كيف تنتقل الطاقة في النظام البيئي

يحتاج الكائنات الحية إلى الطاقة للنمو والتنفس والتكاثر والحركة. ولا يمكن توليد الطاقة من العدم، لذا يجب نقلها عبر النظام البيئي. الشمس هي المصدر الأساسي للطاقة في معظم النظم البيئية على الأرض. يستخدم المنتجون الأساسيون الطاقة الشمسية لإنتاج الغذاء على شكل الجلوكوز، ويتناول المستهلكون الأساسيون هذا الغذاء، وبدورهم يتناوله المستهلكون الثانويون، وهكذا ينتقل التدفق الطاقي من مستوى غذائي واحد إلى المستوى التالي في سلسلة الغذاء .

 لا يتم نقل جميع الطاقة من مستوى واحد في السلسلة الغذائية إلى المستوى التالي ، حيث يمكن أن يتم فقدان حوالي 90 في المائة من الطاقة كحرارة (تطلق أثناء التنفس) أو عن طريق الحركة أو في المواد غير القابلة للهضم من قبل المستهلك. يمكن نقل الطاقة المخزنة في المواد غير القابلة للهضم إلى المتحللين، والمتحللون هم كائنات حية مثل البكتيريا والفطريات التي يمكنها الحصول على الطاقة من خلال تحطيم الكائنات الحية الميتة.

نقل الطاقة

يصف نقل الطاقة التغيرات في الطاقة التي تحدث بين الكائنات الحية داخل النظام البيئي، الكائنات الحية تتغير باستمرار لأنها تنمو وتتحرك وتتكاثر، هذه التغييرات تغذيها الطاقة، تلتقط النباتات من خلال عملية التمثيل الضوئي، بعض الطاقة المشعة للشمس وتحولها إلى طاقة كيميائية يتم تخزينها ككتلة حيوية للنبات، ثم تستهلك هذه الكتلة الحيوية من قبل كائنات أخرى داخل سلسلة أو شبكة الغذاء وهي سلسلة من الكائنات الحية التي ترتبط بعلاقة التغذية والإنتاجية الخاصة بها، أما شبكة الغذاء فهي مجموعة مترابطة من العديد من سلاسل الطعام.

نقل الطاقة هو عملية ذات اتجاه واحد، بمجرد إطلاق الطاقة المخزنة في الكتلة الحيوية، لا يمكن إعادة استخدامها أو إعادة تدويرها أو تحويلها إلى حرارة غير مستفادة. وهذا يعني أنه إذا توقفت الشمس، المصدر النهائي للطاقة في النظم البيئية، عن الاشتعال، فإن الحياة كما نعرفها ستنتهي قريبا. ومن الحسن حظنا أن الشمس توفر كل يوم طاقة جديدة في شكل بروتونات لدعم شبكات الغذاء على الأرض.

كيف تنتقل الطاقة في النظام البيئي 

يتم نقل الطاقة في النظام البيئي عبر الكائنات الحية في شبكات الغذاء من المنتجين إلى المستهلكين، حيث تستخدم الكائنات الحية الطاقة لتنفيذ المهام المعقدة

تنشأ غالبية الطاقة في شبكات الغذاء من الشمس وتحول إلى طاقة كيميائية عبر عملية التمثيل الضوئي في النباتات. تتحول نسبة صغيرة من هذه الطاقة الكيميائية مباشرة إلى حرارة أثناء التنفس وتحلل المركبات في النباتات. يتم تحويل معظم الطاقة الكيميائية المخزنة في النباتات إلى أشكال أخرى عن طريق مجموعة متنوعة من المستهلكين مثل الأبقار والأرانب والخيول والأغنام واليرقات وغيرها من النباتات التي تؤكل بواسطتها الحشرات.

يتم تخزين بعض الطاقة الكيميائية المخزنة في منتج مثل العشب كطاقة كيميائية في الدهون أو البروتين في المستهلكين من الدرجة الأولى الذين يأكلون العشب ، هذه الطاقة متاحة للمستهلكين من المستوى الأعلى ،في كل مرحلة من مراحل السلسلة الغذائية ، يتم تحويل معظم الطاقة الكيميائية إلى أشكال أخرى مثل الحرارة ، ولا تبقى داخل النظام البيئي.

يمكن إثبات تدفق الطاقة بسهولة من خلال سلسلة غذائية، حيث يمثل كل رابط في السلسلة مستوى غذائيًا جديدًا، وتوضح الأسهم الطاقة التي يتم تمريرها على طول السلسلة، وغالبًا ما يكون المنتج الأساسي في أسفل سلسلة الغذاء.

 في النظم البيئية الأرضية، تعتبر النباتات هي المنتجين الأساسيين لمعظم العناصر الغذائية والطاقة اللازمة لدعم السلاسل الغذائية الأخرى في هذه النظم، وفي النظم البيئية البحرية، تعتبر العوالق النباتية هي المنتجين الأساسيين والمسؤولين عن إنتاج معظم العناصر الغذائية والطاقة اللازمة لدعم السلاسل الغذائية البحرية الأخرى في هذه النظم.

يطلق على جميع الكتلة الحيوية التي تنتجها المنتجين الأساسيين مصطلح الإنتاجية الأولية الإجمالية. ويتم تعريف الإنتاجية الأولية الصافية على أنها ما تبقى بعد استخدام المنتج الأساسي للطاقة اللازمة للتنفس. وهذا هو الجزء المتاح لاستهلاك المستهلكين الأساسيين وتجاوز سلسلة الغذاء. في النظم البيئية الأرضية، تكون الإنتاجية الأولية الأعلى في المناطق الدافئة والرطبة التي تتميز بوفرة الضوء الشمسي، مثل غابات المناطق الاستوائية. وبالمقابل، تتميز الصحاري بأقل إنتاجية أولية. في النظم البيئية البحرية، تكون الإنتاجية الأولية الأعلى في المياه الضحلة والغنية بالمغذيات، مثل الشعاب المرجانية وحقول الطحالب .

يتغذى المستهلكون الأساسيون، مثل حلزون الأرض الأفريقي العملاق (Achatina fulica)، على المنتجين الأساسيين، مثل النباتات التي يتغذى عليها الحلزون، ويحصلون على الطاقة منها، وكما يتغذى المستهلكون الثانويون على المستهلكين الأساسيين، وهكذا يتدفق الطاقة من المستوى الغذائي الأساسي إلى المستوى التالي.  

تدفق الطاقة في النظم البيئية

يعد تدفق الطاقة في النظم البيئية أمرًا حيويًا لازدهار الحياة على الأرض ، ما يقرب من جميع الطاقة في النظم البيئية للأرض مصدرها الشمس ، بمجرد وصول هذه الطاقة الشمسية إلى الأرض ، يتم توزيعها بين النظم البيئية بطريقة معقدة للغاية ، هناك طريقة بسيطة لتحليل هذا التوزيع من خلال سلسلة الغذاء أو شبكة الغذاء .

جميع الكائنات الحية، سواء كانت ميتة أو حية، لديها القدرة على نقل الطاقة في النظام البيئي، ولإظهار تدفق الطاقة في النظم البيئية، يتم رسم سلاسل الغذاء في بعض الأحيان على شكل أهرامات الطاقة، حيث تمثل كل خطوة في الهرم مستوى غذائيا مختلفا، بدءا من المنتجين الأساسيين في الأسفل. وتمثل عرض كل خطوة مستوى تدفق الطاقة خلال كل مستوى غذائي، وتتقلص الخطوات إلى الأعلى في الهرم لأن بعض تلك الطاقة تتحول إلى شكل لا يمكن للكائنات الحية أن تستهلكه في الخطوة التالية في السلسلة الغذائية، ويحدث هذا في كل خطوة في الهرم.

لن تكون كل الطاقة المولدة أو المستهلكة في مستوى غذائي واحد متاحة للكائنات الحية في المستوى الغذائي الأعلى التالي ، في كل مستوى ، تُفرز بعض الكتلة الحيوية المستهلكة كنفايات ، وتتحول بعض الطاقة إلى حرارة وبالتالي غير متاحة للاستهلاك أثناء التنفس ، وتموت بعض النباتات والحيوانات دون أن تؤكل .

يعني ذلك أن كتلتها الحيوية لا تتحول إلى المرحلة التالية على هيئة مستهلك. يتم تفكيك النفايات والمواد الميتة عن طريق كائنات التحلل، وتعاد تدوير العناصر الغذائية في التربة لتكون قابلة للاستيعاب مرة أخرى من قبل النباتات. ومع ذلك، يتحول معظم الطاقة إلى حرارة خلال هذه العملية. في المتوسط، يتم تمرير حوالي 10 في المائة فقط من الطاقة المخزنة ككتلة حيوية من مستوى غذائي إلى آخر. يعرف هذا بـ `قاعدة الـ 10 بالمائة` ويحد من عدد المستويات الغذائية التي يمكن أن يدعمها النظام البيئي.  

كيف تحصل الكائنات الحية على الطاقة في شبكة الغذاء

كل الكائنات الحية تتطلب طاقة بشكل أو بآخر لأن الطاقة مطلوبة من قبل معظم مسارات التمثيل الغذائي المعقدة (غالبًا في شكل ATP) ، لن تكون الكائنات الحية قادرة على تجميع الجزيئات الكبيرة (البروتينات والدهون والأحماض النووية والكربوهيدرات المعقدة) من وحداتها الأحادية دون إدخال طاقة ثابت.

تتحرك الطاقة بين الكائنات من خلال شبكات الغذاء وسلاسلها، حيث توضح الشبكات الغذائية كيفية تدفق الطاقة من خلال النظم البيئية، بما في ذلك كفاءة الكائنات الحية في الحصول عليها واستخدامها والمقدار المتبقي للاستخدام من قبل الكائنات الأخرى في شبكة الغذاء. يتم اكتساب الطاقة من خلال الكائنات الحية بثلاث طرق

• التمثيل الضوئي.
•   التخليق الكيميائي .
• استهلاك وهضم الكائنات الحية .