4.2. جریان انرژی

مفاهیم

  • اکثر زیست­‌بوم­‌ها برای تأمین انرژی به نور خورشید وابسته هستند.
  • در فتوسنتز، انرژی نوری به انرژی شیمیایی موجود در ترکیبات کربنی تبدیل می‌شود.
  • انرژی شیمیایی موجود در ترکیبات کربنی از طریق تغذیه به زنجیره غذایی منتقل می‌شود.
  • انرژی، طی فرآیند تنفس در موجودات زنده آزاد شده و به گرما تبدیل می‌شود.
  • موجودات زنده گرما را به شکل­‌های دیگر انرژی تبدیل نمی­‌کنند.
  • گرما در زیست­‌بوم از بین می‌رود.
  • اتلاف انرژی بین سطوح تغذیه‌ای، باعث محدود شدن طول زنجیره‌­های غذایی و زیست­‌توده در سطوح بالاتر زنجیره می‌شود.

مهارت آموزی

  • نمایش کمّی جریان انرژی با استفاده از هِرَم انرژی.

ماهیت علم

  • استفاده از نظریه­‌ها برای توضیح پدیده­‌های طبیعی: مفهوم جریان انرژی، محدودیت طول چرخه­های زنجیره­‌های غذایی را توضیح می‌دهد.

نور خورشید و زیست­‌بوم‌­ها

اکثر زیست­‌بوم‌­ها برای تأمین انرژی به نور خورشید وابسته هستند.

نور خورشید در اکثر جوامع زیستی، منبع اولیه انرژی است. موجودات زنده می‌توانند این انرژی را با استفاده از فرآیند فتوسنتز جذب کنند. سه گروه از جانداران اتوتروف، فتوسنتز انجام می‌دهند: گیاهان، جلبک­‌های یوکاریوتی مانند جلبک­‎‌های دریایی که در سواحل صخره‌­ای رشد می‌کنند و سیانوباکتر­ها. اکولوژیست‌ها غالباً از این ارگانیسم‌ها به عنوان ارگانیسم­‌های تولید کننده یاد می‌کنند.

هتروتروف‌ها مستقیماً از انرژی نور خورشید استفاده نمی­‌کنند اما به طور غیر مستقیم به آن وابسته هستند. گروه­‌های مختلفی از هتروتروف‌ها در زیست­‌بوم­‌ها وجود دارد: مصرف کنندگان، ساپروتروف‌ها و دتریتیور­ها. همه آن­‌ها از ترکیبات کربنی موجود در غذای خود به عنوان منبع انرژی استفاده می‌کنند. در بیشتر زیست­‌بوم­‌ها، تقریباً تمام انرژی موجود در ترکیبات کربنی برای تولید فرآورده‌­های حاصل از فتوسنتز برداشت می‌شود.

میزان انرژی که از نور خورشید در زیست‌­بوم‌­ها دریافت می‌­شود در سراسر جهان متفاوت است. درصدی از این انرژی توسط ارگانیسم‌­های تولیدکننده ذخیره می‌شود و مابقی آن در دسترس موجودات دیگر قرار می­‌گیرد که مقدار این انرژی نیز متفاوت است. به عنوان مثال، در صحرای ساهارا[1]، شدت نور خورشید بسیار زیاد است اما مقدار کمی از آن در دسترس موجودات قرار می‌گیرد زیرا تعداد ارگانیسم­‌های تولید کننده در این زیست­‌بوم بسیار کم است. در جنگل‌­های چوب سرخ کالیفرنیا شدت نور خورشید کمتر از صحرا است اما انرژی بیشتری در دسترس موجودات قرار می‌گیرد زیرا تعداد ارگانیسم­‌های تولید کننده در این زیست­‌بوم بسیار زیاد است.

فعالیت

نال
شکل شماره 1

آتش‌سوزی در مراتع و جنگل‌­ها

شکل شماره 1، آتش‌سوزی درختان در استرالیا را نشان می‌دهد.

چه نوع تبدیل انرژی در آتش‌سوزی درختان اتفاق می‌افتد؟

آتش‌سوزی مراتع و جنگل‌ها به طور طبیعی در برخی از زیست­‌بوم­‌ها رخ می‌دهد.

دو دلیل برای این فرضیه مطرح کنید: هتروتروف‌­های کمتری در زیست‌­بوم­‌هایی که آتش سوزی در آن­‌ها رایج است وجود دارد در مقایسه با زیست­‌بوم­‌هایی که آتش سوزی در آن‌ها رایج نیست.

 

تبدیل انرژی

در فتوسنتز، انرژی نوری به انرژی شیمیایی موجود در ترکیبات کربنی تبدیل می‌شود.

ارگانیسم­‌های تولیدکننده با استفاده از کلروفیل و سایر رنگدانه­‌های فتوسنتزی، نور خورشید را جذب کرده و با این کار انرژی نورانی را به انرژی شیمیایی تبدیل می­‌کنند. آن­‌ها از این انرژی برای تولید کربوهیدرات­ها، لیپید‌ها و سایر ترکیبات کربنی استفاده می‌کنند.

ارگانیسم‌­های تولیدکننده با استفاده از فرآیند تنفس سلولی، انرژی موجود در ترکیبات کربنی خود را آزاد می­‌کنند و سپس از این انرژی برای فعالیت­‌های سلولی استفاده می­‌کنند. انرژی آزاد شده از این طریق نهایتاً به شکل انرژی گرمایی وارد محیط می­‌شود. با این حال، فقط برخی از ترکیبات کربنی در این جانداران با این روش استفاده می‌شوند و مقدار زیادی از این ترکیبات کربنی در سلول‌ها و بافت­‌های تولیدکنندگان باقی می‌ماند. انرژی موجود در این ترکیبات کربنی برای هتروتروف‌ها در دسترس است.

انرژی در زنجیره غذایی

انرژی شیمیایی موجود در ترکیبات کربنی از طریق تغذیه به زنجیره غذایی منتقل می‌شود.

زنجیره غذایی توالی و سلسله­‌ای از موجودات است که هر کدام از آن­‌ها از موجود قبلی تغذیه می‌کند. یک زنجیره غذایی معمولاً از دو تا پنج موجود زنده تشکیل شده است و به ندرت موجودات بیشتری در زنجیره دیده می‌­شوند. موجودات ابتدایی زنجیره، مواد غذایی را از موجودات دیگر به دست نمی‌آورند بنابراین همیشه اولین موجودات در یک زنجیره غذایی، تولیدکننده و موجودات بعدی مصرف­‌کننده هستند. مصرف‌کنندگان اولیه از تولیدکنندگان و مصرف­‌کنندگان ثانویه از مصرف‌­کنندگان اولیه تغذیه می‌کنند. مصرف کنندگان درجه سوم از مصرف کنندگان ثانویه و غیره تغذیه می‌کنند. هیچ مصرف کننده‌­ای از آخرین موجود در یک زنجیره غذایی تغذیه نمی‌کند.

مصرف کنندگان از ترکیبات کربنی موجود در غذای خود، انرژی کسب می­‌کنند. فلش­‌های موجود در یک زنجیره غذایی جهت جریان انرژی را نشان می‌دهند. شکل شماره 2، نمونه‌­ای از یک زنجیره غذایی در جنگل­‌های اطراف آبشار ایگواسو[3] در شمال آرژانتین است.

مم
شکل شماره 2

تنفس و آزاد سازی انرژی

انرژی، طی فرآیند تنفس در موجودات زنده آزاد شده و به گرما تبدیل می‌شود.

موجودات زنده برای فعالیت­‌های سلولی خود مانند موارد زیر به انرژی نیاز دارند:

  • سنتز مولکول­‌های بزرگ مانند DNA ، RNA و پروتئین­‌ها.
  • انتقال فعال مولکول‌ها یا یون‌ها از طریق پمپ­‌های غشایی.
  • حرکت اجزاء در داخل سلول، مانند حرکت کروموزوم‌ها و وزیکول‌­ها، یا حرکت فیبرهای پروتئینی در سلول­های عضلانی که باعث انقباض عضله می‌شوند.

تأمین انرژی این فعالیت­‌ها از طریقATP فراهم می‌­شود. هر سلول، وظیفه تولید ATP مورد نیاز خود را برعهده دارد.

همه سلول‌ها با تنفس سلولی، ATP تولید می­‌کنند. در این فرآیند ترکیبات کربنی مانند کربوهیدرات‌ها و لیپیدها اکسید می‌شوند. این نوع واکنش­‌های اکسیداسیون، گرمازا هستند و از انرژی آزاد شده آن­‌ها در واکنش‌­های گرماگیر برای ساخت ATP استفاده می‌شود. بنابراین تنفس سلولی، انرژی شیمیایی را از گلوکز و سایر ترکیبات کربنی به ATP منتقل می‌کند چرا که انرژی شیمیایی موجود در ترکیبات کربنی مانند گلوکز، بلافاصله توسط سلول قابل استفاده نیست اما از انرژی شیمیایی موجود در ATP می‌توان مستقیماً برای بسیاری از فعالیت­‌های مختلف استفاده کرد.

قانون دوم ترمودینامیک بیان می­‌کند که تبدیل انرژی (انتقال انرژی از ترکیبی به ترکیب دیگر) هرگز 100٪ کارآمد نیست. تمام انرژی حاصل از اکسیداسیون ترکیبات کربنی در تنفس سلولی به ATP منتقل نمی‌شود و مابقی آن به گرما تبدیل می‌شود. همچنین در هنگام استفاده از ATP در فعالیت­‌های سلولی مقداری گرما نیز تولید می‌شود. انقباض ماهیچه‌ها هم گرما تولید می‌کند. انرژی حاصل از ATP ممکن است برای مدتی در مولکول­‌های بزرگ، مانند DNA و پروتئین‌ها باقی بماند اما وقتی این مولکول‌ها هضم می‌شوند، انرژی به صورت گرما آزاد می‌شود.

انرژی گرمایی در زیست­بوم­

موجودات زنده گرما را به شکل­‌های دیگر انرژی تبدیل نمی­‌کنند.

تبدیل انرژی در موجودات زنده می‌تواند به اشکال زیر رخ دهد:

  • انرژی نورانی به انرژی شیمیایی در فرآیند فتوسنتز.
  • انرژی شیمیایی به انرژی جنبشی در انقباض عضله.
  • انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی در سلول­‌های عصبی.
  • انرژی شیمیایی به انرژی گرمایی در بافت­‌های چربی.

موجودات نمی‌­توانند انرژی گرمایی را به شکل دیگری از انرژی تبدیل کنند.

اتلاف گرما از اکوسیستم ها

گرما در زیست­‌بوم از بین می‌رود.

گرمای حاصل از تنفس سلول باعث گرمتر شدن موجودات زنده می‌شود. این گرما می‌تواند برای فعالیت بیشتر حیوانات خونسرد مفید باشد. پرندگان و پستانداران در صورت لزوم برای ثابت نگه داشتن دمای بدن، میزان تولید گرما را افزایش می‌دهند.

طبق قوانین ترمودینامیک در فیزیک، گرما از جسم داغ‌تر به جسم سردتر منتقل می‌شود، بنابراین گرمای تولید شده در موجودات زنده نهایتاً در یک محیط غیرزنده آزاد می‌شود. گرما ممکن است مدتی در اکوسیستم باقی بماند، اما در نهایت از بین می‌رود مانند زمانی که گرما در جو منتقل می‌­شود. اکولوژیست‌ها تصور می‌کنند که تمام انرژی آزاد شده از طریق تنفس سلولی که برای انجام فعالیت­‌های سلولی استفاده می‌شود، نهایتاً در زیست­‌بوم از بین می‌رود.

فعالیتخماخ

تفکر پیرامون تغییرات انرژی

برای پرتاب توپ در بسکتبال چه نوع تبدیل انرژی انجام می­‌شود؟

شکل نهایی انرژی چیست؟

 

بررسی طول زنجیره‌­های غذایی

از تئوری‌ها برای توضیح پدیده‌های طبیعی استفاده کنید: مفهوم جریان انرژی، طول محدود زنجیره‌های غذایی را توضیح می‌دهد.

اگر رژیم غذایی یک گوشتخوار ثانویه در انتهای یک زنجیره غذایی را در نظر بگیریم، می‌توانیم بررسی کنیم که چند مرحله در زنجیره غذایی وجود دارد. به عنوان مثال، اگر عقاب ماهی­‌گیر[1] (شکل شماره 3) از  ماهی آزاد تغذیه می­کند و این ماهی از میگو تغذیه کرده باشد و غذای میگوها فیتوپلانکتون‌ها باشند می­توان گفت که چهار مرحله در این زنجیره غذایی وجود دارد.

به ندرت بیش از چهار یا پنج مرحله در یک زنجیره غذایی وجود دارد. ممکن است انتظار داشته باشیم که زنجیره‌­های غذایی نامحدود باشند و هر گونه، به صورت بی انتهایی توسط گونه دیگر خورده شود؛ اما در واقعیت این اتفاق نمی‌افتد. در اکولوژی مانند همه شاخه­‌های علمی، سعی می‌شود با استفاده از تئوری­‌ها و نظریه­‌های علمی، پدیده‌­های طبیعی مانند طول محدود زنجیره­‌های غذایی توضیح داده شود. در این حالت مفهوم جریان انرژی در امتداد زنجیره­‌های غذایی و اتلاف انرژی بین سطوح تغذیه‌­ای[2]، می‌تواند توضیحی در این رابطه ارائه دهد.

مکت

منل

اتلاف انرژی و اکوسیستم‌ها

اتلاف انرژی بین سطوح تغذیه‌ای باعث محدود شدن طول زنجیره‌­های غذایی و زیست­‌توده[1] در سطوح بالاتر زنجیره می‌شود.

زیست توده مجموع جرم گروهی از موجودات است. این ماده از سلول­‌ها و بافت­‌های آن موجودات از جمله کربوهیدرات‌ها و سایر ترکیبات کربنی موجود در آن­‌ها تشکیل می‌­شود. از آنجا که ترکیبات کربنی دارای انرژی شیمیایی هستند، زیست‌‌توده نیز دارای انرژی است. اکولوژیست‌ها می‌توانند میزان انرژی سالانه اضافه شده به زیست توده توسط موجودات را اندازه‌گیری کنند. نتایج در هر متر مربع از زیست­‌بوم محاسبه می‌شود تا بتوان سطوح مختلف تغذیه‌­ای را مقایسه کرد. وقتی این کار انجام می‌شود، همیشه یک روند مشاهده می‌­شود: انرژی اضافه شده به زیست توده در هر سطح از زنجیره غذایی به مراتب کمتر می‌­شود. به عنوان مثال، همیشه میزان انرژی اضافه شده سالانه در هر متر مربع در زیست­‌بوم توسط مصرف­‌کنندگان ثانویه، کمتر از مصرف­‌کنندگان اولیه است.

دلیل این فرآیند از دست دادن انرژی بین سطوح تغذیه‌­ای است.

  • در هر سطح تغذیه‌­ای قسمت عمده­‌ی از انرژی موجود در غذا که توسط موجودات هضم و جذب می‌شود، در ادامه توسط خود آن­‌ها در تنفس سلولی آزاد می‌شود تا در فعالیت­‌های سلولی مورد استفاده قرار گیرددر نتیجه مقداری نیز به صورت گرما از بین می‌رود. انرژی موجود در سطح تغذیه­‌ای بعدی، انرژی شیمیایی کربوهیدرات‌ها و سایر ترکیبات کربنی است که در تنفس سلولی مصرف نشده است.
  • موجودات هر سطح تغذیه­‌ای معمولاً به طور کامل توسط موجودات سطح بعدی مصرف نمی‌­شوند. به عنوان مثال، ملخ‌ها بعضی اوقات تمام گیاهان یک منطقه را مصرف می‌کنند اما گاهی اوقات فقط بعضی از گیاهان خورده می‌شوند. شکارچیان ممکن است از بخشی از بدن طعمه­‌های خود مانند استخوان یا مو استفاده نکنند. انرژی استفاده نشده در مواد غذایی به جای انتقال به موجودات زنده در سطح بعدی، به ساپروتروف‌ها یا دتریتیورها منتقل می‌شود.
  • تمام قسمت­‌های خورده شده مواد غذایی توسط موجودات در سطح تغذیه­‌ای بعدی، هضم و جذب نمی شوند. برخی از مواد به صورت هضم نشده از طریق مدفوع خارج می‌شوند. انرژی موجود در مدفوع در طول زنجیره غذایی منتقل نمی‌­شود بلکه به ساپروتروف­‌ها یا دتریتیورها منتقل می‌شود.

به دلیل این اتلاف انرژی، فقط بخش کوچکی (حدوداً 10٪) از انرژی زیست توده موجودات در یک سطح تغذیه‌­ای به زیست توده سطح تغذیه‌­ای بعدی منتقل خواهد شد اما سطح اتلاف انرژی بین سطوح تغذیه‌­ای متغیر است. از آنجا که اتلاف انرژی و زیست توده در هر مرحله از یک زنجیره غذایی اتفاق می‌افتد، انرژی کمتری برای سطوح متوالی در دسترس است. پس از چند مرحله در زنجیره غذایی، میزان انرژی باقی مانده برای پشتیبانی سطوح تغذیه‌­ای بعدی، کافی نیست. به همین دلیل تعداد سطوح تغذیه­‌ای در زنجیره‌­های غذایی محدود است.

زیست توده، بر حسب گرم، در طول زنجیره­‌های غذایی کاهش می‌یابد. این پدیده به دلیل از دست رفتن انرژی توسط دی اکسید کربن و آب آزاد شده در تنفس سلولی است همچنین با از دست دادن انرژی بخش­‌های خورده نشده یا هضم نشده موجودات نیز اتفاق می‌افتد. بنابراین زیست توده موجود در سطوح بالاتر، معمولاً کوچکتر از سطوح پایینی است. به طور کلی زیست توده موجودات تولیدکننده که در پایین ترین سطح تغذیه­‌ای هستند، از سایر سطوح تغذیه­‌ای بیشتر است.

فعالیت

ماهی سالمون و سویا

قسمت اعظمی از ماهی سالمون خوراکی انسان در مزارع پرورش ماهی تولید می‌شود. ماهی­‌های سالمون به طور سنتی از کنجاله ماهی، که بیشتر بر پایه ماهی‌­های آنچوی(anchovies) صید شده در سواحل آمریکای جنوبی تهیه شده است، تغذیه می‌شوند. با کمیاب و گران شدن کنجاله­‌ها، ترکیباتی که پایه ی گیاهی دارند، مانند دانه­‌های سویا به طور گسترده­ مورد استفاده قرار می‌گیرند. از نظر جریان انرژی، کدام یک از رژیم‌­های غذایی زیر بیشترین و کمترین اثر را دارند؟

1- ماهی سالمون که از کنجاله ماهی تغذیه می‌کند.

2- ماهی سالمون که از سویا تغذیه می‌کند.

3- دانه سویا.

 

هرم انرژی

نمایش کمّی جریان انرژی با استفاده از هِرَم انرژی.

مقدار انرژی تبدیل شده به زیست توده جدید توسط هر سطح تغذیه‌­ای در یک جامعه را می‌توان با هرم انرژی نشان داد. هرم انرژی نوعی نمودار میله‌­ای است که هر سطح تغذیه‌­ای، با میله­‌ای افقی نشان داده می­‌شود. واحد مقادیر انرژی باید، سطح در سال باشد. غالباً واحدها کیلوژول بر متر مربع در سال (kJ.m-2 yr-1) هستند. هرم باید پله­‌ای باشد، نه مثلثی و تولیدکنندگان در پایین­ترین نوار قرار بگیرند. میله‌ها باید دارای عنوان تولید کننده، مصرف کننده اولیه، مصرف کننده ثانویه و غیره باشند. اگر مقیاس مناسبی انتخاب شود، طول هر میله می‌تواند متناسب با انرژی باشد که نشان می‌دهد.

شکل شماره 5، نمونه­‌ای از هرم انرژی را برای یک اکوسیستم آبی نشان می‌دهد. برای دقت بیشتر، عرض میله‌ها باید با محتوای انرژی نسبی در هر سطح تغذیه­‌ای مطابقت داشته باشد. شکل شماره 6، هرم انرژی در چمنزار را نشان می‌­دهد که میله­‌ها به درستی مقیاس‌بندی شده‌­اند.

خخ

طرح سوال مبتنی بر داده: شبکه غذایی ساده

گودال بخشی از سطح زمین است که با فروپاشی غار زیرزمینی شکل می‌گیرد. مونتزوماوِل[1] واقع در صحرای سونورا[2] در آریزونا یک گودال پر از آب است. این گودال یک اکوسیستم آبی است که به دلیل غلظت بسیار بالای CO2 محلول، فاقد ماهی است. شکارچی برتر غالب در این اکوسیستم  Belostoma bakeri است، یک حشره غول پیکر است که طول آن به 70 میلی متر می­‌رسد.

شکل شماره 7، یک شبکه غذایی در مونتزوماوِل را نشان می‌دهد.

  • نقش Belostoma bakeri و Ranatra montezuma را در شبکه غذایی مقایسه کنید. [2]
  • با یک دلیل استنباط کنید که موجودات در این اکوسیستم بیش از یک سطح غذایی را اشغال می‌کند. [2]
  • با استفاده از مقادیر P استنباط کنید که:

الف) رایج‌ترین زنجیره غذایی در این شبکه چیست؟ [2]

ب) شکار ترجیحی B. bakeri چیست؟ [1]

  • یک هرم انرژی برای سطح تغذیه‌­ای اول و دوم بسازید. [3]
  • درصد انرژی از دست رفته بین سطح تغذیه­‌ای اول و دوم را محاسبه کنید. [2]
  • در مورد دشواري­‌هاي طبقه بندي موجودات به سطوح تغذيه‌­اي بحث كنيد. [2]
  • اطلاعات اضافی را که برای تکمیل هرم انرژی برای سطح تغذیه­‌ای سوم و چهارم مورد نیاز است، مشخص کنید. [1]

هفله

 

[1] Montezuma Well

[2] Sonoran

[1] Biomass


[1]
osprey

[2] جایگاهی که یک‌گونه یا گروهی از گونه‌ها در زنجیره­ی غذایی اشغال می‌کنند.

[1] Sahara Desert

[2] Insolation (میزان تابش دریافت شده از خورشید در یک سطح)

[3] Iguazu falls

اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید