية من القمامة في الغابات تحدث في الربيع والخريف. ويختلف هذا الرقم أيضًا حسب السنة.
أما التركيب العضوي للإبر والأوراق، فإنها تخضع لنفس التغيرات خلال الدورة. على عكس القمامة، عادة ما تكون الأوراق الخضراء غنية بالفوسفور والبوتاسيوم والنيتروجين. القمامة، كقاعدة عامة، غنية بالكالسيوم. للحشرات والحيوانات تأثير كبير على الدورة البيولوجية. على سبيل المثال، يمكن للحشرات التي تأكل أوراق الشجر أن تسرع الأمر بشكل كبير. ومع ذلك، فإن التأثير الأكبر على معدل الدوران هو الذي تمارسه الحيوانات أثناء تحلل القمامة. تأكل اليرقات والديدان وتسحق الفضلات وتخلطها مع الطبقات العليا من التربة.
التمثيل الضوئي في الطبيعة
يمكن للنباتات استخدام ضوء الشمس لتجديد احتياطيات الطاقة. يفعلون ذلك على مرحلتين. في المرحلة الأولى، يتم التقاط الضوء عن طريق الأوراق؛ وفي الحالة الثانية، تُستخدم الطاقة في عملية احتجاز الكربون وتكوين المواد العضوية. يسمي علماء الأحياء النباتات الخضراء ذاتية التغذية. إنهم أساس الحياة على الكوكب بأكمله. تعتبر الكائنات ذاتية التغذية ذات أهمية كبيرة في عملية التمثيل الضوئي والدورة البيولوجية. يقومون بتحويل الطاقة من ضوء الشمس إلى طاقة مخزنة من خلال تكوين الكربوهيدرات. وأهمها سكر الجلوكوز. وتسمى هذه العملية التمثيل الضوئي. يمكن للكائنات الحية من الفئات الأخرى الحصول على الطاقة الشمسية عن طريق تناول النباتات. وهكذا تظهر سلسلة غذائية تضمن تداول المواد.
أنماط عملية التمثيل الضوئي
على الرغم من أهمية عملية التمثيل الضوئي، إلا أنها ظلت غير مستكشفة لفترة طويلة. فقط في بداية القرن العشرين، أجرى العالم الإنجليزي فريدريك بلاكمان العديد من التجارب التي كان من الممكن من خلالها إنشاء هذه العملية. وكشف العالم أيضًا عن بعض أنماط عملية التمثيل الضوئي: وتبين أنها تبدأ في الإضاءة المنخفضة، وتزداد تدريجيًا مع تدفقات الضوء. ومع ذلك، يحدث هذا فقط عند مستوى معين، وبعد ذلك لا يؤدي الضوء المتزايد إلى تسريع عملية التمثيل الضوئي. كما وجد بلاكمان أن زيادة درجة الحرارة تدريجيًا مع زيادة الضوء يعزز عملية التمثيل الضوئي. زيادة درجة الحرارة في الإضاءة المنخفضة لا تؤدي إلى تسريع هذه العملية، وكذلك زيادة الضوء في درجة الحرارة المنخفضة.
عملية تحويل الضوء إلى كربوهيدرات
تبدأ عملية التمثيل الضوئي بعملية اصطدام الفوتونات الصادرة من ضوء الشمس بجزيئات الكلوروفيل الموجودة في أوراق النباتات. وهو الكلوروفيل الذي يعطي النباتات لونها الأخضر. يتم التقاط الطاقة على مرحلتين، يسميهما علماء الأحياء النظام الضوئي الأول والنظام الضوئي الثاني. ومن المثير للاهتمام أن أعداد هذه الأنظمة الضوئية تعكس الترتيب الذي اكتشفها العلماء به. وهذه إحدى الشذوذات في العلم، حيث أن التفاعلات تحدث أولاً في النظام الضوئي الثاني، وعندها فقط في النظام الأول.
يصطدم فوتون من ضوء الشمس بـ 200-400 جزيء من الكلوروفيل الموجود في الورقة. في هذه الحالة، تزداد الطاقة بشكل حاد ويتم نقلها إلى جزيء الكلوروفيل. هذه العملية مصحوبة بتفاعل كيميائي: يفقد جزيء الكلوروفيل إلكترونين (يتم قبولهما بدورهما من قبل ما يسمى "مستقبل الإلكترون"، وهو جزيء آخر). وأيضاً عندما يصطدم الفوتون بالكلوروفيل يتكون الماء. تسمى الدورة التي يتحول فيها ضوء الشمس إلى كربوهيدرات بدورة كالفين. لا يمكن التقليل من أهمية عملية التمثيل الضوئي والدورة البيولوجية للمواد - فبفضل هذه العمليات يتوفر الأكسجين على الأرض. الموارد المعدنية التي يحصل عليها الإنسان - الخث والزيت - هي أيضًا حاملات للطاقة المخزنة أثناء عملية التمثيل الضوئي.
منذ بداية وجود كوكبنا، تحدث باستمرار عمليات مختلفة لنقل الطاقة بين الكائنات الحية والبيئة. إنه يتحول، ويتحول إلى أشكال أخرى، ويرتبط ويتبدد مرة أخرى. ويمكن قول الشيء نفسه عن أي مادة تشكل أساس الحياة. يمر كل واحد منهم بالعديد من الحالات، ويخضع لتغييرات متعددة ويعود في النهاية.
تعطي هذه العمليات فكرة عن ماهية دورة المواد في الطبيعة. إنها تسمح لك بتتبع حركة ليس فقط الاتصالات، ولكن أيضًا العناصر الفردية. دعونا نحاول فهم هذه المشكلة بمزيد من التفصيل.
المفهوم العام لدورة المواد
ما هي دورة المواد؟ وهي انتقالات دورية من شكل إلى آخر، مصحوبة بفقدان جزئي أو تشتت، ولكنها ذات طبيعة دائمة ومستقرة. أي أن أي مادة أو عنصر يمر بسلسلة من التحولات على مراحل، يتحول ويتغير، لكنه في النهاية يعود إلى شكله الأصلي.
وبطبيعة الحال، مع مرور الوقت قد يكون هناك خسائر جزئية في كمية المركب أو العنصر المعني. ومع ذلك، فإن النمط العام ثابت وقد تم الحفاظ عليه لآلاف السنين.
ما هي دورة المواد التي يمكن رؤيتها باستخدام مثال. أبسطها هو تحويل المواد العضوية. في البداية، تتكون جميع الكائنات الحية متعددة الخلايا منها. وبعد استكمال دورة حياتها، تتحلل أجسامها بواسطة كائنات حية خاصة وتتحول المركبات العضوية إلى مركبات غير عضوية. ثم تمتص الكائنات الأخرى هذه المركبات وتستعيد شكلها العضوي داخل أجسامها. ثم تتكرر العملية وتستمر بشكل دوري طوال الوقت.
يوضح الرسم البياني لدورة المواد في الطبيعة أن لا شيء ينشأ من أي مكان ويختفي في العدم. كل شيء له بداية ونهاية وأشكال انتقالية. هذه هي القواعد الأساسية للحياة. يتم التحكم في الطاقة من قبلهم. دعونا نفكر في أمثلة للتحولات التي تحدث في النظم البيئية والكائنات الحية. سوف نفهم أيضًا ما هي دورة المواد التي تعتمد على عنصر واحد محدد.
المادة الحية في الطبيعة
المادة الأكثر أهمية في المحيط الحيوي هي الحياة. ما هو؟ هذا هو كل ممثل للحياة البرية. معا يشكلون الكتلة الحيوية. يخضع بشكل طبيعي للتغيرات ويشارك في جميع العمليات التي تحدث في البيئة.
يمكن توضيح دوران المادة الحية من خلال المثال التالي.
- الكائنات الأولى التي تلتقط طاقة ضوء الشمس مباشرة وتحولها إلى طاقة الروابط الكيميائية هي النباتات والبكتيريا الخضراء المزرقة. يحدث هذا بسبب صبغة الكلوروفيل أثناء عملية التمثيل الضوئي. والنتيجة هي تخليق المواد العضوية من المكونات غير العضوية. هكذا تشكلت الحلقة الأولى بين المادة الحية في المحيط الحيوي.
- وتأتي بعد ذلك الحيوانات القادرة على التغذية مباشرة بالنباتات. وكذلك الحيوانات آكلة اللحوم، والتي تشمل البشر. إنهم يستهلكون الرابط الأول ويحولون المادة العضوية الموجودة بداخلهم إلى شكل آخر - غير عضوي.
- تخضع المخلوقات العاشبة للأكل من قبل الحيوانات آكلة اللحوم. هذه هي الطريقة التي تنتقل بها المواد إلى الكائنات الحية الأخرى.
- بعد ذلك تأتي تلك الكائنات الحية القادرة على التغذية بأشكال آكلة اللحوم. أعلى الحيوانات المفترسة. هم الرابط الأخير في تداول المواد العضوية. بعد أن تموت، تدخل الكائنات الحية التالية حيز التنفيذ.
- المخلفات هي الكائنات الحية الدقيقة والفطريات والأوالي التي تحلل بقايا الكائنات الحية الميتة وتحول جميع المواد إلى شكل غير عضوي.
- يتم استخدام هذه المركبات (ثاني أكسيد الكربون، الماء، الأملاح المعدنية) مرة أخرى من قبل النباتات في عملية تكوين المركبات العضوية.
وبالتالي، فإن الرسم البياني المعطى لدورة المواد في الطبيعة يعكس تحولات العنصر الحي في المحيط الحيوي. كل شيء يبدأ بالنباتات وينتهي بها. عملية دورية كاملة تحتوي على الكثير من الفروع والضفائر المعقدة.
دورة المواد في النظام البيئي
أي نظام بيئي هو مجتمع كامل من الكائنات الحية المختلفة، التي توحدها علاقات غذائية معقدة، وتتأثر أيضًا بظروف بيئية مماثلة.
يخضع تداول المواد في النظام البيئي لقوانين بيئية معينة. وبالتالي، فإن التبعية الصارمة على طول السلسلة الغذائية إلزامية. تبادل الطاقة والمواد وتداول العديد من العناصر - كل هذا يحدث بين الأفراد ضمن مجموعة بيئية معينة.
علاوة على ذلك، يتم تقسيمهم جميعًا إلى عدة مجموعات:
- المنتجين.
- المستهلكين من الدرجة الأولى؛
- مستهلكو الدرجة الثانية؛
- مستهلكو الدرجة الثالثة؛
- الكائنات النهمة.
- المحللات أو المخلفات.
قد تبدو دورة المواد كما يلي:
- ينتج النبات (المنتج) مادة عضوية؛
- (المستهلك من الدرجة الأولى) يحولها إلى مواد غير عضوية وغيرها من المواد العضوية؛
- يتحول آكل اللحوم (المستهلك من الدرجة الثانية) إلى مادة عضوية أخرى؛
- يقوم المفترس الرئيسي (المستهلك من الدرجة الثالثة) مرة أخرى بتبديده جزئيًا على شكل حرارة، ويركزه جزئيًا على شكل مواد عضوية داخلية؛
- تقوم الكائنات الحية الدقيقة، مثل البكتيريا والفطريات وغيرها (المحللات أو المخلفات)، بتحليل بقايا الحيوانات الميتة وتكوين كتلة من المركبات غير العضوية؛
- تمتص النباتات المواد غير العضوية وتنتج مرة أخرى عددًا من المركبات العضوية المهمة في عملية التمثيل الضوئي، أي أنها تنتجها.
مواد النظام البيئي
من الواضح أنه يوجد في نظام بيئي واحد نوعان رئيسيان من المادة في تفاعل وثيق: العضوية وغير العضوية. من المواد العضوية فهو:
- البروتينات.
- الدهون.
- الكربوهيدرات.
المركبات غير العضوية هي كما يلي:
- ماء؛
- ثاني أكسيد الكربون؛
- املاح معدنية؛
- عدد من المغذيات الكبيرة الهامة.
الشرط المهم للغاية للتشغيل الطبيعي لأي نظام بيئي هو التدفق المستمر للطاقة الشمسية. بعد كل شيء، لا يمكن للنباتات القيام بعملية التمثيل الضوئي إلا في ظل هذه الحالة. بالإضافة إلى ذلك، تتبدد الطاقة الموجودة في الروابط الكيميائية للمركبات على شكل حرارة بكميات كبيرة إلى حد ما. لذلك، لا يمكن للمواد أن تنتقل في حالة غير متغيرة دون خسارة.
مخطط دورة المواد في المرج
المرج هو شيء خاص، ففي النهاية، لديه بعض الاختلافات عن الآخرين، على سبيل المثال من الغابة. ما هي هذه الاختلافات؟
- يهيمن على المرج فقط النباتات العشبية التي تتكون من أعشاب منخفضة معمرة وسنوية. ومع ذلك، فهي تختلف عن بعضها البعض. تلك التي تحب الضوء أكثر تكون طويلة، في حين أن تلك التي يمكنها العيش في الظل قصيرة القامة.
- لا يوجد ممثلون كبيرون لعالم الحيوان داخل هذا المجتمع. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنهم ببساطة لن يكون لديهم مكان للاختباء، لأنه لا توجد أشجار.
- بشكل دوري، أثناء هطول الأمطار الغزيرة، تغمر المياه منطقة المرج بأكملها. ومن هنا اسمهم الآخر - جيلي أو سائب. لا يمكن لجميع الكائنات الحية أن توجد في مثل هذه الظروف.
إذا تحدثنا عن أوجه التشابه بين مجتمعات المروج والغابات، على سبيل المثال، فيجب تسليط الضوء على الميزة الرئيسية: كلا المنطقتين يسكنهما ممثلو النباتات والحشرات والقوارض والطيور والزواحف والبرمائيات والثدييات.
يمكن أن تبدو دورة المواد في المرج كما يلي:
- المعادن والمياه التي يستهلكها النبات مباشرة من الأرض؛
- الحشرات التي تقوم بتلقيح الأزهار وتسمح لها بالتكاثر وهي تتغذى على الرحيق، أي المادة العضوية التي ينتجها النبات؛
- الطيور والثدييات التي تأكل الحشرات والنباتات، أي تستهلك المواد العضوية؛
- الكائنات الحية الدقيقة التي تحلل بقايا النباتات والحيوانات الميتة وتطلق مواد غير عضوية (الأملاح المعدنية والماء وثاني أكسيد الكربون).
مثال على دوامة مرج
جميع الروابط المشار إليها في المثال مهمة. يعد تداول المواد في المرج شرطًا ضروريًا لوجود هذا المجتمع. لا يمكن إثراء التربة بالمواد والعناصر المفيدة إلا بفضل نشاط سكانها - الكائنات الحية الدقيقة المتحللة والديدان وقمل الخشب وغيرها من الكائنات. بدون هذا الشرط، ستفتقر النباتات إلى المواد غير العضوية اللازمة لعملية التمثيل الضوئي والنمو، مما يعني أن المواد العضوية التي تنتجها ستكون أيضًا قليلة. مثل النشا والسليلوز والبروتين وغيرها. وسيؤدي ذلك إلى انخفاض أعداد الحيوانات والطيور، وبالتالي المواد العضوية بشكل عام. ونتيجة لذلك، سوف تعاني أيضا المخلفات، وسوف تتعطل الدورة.
يمكن توضيح تداول المواد في المرج بمثال أكثر تحديدًا. دعونا نحاول إنشاء مثل هذا المخطط.
- يستهلك البابونج الأملاح المعدنية، والماء، وثاني أكسيد الكربون، والأكسجين.
- وتقوم نحلة العسل بتلقيح النبات المعين وتأكل حبوب لقاحه أي الكربوهيدرات والبروتينات.
- ينقر آكل النحل وصقر العسل نحلة العسل ويستهلكان المواد العضوية الموجودة في جسمها (الكيتين والبروتين والكربوهيدرات).
- تأكل فأر المرج والقوارض الصغيرة الأخرى والأنواع الأكبر حجمًا المواد العضوية للنباتات والحشرات.
- العوسق (طائر) يأكل القوارض ويستهلك
- بعد الموت، تسقط جميع الحيوانات والحشرات على الأرض، حيث يتحلل جسمها إلى المركبات المكونة لها بفعل نشاط الكائنات الحية الدقيقة والديدان وقمل الخشب وغيرها من المخلفات.
- ونتيجة لذلك، تتشبع التربة مرة أخرى بالأملاح غير العضوية والماء والمركبات الأخرى التي تمتصها جذور النباتات.
دوائر وشبكات الطاقة
إن تداول المواد والطاقة، كما أصبح واضحا بالفعل، يرتبط ارتباطا وثيقا بمثل هذا المفهوم البيئي كسلسلة أو شبكة غذائية. بعد كل شيء، أي مادة هي مادة، منتج يعمل كمواد بناء لتشكيل الأجزاء الهيكلية من الخلايا والأنسجة والأعضاء.
كل منها يستلزم حتما تحولات دورية للمواد. وأي عمليات تخليق واضمحلال تتطلب إنفاق الطاقة أو إطلاقها. وبالتالي، فهو يشارك أيضًا في دورة واحدة في الطبيعة.
لماذا يوجد مفهوما "الدائرة" و"شبكة الطاقة"؟ الشيء هو أنه داخل مجموعة بيئية واحدة غالبًا ما يكون الأمر أكثر تعقيدًا من مجرد سلسلة عادية عادية. بعد كل شيء، يمكن أن يكون نفس ممثل عالم الحيوان من الحيوانات العاشبة والمفترسة. هناك كائنات آكلة اللحوم. بالإضافة إلى ذلك، بالنسبة للكثيرين، يتم إنشاء بيئة تنافسية للإنتاج والغذاء، والتي تترك أيضا بصماتها على الخطة العامة للعلاقات داخل التكاثر الحيوي.
في هذه الحالات، تتشابك الدوائر بشكل وثيق مع بعضها البعض ويتم تشكيل ما يسمى بشبكات الطاقة. وهذا ملحوظ بشكل خاص في الأماكن المأهولة بالسكان: الغابات ومجتمعات البحيرات والغابات الاستوائية وغيرها.
يمكن تقسيم جميع دوائر الطاقة إلى نوعين:
- الرعي، أو الرعي؛
- التحلل، أو المخلفات.
والفرق الرئيسي بينهما هو أنه في الحالة الأولى، يبدأ كل شيء بكائن حي - نبات. في الثانية - من بقايا الموتى والبراز والرواسب الأخرى التي تتم معالجتها بواسطة الكائنات الحية الدقيقة والديدان وما إلى ذلك.
تغيرات الطاقة
تخضع الطاقة، مثل المواد، لعدد من التغييرات أثناء العمليات في النظم البيئية. وينقسم كل ذلك إلى نوعين رئيسيين:
- ضوء الشمس؛
- الروابط الكيميائية.
أثناء بناء السلسلة الغذائية، تنتقل الطاقة من شكل إلى آخر. في هذه الحالة، تحدث خسائر جزئية. بعد كل شيء، يتم إنفاقه على العمليات الحيوية لكل مخلوق، تبدد في شكل حرارة. ولهذا السبب من المهم أن تعمل الطاقة الشمسية كمصدر أساسي على تجديد إمدادات أي مجتمع باستمرار.
مباشرة على شكل ضوء من الشمس، لا يمكن استهلاكه إلا من قبل الكائنات الحية مثل:
- النباتات.
- بكتيريا؛
- الكائنات وحيدة الخلية التي تقوم بالتمثيل الضوئي.
وبعدهم، تذهب كل الطاقة إلى الشكل التالي - الروابط الكيميائية للمركبات. في هذا النموذج، يتم استهلاكه من قبل ممثلي المحيط الحيوي غير المتجانسين.
دورة المياه
لقد سبق أن أشرنا إلى أن أهم عملية حياتية وتاريخية هي دورة المواد في الطبيعة. الماء هو ذلك المركب غير العضوي الذي تعتبر أهميته ذات أهمية خاصة وواسعة النطاق. لذلك، سننظر بشكل عام في كيفية حدوث تداولها.
- تتركز كمية هائلة من الماء على سطح كوكبنا في أنواع مختلفة من الخزانات. هذه هي البحار والمحيطات والمستنقعات والأنهار والبحيرات والجداول والهياكل الاصطناعية. تتبخر الرطوبة باستمرار من سطحها، أي أن الماء على شكل بخار يمر إلى طبقات الغلاف الجوي.
- تحتوي التربة أيضًا، بجزئيها الخارجي والداخلي، على الكثير من الرطوبة. هذه المياه الجوفية أو الجوفية. يدخل البخار إلى الغلاف الجوي من السطح، ويتدفق من الطبقات الداخلية إلى المسطحات المائية، ويتبخر من هناك.
- يتكثف الماء في الغلاف الجوي ويصل تدريجيًا إلى الحد الأقصى ويبدأ في العودة إلى الأرض على شكل هطول. في الشتاء تساقط الثلوج، وفي الصيف تمطر.
- تقوم النباتات بدور فعال في امتصاص الماء ونتحه، حيث أنها تحمل كمية كبيرة منه عبر نفسها.
وبالتالي، فإن دورة المياه ودورة المواد في الطبيعة تضمن الحالة الطبيعية لأي نظام بيئي، وبالتالي للكائنات الحية.
دراسة دورة المواد في المدرسة الابتدائية
لكي يكون لدى الأطفال فكرة عن التغيرات الدورية التي تحدث في الطبيعة، ينبغي إخبارهم بذلك منذ المراحل الأولى من التعليم. يجب أن يكون لدى الأطفال معرفة ما هي دورة المواد. الصف الثالث هو الوقت المناسب لذلك. خلال هذه الفترة، يكون الأطفال كبارًا بما يكفي لفهم واستيعاب المعلومات من هذا النوع بشكل كامل.
تقدم العديد من البرامج التعليمية حول العالم مخططًا جيدًا "دورة المواد للصف الثالث". إنه يعكس الأنواع الرئيسية لتحولات المياه والمواد التي تميز كل نظام بيئي.
قد يبدو الرسم التقريبي لدورة المواد لأطفال المدارس الابتدائية كما يلي: الماء في النباتات - المادة العضوية في الحيوانات - الماء والأملاح المعدنية بعد موت النباتات والحيوانات.
وينبغي شرح كل مرحلة بالأمثلة والأوصاف التفصيلية لتكوين فكرة واضحة عن العمليات الطبيعية التي تحدث.
1) وفقًا لقاعدة الهرم البيئي، تتناقص الكتلة الحيوية لكل مستوى غذائي لاحق
حوالي 10 مرات؛
2) لذلك، لإطعام بومة النسر، تحتاج إلى 35 كجم من الكتلة الحيوية للنمس (إذا كانت كتلة النمس الواحد حوالي 0.5 كجم، فهذا -
هناك حاجة إلى 70 قوارض و350 كجم من الكتلة الحيوية لفأر فأر الحقل لتغذية قوارض (إذا كان وزن فأر فأر الحقل حوالي
100 جرام فهذا يعني 35000 فأر) والتي تحتاج إلى 3500 كجم من الحبوب للتغذية.
لماذا المطر الحمضي خطير؟
بادئ ذي بدء، أكاسيد المعادن الثقيلة التي تسقط في التربة مع المطر سامة. تخترق المياه الجوفية المسطحات المائية وتسممها. وهذا بدوره يهدد بموت سكان المسطحات المائية. كما تؤثر المواد السامة على تكوين التربة والأنظمة الجذرية للنباتات، مما يؤدي إلى تثبيط نشاطها الحيوي وموتها.
كيف يختلف هيكل التكاثر الحيوي للغابات المختلطة عن هيكل بستان البتولا؟
1) عدد الأنواع؛
2) عدد المستويات.
3) تكوين الأنواع وتنوع الأنواع.
كيف يختلف النظام البيئي الطبيعي عن النظام البيئي الزراعي؟
1. تنوع بيولوجي أكبر وتنوع الروابط والسلاسل الغذائية.
2. تداول متوازن للمواد.
3. مشاركة الطاقة الشمسية في دورة المواد وطول فترات وجودها.
ما هو الفرق بين التكاثر الحيوي والنظام البيئي؟
يحتوي النظام البيئي على حدود تعسفية (من قطرة ماء بها كائنات حية دقيقة إلى المحيط الحيوي)، في حين يتم تحديد حدود التكاثر الحيوي حسب طبيعة الغطاء النباتي. يُستخدم مفهوم النظام البيئي لوصف أجزاء بسيطة من التكاثر الحيوي (جذع متعفن في الغابة) ولوصف المجمعات الاصطناعية (حوض السمك). التكاثر الحيوي هو تكوين أرضي بحت له حدود واضحة.
النظام البيئي والتكاثر الحيوي مفهومان متشابهان، لكنهما ليسا متطابقين. أي تكاثر حيوي هو نظام بيئي. على سبيل المثال، تعتبر الغابة نظامًا بيئيًا، ولكن عندما نحدد نوع الغابة - غابة التنوب، غابة التوت - فهي عبارة عن تكاثر حيوي.
لماذا تشهد التجمعات السكانية أحيانًا انفجارًا في عدد الأفراد، ثم انخفاضًا حادًا؟
يحدث هذا لعدد من الأسباب. على سبيل المثال، عندما يكون هناك فائض في الغذاء وعدد قليل من الحيوانات المفترسة، يزداد حجم السكان. ونظراً لزيادة عدد الأفراد، تقل كمية الطعام، ويزداد عدد الحيوانات المفترسة + تبحث الكثير من الحيوانات عن موائل جديدة بحثاً عن الطعام، بينما يموت بعض الأفراد. كل ما سبق يؤدي إلى انخفاض عدد الأفراد.
ما هو الرابط الإلزامي في السلسلة الغذائية للمرض الزراعي؟
البشر هم حلقة أساسية في السلسلة الغذائية للتكاثر الزراعي.
يعيش النمل في سيقان بعض النباتات. ماذا يستفيد النبات من النمل وماذا يستفيد النمل من النبات؟
بناءً على قاعدة الهرم البيئي، حدد كمية العوالق اللازمة لنمو دولفين واحد وزنه 300 كجم في البحر، إذا كانت السلسلة الغذائية تبدو مثل: العوالق - الأسماك غير المفترسة - الأسماك المفترسة - الدلفين.
عناصر الاستجابة:
1) وفقًا لقاعدة الهرم البيئي، تنخفض الكتلة الحيوية لكل مستوى غذائي لاحق بحوالي 10 مرات؛
2) لذلك، لإطعام الدلفين تحتاج إلى 3 طن من الأسماك المفترسة، لإطعامه تحتاج إلى 30 طنًا من الأسماك غير المفترسة، والتي تحتاج إلى 300 طن من العوالق لإطعامها.
في أمريكا، تقوم العديد من الطيور ببناء أعشاشها في غابة الصبار الشائكة. ماذا يسمى هذا التفاعل بين الكائنات الحية وما معناه البيولوجي؟
عناصر الاستجابة:
1) هذا التفاعل مفيد للطرفين ويسمى التعايش؛
2) غابة الصبار الشائك تحمي أعشاش الطيور من الحيوانات المفترسة.
3) تقضي الطيور على الحشرات وآفات الصبار وتخصب التربة بفضلاتها.
بناءً على قاعدة الهرم البيئي، حدد عدد الحبوب اللازمة لنمو نسر ذهبي واحد وزنه 7 كجم، إذا كانت السلسلة الغذائية تبدو مثل: الحبوب - الجنادب - الضفادع - الثعابين - النسر الذهبي.
عناصر الاستجابة:
2) وفقًا لقاعدة الهرم البيئي، تتناقص الكتلة الحيوية لكل مستوى غذائي لاحق
حوالي 10 مرات؛
2) لذلك، لإطعام النسر الذهبي تحتاج إلى 70 كجم من الثعابين (إذا كانت كتلة ثعبان واحد 200 جرام، فهذا يعني 350 ثعبان)، لإطعام هذه الثعابين تحتاج إلى 700 كجم من الضفادع (إذا كانت كتلة الضفدع 100 جرام، فهذا يعني 7000 ضفدع)، لإطعام هذه الضفادع تحتاج إلى 7 أطنان من الجنادب، ولإطعام هذه الجنادب تحتاج إلى 70 طنًا من نباتات الحبوب.
يعرف الصيادون أن الأنهار والجداول التي طورها القنادس تحتوي على أسماك أكثر من الخزانات التي لا تحتوي على القنادس. اشرح هذه الحقيقة؟
عناصر الاستجابة:
1) تقوم القنادس ببناء السدود التي تمنع الحيوانات المائية الصغيرة التي تعمل كغذاء من الانجراف باتجاه مجرى النهر
2) المياه الراكدة والضحلة في البرك التي يسدها القنادس تدفئ بشكل جيد مما يساهم في خلق
ظروف تكاثر الأسماك النهرية والتطور المناسب لليرقات.
ما هي آليات عمل العوامل البشرية على التكاثر الحيوي؟
عناصر الاستجابة:
1) التأثير على التكاثر الحيوي نتيجة للتنمية الحضرية والزراعة وإزالة الغابات وما إلى ذلك، مما يؤدي إلى تغييرات في نطاقات الأنواع وتعطيل تركيبتها السكانية؛
2) التلوث البيئي، الذي يمكن أن يمنع النشاط الحيوي للأنواع الفردية ومجتمعاتها، ويسبب موت الكائنات الحية ويحفز عملية الطفرة؛
3) إبادة أنواع معينة (على سبيل المثال، ذات قيمة من وجهة نظر تجارية أو صيد).
يوجد عدد أقل بكثير من النباتات العشبية في غابة التنوب مقارنةً بستان البتولا. وضح هذه الظاهرة .
عناصر الاستجابة:
1) في البستان، يمر الضوء عبر تيجان الأشجار أكثر بكثير مما هو عليه في غابة التنوب؛ ويعتبر الضوء عاملاً مقيدًا للعديد من النباتات؛
2) يمكن أن توجد فقط النباتات العشبية التي تتحمل الظل في غابة التنوب.
ما هي خصائص التكاثر الحيوي؟
التكاثر الحيوي هو نظام مفتوح ذاتي التنظيم ومستقر وقادر على التمثيل الغذائي والطاقة. التكاثر الحيوي هو جزء من المحيط الحيوي. يتكون التكاثر الحيوي من مكونات حيوية وغير حيوية. وتتميز بالكتلة الحيوية والكثافة السكانية ومكوناتها وتنوع الأنواع. المكونات الحية للتكاثر الحيوي هي المنتجون (النباتات)، والمستهلكون (الحيوانات)، والمحللون (البكتيريا والفطريات).
تشمل السلاسل الغذائية للتكاثر الحيوي الطبيعي مجموعات وظيفية مختلفة: المنتجون والمستهلكون والمحللون. اشرح الدور الذي تلعبه الكائنات الحية في هذه المجموعات في دورة المواد وتحويل الطاقة.
عناصر الاستجابة:
1) المنتجون - الكائنات الحية التي تنتج المواد العضوية من المواد غير العضوية، هي الحلقة الأولى في السلسلة الغذائية والهرم البيئي. في المواد العضوية الناتجة عن عمليات التركيب الضوئي أو الكيميائي، يحدث تراكم الطاقة.
2) المستهلكون - الكائنات الحية التي تستهلك المواد العضوية الجاهزة التي أنشأها المنتجون، ولكنها لا تحلل المواد العضوية إلى مكونات معدنية. يستخدمون طاقة المواد العضوية في عمليات حياتهم.
3) المحللات هي كائنات حية تقوم خلال حياتها بتحويل المخلفات العضوية إلى مواد غير عضوية تدخل في دورة المواد في الطبيعة. تستخدم المحللات الطاقة المنطلقة في هذه العملية لعملياتها الحيوية.
ما هو أساس استقرار النظم البيئية؟
عناصر الاستجابة:
1) تنوع أنواع النباتات والحيوانات والكائنات الحية الأخرى
2) السلاسل الغذائية (الشبكات) المتفرعة، وجود عدة مستويات غذائية
3) تداول متوازن للمواد
ما الذي يحدد استدامة النظم البيئية الطبيعية؟
عناصر الاستجابة:
1) تنوع الأنواع
2) عدد الوصلات في سلسلة الطاقة
3) التنظيم الذاتي والتجديد الذاتي
4) الدورة المغلقة للمواد
ما تسمى الموجات السكانية؟
التقلبات في عدد الأفراد في السكان
يتناقص عدد أسماك الفرخ في النهر نتيجة لتلوث المياه من مياه الصرف الصحي، وانخفاض عدد الأسماك العاشبة، وانخفاض محتوى الأكسجين في الماء في فصل الشتاء. ما هي مجموعات العوامل البيئية الواردة في هذه القائمة؟
1) بشرية المنشأ.
2) الحيوية.
3) اللاأحيائية.
لمكافحة الآفات الحشرية، يستخدم الناس المواد الكيميائية. أشر إلى 3 تغييرات على الأقل في حياة غابة البلوط إذا تم تدمير جميع الحشرات العاشبة بالوسائل الكيميائية. اشرح سبب حدوث هذه التغييرات.
عناصر الاستجابة:
1) سينخفض عدد النباتات الملقحة بالحشرات بشكل حاد، لأن الحشرات العاشبة هي ملقحات نباتية؛
2) عدد الكائنات الحشرية (المستهلكون من الدرجة الثانية) سوف ينخفض أو يختفي بشكل حاد بسبب تعطيل سلاسل الغذاء؛
3) سوف تدخل بعض المواد الكيميائية المستخدمة لقتل الحشرات إلى التربة مما سيؤدي إلى تعطيل الحياة النباتية وموت نباتات وحيوانات التربة وكل الانتهاكات يمكن أن تؤدي إلى موت غابة البلوط.
§ 40. دورة المادة والطاقة في المحيط الحيوي
ترتبط جميع الكائنات الحية بالطبيعة غير الحية وهي جزء من الدورة المستمرة للمادة والطاقة (الشكل 44). ونتيجة لذلك، تحدث الهجرة الحيوية للذرات. تنتقل العناصر الكيميائية الضرورية لحياة الكائنات الحية من البيئة الخارجية إلى الجسم. وعندما تتحلل المادة العضوية، تعود هذه العناصر إلى البيئة.
المحيط الحيوي " class="img-response img-thumbnail">
أرز. 44. دورة المواد في الطبيعة: 1- دورة الماء والأكسجين والكربون. 2- دورة النيتروجين
يتكون الغلاف الجوي من خليط من الغازات. أثناء عملية التمثيل الضوئي، تمتص النباتات الخضراء ثاني أكسيد الكربون وتطلق الأكسجين. يستخدم ثاني أكسيد الكربون في بناء المواد العضوية ويمر إلى جسم الحيوانات عن طريق الكائنات النباتية على شكل مواد مغذية. يستخدم الأكسجين من قبل جميع الكائنات الحية في عملية التنفس، ولأكسدة المواد العضوية، وأثناء تحلل بقايا الكائنات الحية الميتة. ونتيجة لهذه العمليات، يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون مرة أخرى إلى الغلاف الجوي. يتم امتصاص النيتروجين الجوي الحر في التربة بواسطة البكتيريا المثبتة للنيتروجين وتحويله إلى حالة مقيدة ويمكن الوصول إليها. تحصل النباتات على مركبات النيتروجين من التربة لتصنيع المواد العضوية. وبعد الموت، تطلق مجموعة أخرى من الكائنات الحية الدقيقة النيتروجين وتعيده إلى الغلاف الجوي.
وهكذا تمتص الكائنات الحية الأكسجين والنيتروجين وثاني أكسيد الكربون وتنطلق إلى الغلاف الجوي مرة أخرى نتيجة لعمليات أخرى. بفضل الدوران المتوازن للغازات، يتم الحفاظ على تكوين الغلاف الجوي ثابتًا.
تحتوي الصخور على كميات كبيرة من الفوسفور. وعندما تتحطم الصخور، ينتهي الفوسفور في التربة، ومن هناك يدخل إلى الكائنات الحية. تذوب بعض الفوسفات في الماء وتدخل المحيط العالمي حيث تتراكم في القاع مكونة الصخور الرسوبية.
يشارك الماء أيضًا في الدورة. أثناء عملية التمثيل الضوئي، يتم استخدامه لتخليق المواد العضوية، وأثناء التنفس وتحلل المخلفات العضوية يتم إطلاقه في البيئة. وبالإضافة إلى ذلك، الماء ضروري لعمل جميع الكائنات الحية. تذوب فيه الأملاح المعدنية والمواد العضوية الضرورية للكائنات الحية. تمر دورة عناصر الصوديوم والمغنيسيوم والكالسيوم والحديد والكبريت وغيرها من العناصر عبر البيئة المائية والتي تشكل في مجموعها 1.7% من مجموع المواد الداخلة في الدورة.
ونتيجة لدورة المواد هناك حركة مستمرة للعناصر الكيميائية من الكائنات الحية إلى الطبيعة غير الحية وبالعكس. تتضمن دورة المواد عمليتين موجهتين بشكل متعاكس ترتبطان بتراكم العناصر في الكائنات الحية والتمعدن نتيجة تحللها. علاوة على ذلك، على سطح الأرض، يسود تكوين المادة الحية، وفي التربة وأعماق البحر، يسود التمعدن.
بالتزامن مع هجرة الذرات، يحدث أيضًا تحول الطاقة. المصدر الوحيد للطاقة على الأرض هو الشمس. يتم إنفاق جزء من الحرارة على تسخين الأرض وتبخير الماء. ويستخدم 0.2% فقط من الطاقة الشمسية في عملية التمثيل الضوئي. يتم تحويل هذه الطاقة إلى طاقة الروابط الكيميائية للمواد العضوية. أثناء تحلل وأكسدة المواد العضوية أثناء التغذية، يتم إطلاق الطاقة وإنفاقها على العمليات الحيوية للكائنات الحية: النمو والحركة والتكاثر والتطور وتدفئة الجسم. وبالتالي، تتراكم الطاقة الشمسية الواردة باستمرار في المواد العضوية وتستخدمها جميع الكائنات الحية.
لذلك، فإن المحيط الحيوي هو نظام كبير يتكون من مكونات غير متجانسة، مترابطة من خلال عمليات هجرة الطاقة والمادة. مصدر الطاقة هو الشمس . الطبيعة الدورية لعمليات الهجرة - دورة المواد تضمن الوجود المستمر للمحيط الحيوي.
تتقلب كمية المادة الحية (المنتجات الحيوية): تكاثر ونمو الكائنات الحية يؤدي إلى نموها، وقمع وتقييد معدل التكاثر والنمو، ويساهم موت الكائنات الحية في تقليله.
وتشمل العوامل المحددة تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، ونقص الرطوبة، ونقص العناصر الغذائية، وشدة الضوء. ولا تحد هذه العوامل من معدل تكوين المادة العضوية فحسب، بل تحد أيضًا من معدل العمليات الجيوكيميائية الأخرى التي تحدث في الطبيعة غير الحية.
| <<< Назад
|
إلى الأمام >>> |