الأنظمة البيئية
تجربة استهلالية
نمذجة النظام البيئي
المواد والأدوات: قنينة بلاستيكية سعتها 2L، نبات إيلوديا، أسماك صغيرة، حلازين صغيرة، ماء (من مربى سمك، أو ماء صنبور ترك مدَّة 24 h)، حصى، أوراق نبات، أوراق، أقلام، ِمجهر ضوئي
مركب، شرائح زجاجية وأغطيتها، قطارة.
إرشادات السلامة: استعمال الشرائح الزجاجية بحذر.
خطوات العمل:
1 املأ القِنّينة بالماء.
2 أجرب: أغسل الحصى، ثم أضعها في القنينة، ثم أضيف إليها الإيلوديا، فالحلازين، فإحدى الأسماك، مراعيا أن تظل القنّينة مفتوحة مدَّة 24 h، ثم أغلقها.
3 ألاحظ: أضع القنينة في مكان جيد الإضاءة، ثم أدوِّن ملاحظاتي على ما يأتي: ظهور فقاقيع، ووجود بيوض للحلازين، ونمو أوراق جديدة للإيلوديا، أو ظهور خيوط لطحالب.
4 أجرب: أضع قطرة من الماء على شريحة زجاجية، ثم أفحصها باستخدام المجهر، مدوِّنا ملاحظاتي.
التحليل والاستنتاج:
1. أفسر النتائج التي توصَّلت إليها.
2. أرسم ما شاهدته تحت المجهر.
3. أتنبَّأ: كيف يمكن المحافظة على حياة الأسماك؟
الإجابة على التحليل والاستنتاج:
1. تشكل القنينة نظاما بيئيا متكاملا تشكل الايلوديا فيه المنتجات، والحلازين المستهلكات، والكائنات الحية الدقيقة التي تكون على الحصى المحللات. وتكتمل في هذا النظام دورات الماء والكربون ما يضمن استمرار الحياة فيه.
2. يمكن رسم بعض الطحالب والأوليات وبيوض الحلازين.
3. يمكن المحافظة على حياة الأسماك بالمحافظة على ديمومة النباتات التي توازن كميات ثاني أكسيد الكربون والأكسجين، ومستويات الكائنات الحية الدقيقة.
الدرس1 البيئة والغلاف الحيوي
E n v i r o n m e n t a n d B i o s p h e r e
الغلاف الحيوي Biosphere
| المستويات التنظيمية البيئية | |
|
الجماعة الحيوية Population: هي أفراد النوع الواحد الذين يعيشون معا في البيئة نفسها. |
 |
|
المجتمع الحيوي Biological Community: الجماعات المختلفة تمثل مجتمعا حيويا. |
|
|
النظام البيئي Ecosystem: المجتمعات الحيوية والعوامل غير الحيوية في البيئات التي تعيش فيها تمثِّل نظاما بيئيا. |
|
|
الإقليم الحيوي Biome: الأنظمة البيئية التي توجد في منطقة مناخية واحدة فتسمى إقليما حيويا. |
|
|
الغلاف الحيوي Biosphere: يطلق على الجزء الذي تعيش فيه الكائنات الحية، ويمتد كيلومترات عدَّة في الغلاف الجوي فوق سطح الأرض إلى أعماق المحيطات، اسم الغلاف الحيوي. |
|
أتحقَّق: ما المقصود بالغلاف الحيوي؟
الغلاف الحيوي: الجزء الذي تعيش فيه الكائنات الحية ويمتد كيلومترات عِّدَّة في الغلاف الجوي فوق سطح الأرض حتى أعماق المحيطات.
الطاقة في الأنظمة البيئية Energy in Ecosystems
- إنَّ الكائنات الحية تلزمها طاقة لبناء أجسامها، وأداء العمليات الحيوية التي تكفل لها البقاء.
- تعد الشمس مصدر الطاقة الرئيس في معظم الأنظمة البيئية؛ نظرا إلى ضرورتها لعملية البناء الضوئي.
- فالكائنات الحية الذاتية التغذية (المنتجات) تمتص جزءا من طاقة الشمس، ثم تثبِّتها في مركَّبات عضوية داخل أجسامها.
- بعد ذلك تنتقل الطاقة المختزنة فيها إلى أجسام الكائنات الحية غير ذاتية التغذية، ويفقد جزء من هذه الطاقة على شكل طاقة حرارية، وفضلات تتخلَّص منها تلك الكائنات، لاحظ الشكل الآتي:
|
البِناءُ الكِيمْيائِيُّ Chemosynthesis: - ينعدم ضوء الشمس في بعض الأنظمة البيئية، مثل أعماق البحار والمحيطات. - وفيها يمكن لبعض أنواع الكائنات الحية الدقيقة (مثل بعض أنواع البكتيريا، والأثريات) الحصول على الطاقة التي تلزمها لصنع مركَّباتها العضوية؛ بأكسدة بعض المركبات غير العضوية، مثل: الهيدروجين H2، وكبريتيد الهيدروجين، H2S أو بأكسدة بعض المركَّبات العضوية، مثل الميثان CH4، لإنتاج مواد عضوية (سكر الغلوكوز)، في ما يعرف بعملية البناء الكيميائي، انظر الشكل المجاور.
|
 |
أفكّر: ما مصدر كبريتيد الهيدروجين في أعماق البحار؟
مصادر كبريتيد الهيدروجين H2S في أعماق البحار:
1. يوجد كبريتيد الهيدروجين في أعماق البحار، حول الفتحات الحرارية المائية نتيجة لتفاعل المعادن التي تحتوي على الكبريت مع الماء.
2. ينتج كبريتيد الهيدروجين عن عمليات التحلل اللاهوائية للمادة العضوية التي تحوي ما نسبته 1% من كتلتها الجافة من البروتينات المحتوية على الكبريت.
3. يتكون كبريتيد الهيدروجين نتيجة عمليات التنفس اللاهوائي من خلال اختزال الكبريتات (التي توجد في الرسوبيات البحرية الغنية بالكبريتات)، في الكائنات الحية بدائية النوى (مثل البكتيريا اللاهوائية وبعض الأثريات).
| وبعد ذلك تنتقل الطاقة في الأنظمة البيئية ضمن سلاسل وشبكات غذائية، ويطلق على المستوى الواحد منها اسم المستوى الغذائي Trophic Level، انظر الشكل الآتي. | |
 |
 |
أتحقَّق: ما الفرق بين البناء الضوئي والبناء الكيميائي؟
- عملية البناء الضوئي، تمتص الكائنات الحية ذاتية التغذية جزءًا من طاقة الشمس، وتثبتها في مركبات عضوية داخل أجسامها، وتحتاج لإتمام ذلك بعض الأصباغ مثل الكلوروفيل، وينتج من هذه العملية غاز الأكسجين.
- البناء الكيميائي، فيكون في البيئات التي لا يصلها ضوء الشمس مثل أعماق البحار والمحيطات، وفيها تحصل بعض أنواع الكائنات الحية الدقيقة مثل بعض أنواع البكتيريا والأثريات على الطاقة اللازمة لصنع المركبات العضوية بأكسدة بعض المركبات غير العضوية مثل الهيدروجين H2، وكبريتيد الهيدروجين H2S، وأكسدة بعض المركبات العضوية مثل الميثان CH4، ولا تحتاج إلى أصباغ ولا ينتج عنها غاز الأكسجين.
الهرم البيئي Ecological Pyramid
- استخدم العلماء رسوما هرمية للتعبير عن انتقال الطاقة بين المستويات الغذائية، أو بين أفراد (أعداد) الكائنات الحية، أو الكتلة الحيوية لنظام بيئي، في ما يسمى الهرم البيئي. Ecological Pyramid وهو اسم يشير إلى ما يدل عليه؛ لذا فقد يكون هرم طاقة، أو هرم أعداد، أو هرم كتلة حيوية.
|
هرم الطاقة Pyramid of Energy - يشير هذا الهرم إلى انتقال الطاقة بين المستويات الغذائية المكوِّنة لسلسلة غذائية ما. وفيه تتناقص قيمة الطاقة عند التوجُّه إلى قمَّة الهرم، وتخزِّن النباتات في أجسامها ما نسبته % 1 من طاقة الشمس التي تصل إليها. - بوجه عام، فإنَّ الطاقة المختزنة في كل مستوى غذائي تمثِّل ما نسبته % 10 من طاقة المستوى الغذائي الذي يسبقه، انظر الشكل المجاور. |
 |
أفكّر: إذا كانت الطاقة المختزنة في المستوى الغذائي الأول لسلسلة غذائية 45000 J، فما كمية الطاقة التي تصل المستوى الأخير في هرم مكوَّن من 5 مستويات؟
| الطاقة المُختزَنة في كل مستوى غذائي تمثل ما نسبته % 10 من طاقة المستوى الغذائي الذي يسبقه، وعليه فإن قيمة الطاقة التي تصل إلى المستوى الثاني تكون 10% × 45000 = 4500 J وهكذا فتكون قيمة الطاقة التي تصل المستوى الخامس 10% × 45 = 4.5 J |
 |
|
هرم الأعداد Pyramid of Numbers - أطلق العلماء على أعداد الكائنات الحية في المستويات الغذائية
|
 |
| هرم الأعداد المقلوب: ينتج عند تمثيل النسبة العددية في هرم الأعداد لبعض الأنظمة البيئية؛ ذلك أنَّ عددا كبيرا من المستهلكات الأولى (مثل يرقات الحشرات) يعتمد في غذائه على عدد قليل من المنتجات (مثل الأشجار)، انظر الشكل المجاور. |
 |
|
هرم الكتلة الحيوية Biomass Pyramid - يشير هذا الهرم إلى العلاقة بين المستويات الغذائية المختلفة من (كتلة الفرد الجافة × عدد الأفراد في المستوى الغذائي) /المساحة. |
 |
|
هرم كتلة حيوية مقلوب من الملاحظ على بعض الأنظمة البيئية (مثل الأنظمة البيئية البحرية)
|
 |
أتحقَّق: كيف تحسب الكتلة الحيوية؟ ما الوحدة المستخدمة في ذلك؟
- يعمد العلماء عند حساب الكتلة الجافة إلى قتل كائن حي من كل مستوى ثم تجفيف أنسجته في فرن خاص، وقياس الكتلة الجافة المتبقية منه، ثم إيجاد الكتلة الجافة في كل مستوى باستخدام العلاقة:
الكتلة الجافة (بوحدةg/m2) = (كتلة الفرد الجافة × عدد الأفراد في المستوى الغذائي) /المساحة
أفكّر: لماذا تحسب الكتلة الجافة عند إعداد هرم الكتلة الحيوية؟
- تُحسب الكتلة الجافة لتحييد أثر الماء في قياس كتلة الكائن الحي.
|
نشاط قياس كتلة النبات الجافة
|
| 1. تُحسب كتلة الماء المختزنة في أنسجة النبات بطرح الكتلة الجافة (كتلة 2) من الكتلة الأولية (كتلة 1) 2. يُستخدم كلوريد الكالسيوم لامتصاص الرطوبة، وذلك لمنع امتصاصها من قبل أنسجة النباتات بعد تجفيفها. |
تفاعل الغلاف الحيوي مع الغُلُف الأُخرى للأرض
Biosphere Interactions
- الغلاف الحيوي يشمل الجزء من الأرض الذي يمكن أن تعيش فيه الكائنات الحية، ويمتد كيلومترات عدَّة فوق سطح الأرض إلى أعماق المحيطات.
- تحتاج الكائنات الحية إلى الماء، وإلى بعض المواد التي تكفل لها البقاء، مثل: الكربون، والنيتروجين، والفسفور، علما بأنَّ هذه المواد لا تستهلك، وإنما تنقل بتدويرها بين البيئة والكائنات الحية
عن طريق عمليات بيوجيوكيميائية، Biogeochemical processes انظر الشكل الآتي:
أتحقَّق: ما العمليات التي تؤدي إلى:
أ. تحوُّل المواد العضوية إلى مواد غير عضوية في الماء والتربة والهواء؟
ب. انتقال المواد غير العضوية من الصخور إلى الماء والتربة والهواء؟
أ- حرق الوقود الأحفوري.
ب- عمليات التجوية والتعرية.
|
دورة الكربون Carbon Cycle - إذ تثبِّت الكائنات الحية الذاتية التغذية الكربون عن طريق امتصاص غاز ثاني أكسيد الكربون CO2، وتكوين مركَّبات عضوية، ينتقل خلالها عنصر الكربون إلى أجسام الكائنات الحية غير ذاتية التغذية على شكل كربون عضوي، انظر الشكلين الآتيين: |
|||
 |
|||
|
العمليات الحيوية مثل: |
العمليات الجيوكيميائية مثل: |
العمليات البيوجيوكيميائية مثل: |
النشاط البشري مثل: |
| البناء الضوئي. التنفُّس. التحلُّل. |
التعرية. النشاط البركاني. |
دفن المواد العضوية، ثم تحوُّلها إلى وقود، مثل الفحم. |
التعدين. قطع الغابات. حرق الوقود. |
 |
 |
 |
 |
أتحقَّق: ما العمليات التي تؤدي إلى زيادة تركيز غاز ثاني أكسيد الكربون CO2 في الهواء الجوي؟
- العمليات التي تزيد من تركيز غاز ثاني أكسيد الكربون في الهواء الجوي هي: عمليات التنفس، والتحلل وحرق الوقود الأحفوري.
أفكّر: بناء على ما درسته عن دورة الكربون في الطبيعة، ما تأثير قطع الأشجار وتقليل مساحة الأراضي المزروعة في الأنظمة البيئية؟
- قطع الأشجار وتقليل المساحات المزروعة يؤدي إلى خفض مستويات عمليات البناء الضوئي، ما يزيد تراكيز غاز ثاني أكسيد الكربون ويقلل تراكيز غاز الأكسجين.
دورة النيتروجين Nitrogen Cycle
- يعدُّ الهواء الجوي المصدر الرئيس لعنصر النيتروجين (N2)، ويساعد هذا العنصر الكائنات الحية على بناء الحموض الأمينية، والبروتينات، والحموض النووية.
- توجد أيونات النترات (-NO3) في التربة نتيجة عدد من الظواهر والعمليات التي تحدث في الأنظمة البيئية، مثل البرق الذي ينتِج كمية من الطاقة تكفي لاتحاد النيتروجين مع الأكسجين، مكوِّنا أيون النترات الذي يذوب في مياه الأمطار، ويهطل معها، ُمختلطا بالتربة.
- أما العمليات الحيوية التي تؤدي إلى تكوُّن النترات في التربة، فتبدأ بتحلُّل المخلَّفات العضوية التي تحوي النيتروجين، مثل البروتينات؛ إذ تحول المحلِّلات في التربة النيتروجين الموجود في المادة العضوية إلى أيونات الأمونيوم (+NH4 )، ثم تحوِّل أنواع من البكتيريا الأمونيوم إلى نيتريت (-NO2)، فتعمل بكتيريا أخرى على تحويل النيتريت إلى نترات، في ما يعرف بعملية النترتة Nitrification.
- توجد أنواع من البكتيريا (مثل البكتيريا العقدية في جذور البقوليات) تحوِّل النيتروجين من حالته الغازية إلى أمونيا، ثم تعمل بكتيريا النترتة على تحويل الأمونيا إلى نترات، في ما يعرف بعملية تثبيت النيتروجين Nitrogen Fixation.
- ولما كانت بكتيريا النترتة هوائية، فإنَّها تتوقَّف عن النمو عندما تمتلئ فراغات التربة بالماء، وتنمو عوضا عنها أنواع أخرى لا هوائية تختزل النترات، وتحوِّلها إلى نيتروجين في صورته الغازية (N2 ) ليعود مرَّة أخرى إلى الهواء الجوي، في ما يعرف بعملية اختزال النترات Denitrification، انظر الشكل الآتي.
دورة الفسفور Phosphorous Cycle
- تحتاج الكائنات الحية إلى الفسفور لبناء أجسامها، وهو يعدُّ مكوِّنا مهما لمواد مختلفة، مثل: الحموض النووية، والليبيدات المفسفرة التي تدخل في تركيب الأغشية الخلوية للخلايا، وجزيئات الطاقة ATP.
- يوجد الفسفور في التربة على شكل أيونات الفوسفات (- PO43) بسبب عمليات التجوية للصخور. غير أنَّ جزءا من الأيونات يتسرَّب إلى مصادر المياه السطحية والجوفية، حيث تمتصها النباتات من التربة، ثم تعود إلى التربة نتيجة تحلُّل المادة العضوية فيها، وقد تعود هذه الأيونات إلى البيئة مع فضلات الكائنات الحية، انظر الشكل الآتي:
أتحقَّق: ما أشكال الفسفور التي يمكن للنباتات الحصول عليها، والاستفادة منها؟
- يستطيع النبات الحصول على الفسفور في صورة فوسفات.
ابحث: في مصادر المعرفة المناسبة عن أثر كلٍّ من النمط الحياتي (niche)، والعلاقات بين الكائنات الحية، والتعاقب البيئي في توزيع الكائنات الحية ضمن الأنظمة البيئية في الغلاف الحيوي، ثم أعدُّ عرضا تقديميا عن ذلك باستخدام برنامج power point، ثم أعرضه أمام زملائي/زميلاتي في الصف.
- تؤثر العلاقات الحية من تنافس، وافتراس، وتقايض وتعايش في توزيع الكائنات الحية في نظام بيئي محدد، وعندما تتغير العوامل الحيوية وغير الحيوية في نظام بيئي معين نتيجة استمرار عوامل التجوية والتعرية أو الهجرات أو ورود كائنات حية جديدة أو الكوارث البيئية والتعاقب البيئي، فإن المجتمعات الحيوية تتغير وكذلك الأنماط الحياتية والعلاقات فيما بينها تتغير وكذلك العلاقات بينها وبين المكونات غير الحيوية في البيئة، ما يؤثر في توزيع الكائنات الحية في تلك البيئة.
أفكّر: يوجد في الغلاف الجوي نسبة ضئيلة من الفسفور، فما مصدره؟
- يوجد الفسفور في الغلاف الجوي بسبب ما يحمله الهواء من دقائق الغبار ورذاذ ماء البحر وما يعلق بها من فوسفات.