عمليات النظام البيئي وتدفق الطاقة

تعتمد جميع النظم البيئية على الطاقة التي تلتقطها الكائنات المنتجة وتتبدد مع انتقالها عبر السلسلة الغذائية؛ ويكشف تتبع هذا التدفق عن مقدار الحياة التي يمكن للنظام دعمها.

Definition

تتعلق عمليات النظام البيئي وتدفق الطاقة بالتقاط الطاقة ونقلها وتبديدها عبر البنية الغذائية للنظام البيئي، وتخضع للديناميكا الحرارية ويتم قياسها من خلال الإنتاجية والكفاءة.

Scope

يغطي هذا الموضوع ديناميكيات الطاقة في النظم البيئية: قوانين الديناميكا الحرارية كما تنطبق على الأنظمة البيئية، وتثبيت الطاقة بواسطة الكائنات ذاتية التغذية، وانتقالها عبر مسارات الرعي والفتات، وكفاءات الاستيعاب والكفاءات البيئية، وما ينتج عن ذلك من أهرامات الطاقة والكتلة الحيوية. ويتناول المخزونات القائمة مقابل التدفقات، وتقسيم الطاقة بين الإنتاج والتنفس والفقدان.

Core questions

• كيف يتم التقاط الطاقة وتمريرها عبر النظام البيئي؟
• لماذا يعتبر انتقال الطاقة بين المستويات الغذائية غير فعال؟
• كيف تقسم مسارات الرعي والفتات تدفق الطاقة؟
• ماذا تكشف أهرامات الطاقة والكتلة الحيوية عن بنية النظام البيئي؟

Key theories

تدفق الطاقة الديناميكي الغذائي

تنتقل الطاقة التي تثبتها الكائنات المنتجة صعودًا عبر المستويات الغذائية مع خسائر كبيرة بسبب التنفس والاستهلاك غير الكامل في كل خطوة، بحيث تتوفر كمية أقل تدريجيًا من الطاقة للمستهلكين الأعلى.

الكفاءات البيئية

تجمع الكفاءة التي تتحول بها الطاقة من مستوى غذائي إلى آخر بين كمية الغذاء المستهلكة والمستوعبة والمحولة إلى كتلة حيوية جديدة، وعادة ما تكون في حدود عشرة بالمائة.

Mechanisms

تحول الكائنات المنتجة الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية من خلال عملية التمثيل الضوئي، مثبتةً بذلك الإنتاج الأولي الإجمالي الذي تتنفس منه لتترك الإنتاج الأولي الصافي متاحًا للمستهلكين. ومع انتقال الطاقة إلى الحيوانات العاشبة واللاحمة، تقل كفاءة الاستهلاك، وكفاءة الاستيعاب، وكفاءة الإنتاج كل منها الجزء المحتفظ به، بينما تدخل المواد غير المستهلكة والمطروحة في مسار الفتات حيث تقوم الكائنات المحللة بتنفس جزء كبير منها. وبما أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية ينص على أن كل عملية نقل تبدد الطاقة على شكل حرارة، فإن النظام يتطلب مدخلات طاقة خارجية مستمرة ويدعم عددًا محدودًا من المستويات الغذائية.

Clinical relevance

يُفيد تحليل تدفق الطاقة في تقييم إنتاجية النظام البيئي، والقدرة الاستيعابية للأنواع القابلة للحصاد، والتكاليف الطاقوية لإنتاج الغذاء. هذا سياق تعليمي، وليس وصفة إدارية.

History

قدم إلتون هرم الأعداد في عام 1927، وقام ليندمان بصياغة تدفق الطاقة عبر المستويات الغذائية في عام 1942. وقد وسع الأودومز هذه الأفكار لتشمل ديناميكيات الطاقة الكمية للنظام البيئي، وقامت برامج ميدانية واسعة النطاق مثل البرنامج البيولوجي الدولي بقياس ميزانيات الطاقة عبر المناطق الأحيائية.

Key figures

• Raymond Lindeman
• Charles Elton
• Eugene Odum
• Howard Odum

Seminal works

• lindeman1942
• chapin2011
• begon2006

Frequently asked questions

لماذا يتم تمرير حوالي عشرة بالمائة فقط من الطاقة عبر كل مستوى غذائي؟

يتم استخدام جزء كبير من الطاقة في كل مستوى في التنفس، أو يُفقد كحرارة، أو لا يُستهلك أبدًا، لذا لا يتحول سوى جزء صغير إلى كتلة حيوية جديدة متاحة للمستوى التالي.

ما الفرق بين الإنتاج الأولي الإجمالي والإنتاج الأولي الصافي؟

الإنتاج الأولي الإجمالي هو إجمالي الطاقة التي تثبتها الكائنات المنتجة، بينما الإنتاج الأولي الصافي هو ما يتبقى بعد تنفس الكائنات المنتجة نفسها وهو الطاقة المتاحة فعليًا للمستهلكين.