تدفق الطاقة (النظام البيئي): التعريف والعملية والأمثلة

ان النظام البيئي يُعرَّف بأنه مجتمع من الكائنات الحية المختلفة التي تتفاعل مع بعضها البعض ومع بيئتها في منطقة معينة. إنها تمثل جميع التفاعلات والعلاقات بين كليهما حيوي (حي) و لا حيوي عوامل (غير حية).

الطاقة هي ما يدفع النظام البيئي إلى الازدهار. وبينما كل شيء المادة محفوظة في نظام بيئي ، طاقة يطفو من خلال نظام بيئي ، مما يعني أنه غير محفوظ. تدخل الطاقة جميع النظم البيئية كأشعة الشمس وتضيع تدريجياً كحرارة تعود إلى البيئة.

ومع ذلك ، قبل أن تتدفق الطاقة من النظام البيئي كحرارة ، فإنها تتدفق بين الكائنات الحية في عملية تسمى تدفق الطاقة. إنه تدفق الطاقة هذا الذي يأتي من الشمس ثم ينتقل من كائن حي إلى كائن حي هو أساس جميع التفاعلات والعلاقات داخل النظام البيئي.

تعريف تدفق الطاقة هو نقل الطاقة من الشمس وما فوق كل مستوى لاحق من السلسلة الغذائية في البيئة.

يتدفق كل مستوى من مستويات الطاقة على سلسلة غذائية في النظام البيئي يتم تحديده من خلال المستوى الغذائي ، والذي يشير إلى الموضع الذي يشغله كائن حي معين أو مجموعة من الكائنات الحية في السلسلة الغذائية. بداية السلسلة ، التي ستكون في أسفل هرم الطاقة ، هي

يعتبر المستوى التالي للأعلى في السلسلة الغذائية / هرم الطاقة هو المستوى الغذائي الثاني، والتي عادة ما يشغلها نوع من المستهلك الأساسي مثل العاشبة التي تأكل النباتات أو الطحالب. كل خطوة لاحقة في السلسلة الغذائية تعادل مستوى غذائي جديد.

إلى جانب المستويات الغذائية ، هناك بعض المصطلحات الأخرى التي تحتاج إلى معرفتها لفهم تدفق الطاقة.

الكتلة الحيوية:الكتلة الحيوية هي مادة عضوية أو مادة عضوية. الكتلة الحيوية هي المادة العضوية الفيزيائية التي يتم تخزين الطاقة فيها ، مثل الكتلة التي تتكون منها النباتات والحيوانات.

إنتاجية: الإنتاجية هي المعدل الذي يتم فيه دمج الطاقة في أجسام الكائنات الحية ككتلة حيوية. يمكنك تحديد الإنتاجية لجميع المستويات التغذوية. على سبيل المثال، خبرات إنتاجية هي إنتاجية المنتجين الأساسيين في النظام البيئي.

الإنتاجية الأولية الإجمالية (GPP): GPP هو معدل التقاط الطاقة من الشمس في جزيئات الجلوكوز. يقيس بشكل أساسي مقدار الطاقة الكيميائية الإجمالية التي يولدها المنتجون الأوليون في النظام البيئي.

صافي الإنتاجية الأولية (NPP): يقيس NPP أيضًا مقدار الطاقة الكيميائية التي يولدها المنتجون الأوليون ، ولكنه يأخذ أيضًا في الاعتبار الطاقة المفقودة بسبب احتياجات التمثيل الغذائي من قبل المنتجين أنفسهم. لذلك ، NPP هو المعدل الذي يتم عنده التقاط الطاقة من الشمس وتخزينها كمواد كتلة حيوية ، وهي تساوي كمية الطاقة المتاحة للكائنات الأخرى في النظام البيئي. NPP هو دائما كمية أقل من GPP.

يختلف NPP اعتمادًا على النظام البيئي. يعتمد على متغيرات مثل:

• ضوء الشمس المتاح.
• العناصر الغذائية في النظام البيئي.
• جودة التربة.
• درجة حرارة.
• رطوبة.
• كو₂ المستويات.
  

تدخل الطاقة إلى النظم البيئية كأشعة الشمس وتتحول إلى طاقة كيميائية قابلة للاستخدام من قبل المنتجين مثل النباتات الأرضية والطحالب والبكتيريا الضوئية. بمجرد دخول هذه الطاقة إلى النظام البيئي عن طريق التمثيل الضوئي وتحويلها إلى كتلة حيوية من قبل هؤلاء المنتجين ، تتدفق الطاقة عبر السلسلة الغذائية عندما تأكل الكائنات الحية الكائنات الحية الأخرى.

يستخدم العشب التمثيل الضوئي ، والخنفساء تأكل العشب ، والطيور يأكل الخنفساء وما إلى ذلك.

مع تقدمك في المستويات الغذائية والاستمرار على طول السلسلة الغذائية ، لا يكون تدفق الطاقة فعالاً بنسبة 100٪. فقط حوالي 10 في المائة من الطاقة المتاحة تجعلها من مستوى غذائي إلى المستوى الغذائي التالي ، أو من كائن حي إلى آخر. تُفقد بقية هذه الطاقة المتاحة (حوالي 90 بالمائة من تلك الطاقة) كحرارة.

تنخفض الإنتاجية الصافية لكل مستوى بمعامل 10 كلما تقدمت في كل مستوى غذائي.

لماذا لا يكون هذا النقل فعالاً بنسبة 100٪؟ هناك ثلاثة أسباب رئيسية:

1. لا يتم استهلاك كل الكائنات الحية من كل مستوى غذائي: فكر في الأمر بهذه الطريقة: يبلغ صافي الإنتاجية الأولية كل الطاقة المتاحة للكائنات الحية في نظام بيئي يوفرها المنتجون لتلك الكائنات في مستويات غذائية أعلى. من أجل الحصول على كل هذه الطاقة تتدفق من هذا المستوى إلى المستوى التالي ، فهذا يعني أنه يجب استهلاك كل هؤلاء المنتجين. كل نصل من العشب ، كل قطعة ميكروسكوبية من الطحالب ، كل ورقة ، كل زهرة وما إلى ذلك. هذا لا يحدث ، مما يعني أن بعض هذه الطاقة لا تتدفق من هذا المستوى إلى المستويات الغذائية الأعلى.

2. لا يمكن نقل كل الطاقة من مستوى إلى آخر: السبب الثاني لعدم كفاءة تدفق الطاقة هو أن بعض الطاقة غير قادرة على النقل وبالتالي يتم فقدها. على سبيل المثال ، لا يستطيع البشر هضم السليلوز. على الرغم من أن هذا السليلوز يحتوي على طاقة ، إلا أن الناس لا يستطيعون هضمه والحصول على الطاقة منه ، ويفقد على أنه "فضلات" (ويعرف أيضًا باسم البراز).

هذا صحيح بالنسبة لجميع الكائنات الحية: هناك خلايا وأجزاء معينة من المادة لا يمكنها هضمها والتي سيتم إخراجها على شكل نفايات / تفقد كحرارة. لذا ، حتى لو كانت الطاقة المتوفرة في قطعة من الطعام هي كمية واحدة ، فمن المستحيل على الكائن الحي الذي يأكلها الحصول على كل وحدة من الطاقة المتاحة داخل هذا الطعام. سيضيع دائمًا بعض هذه الطاقة.

3. يستخدم التمثيل الغذائي الطاقة: أخيرًا ، تستهلك الكائنات الحية الطاقة لـ عمليات التمثيل الغذائي مثل التنفس الخلوي. يتم استهلاك هذه الطاقة ولا يمكن نقلها بعد ذلك إلى المستوى الغذائي التالي.

يمكن وصف تدفق الطاقة من خلال سلاسل الغذاء بأنه نقل الطاقة من كائن حي إلى آخر ، بدءًا من المنتجين وانتقالًا إلى السلسلة حيث يتم استهلاك الكائنات الحية من قبل بعضها البعض. هناك طريقة أخرى لعرض هذا النوع من السلاسل أو ببساطة لعرض المستويات الغذائية من خلال أهرامات الغذاء / الطاقة.

نظرًا لأن تدفق الطاقة غير فعال ، فإن أدنى مستوى في السلسلة الغذائية يكون دائمًا هو الأكبر من حيث كل من الطاقة والكتلة الحيوية. هذا هو سبب ظهوره في قاعدة الهرم. هذا هو المستوى الأكبر. كلما تقدمت في كل مستوى غذائي أو كل مستوى من مستويات الهرم الغذائي ، تنخفض كل من الطاقة والكتلة الحيوية ، ولهذا السبب تضيق المستويات في العدد وتضيق بصريًا وأنت تتحرك لأعلى الهرم.

فكر في الأمر بهذه الطريقة: تفقد 90 بالمائة من كمية الطاقة المتاحة كلما تقدمت في كل مستوى. يتدفق 10 في المائة فقط من الطاقة على طول ، وهو ما لا يمكنه دعم العديد من الكائنات الحية مثل المستوى السابق. ينتج عن هذا طاقة أقل وكتلة حيوية أقل في كل مستوى.

وهذا يفسر سبب وجود عدد أكبر من الكائنات الحية في أسفل السلسلة الغذائية (مثل العشب والحشرات والأسماك الصغيرة ، على سبيل المثال) وعدد أقل بكثير من الكائنات الحية في الجزء العلوي من السلسلة الغذائية (مثل الدببة والحيتان والأسود ، على سبيل المثال).

فيما يلي سلسلة عامة لكيفية تدفق الطاقة في نظام بيئي:

1. تدخل الطاقة إلى النظام البيئي عبر ضوء الشمس طاقة شمسية.
2. المنتجين الأساسيين (ويعرف أيضًا باسم المستوى الغذائي الأول) يحول الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية عن طريق التمثيل الضوئي. ومن الأمثلة الشائعة نباتات الأرض والبكتيريا التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي والطحالب. هؤلاء المنتجون عبارة عن مركبات ذاتية التغذية ضوئية ، مما يعني أنهم يصنعون جزيئاتهم الغذائية / العضوية باستخدام طاقة الشمس وثاني أكسيد الكربون.
3. بعض من تلك الطاقة الكيميائية التي ينتجها المنتجون هي إذن دمجها في المسألة التي تشكل هؤلاء المنتجين. يُفقد الباقي كحرارة ويستخدم في عملية التمثيل الغذائي لتلك الكائنات الحية.
4. ثم يتم استهلاكها بواسطة المستهلكين الأساسيين (الملقب ، المستوى الغذائي الثاني). ومن الأمثلة الشائعة الحيوانات العاشبة والحيوانات آكلة اللحوم التي تأكل النباتات. يتم نقل الطاقة المخزنة في مادة تلك الكائنات الحية إلى المستوى الغذائي التالي. يتم فقدان بعض الطاقة على شكل حرارة وكنفايات.
5. يشمل المستوى الغذائي التالي المستهلكين / الحيوانات المفترسة الأخرى التي ستأكل الكائنات الحية في المستوى الغذائي الثاني (المستهلكون الثانويون والمستهلكون من الدرجة الثالثة وما إلى ذلك). مع كل خطوة ترتقي بها في السلسلة الغذائية ، تفقد بعض الطاقة.
6. عندما تموت الكائنات الحية ، المحللات مثل الديدان والبكتيريا والفطريات تعمل على تفكيك الكائنات الحية الميتة وإعادة تدوير العناصر الغذائية في النظام البيئي والحصول على الطاقة لأنفسهم. كما هو الحال دائمًا ، لا تزال بعض الطاقة تُفقد كحرارة.

بدون المنتجين ، لن تكون هناك طريقة لدخول أي كمية من الطاقة إلى النظام البيئي بشكل قابل للاستخدام. يجب أن تدخل الطاقة باستمرار إلى النظام البيئي عبر ضوء الشمس وهؤلاء المنتجين الأساسيين ، وإلا ستنهار الشبكة / السلسلة الغذائية بأكملها في النظام البيئي وتتوقف عن الوجود.

النظم الإيكولوجية للغابات المعتدلة هي مثال رائع لعرض كيفية عمل تدفق الطاقة.

يبدأ كل شيء بالطاقة الشمسية التي تدخل النظام البيئي. سيتم استخدام ضوء الشمس بالإضافة إلى ثاني أكسيد الكربون من قبل عدد من المنتجين الأساسيين في بيئة الغابات ، بما في ذلك:

• الأشجار (مثل القيقب والبلوط والرماد والصنوبر).
• أعشاب.
• فاينز.
• الطحالب في البرك / الجداول.

يأتي بعد ذلك المستهلكون الأساسيون. في الغابة المعتدلة ، قد يشمل ذلك الحيوانات العاشبة مثل الغزلان والحشرات العاشبة المختلفة والسناجب والسنجاب والأرانب وغير ذلك. هذه الكائنات الحية تأكل المنتجين الأساسيين وتدمج طاقتها في أجسامها. يتم فقدان بعض الطاقة على شكل حرارة ونفايات.

ثم يأكل المستهلكون الثانويون والثالثيون تلك الكائنات الحية الأخرى. في الغابة المعتدلة ، يشمل ذلك حيوانات مثل الراكون ، والحشرات المفترسة ، والثعالب ، والذئاب ، والذئاب ، والدببة ، والطيور الجارحة.

عندما تموت أي من هذه الكائنات ، تحلل المُحلِّلات أجسام الكائنات الميتة ، وتتدفق الطاقة إلى المُحلِّلات. في الغابة المعتدلة ، قد يشمل ذلك الديدان والفطريات وأنواع مختلفة من البكتيريا.

يمكن توضيح مفهوم "تدفق الطاقة" الهرمي من خلال هذا المثال أيضًا. معظم الطاقة والكتلة الحيوية المتاحة هي في أدنى مستوى من هرم الغذاء / الطاقة: المنتجون في شكل نباتات مزهرة ، أعشاب ، شجيرات وأكثر. يقع المستوى الذي يحتوي على أقل طاقة / كتلة حيوية في أعلى سلسلة الهرم / الغذاء في شكل مستهلكين رفيعي المستوى مثل الدببة والذئاب.

في حين النظم البيئية البحرية مثل الشعاب المرجانية مختلفة تمامًا عن النظم البيئية الأرضية مثل الغابات المعتدلة ، يمكنك أن ترى كيف يعمل مفهوم تدفق الطاقة بالطريقة نفسها بالضبط.

المنتجون الأساسيون في بيئة الشعاب المرجانية هم في الغالب عوالق مجهرية ، كائنات مجهرية شبيهة بالنبات توجد في المرجان وتطفو بحرية في الماء حول الشعاب المرجانية. من هناك ، تستهلك العديد من الأسماك والرخويات وغيرها من الكائنات العاشبة ، مثل قنافذ البحر التي تعيش في الشعاب المرجانية ، هؤلاء المنتجين (معظمهم من الطحالب في هذا النظام البيئي) للحصول على الطاقة.

ثم تتدفق الطاقة إلى المستوى الغذائي التالي ، والذي سيكون في هذا النظام البيئي أسماكًا مفترسة أكبر مثل أسماك القرش والباراكودا جنبًا إلى جنب مع ثعبان البحر وسمك النهاش وأشعة اللدغة والحبار والمزيد.

توجد المُحلِّلات في الشعاب المرجانية أيضًا. تتضمن بعض الأمثلة ما يلي:

• خيار البحر.
• الأنواع البكتيرية.
• جمبري.
• نجم البحر هش.
• أنواع مختلفة من السلطعون (على سبيل المثال ، سلطعون الديكور).

يمكنك أيضًا رؤية مفهوم الهرم مع هذا النظام البيئي. توجد معظم الطاقة والكتلة الحيوية المتاحة في المستوى الغذائي الأول وأدنى مستوى من الهرم الغذائي: المنتجون على شكل طحالب وكائنات مرجانية. المستوى الأقل طاقة والكتلة الحيوية المتراكمة في القمة في شكل مستهلكين رفيعي المستوى مثل أسماك القرش.