خصائص الكائنات الحية ووظائفها الحيوية وتفاعلاتها مع البيئة

تفاعلات الكائنات الحية مع البيئة

تضم البيئة العديد من الكائنات الحية، بدءا من الفيروسات والبكتيريا الصغيرة وصولا إلى الحيتان الزرقاء التي تزن 200 طن، والفطريات التي تنتشر على مساحات واسعة تحت الأرض. هذا التنوع الحيوي على الأرض قد استمر منذ آلاف السنين، ويتميز بتنوع الحياة وتكاثر الكائنات المختلفة. يتأثر كل كائن حي ببيئته ويؤثر فيها بدوره. يقوم علماء البيئة بدراسة التفاعلات بين الكائنات الحية والبيئة عبر النظم البيئية المختلفة، بدءا من المجتمعات الميكروبية وصولا إلى الأرض بأكملها

يقدر العلماء أن هناك ما بين خمسة إلى خمسين مليون نوع من الكائنات الحية على الأرض، وتم تسمية أقل من مليوني منها رسميا في مايو 1988، وهناك العديد من الكائنات الحية الصغيرة، وهناك أمثلة على تكيف الحيوانات في البيئة، مثل الميكروبات التي تعيش في كل شقوق الأرض تقريبا والديدان الصغيرة التي تساعد في بناء التربة، والحشرات التي تقضي حياتها كلها في قمم الأشجار، بالإضافة إلى هذه الكائنات الصغيرة الأخرى

كما تتعايش أنواع أكبر وأكثر بهرجة وجذبت انتباه الإنسان على مر العصور مثل نباتات وفطريات متعددة الخلايا وطيور وزواحف وبرمائيات وثدييات أخرى وهذه الأنواع بالإضافة إلى العديد من الأنواع الصغيرة  هي مستهلكات تعتمد في الحصول على القوت على المركبات الكيميائية الحيوية النشطة المتولدة من الطاقة الضوئية عن طريق أنواع المنتج التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي أو من التفاعلات الكيميائية غير العضوية بواسطة أنواع التخليق الكيميائي

هناك تنوع كبير في الكائنات التي تعيش على الأرض، تتراوح من البكتيريا الزرقاء إلى الأشجار الضخمة في الغابات المطيرة، وتغطي النباتات جزءا كبيرا من سطح الأرض وتعمل على توفير بيئة للكائنات الحية المتفاعلة وتنظيم تبادل الطاقة والمواد الكيميائية مع الغلاف الجوي

بالإضافة إلى تعدد المغذيات في النظم الأرضية في البحيرات والمحيطات، يساعد الإنتاج الأولي الإضافي من العوالق النباتية والطحالب في دعم مجتمعات كبيرة من العوالق الحيوانية والأسماك والثدييات البحرية والطيور. ومع مرور الوقت، تعاد المغذيات من المحيطات إلى اليابسة عن طريق تحركات الكائنات الحية أو التبادل الغازي في الغلاف الجوي أو العمليات الجيولوجية البطيئة مثل ارتفاع رواسب المحيطات (Schlesinger 1997).

البيئة تشكل الكائنات الحية

تتواجد الكائنات الحية في جميع البيئات على سطح الأرض، بدءا من الينابيع الساخنة في أعماق أقاصي المحيطات إلى الجليد في القطب الشمالي، وتوفر كل بيئة مجموعة من الموارد والقيود التي تشكل النوعية الفريدة للكائنات التي تعيش فيها، وتحدد الاستراتيجيات التي تستخدمها تلك الكائنات للبقاء والتكاثر، وهي الوحدة الأساسية للكائنات الحية التي تنشأ في أنماط الاختلاف البيئي الناتجة عن حركة كوكبنا حول الشمس

تتوزع أشعة الشمس على المناطق المدارية حيث يكون الاشعاع الشمسي غزيرا طوال العام ودرجات الحرارة تكون دافئة، وتقوم النباتات بعملية التمثيل الضوئي باستمرار طالما توفرت المياه والمواد الغذائية. أما في المناطق القطبية فتكون أشعة الشمس محدودة موسميا وتكون درجات الحرارة أقل بكثير، ولذلك قد يتوقف التمثيل الضوئي عند النباتات في تلك المناطق عندما ينقطع الماء والمواد الغذائية. وهناك بعض الكائنات الحية التي تتأقلم لفترات طويلة عندما يتوقف التمثيل الضوئي، وهناك حيوانات تهرب عند الخوف من توقف التمثيل الضوئي

تؤثر الموارد البيئية والقيود على الهيكل والوظيفة الفسيولوجية للكائنات الحية من خلال النظم البيئية. وهي واحدة من أقدم المكونات البيئية الموروثة على الأرض. تحتوي الموارد البيئية على مجموعة من العناصر الكيميائية التي تم توريثها على الأرض، بما في ذلك ذرات الكربون التي تنتجها النجوم في فترة طويلة قبل تشكل شمسنا. تمتلك تلك الذرات الكربونية القدرة الفريدة على تكوين روابط رباعية الاتجاهات مع عناصر أخرى. تعتبر الكربون عمودا فقريا لجميع الجزيئات العضوية التي تشكل الحياة

النيتروجين والفوسفور هما عنصران أساسيان في الكائنات الحية، حيث يلعبان دورا رئيسيا في تكوين البروتينات والأحماض النووية والمركبات النشطة. وغالبا ما تكون هذه العناصر غير متاحة بشكل دائم للكائنات الحية، مما يقيد بقوة استراتيجيات البقاء الحيوية. على سبيل المثال، يشكل النيتروجين الغازي الخامل 78٪ من الغلاف الجوي للأرض، ولكن أشكال النيتروجين التي يمكن للكائنات الحية استخدامها بسهولة عادة ما تكون نادرة في النظم البيئية الأرضية

مع مرور الزمن والتطور الحاصل، ساهم التكافل الذي نشأ بين البكتيريا والنباتات المثبتة للنيتروجين في زيادة توافر النيتروجين في العديد من الأنظمة البيئية، ومع ذلك، ونظراً للمنافسة الشديدة على النيتروجين والعناصر الأخرى، وجد علماء البيئة أن قيود المغذيات تقيد الحياة في العديد من البيئات

يتم تشكيل الكائنات الحية بشكل أكبر من خلال الخصائص الفيزيائية للوسائط التي تعيش فيها، مثل كثافة الوسط ودرجات الحرارة. على سبيل المثال، طورت الثدييات البحرية مثل أسود البحر النجمي أجساما انسيابية تتحرك بكفاءة في الماء، الذي يعتبر أكثر كثافة من الهواء بأكثر من 700 مرة، ولكنه يبطئ حركتها على اليابسة. ونتيجة لذلك، تنام أسود البحر على الشاطئ، بينما تبحث عن الطعام في الماء بشكل أساسي، ويتم تحسين سرعتها في الماء.

تأثير درجات الحرارة على الكائنات الحية

يتدرس علماء البيئة كذلك كيف يؤثر ارتفاع درجة الحرارة على البيئة وتطور الأنواع، كما تتباطأ الكائنات الحية عموما أو تتجمد عندما تكون الظروف باردة، وهناك سلوكيات بعض الحيوانات تجاه ظروف مناخية معينة، ولكنها تفقد وظيفتها وتتأثر بارتفاع درجة الحرارة

لذلك طورت العديد من الأنواع سمات تساعد في حماية نفسها من درجات الحرارة القصوى والتأثير على بيئتها على سبيل المثال بينما تعتمد أسود البحر على طبقات سميكة من الدهون للعزل تعتمد أيضاً ثعالب البحر التي تسبح في نفس المياه الباردة على الفراء الكثيف بشكل غير عادي للاحتفاظ بالحرارة

نتيجة لذلك، تقضي ثعالب البحر وقتا أطول في العناية بصغارها، ويتم جذب الصيادين إلى فرائها الكثيف، مما يهدد بإنقراضها على اليابسة، حيث يشير البحث إلى أن الحيوانات والنباتات ذات الدم البارد تتطور لتصبح ذات ألوان داكنة وتقوم بتحقيق أقصى استفادة من الطاقة الشمسية في الطقس البارد

ومع ذلك، في المناطق الحارة بشكل خاص، كشفت بعض الدراسات أن الحيوانات قد تتجنب أشعة الشمس القوية، بينما تحمي النباتات أنفسها عن طريق إفراز كميات كبيرة من الماء، أو عن طريق زيادة تدفق الهواء عبر أوراقها، أو عن طريق السكون حتى تعود درجات الحرارة إلى مستويات منخفضة. قد تحدث تعديلات مفاجئة في درجات الحرارة، على سبيل المثال، اكتشف العلماء مؤخرا أن الأعشاب التي تنمو بالقرب من فتحات حرارية في الأرض تكتسب قدرة على تحمل الحرارة من خلال فيروس يتواجد في فطر داخل جذورها

وعلى الجانب الآخر يؤدي توافر المياه إلى تشكيل الديناميكيات البيئية على الأرض، حيث نشأت الحياة المبكرة في النظم البيئية المائية ولا تزال جميع الخلايا الحية بحاجة إلى الماء لتعمل، ويتأثر توافر المياه بدرجة الحرارة لأنه في المناخات شديدة البرودة يتجمد الماء ولا يتوفر وفي المناخات شديدة الحرارة يتبخر الماء بسرعة

حيث وجدت الدراسات البيئية للعلاقات المائية أن الكائنات الحية تستخدم مجموعة مذهلة من الاستراتيجيات لالتقاط موارد المياه والاحتفاظ بها على سبيل المثال في صحراء ناميب الساخنة الحارقة في جنوب إفريقيا تعيش خنفساء ستينوكارا على قيد الحياة عن طريق التقاط المياه من خيوط الضباب النادرة التي تتكثف في هياكل خاصة على ظهرها.