ملامح وتوزيع الحياة في البحار والمحيطات. ما مدى عمق منطقة التمثيل الضوئي في المحيطات؟ كفاءة التمثيل الضوئي في النظم البيئية البرية والبحرية الحياة في أعماق البحار
تغطي المحيطات أكثر من 70٪ من سطح الأرض. تحتوي على حوالي 1.35 مليار كيلومتر مكعب من المياه ، أي حوالي 97٪ من إجمالي المياه على كوكب الأرض. يدعم المحيط كل أشكال الحياة على الكوكب ويجعله أزرق عند مشاهدته من الفضاء. الأرض هي الكوكب الوحيد في نظامنا الشمسي المعروف باحتوائه على الماء السائل.
على الرغم من أن المحيط هو جسم مائي مستمر ، إلا أن علماء المحيطات قسموه إلى أربع مناطق رئيسية: المحيط الهادئ ، والمحيط الأطلسي ، والهندي ، والقطب الشمالي. تتحد المحيطات الأطلسي والهندي والمحيط الهادئ لتشكل المياه الجليدية حول القارة القطبية الجنوبية. يحدد بعض الخبراء هذه المنطقة على أنها المحيط الخامس ، وغالبًا ما يطلق عليها الجنوب.
لفهم حياة المحيطات ، يجب أن تعرف أولاً تعريفها. تشمل عبارة "الحياة البحرية" جميع الكائنات الحية التي تعيش في المياه المالحة ، والتي تشمل مجموعة متنوعة من النباتات والحيوانات والكائنات الحية الدقيقة مثل البكتيريا و.
هناك مجموعة كبيرة ومتنوعة من الأنواع البحرية التي تتراوح من كائنات دقيقة وحيدة الخلية إلى الحيتان الزرقاء العملاقة. بينما يكتشف العلماء أنواعًا جديدة ، ومعرفة المزيد عن التركيب الجيني للكائنات الحية ، ودراسة العينات الأحفورية ، فإنهم يقررون كيفية تجميع نباتات وحيوانات المحيطات. فيما يلي قائمة بالشعبة الرئيسية أو المجموعات التصنيفية للكائنات الحية في المحيطات:
- (أنليدا);
- (مفصليات الأرجل);
- (الحبليات);
- (القراصات);
- Ctenophores ( Ctenophora);
- (شوكيات الجلد);
- (مولوسكا)
- (بوريفيرا).
هناك أيضًا عدة أنواع من النباتات البحرية. الأكثر شيوعًا هي الكلوروفيتا، أو الطحالب الخضراء ، و رودوفيتا، أو الطحالب الحمراء.
تكيفات الحياة البحرية
من وجهة نظر حيوان بري مثلنا ، يمكن أن يكون المحيط بيئة قاسية. ومع ذلك ، فإن الحياة البحرية تتكيف مع الحياة في المحيط. تشمل الخصائص التي تسمح للكائنات الحية بالازدهار في البيئة البحرية القدرة على تنظيم تناول الملح ، والأعضاء المنتجة للأكسجين (مثل خياشيم الأسماك) ، وتحمل ضغط المياه المتزايد ، والتكيف مع نقص الضوء. تتعامل الحيوانات والنباتات التي تعيش في منطقة المد والجزر مع درجات الحرارة القصوى وأشعة الشمس والرياح والأمواج.
هناك مئات الآلاف من أنواع الحياة البحرية ، من العوالق الحيوانية الصغيرة إلى الحيتان العملاقة. تصنيف الكائنات البحرية متغير للغاية. كل منها يتكيف مع بيئته الخاصة. تُجبر جميع الكائنات المحيطية على التفاعل مع عدة عوامل لا تمثل مشكلة للحياة على الأرض:
- تنظيم تناول الملح
- الحصول على الأكسجين
- التكيف مع ضغط الماء ؛
- الأمواج والتغيرات في درجة حرارة الماء ؛
- الحصول على إضاءة كافية.
فيما يلي نلقي نظرة على بعض الطرق التي تعيش بها الحياة البحرية في هذه البيئة ، والتي تختلف تمامًا عن حياتنا.
تنظيم الملح
يمكن للأسماك شرب الماء المالح وإخراج الملح الزائد من خلال الخياشيم. تشرب الطيور البحرية أيضًا مياه البحر ، ويتم طرد الملح الزائد من خلال "الغدد الملحية" في التجويف الأنفي ثم يهزها الطائر. لا تشرب الحيتان الماء المالح ، لكنها تحصل على الرطوبة اللازمة من الكائنات الحية التي تتغذى عليها.
الأكسجين
يمكن للأسماك والكائنات الحية الأخرى التي تعيش تحت الماء الحصول على الأكسجين من الماء إما من خلال خياشيمها أو من خلال جلدها.
تُجبر الثدييات البحرية على الظهور على السطح للتنفس ، وهذا هو سبب وجود ثقوب للتنفس فوق رؤوس الحيتان تسمح لها باستنشاق الهواء من الغلاف الجوي ، مما يبقي معظم أجسامها تحت الماء.
تستطيع الحيتان البقاء تحت الماء دون أن تتنفس لمدة ساعة أو أكثر لأنها تستخدم رئتيها بكفاءة عالية ، حيث تملأ ما يصل إلى 90٪ من رئتيها مع كل نفس ، وتخزن أيضًا كميات كبيرة غير معتادة من الأكسجين في الدم والعضلات عند الغوص.
درجة حرارة
العديد من حيوانات المحيطات من ذوات الدم البارد (ectothermic) ودرجة حرارة أجسامها الداخلية هي نفس درجة حرارة بيئتها. يُستثنى من ذلك الثدييات البحرية ذوات الدم الحار (الماص للحرارة) ، والتي يجب أن تحافظ على درجة حرارة ثابتة للجسم بغض النظر عن درجة حرارة الماء. لديهم طبقة عازلة تحت الجلد تتكون من الدهون والنسيج الضام. تسمح لهم هذه الطبقة من الدهون تحت الجلد بالحفاظ على درجة حرارة أجسامهم الداخلية تقريبًا مثل درجة حرارة أقاربهم الأرضية ، حتى في المحيط البارد. يمكن أن يزيد سمك الطبقة العازلة للحوت مقوس الرأس عن 50 سم.
ضغط المياه
في المحيطات ، يزداد ضغط الماء بمقدار 15 رطلاً لكل بوصة مربعة كل 10 أمتار. في حين أن بعض الكائنات البحرية نادرًا ما تغير عمق المياه ، فإن الحيوانات التي تسبح بعيدًا مثل الحيتان والسلاحف البحرية والفقمات تنتقل من المياه الضحلة إلى المياه العميقة في غضون أيام. كيف يتعاملون مع الضغط؟
يُعتقد أن حوت العنبر قادر على الغوص لأكثر من 2.5 كم تحت سطح المحيط. أحد التعديلات هو أن الرئتين والصدر تضغطان عند الغوص إلى أعماق كبيرة.
تستطيع السلاحف البحرية الجلدية الظهر الغوص لمسافة تزيد عن 900 متر. تساعدها الرئة القابلة للطي والغطاء المرن على تحمل ضغط الماء المرتفع.
الرياح والأمواج
لا تحتاج حيوانات المد والجزر إلى التكيف مع ارتفاع ضغط المياه ، ولكن يجب أن تتحمل الرياح القوية والضغط الموجي. تمتلك العديد من اللافقاريات والنباتات في هذه المنطقة القدرة على التشبث بالصخور أو الركائز الأخرى ، ولها أيضًا قذائف واقية صلبة.
في حين أن الأنواع البحرية الكبيرة مثل الحيتان وأسماك القرش لا تتأثر بالعاصفة ، يمكن تهجير فرائسها. على سبيل المثال ، تتغذى الحيتان على مجدافيات الأرجل ، والتي يمكن أن تتناثر في مناطق نائية مختلفة أثناء الرياح والأمواج القوية.
ضوء الشمس
الكائنات التي تتطلب الضوء ، مثل الشعاب المرجانية الاستوائية والطحالب ذات الصلة ، توجد في المياه الضحلة الصافية التي تسمح لأشعة الشمس بالمرور بسهولة.
نظرًا لأن الرؤية تحت الماء ومستويات الضوء يمكن أن تتغير ، لا تعتمد الحيتان على البصر للعثور على الطعام. بدلاً من ذلك ، يقومون بتحديد موقع الفريسة باستخدام تحديد الموقع بالصدى والسمع.
في أعماق هاوية المحيط ، فقدت بعض الأسماك عيونها أو لونها بسبب عدم الحاجة إليها ببساطة. الكائنات الحية الأخرى تضيء بيولوجيًا ، حيث تستخدم أجهزتها المضيئة أو أعضائها المنتجة للضوء لجذب الفريسة.
توزيع الحياة في البحار والمحيطات
من الساحل إلى أعمق قاع البحر ، يعج المحيط بالحياة. تتراوح مئات الآلاف من الأنواع البحرية من الطحالب المجهرية إلى الحوت الأزرق الذي عاش على الأرض.
يحتوي المحيط على خمس مناطق رئيسية للحياة ، لكل منها تكيفات فريدة من الكائنات الحية مع بيئتها البحرية الخاصة.
منطقة Euphotic
منطقة euphotic هي الطبقة العليا من المحيط المضاءة بنور الشمس ، ويصل عمقها إلى حوالي 200 متر. تُعرف منطقة euphotic أيضًا بالمنطقة الضوئية ويمكن أن توجد في كل من البحيرات ذات البحار والمحيطات.
يسمح ضوء الشمس في المنطقة الضوئية بإجراء عملية التمثيل الضوئي. هي العملية التي تقوم بها بعض الكائنات الحية بتحويل الطاقة الشمسية وثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي إلى مغذيات (بروتينات ، ودهون ، وكربوهيدرات ، وما إلى ذلك) وأكسجين. في المحيط ، تتم عملية التمثيل الضوئي بواسطة النباتات والطحالب. تشبه الأعشاب البحرية نباتات اليابسة: لها جذور وسيقان وأوراق.
العوالق النباتية - الكائنات الحية الدقيقة التي تشمل النباتات والطحالب والبكتيريا تسكن أيضًا في منطقة euphotic. تشكل المليارات من الكائنات الحية الدقيقة بقعًا خضراء أو زرقاء ضخمة في المحيط ، والتي تشكل أساس المحيطات والبحار. من خلال عملية التمثيل الضوئي ، تكون العوالق النباتية مسؤولة عن إنتاج ما يقرب من نصف الأكسجين المنطلق في الغلاف الجوي للأرض. تتغذى الحيوانات الصغيرة مثل الكريل (نوع من الروبيان) والأسماك والكائنات الحية الدقيقة التي تسمى العوالق الحيوانية على العوالق النباتية. في المقابل ، تأكل هذه الحيوانات من قبل الحيتان والأسماك الكبيرة والطيور البحرية والبشر.
منطقة البحار المتوسطة
المنطقة التالية ، الممتدة على عمق حوالي 1000 متر ، تسمى منطقة البحار المتوسطة. تُعرف هذه المنطقة أيضًا باسم منطقة الشفق ، حيث يكون الضوء بداخلها خافتًا جدًا. يعني الافتقار إلى ضوء الشمس أنه لا توجد عمليا أي نباتات في منطقة البحار المتوسطة ، ولكن الأسماك الكبيرة والحيتان تغوص هناك للصيد. الأسماك في هذه المنطقة صغيرة ومضيئة.
منطقة أعماق البحار
في بعض الأحيان ، تغوص حيوانات من منطقة البحار المتوسطة (مثل حيتان العنبر والحبار) في منطقة أعماق البحار ، التي يصل عمقها إلى حوالي 4000 متر. تُعرف منطقة أعماق البحار أيضًا باسم منطقة منتصف الليل لأن الضوء لا يصل إليها.
الحيوانات التي تعيش في منطقة أعماق البحار صغيرة الحجم ، لكنها غالبًا ما يكون لها أفواه ضخمة وأسنان حادة ومعدة متوسعة تسمح لها بتناول أي طعام يقع في أفواهها. يأتي معظم هذا الطعام من بقايا النباتات والحيوانات المنحدرة من مناطق السطح العلوي. العديد من الحيوانات التي تعيش في أعماق البحار ليس لديها عيون لأنها ليست هناك حاجة إليها في الظلام. لأن الضغط مرتفع للغاية ، من الصعب العثور على العناصر الغذائية. تتحرك الأسماك في منطقة أعماق البحار ببطء ولديها خياشيم قوية لاستخراج الأكسجين من الماء.
منطقة أعماق البحار
المياه في قاع المحيط ، في المنطقة السحيقة ، شديدة الملوحة وباردة (2 درجة مئوية أو 35 درجة فهرنهايت). على أعماق تصل إلى 6000 متر ، يكون الضغط قويًا جدًا - 11000 رطل لكل بوصة مربعة. هذا يجعل الحياة مستحيلة بالنسبة لمعظم الحيوانات. طورت الحيوانات في هذه المنطقة ، من أجل التعامل مع الظروف القاسية للنظام البيئي ، ميزات تكيفية غريبة.
العديد من الحيوانات في هذه المنطقة ، بما في ذلك الحبار والأسماك ، تتلألأ بيولوجيًا ، مما يعني أنها تنتج الضوء من خلال التفاعلات الكيميائية في أجسامها. على سبيل المثال ، تمتلك سمكة الصياد نتوءًا ساطعًا يقع أمام فمها الضخم المسنن. عندما يجذب الضوء سمكة صغيرة ، يقوم الصياد ببساطة بفك فكه ليأكل فريسته.
ألترابيسال
أعمق منطقة في المحيط ، وجدت في الصدوع والأودية ، تسمى فائقة السحيقة. تعيش هنا القليل من الكائنات الحية ، مثل متساوي الأرجل ، وهو نوع من القشريات يتعلق بسرطان البحر والروبيان.
مثل الإسفنج وخيار البحر يزدهر في مناطق أعماق البحار وفوق السدود. مثل العديد من نجوم البحر وقنديل البحر ، تعتمد هذه الحيوانات بالكامل تقريبًا على تسوية بقايا النباتات والحيوانات الميتة التي تسمى المخلفات البحرية.
ومع ذلك ، لا يعتمد جميع سكان القاع على المخلفات البحرية. في عام 1977 ، اكتشف علماء المحيطات مجتمعًا من الكائنات الموجودة في قاع المحيط تتغذى على البكتيريا الموجودة حول الفتحات المسماة الفتحات الحرارية المائية. تستنزف هذه الفتحات الماء الساخن المخصب بالمعادن من أحشاء الأرض. تتغذى المعادن على بكتيريا فريدة من نوعها ، والتي بدورها تغذي الحيوانات مثل سرطان البحر والمحار والديدان الأنبوبية.
تهديدات للحياة البحرية
على الرغم من الفهم الصغير نسبيًا للمحيطات وسكانها ، فقد تسبب النشاط البشري في إلحاق ضرر جسيم بهذا النظام البيئي الهش. نرى باستمرار على شاشات التلفزيون وفي الصحف أن أنواعًا بحرية أخرى أصبحت مهددة بالانقراض. قد تبدو المشكلة محبطة ، لكن هناك أمل وأشياء كثيرة يمكن لكل منا القيام بها لإنقاذ المحيط.
التهديدات الواردة أدناه ليست في أي ترتيب معين لأنها أكثر صلة في بعض المناطق من غيرها وبعض سكان المحيطات يواجهون تهديدات متعددة:
- تحمض المحيطات- إذا كان لديك حوض مائي من قبل ، فأنت تعلم أن الرقم الهيدروجيني الصحيح للمياه جزء مهم للحفاظ على صحة أسماكك.
- تغير المناخ- نسمع باستمرار عن ظاهرة الاحتباس الحراري ، ولسبب وجيه - فهي تؤثر سلبًا على الحياة البحرية والبرية.
- يعتبر الصيد الجائر مشكلة عالمية أدت إلى استنفاد العديد من أنواع الأسماك التجارية الهامة.
- الصيد الجائر والاتجار غير المشروع- على الرغم من القوانين التي تم تمريرها لحماية الحياة البحرية ، إلا أن الصيد غير القانوني مستمر حتى يومنا هذا.
- الشباك - يمكن أن تتشابك الأنواع البحرية من اللافقاريات الصغيرة إلى الحيتان الكبيرة وتموت في شباك الصيد المهجورة.
- القمامة والتلوث- يمكن أن تتشابك الحيوانات المختلفة في القمامة ، وكذلك في الشباك ، وتسبب انسكابات النفط أضرارًا كبيرة لمعظم الحياة البحرية.
- فقدان المنزل- مع زيادة عدد سكان العالم ، تزداد الضغوط البشرية على السواحل والأراضي الرطبة وغابات عشب البحر وأشجار المانغروف والشواطئ والشواطئ الصخرية والشعاب المرجانية التي تعد موطنًا لآلاف الأنواع.
- الأنواع الغازية - الأنواع التي يتم إدخالها في نظام بيئي جديد يمكن أن تسبب ضررًا خطيرًا للسكان الأصليين ، نظرًا لعدم وجود مفترسات طبيعية ، يمكن أن يتعرضوا لانفجار سكاني.
- السفن البحرية - يمكن أن تسبب السفن إصابات مميتة للثدييات البحرية الكبيرة ، بالإضافة إلى إحداث الكثير من الضوضاء ، وتحمل الأنواع الغازية ، وتدمير الشعاب المرجانية بواسطة المراسي ، وإطلاق المواد الكيميائية في المحيط والغلاف الجوي.
- ضجيج المحيط - هناك العديد من الضوضاء الطبيعية في المحيط ، والتي تعد جزءًا لا يتجزأ من هذا النظام البيئي ، لكن الضوضاء الاصطناعية يمكن أن تعطل إيقاع الحياة للعديد من الحياة البحرية.
مبدأ طريقة الأكسجين والكربون المشع لتحديد الإنتاج الأولي (معدل التمثيل الضوئي). مهام التعريف والتدمير والإنتاج الأولي الإجمالي والصافي.
ما هي الشروط اللازمة على كوكب الأرض لتكوين طبقة الأوزون. ما نطاقات الأشعة فوق البنفسجية التي تحجبها شاشة الأوزون؟
ما هي أشكال العلاقات البيئية التي تؤثر سلبا على الأنواع.
Amensalism - يؤثر أحد السكان سلبًا على الآخر ، لكن نفسه لا يعاني من تأثير سلبي أو إيجابي. ومن الأمثلة النموذجية التيجان العالية للأشجار ، والتي تمنع نمو النباتات والطحالب المتوقفة بسبب الحجب الجزئي للوصول إلى ضوء الشمس.
Allelopathy هو شكل من أشكال المضادات الحيوية يكون فيه للكائنات تأثير ضار متبادل على بعضها البعض ، بسبب عواملها الحيوية (على سبيل المثال ، إفرازات المواد). توجد بشكل رئيسي في النباتات والطحالب والفطريات. في الوقت نفسه ، فإن التأثير الضار لكائن حي على آخر ليس ضروريًا لنشاط حياته ولا يفيده.
المنافسة هي شكل من أشكال المضادات الحيوية حيث يكون نوعان من الكائنات الحية أعداء بيولوجيين بطبيعتهم (عادة بسبب الإمداد الغذائي المشترك أو فرص التكاثر المحدودة). على سبيل المثال ، بين الحيوانات المفترسة من نفس النوع ونفس السكان أو الأنواع المختلفة التي تتغذى على نفس الطعام وتعيش في نفس المنطقة. في هذه الحالة ، فإن الضرر الذي يلحق بكائن حي يفيد الآخر ، والعكس صحيح.
يتكون الأوزون عندما تقصف الأشعة فوق البنفسجية الشمسية جزيئات الأكسجين (O2 -> O3).
يتطلب تكوين الأوزون من الأكسجين ثنائي الذرة العادي قدرًا كبيرًا من الطاقة - حوالي 150 كيلو جول لكل مول.
من المعروف أن الجزء الرئيسي من الأوزون الطبيعي يتركز في الستراتوسفير على ارتفاع 15 إلى 50 كم فوق سطح الأرض.
يحدث التحلل الضوئي للأكسجين الجزيئي في طبقة الستراتوسفير تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية بطول موجة 175-200 نانومتر وحتى 242 نانومتر.
تفاعلات تكوين الأوزون:
О2 + hν → 2О.
O2 + O → O3.
يتم تقليل تعديل الكربون المشع إلى ما يلي. يتم إدخال نظير الكربون 14C في عينة الماء على شكل كربونات الصوديوم أو بيكربونات ذات نشاط إشعاعي معروف. بعد التعرض لبعض الزجاجات ، يتم ترشيح الماء منها من خلال مرشح غشائي ويتم تحديد النشاط الإشعاعي لخلايا العوالق في المرشح.
تعتمد طريقة الأكسجين لتحديد الإنتاج الأولي للمسطحات المائية (طريقة القارورة) على تحديد شدة التمثيل الضوئي للطحالب العوالق في قوارير مثبتة في خزان على أعماق مختلفة ، وكذلك في الظروف الطبيعية - من خلال الاختلاف في محتوى يذوب الأكسجين في الماء في نهاية النهار وفي نهاية الليل.
مهام التعريف والتدمير والإنتاج الإجمالي والصافي الأولي. ؟؟؟؟؟؟
منطقة euphotic هي الطبقة العليا من المحيط ، وإضاءتها كافية لاستمرار عملية التمثيل الضوئي. يمر الحد الأدنى من المنطقة الضوئية بعمق يصل إلى 1٪ من الضوء القادم من السطح. في المنطقة الضوئية تعيش العوالق النباتية ، وكذلك النباتات الراديولية ، تنمو النباتات وتعيش معظم الحيوانات المائية. كلما اقتربنا من قطبي الأرض ، كانت المنطقة الضوئية أصغر. لذلك ، عند خط الاستواء ، حيث تسقط أشعة الشمس عموديًا تقريبًا ، يصل عمق المنطقة إلى 250 مترًا ، بينما لا يتجاوزها في بيلي 25 مترًا.
تعتمد كفاءة التمثيل الضوئي على العديد من الظروف الداخلية والخارجية. بالنسبة للأوراق الفردية الموضوعة في ظروف خاصة ، يمكن أن تصل كفاءة التمثيل الضوئي إلى 20٪. ومع ذلك ، فإن العمليات الاصطناعية الأولية التي تحدث في الورقة ، أو بالأحرى في البلاستيدات الخضراء ، والمحصول النهائي يتم فصلها بسلسلة من العمليات الفسيولوجية التي يتم فيها فقد جزء كبير من الطاقة المتراكمة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن كفاءة استيعاب الطاقة الضوئية محدودة باستمرار بسبب العوامل البيئية التي سبق ذكرها. بسبب هذه القيود ، حتى في أفضل أنواع النباتات الزراعية في ظل ظروف النمو المثلى ، لا تتجاوز كفاءة التمثيل الضوئي 6-7٪.
الدرس 2
تحليل عمل الاختبار والدرجات (5-7 دقائق).
التكرار الشفوي واختبار الكمبيوتر (13 دقيقة).
الكتلة الحيوية للأرض
تبلغ الكتلة الحيوية للمحيط الحيوي حوالي 0.01٪ من كتلة المادة الخاملة للمحيط الحيوي ، مع حوالي 99٪ من الكتلة الحيوية تمثلها النباتات ، وحوالي 1٪ من قبل المستهلكين والمحللين. تهيمن النباتات على القارات (99.2٪) والحيوانات تهيمن على المحيط (93.7٪)
الكتلة الحيوية للأرض أكبر بكثير من الكتلة الحيوية لمحيطات العالم ، فهي تقارب 99.9٪. هذا يرجع إلى طول العمر المتوقع وكتلة المنتجين على سطح الأرض. في النباتات البرية ، يصل استخدام الطاقة الشمسية في التمثيل الضوئي إلى 0.1٪ ، بينما في المحيط 0.04٪ فقط.
تعتمد الكتلة الحيوية لأجزاء مختلفة من سطح الأرض على الظروف المناخية - درجة الحرارة ، وكمية الهطول. الظروف المناخية القاسية في التندرا - درجات الحرارة المنخفضة ، التربة الصقيعية ، الصيف البارد القصير شكلت مجتمعات نباتية غريبة ذات كتلة حيوية صغيرة. يتم تمثيل الغطاء النباتي في التندرا بالأشجار والطحالب والأشجار القزمة الزاحفة والنباتات العشبية التي يمكنها تحمل مثل هذه الظروف القاسية. تزداد الكتلة الحيوية للتايغا ، ثم الغابات المختلطة وعريضة الأوراق تدريجياً. يتم استبدال منطقة السهوب بالنباتات شبه الاستوائية والاستوائية ، حيث تكون ظروف الحياة أكثر ملاءمة ، تكون الكتلة الحيوية هي الحد الأقصى.
في الطبقة العليا من التربة ، أفضل ظروف المياه ودرجة الحرارة والغاز للحياة. يوفر الغطاء النباتي المادة العضوية لجميع سكان التربة - الحيوانات (الفقاريات واللافقاريات) والفطريات وكمية هائلة من البكتيريا. تعد البكتيريا والفطريات محللات ، فهي تلعب دورًا مهمًا في تداول المواد في المحيط الحيوي ، تمعدنمواد عضوية. "حفّار قبور الطبيعة العظماء" - هكذا أطلق L. Pasteur على البكتيريا.
الكتلة الحيوية للمحيطات
المحيط المائيتتكون "القشرة المائية" من المحيط العالمي الذي يحتل حوالي 71٪ من سطح الكرة الأرضية ، والمسطحات المائية الأرضية - الأنهار والبحيرات - حوالي 5٪. تم العثور على الكثير من المياه في المياه الجوفية والأنهار الجليدية. نظرًا لكثافة الماء العالية ، يمكن أن توجد الكائنات الحية بشكل طبيعي ليس فقط في القاع ، ولكن أيضًا في عمود الماء وعلى سطحه. لذلك ، يتم ملء الغلاف المائي في جميع أنحاء سمكه ، ويتم تمثيل الكائنات الحية benthos, العوالقو السوابح.
الكائنات القاعية(من الكلمة اليونانية benthos - العمق) يقودون أسلوب حياة قاعي ، ويعيشون على الأرض وفي الأرض. يتكون Phytobenthos من نباتات مختلفة - الطحالب الخضراء والبنية والحمراء ، والتي تنمو على أعماق مختلفة: خضراء على عمق ضحل ، ثم بني ، وأعمق - طحالب حمراء تظهر على عمق يصل إلى 200 متر. وتمثل الحيوانات Zoobenthos - الرخويات والديدان والمفصليات وما إلى ذلك تكيف الكثير مع الحياة حتى على عمق أكثر من 11 كم.
الكائنات العوالق(من العوالق اليونانية - المتجولة) - سكان عمود الماء ، لا يستطيعون التحرك بشكل مستقل لمسافات طويلة ، ويتم تمثيلهم بواسطة العوالق النباتية والعوالق الحيوانية. تشمل العوالق النباتية الطحالب وحيدة الخلية ، والبكتيريا الزرقاء ، والتي توجد في المياه البحرية على عمق 100 متر وهي المنتج الرئيسي للمواد العضوية - ولديها معدل تكاثر مرتفع بشكل غير عادي. العوالق الحيوانية هي الكائنات الأولية البحرية والقشريات الصغيرة. تتميز هذه الكائنات بالهجرات النهارية العمودية ، فهي القاعدة الغذائية الرئيسية للحيوانات الكبيرة - الأسماك وحيتان البالين.
الكائنات الحية النكتونية(من nektos اليونانية - العائمة) - سكان البيئة المائية ، قادرون على التحرك بنشاط في عمود الماء ، والتغلب على مسافات طويلة. هذه هي الأسماك والحبار والحيتانيات والزعانف وغيرها من الحيوانات.
العمل الكتابي بالبطاقات:
1. قارن الكتلة الحيوية للمنتجين والمستهلكين على الأرض وفي المحيط.
2. كيف يتم توزيع الكتلة الحيوية في المحيطات؟
3. وصف الكتلة الحيوية للأرض.
4. تحديد المصطلحات أو توسيع المفاهيم: nekton؛ العوالق النباتية. العوالق الحيوانية. نباتات القاع. زوبينتوس. النسبة المئوية للكتلة الحيوية للأرض من كتلة المادة الخاملة للمحيط الحيوي ؛ النسبة المئوية للكتلة الحيوية النباتية من إجمالي الكتلة الحيوية للكائنات الأرضية ؛ النسبة المئوية للكتلة الحيوية النباتية من إجمالي الكتلة الحيوية المائية.
بطاقة المجلس:
1. ما هي النسبة المئوية للكتلة الحيوية للأرض من كتلة المادة الخاملة للغلاف الحيوي؟
2. ما هي النسبة المئوية للنباتات من الكتلة الحيوية للأرض؟
3. ما هي النسبة المئوية للكتلة الحيوية النباتية من إجمالي الكتلة الحيوية للكائنات الأرضية؟
4. ما هي النسبة المئوية للكتلة الحيوية النباتية من إجمالي الكتلة الحيوية للأحياء المائية؟
5. ما هي النسبة المئوية للطاقة الشمسية المستخدمة في عملية التمثيل الضوئي على الأرض؟
6. ما هي النسبة المئوية للطاقة الشمسية المستخدمة في عملية التمثيل الضوئي في المحيط؟
7. ما هي أسماء الكائنات الحية التي تعيش في عمود الماء وتحملها التيارات البحرية؟
8. ما هي أسماء الكائنات الحية التي تعيش في تربة المحيط؟
9. ما هي أسماء الكائنات الحية التي تتحرك بنشاط في عمود الماء؟
اختبار:
اختبار 1. الكتلة الحيوية للمحيط الحيوي من كتلة المادة الخاملة للمحيط الحيوي هي:
اختبار 2. تمثل حصة النباتات من الكتلة الحيوية للأرض ما يلي:
اختبار 3. الكتلة الحيوية للنباتات على الأرض مقارنة بالكتلة الحيوية للكائنات غير المتجانسة الأرضية:
2. 60٪.
3. 50٪.
اختبار 4. الكتلة الحيوية للنباتات في المحيط مقارنة بالكتلة الحيوية للكائنات غيرية التغذية المائية:
1. يسود ويشكل 99.2٪.
2. 60٪.
3. 50٪.
4. أقل الكتلة الحيوية من غيرية التغذية و 6.3٪.
اختبار 5. استخدام الطاقة الشمسية في التمثيل الضوئي على متوسطات الأرض:
اختبار 6. استخدام الطاقة الشمسية لعملية التمثيل الضوئي في متوسطات المحيطات:
اختبار 7. يتم تمثيل قاع المحيط من خلال:
اختبار 8. يتم تمثيل Ocean Nekton من قبل:
1. الحيوانات تتحرك بنشاط في عمود الماء.
2. الكائنات الحية التي تسكن العمود المائي وتنقلها التيارات البحرية.
3. الكائنات الحية على الأرض وفي الأرض.
4. الكائنات الحية التي تعيش على طبقة سطح الماء.
اختبار 9. العوالق المحيطية ممثلة بـ:
1. الحيوانات تتحرك بنشاط في عمود الماء.
2. الكائنات الحية التي تسكن العمود المائي وتنقلها التيارات البحرية.
3. الكائنات الحية على الأرض وفي الأرض.
4. الكائنات الحية التي تعيش على طبقة سطح الماء.
اختبار 10. تنمو الطحالب من السطح العميق بالترتيب التالي:
1. بني ضحل ، أخضر أعمق ، أحمر أعمق حتى -200 متر.
2. الأحمر الضحل ، البني الغامق ، الأخضر الأعمق حتى - 200 متر.
3. أخضر ضحل ، أحمر أعمق ، بني أعمق حتى - 200 متر.
4. الأخضر الضحل ، البني الغامق ، الأحمر الأعمق - حتى 200 متر.
يتم تمثيل الحياة في المحيط من خلال مجموعة متنوعة من الكائنات الحية - من الطحالب وحيدة الخلية المجهرية والحيوانات الصغيرة إلى الحيتان التي يزيد طولها عن 30 مترًا وأكبر من أي حيوان عاش على الأرض ، بما في ذلك أكبر الديناصورات. الكائنات الحية تعيش في المحيط من السطح إلى أعماق أكبر. ولكن بالنسبة للكائنات النباتية ، لا توجد سوى البكتيريا وبعض الفطريات السفلية في كل مكان في المحيط. الكائنات النباتية المتبقية تعيش فقط في الطبقة العليا المضيئة من المحيط (بشكل أساسي على عمق حوالي 50-100 متر) ، حيث يمكن أن يحدث التمثيل الضوئي. تنتج نباتات التمثيل الضوئي إنتاجًا أوليًا ، بسبب وجود بقية سكان المحيط.
يعيش حوالي 10 آلاف نوع من النباتات في المحيط العالمي. العوالق النباتية تهيمن عليها الدياتومات ، البيريدين ، و coccolithophores من السوط. تشمل نباتات القاع بشكل أساسي الدياتومات والطحالب الخضراء والبنية والحمراء ، بالإضافة إلى العديد من أنواع النباتات المزهرة العشبية (على سبيل المثال ، النطاقي).
بل إن حيوانات المحيط أكثر تنوعًا. يعيش ممثلو جميع فئات الحيوانات الحديثة التي تعيش بحرية في المحيط تقريبًا ، ولا تُعرف العديد من الطبقات إلا في المحيط. بعضها ، مثل أسماك الكولاكانث ذات الفص الزعانف ، هي أحافير حية ازدهر أسلافها هنا منذ أكثر من 300 مليون سنة ؛ ظهر آخرون مؤخرًا. تضم الحيوانات أكثر من 160 ألف نوع: حوالي 15 ألف من البروتوزوا (بشكل رئيسي الراديولاري ، المنخربات ، الهدبيات) ، 5 آلاف إسفنج ، حوالي 9 آلاف معوي ، أكثر من 7 آلاف دودة مختلفة ، 80 ألف رخويات ، أكثر من 20 ألف قشريات ، 6 آلاف شوكيات الجلد وممثلين أقل عددًا من مجموعات أخرى من اللافقاريات (bryozoans ، brachiopods ، pogonophores ، tunicates وبعض الأنواع الأخرى) ، حوالي 16 ألف سمكة. من بين الفقاريات الموجودة في المحيط ، بالإضافة إلى الأسماك والسلاحف والثعابين (حوالي 50 نوعًا) وأكثر من 100 نوع من الثدييات ، وخاصة الحيتانيات والزعانف ، تعيش. ترتبط حياة بعض الطيور (طيور البطريق ، طيور القطرس ، النوارس ، وما إلى ذلك - حوالي 240 نوعًا) باستمرار بالمحيط.
يعتبر أكبر تنوع للحيوانات من سمات المناطق الاستوائية. تتنوع الحيوانات القاعية بشكل خاص في الشعاب المرجانية الضحلة. مع زيادة العمق ، يتناقص تنوع الحياة في المحيط. على أعماق أكبر (أكثر من 9000-10000 م) يسكنها فقط البكتيريا وعدة عشرات من أنواع اللافقاريات.
يتضمن تكوين الكائنات الحية ما لا يقل عن 60 عنصرًا كيميائيًا ، أهمها (العناصر الحيوية) هي C و O و H و N و S و P و K و Fe و Ca وبعض العناصر الأخرى. تكيفت الكائنات الحية مع الحياة في ظل الظروف القاسية. تم العثور على البكتيريا حتى في حرارة المحيطات عند درجة حرارة T = 200-250 درجة مئوية. في أعمق المنخفضات ، تكيفت الكائنات البحرية لتعيش تحت ضغوط هائلة.
ومع ذلك ، كان سكان الأرض متقدمين كثيرًا من حيث تنوع الأنواع لسكان المحيط ، ويرجع ذلك أساسًا إلى الحشرات والطيور والثدييات. عموما عدد أنواع الكائنات الحية على الأرض أكبر على الأقل بترتيب من حيث الحجم منها في المحيط: من مليون إلى مليوني نوع على الأرض مقابل مئات الآلاف من الأنواع في المحيط. هذا يرجع إلى التنوع الكبير في الموائل والظروف البيئية على الأرض. ولكن في نفس الوقت في البحر يلاحظ تنوع أكبر بكثير من أشكال الحياة من النباتات والحيوانات. المجموعتان الرئيسيتان من النباتات البحرية - الطحالب البنية والحمراء - لا توجدان على الإطلاق في المياه العذبة. البحرية حصريًا هي شوكيات الجلد ، والتشيتوغناث والتشيتوغناث ، وكذلك الحبليات السفلية. يعيش بلح البحر والمحار بأعداد ضخمة في المحيط ، والتي تتغذى على طعامها عن طريق تصفية الجزيئات العضوية من الماء ، وتتغذى العديد من الكائنات البحرية الأخرى على مخلفات قاع البحر. لكل نوع من أنواع الديدان البرية ، هناك مئات الأنواع من الديدان البحرية التي تتغذى على رواسب القاع.
الكائنات البحرية التي تعيش في ظروف بيئية مختلفة ، وتتغذى بطرق مختلفة وعادات مختلفة ، يمكن أن تقود مجموعة متنوعة من أنماط الحياة. يعيش الأفراد من بعض الأنواع في مكان واحد فقط ويتصرفون بنفس الطريقة طوال حياتهم. هذا هو الحال بالنسبة لمعظم أنواع العوالق النباتية. العديد من أنواع الحيوانات البحرية تغير نمط حياتها بشكل منهجي طوال دورة حياتها. يمرون بمرحلة اليرقات ، ويتحولون إلى بالغين ، يتحولون إلى أسلوب حياة نيكتون أو يقودون نمط حياة مميز للكائنات القاعية. الأنواع الأخرى لاطئة أو قد لا تمر بمرحلة اليرقات على الإطلاق. بالإضافة إلى ذلك ، يعيش البالغون من العديد من الأنواع من وقت لآخر أسلوب حياة مختلف. على سبيل المثال ، يمكن للكركند إما الزحف على طول قاع البحر أو السباحة فوقه لمسافات قصيرة. يترك العديد من السرطانات جحورها الآمنة للقيام برحلات قصيرة للبحث عن الطعام ، حيث يزحفون أو يسبحون. تنتمي معظم أنواع الأسماك البالغة إلى كائنات نيكونية بحتة ، ولكن من بينها العديد من الأنواع التي تعيش بالقرب من القاع. على سبيل المثال ، تسبح الأسماك مثل سمك القد أو المفلطح بالقرب من القاع أو تستلقي عليها معظم الوقت. تسمى هذه الأسماك بأسماك القاع ، على الرغم من أنها تتغذى فقط على سطح رواسب القاع.
مع كل تنوع الكائنات البحرية ، تتميز جميعها بالنمو والتكاثر كخصائص متكاملة للكائنات الحية. في سياقها ، يتم تحديث جميع أجزاء الكائن الحي أو تعديلها أو تطويرها. للحفاظ على هذا النشاط ، يجب تصنيع المركبات الكيميائية ، أي ، تم إعادة إنشائه من مكونات أصغر وأبسط. في هذا الطريق، التوليف الكيميائي الحيوي هو أهم علامة على الحياة.
يتم إجراء التخليق الكيميائي الحيوي من خلال عدد من العمليات المختلفة. منذ أن يتم العمل ، كل عملية تحتاج إلى مصدر للطاقة. هذه هي في المقام الأول عملية التمثيل الضوئي ، والتي يتم خلالها تكوين جميع المركبات العضوية الموجودة في الكائنات الحية تقريبًا بسبب طاقة ضوء الشمس.
يمكن وصف عملية التمثيل الضوئي بالمعادلة المبسطة التالية:
ثاني أكسيد الكربون + H 2 O + الطاقة الحركية لأشعة الشمس \ u003d سكر + أكسجين ، أو ثاني أكسيد الكربون + ماء + ضوء الشمس \ u003d سكر + أكسجين
لفهم أساسيات وجود الحياة في البحر ، من الضروري معرفة السمات الأربع التالية لعملية التمثيل الضوئي:
فقط بعض الكائنات البحرية قادرة على التمثيل الضوئي ؛ وتشمل النباتات (الطحالب ، والأعشاب ، والدياتومات ، والكوكوليثوفورات) وبعض الجلود ؛
المواد الخام لعملية التمثيل الضوئي هي مركبات غير عضوية بسيطة (الماء وثاني أكسيد الكربون) ؛
ينتج التمثيل الضوئي الأكسجين ؛
يتم تخزين الطاقة في شكل كيميائي في جزيء السكر.
تستخدم كل من النباتات والحيوانات الطاقة الكامنة المخزنة في جزيئات السكر لأداء أهم وظائف الحياة.
وبالتالي ، فإن الطاقة الشمسية ، التي تمتصها في البداية نباتات خضراء وتخزن في جزيئات السكر ، يمكن استخدامها لاحقًا من قبل النبات نفسه أو بواسطة بعض الحيوانات التي تستهلك جزيء السكر هذا كجزء من الطعام. وبالتالي ، فإن كل أشكال الحياة على الكوكب ، بما في ذلك الحياة في المحيط ، تعتمد على تدفق الطاقة الشمسية ، التي يحتفظ بها المحيط الحيوي من خلال نشاط التمثيل الضوئي للنباتات الخضراء ويتم نقلها في شكل كيميائي كجزء من الغذاء من كائن حي إلى آخر. .
اللبنات الأساسية للمادة الحية هي ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين. هناك حاجة إلى الحديد والنحاس والكوبالت والعديد من العناصر الأخرى بكميات صغيرة. تتكون الأجزاء غير الحية المكونة للكائنات البحرية من مركبات السيليكون والكالسيوم والسترونشيوم والفوسفور. وبالتالي ، يرتبط الحفاظ على الحياة في المحيط بالاستهلاك المستمر للمادة. تتلقى النباتات المواد الضرورية مباشرة من مياه البحر ، وتتلقى الكائنات الحية ، بالإضافة إلى ذلك ، جزءًا من المواد في تكوين الغذاء.
اعتمادًا على مصادر الطاقة المستخدمة ، تنقسم الكائنات البحرية إلى نوعين رئيسيين: ذاتية التغذية (ذاتية التغذية) وغيرية التغذية (غيرية التغذية).
ذاتية التغذية ، أو الكائنات الحية "ذاتية الإنشاء" تخلق مركبات عضوية من المكونات غير العضوية لمياه البحر وتقوم بعملية التمثيل الضوئي باستخدام طاقة ضوء الشمس. ومع ذلك ، فإن الكائنات ذاتية التغذية مع أنماط التغذية الأخرى معروفة أيضًا. على سبيل المثال ، الكائنات الحية الدقيقة التي تصنع كبريتيد الهيدروجين (H 2S) وثاني أكسيد الكربون (CO 2) تستمد الطاقة ليس من تدفق الإشعاع الشمسي ، ولكن من بعض المركبات ، على سبيل المثال ، كبريتيد الهيدروجين. بدلاً من كبريتيد الهيدروجين ، يمكن استخدام النيتروجين (N 2) والكبريتات (SO 4) لنفس الغرض. هذا النوع من autotroph يسمى العلاج الكيماوي م روفام ش .
مغاير التغذية ("أولئك الذين يأكلون الآخرين") يعتمدون على الكائنات الحية التي يستخدمونها كغذاء. للعيش ، يجب أن يأكلوا إما الأنسجة الحية أو الميتة للكائنات الأخرى. توفر المواد العضوية في طعامهم الإمداد بكل الطاقة الكيميائية اللازمة للتخليق الكيميائي الحيوي المستقل والمواد الضرورية للحياة.
يتفاعل كل كائن بحري مع الكائنات الحية الأخرى ومع الماء نفسه وخصائصه الفيزيائية والكيميائية. يتشكل نظام التفاعلات هذا النظام البيئي البحري . أهم ميزة في النظام البيئي البحري هي نقل الطاقة والمادة ؛ في الواقع ، إنها نوع من "آلة" لإنتاج المواد العضوية.
تمتص النباتات الطاقة الشمسية وتنقل منها إلى الحيوانات والبكتيريا في شكل طاقة كامنة. السلسلة الغذائية الرئيسية . تتبادل مجموعات المستهلكين هذه ثاني أكسيد الكربون والمغذيات المعدنية والأكسجين مع النباتات. وبالتالي ، فإن تدفق المواد العضوية مغلق ومحافظ ؛ بين المكونات الحية للنظام ، تدور نفس المواد في الاتجاهين الأمامي والخلفي ، وتدخل مباشرة إلى هذا النظام أو تتجدد عبر المحيط. في النهاية ، يتم تبديد كل الطاقة الواردة في شكل حرارة نتيجة للعمليات الميكانيكية والكيميائية التي تحدث في المحيط الحيوي.
يصف الجدول 9 مكونات النظام البيئي ؛ يسرد العناصر الغذائية الأساسية التي تستخدمها النباتات ، ويتضمن المكون البيولوجي للنظام البيئي كل من المواد الحية والميتة. يتحلل هذا الأخير تدريجياً إلى جزيئات حيوية بسبب التحلل البكتيري.
بقايا حيوية تشكل حوالي نصف المادة الكلية للجزء البحري من المحيط الحيوي. معلقة في الماء ، مدفونة في رواسب القاع و ملتصقة بجميع الأسطح البارزة ، تحتوي على كمية كبيرة من الطعام. تتغذى بعض الحيوانات السطحية حصريًا على المواد العضوية الميتة ، وبالنسبة للعديد من السكان الآخرين ، فإنها تشكل أحيانًا جزءًا مهمًا من النظام الغذائي بالإضافة إلى العوالق الحية. ومع ذلك ، فإن المستهلكين الرئيسيين للمخلفات العضوية هم الكائنات القاعية.
يختلف عدد الكائنات الحية التي تعيش في البحر باختلاف المكان والزمان. تحتوي المياه الاستوائية الزرقاء للأجزاء المفتوحة من المحيطات على عدد أقل بكثير من العوالق والنيكتون مقارنة بالمياه الخضراء للسواحل. الكتلة الإجمالية لجميع الكائنات البحرية الحية (الكائنات الحية الدقيقة والنباتات والحيوانات) لكل وحدة مساحة أو حجم موطنها هو الكتلة الحيوية. عادة ما يتم التعبير عنها من حيث المادة الرطبة أو الجافة (جم / م 2 ، كجم / هكتار ، جم / م 3). تسمى الكتلة الحيوية النباتية الكتلة النباتية ، وتسمى الكتلة الحيوية الحيوانية الزومباس.
الدور الرئيسي في عمليات التكوين الجديد للمواد العضوية في المسطحات المائية ينتمي إلى الكائنات التي تحتوي على الكلوروفيل ، وخاصة العوالق النباتية. الإنتاج الأولي - نتيجة النشاط الحيوي للعوالق النباتية - يميز نتيجة عملية التمثيل الضوئي ، التي يتم خلالها تصنيع المادة العضوية من المكونات المعدنية للبيئة. تسمى النباتات التي تصنعه ن المنتجين الأساسيين . في البحر المفتوح ، تخلق جميع المواد العضوية تقريبًا.
الجدول 9
مكونات النظام البيئي البحري
في هذا الطريق، الإنتاج الأولي هي كتلة المادة العضوية المتكونة حديثًا خلال فترة زمنية معينة. مقياس الإنتاج الأولي هو معدل التكوين الجديد للمادة العضوية.
هناك إجمالي وصافي الإنتاج الأولي. يشير إجمالي الإنتاج الأولي إلى إجمالي كمية المادة العضوية التي تشكلت أثناء عملية التمثيل الضوئي. إن إجمالي الإنتاج الأولي فيما يتعلق بالعوالق النباتية هو مقياس لعملية التمثيل الضوئي ، لأنه يعطي فكرة عن كمية المادة والطاقة المستخدمة في المزيد من التحولات للمادة والطاقة في البحر. يشير صافي الإنتاج الأولي إلى ذلك الجزء من المادة العضوية التي تشكلت حديثًا والتي تبقى بعد إنفاقها على عملية التمثيل الغذائي والتي تظل متاحة مباشرة للاستخدام من قبل الكائنات الحية الأخرى في الماء كغذاء.
تسمى العلاقة بين الكائنات الحية المختلفة المرتبطة باستهلاك الغذاء غذائي . هم مفاهيم مهمة في بيولوجيا المحيطات.
يتم تمثيل المستوى الغذائي الأول بالعوالق النباتية. يتكون المستوى الغذائي الثاني من العوالق الحيوانية العاشبة. إجمالي الكتلة الحيوية المتكونة لكل وحدة زمنية في هذا المستوى هو المنتجات الثانوية للنظام البيئي. يتم تمثيل المستوى الغذائي الثالث بالحيوانات آكلة اللحوم ، أو الحيوانات المفترسة من المرتبة الأولى ، والحيوانات آكلة اللحوم. إجمالي الإنتاج في هذا المستوى يسمى التعليم العالي. يتكون المستوى الغذائي الرابع من الحيوانات المفترسة من المرتبة الثانية ، والتي تتغذى على الكائنات الحية ذات المستويات الغذائية المنخفضة. أخيرًا ، في المستوى الغذائي الخامس توجد حيوانات مفترسة من المرتبة الثالثة.
يجعل مفهوم المستويات الغذائية من الممكن الحكم على كفاءة النظام البيئي. يتم توفير الطاقة إما من الشمس أو كجزء من الطعام لكل مستوى غذائي. يتم تبديد نسبة كبيرة من الطاقة التي دخلت هذا المستوى أو ذاك ولا يمكن نقلها إلى مستويات أعلى. تشمل هذه الخسائر جميع الأعمال الفيزيائية والكيميائية التي تقوم بها الكائنات الحية للحفاظ على نفسها. بالإضافة إلى ذلك ، تستهلك الحيوانات ذات المستويات التغذوية الأعلى نسبة معينة فقط من المنتجات المتكونة عند المستويات الأدنى ؛ تموت بعض النباتات والحيوانات لأسباب طبيعية. نتيجة لذلك ، فإن كمية الطاقة التي يتم استخلاصها من أي مستوى غذائي بواسطة الكائنات الحية في مستوى أعلى من شبكة الغذاء أقل من كمية الطاقة التي دخلت المستوى الأدنى. تسمى نسبة كميات الطاقة المقابلة الكفاءة البيئية المستوى الغذائي وعادة ما يكون 0.1-0.2. قيم الكفاءة البيئية تستخدم المستويات الغذائية لحساب الإنتاج البيولوجي.
أرز. يوضح الشكل 41 في شكل مبسط التنظيم المكاني لتدفق الطاقة والمادة في المحيط الحقيقي. في المحيط المفتوح ، يتم فصل منطقة euphotic ، حيث يحدث التمثيل الضوئي ، والمناطق العميقة ، حيث يكون التمثيل الضوئي غائبًا ، بمسافة كبيرة. هذا يعني انه يؤدي نقل الطاقة الكيميائية إلى الطبقات العميقة من الماء إلى تدفق مستمر وكبير للمواد الحيوية (العناصر الغذائية) من المياه السطحية.
أرز. 41- الاتجاهات الرئيسية لتبادل الطاقة والمواد في المحيطات
وبالتالي ، فإن عمليات تبادل الطاقة والمواد في المحيط تشكل معًا مضخة بيئية تضخ العناصر الغذائية الرئيسية من طبقات السطح. إذا لم تعمل العمليات المعاكسة لتعويض هذا الخسارة للمادة ، فإن المياه السطحية للمحيطات ستُحرم من جميع العناصر الغذائية وستجف الحياة. لم تحدث هذه الكارثة فقط ، أولاً وقبل كل شيء ، بسبب الموجات الصاعدة ، التي تجلب المياه العميقة إلى السطح بمتوسط سرعة يبلغ حوالي 300 م / سنة. إن صعود المياه العميقة المشبعة بالعناصر الحيوية يكون شديدًا بشكل خاص بالقرب من السواحل الغربية للقارات ، بالقرب من خط الاستواء وعلى خطوط العرض العالية ، حيث ينهار الخط الحراري الموسمي ويغطي عمود مائي كبير بالاختلاط الحراري.
نظرًا لأن إجمالي إنتاج النظام البيئي البحري يتم تحديده من خلال قيمة الإنتاج على المستوى الغذائي الأول ، فمن المهم معرفة العوامل التي تؤثر عليه. تشمل هذه العوامل:
إضاءة الطبقة السطحية مياه المحيط؛
درجة حرارة الماء؛
إمداد السطح بالمغذيات ؛
معدل استهلاك (أكل) الكائنات النباتية.
إضاءة الطبقة السطحية للماء يحدد شدة عملية التمثيل الضوئي ، وبالتالي ، فإن كمية الطاقة الضوئية التي تدخل منطقة معينة من المحيط تحد من كمية الإنتاج العضوي. في بدوره ، يتم تحديد شدة الإشعاع الشمسي من خلال العوامل الجغرافية والأرصاد الجوية على وجه الخصوص ارتفاع الشمس فوق الأفق والغطاء السحابي. في الماء ، تتناقص شدة الضوء بسرعة مع العمق. نتيجة لذلك ، تقتصر منطقة الإنتاج الأولية على عشرات الأمتار العلوية. في المياه الساحلية ، التي تحتوي عادةً على مواد صلبة عالقة أكثر بكثير من مياه المحيطات المفتوحة ، يكون اختراق الضوء أكثر صعوبة.
درجة حرارة الماء يؤثر أيضًا على قيمة الإنتاج الأولي. في نفس شدة الضوء ، يتم تحقيق الحد الأقصى لمعدل التمثيل الضوئي بواسطة كل نوع من أنواع الطحالب فقط في نطاق درجة حرارة معينة. زيادة أو خفض درجة الحرارة بالنسبة لهذا الفاصل الزمني الأمثل يؤدي إلى انخفاض في إنتاج التمثيل الضوئي. ومع ذلك ، في معظم المحيط ، بالنسبة للعديد من أنواع العوالق النباتية ، تكون درجة حرارة الماء أقل من هذا المستوى الأمثل. لذلك ، يؤدي الاحترار الموسمي للماء إلى زيادة معدل التمثيل الضوئي. لوحظ الحد الأقصى لمعدل التمثيل الضوئي في أنواع مختلفة من الطحالب عند حوالي 20 درجة مئوية.
لوجود نباتات بحرية ضرورية العناصر الغذائية - العناصر الكلية والميكروبيوجينية. الكائنات الحية الدقيقة - النيتروجين والفوسفور والسيليكون والمغنيسيوم والكالسيوم والبوتاسيوم مطلوبة بكميات كبيرة نسبيًا. تشتمل الميكروبيوجينات ، أي العناصر المطلوبة بكميات قليلة ، على الحديد والمنغنيز والنحاس والزنك والبورون والصوديوم والموليبدينوم والكلور والفاناديوم.
يحتوي الماء على النيتروجين والفوسفور والسيليكون بكميات صغيرة لا تلبي احتياجات النباتات وتحد من كثافة التمثيل الضوئي.
النيتروجين والفوسفور ضروريان لبناء المادة الخلوية ، بالإضافة إلى الفوسفور يشارك في عمليات الطاقة. هناك حاجة إلى النيتروجين أكثر من الفوسفور ، حيث أن نسبة "النيتروجين: الفوسفور" في النباتات تقارب 16: 1. وعادة ما تكون هذه هي نسبة تراكيز هذه العناصر في مياه البحر. ومع ذلك ، في المياه الساحلية ، تكون عمليات استعادة النيتروجين (أي العمليات التي يتم بها إعادة النيتروجين إلى الماء في شكل مناسب لاستهلاك المصنع) أبطأ من عمليات استعادة الفوسفور. لذلك ، في العديد من المناطق الساحلية ، ينخفض محتوى النيتروجين بالنسبة لمحتوى الفوسفور ، ويعمل كعنصر يحد من كثافة التمثيل الضوئي.
يتم استهلاك السيليكون بكميات كبيرة من قبل مجموعتين من الكائنات الحية النباتية - الدياتومات والسوطيات (السوطيات) ، والتي تبني هياكلها العظمية منه. في بعض الأحيان يستخرجون السيليكون من المياه السطحية بسرعة كبيرة بحيث يبدأ النقص الناتج في السيليكون في الحد من تطورهم. نتيجة لذلك ، بعد التفشي الموسمي للعوالق النباتية المستهلكة للسيليكون ، يبدأ التطور السريع للأشكال "غير السيليسية" من العوالق النباتية.
استهلاك (أكل) العوالق النباتية تؤثر العوالق الحيوانية على الفور على قيمة الإنتاج الأولي ، لأن كل نبات يؤكل لن ينمو ويتكاثر. وبالتالي ، فإن كثافة الرعي هي أحد العوامل التي تؤثر على معدل إنتاج المنتجات الأولية. في حالة التوازن ، يجب أن تكون شدة الرعي بحيث تظل الكتلة الحيوية للعوالق النباتية عند مستوى ثابت. مع زيادة الإنتاج الأولي ، يمكن أن تؤدي زيادة أعداد العوالق الحيوانية أو كثافة الرعي إلى إعادة توازن هذا النظام نظريًا. ومع ذلك ، فإن تكاثر العوالق الحيوانية يستغرق وقتًا. لذلك ، حتى مع ثبات العوامل الأخرى ، لا يتم تحقيق حالة الاستقرار أبدًا ، ويتقلب عدد كائنات الحيوانات والعوالق النباتية حول مستوى معين من التوازن.
الإنتاجية البيولوجية لمياه البحر يتغير بشكل ملحوظ في الفضاء. وتشمل المناطق ذات الإنتاجية المرتفعة الجروف القارية والمحيطات المفتوحة ، حيث يؤدي ارتفاع منسوب المياه إلى إثراء المياه السطحية بالمغذيات. يتم تحديد الإنتاجية العالية لمياه الرفوف أيضًا من خلال حقيقة أن مياه الجرف الضحلة نسبيًا تكون أكثر دفئًا وإضاءة بشكل أفضل. تأتي مياه الأنهار الغنية بالمغذيات هنا أولاً وقبل كل شيء. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تجديد إمدادات العناصر الحيوية من خلال تحلل المواد العضوية في قاع البحر. وفي المحيط المفتوح ، تكون مساحة المناطق ذات الإنتاجية العالية غير ذات أهمية ، لأنه يتم تتبع الدوامات المضادة للإعصار المدارية ذات النطاق الكوكبي ، والتي تتميز بعمليات هبوط المياه السطحية.
تقتصر مناطق المياه في المحيطات المفتوحة ذات الإنتاجية الأكبر على خطوط العرض العليا ؛ تتطابق حدودها الشمالية والجنوبية عادةً مع خط العرض 50 0 في نصفي الكرة الأرضية. يؤدي تبريد الخريف والشتاء هنا إلى حركات حمل قوية وإزالة العناصر الحيوية من الطبقات العميقة إلى السطح. ومع ذلك ، مع مزيد من التقدم إلى خطوط العرض العالية ، ستبدأ الإنتاجية في الانخفاض بسبب الهيمنة المتزايدة لدرجات الحرارة المنخفضة ، وتدهور الإضاءة بسبب الارتفاع المنخفض للشمس فوق الأفق والغطاء الجليدي.
المناطق ذات الإنتاجية العالية هي مناطق ارتفاع منسوب المياه الساحلية الشديدة في منطقة التيارات الحدودية في الأجزاء الشرقية من المحيطات قبالة سواحل بيرو وأوريغون والسنغال وجنوب غرب إفريقيا.
في جميع مناطق المحيط ، هناك تباين موسمي في قيمة الإنتاج الأولي. ويرجع ذلك إلى الاستجابات البيولوجية لكائنات العوالق النباتية للتغيرات الموسمية في الظروف الفيزيائية لموائلها ، وخاصة الإضاءة وقوة الرياح ودرجة حرارة الماء. تعتبر أكبر التناقضات الموسمية نموذجية لبحار المنطقة المعتدلة. بسبب الجمود الحراري للمحيطات ، تتأخر التغيرات في درجة حرارة المياه السطحية عن التغيرات في درجة حرارة الهواء ، وبالتالي ، في نصف الكرة الشمالي ، لوحظت درجة حرارة المياه القصوى في أغسطس ، والحد الأدنى في فبراير. بحلول نهاية فصل الشتاء ، نتيجة لانخفاض درجات حرارة المياه وانخفاض وصول الإشعاع الشمسي الذي يخترق المياه ، انخفض عدد الدياتومات والسوطيات بشكل كبير. وفي الوقت نفسه ، بسبب البرودة الشديدة والعواصف الشتوية ، تختلط المياه السطحية بالحمل الحراري على عمق كبير. يؤدي صعود المياه العميقة الغنية بالمغذيات إلى زيادة محتواها في الطبقة السطحية. مع ارتفاع درجة حرارة المياه وزيادة الإضاءة ، يتم إنشاء الظروف المثلى لتطوير الدياتومات ويلاحظ انتشار عدد الكائنات الحية العوالق النباتية.
في بداية الصيف ، على الرغم من ظروف درجة الحرارة والإضاءة المثلى ، يؤدي عدد من العوامل إلى انخفاض عدد الدياتومات. أولاً ، يتم تقليل كتلتها الحيوية بسبب الرعي بواسطة العوالق الحيوانية. ثانيًا ، بسبب تسخين المياه السطحية ، يتم إنشاء طبقات قوية تمنع الخلط الرأسي ، وبالتالي إزالة المياه العميقة الغنية بالمغذيات إلى السطح. يتم إنشاء الظروف المثلى في هذا الوقت لتطوير الدينوفلاجيلات والأشكال الأخرى من العوالق النباتية التي لا تحتاج إلى السيليكون لبناء هيكل عظمي. في الخريف ، عندما تكون الإضاءة لا تزال كافية لعملية التمثيل الضوئي ، يتم تدمير الخط الحراري بسبب تبريد المياه السطحية ، ويتم خلق ظروف للخلط الحراري. تبدأ المياه السطحية في التجديد بالمغذيات من الطبقات العميقة من المياه ، وتزداد إنتاجيتها ، خاصة فيما يتعلق بتطور الدياتومات. مع مزيد من الانخفاض في درجة الحرارة والإضاءة ، تنخفض وفرة الكائنات الحية النباتية من جميع الأنواع إلى مستوى شتاء منخفض. في نفس الوقت ، العديد من أنواع الكائنات الحية تدخل في تحنيط ، بمثابة "بذرة" لتفشي الربيع في المستقبل.
في خطوط العرض المنخفضة ، تكون التغييرات في الإنتاجية صغيرة نسبيًا وتعكس بشكل أساسي التغييرات في الدوران الرأسي. دائمًا ما تكون المياه السطحية دافئة جدًا ، وتتمثل ميزتها الدائمة في خط حراري واضح. ونتيجة لذلك ، فإن إزالة المياه العميقة الغنية بالمغذيات من تحت الخط الحراري إلى الطبقة السطحية أمر مستحيل. لذلك ، على الرغم من الظروف الأخرى المواتية ، وبعيدًا عن مناطق ارتفاع المياه في البحار الاستوائية ، لوحظ انخفاض الإنتاجية.
يمثل التمثيل الضوئي أساس كل أشكال الحياة على كوكبنا. تحدد هذه العملية ، التي تحدث في النباتات البرية والطحالب وأنواع عديدة من البكتيريا ، وجود جميع أشكال الحياة تقريبًا على الأرض ، وتحويل ضوء الشمس إلى طاقة رابطة كيميائية ، ثم يتم نقلها خطوة بخطوة إلى قمم العديد من سلاسل الغذاء.
على الأرجح ، أدت نفس العملية في وقت واحد إلى زيادة حادة في الضغط الجزئي للأكسجين في الغلاف الجوي للأرض وانخفاض في نسبة ثاني أكسيد الكربون ، مما أدى في النهاية إلى ازدهار العديد من الكائنات الحية المنظمة بشكل معقد. وحتى الآن ، وفقًا للعديد من العلماء ، فإن عملية التمثيل الضوئي هي وحدها القادرة على كبح جماح هجمة ثاني أكسيد الكربون المنبعثة في الهواء نتيجة الاحتراق اليومي لملايين الأطنان من أنواع مختلفة من الوقود الهيدروكربوني بواسطة البشر.
يجبرنا اكتشاف جديد قام به علماء أمريكيون على إلقاء نظرة جديدة على عملية التمثيل الضوئي
أثناء عملية التمثيل الضوئي "العادية" ، يتم إنتاج هذا الغاز الحيوي "كمنتج ثانوي". في الوضع العادي ، هناك حاجة إلى "مصانع" التمثيل الضوئي لربط ثاني أكسيد الكربون وإنتاج الكربوهيدرات ، والتي تعمل لاحقًا كمصدر للطاقة في العديد من العمليات داخل الخلايا. تذهب الطاقة الضوئية في هذه "المصانع" إلى تحلل جزيئات الماء ، حيث يتم إطلاق الإلكترونات اللازمة لتثبيت ثاني أكسيد الكربون والكربوهيدرات. يؤدي هذا التحلل أيضًا إلى إطلاق الأكسجين O 2.
في العملية المكتشفة حديثًا ، يتم استخدام جزء صغير فقط من الإلكترونات المنبعثة أثناء تحلل الماء لاستيعاب ثاني أكسيد الكربون. يذهب نصيب الأسد منهم أثناء العملية العكسية إلى تكوين جزيئات الماء من الأكسجين "المنطلق حديثًا". في الوقت نفسه ، لا يتم تخزين الطاقة المحولة أثناء عملية التمثيل الضوئي المكتشفة حديثًا في شكل كربوهيدرات ، ولكنها تذهب مباشرة إلى مستهلكي الطاقة الحيوية داخل الخلايا. ومع ذلك ، تظل الآلية التفصيلية لهذه العملية لغزا.
من الخارج ، قد يبدو أن مثل هذا التعديل في عملية التمثيل الضوئي هو مضيعة للوقت والطاقة من الشمس. من الصعب تصديق أنه في الطبيعة الحية ، حيث على مدى مليارات السنين من التجربة والخطأ التطوريين ، تبين أن كل شيء صغير فعال للغاية ، يمكن أن تكون هناك عملية ذات كفاءة منخفضة.
ومع ذلك ، يتيح لك هذا الخيار حماية الجهاز المعقد والهش لعملية التمثيل الضوئي من التعرض المفرط لأشعة الشمس.
الحقيقة هي أن عملية التمثيل الضوئي في البكتيريا لا يمكن إيقافها ببساطة في غياب المكونات الضرورية في البيئة. طالما أن الكائنات الحية الدقيقة تتعرض للإشعاع الشمسي ، فإنها تضطر إلى تحويل طاقة الضوء إلى طاقة الروابط الكيميائية. في حالة عدم وجود المكونات الضرورية ، يمكن أن يؤدي التمثيل الضوئي إلى تكوين جذور حرة ضارة بالخلية بأكملها ، وبالتالي لا تستطيع البكتيريا الزرقاء الاستغناء عن خيار النسخ الاحتياطي لتحويل طاقة الفوتون من الماء إلى الماء.
لوحظ بالفعل هذا التأثير المتمثل في تقليل تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى كربوهيدرات وانخفاض إطلاق الأكسجين الجزيئي في سلسلة من الدراسات الحديثة في الظروف الطبيعية للمحيطين الأطلسي والهادئ. كما اتضح ، لوحظ انخفاض محتوى العناصر الغذائية وأيونات الحديد في ما يقرب من نصف مناطق المياه الخاصة بهم. بالتالي،
يتم تحويل ما يقرب من نصف طاقة ضوء الشمس القادمة إلى سكان هذه المياه لتجاوز الآلية المعتادة لامتصاص ثاني أكسيد الكربون وإطلاق الأكسجين.
وهذا يعني أن مساهمة التغذية الذاتية البحرية في امتصاص ثاني أكسيد الكربون كانت في السابق مبالغة في تقديرها بشكل كبير.
بصفته جو بوري ، عضو قسم البيئة العالمية في معهد كارنيجي ، سيغير الاكتشاف الجديد فهمنا لكيفية معالجة الطاقة الشمسية في الخلايا الميكروبية البحرية. ووفقًا له ، لم يكتشف العلماء بعد آلية العملية الجديدة ، ولكن حتى الآن سيجبرنا وجودها على إلقاء نظرة مختلفة على التقديرات الحديثة لمقياس امتصاص التمثيل الضوئي لثاني أكسيد الكربون في مياه العالم.