تدوير المواد (١)
انظر إلى أهداف الدرس في الأعلى، فنحن هنا لكي نصف كيف تنتقل المواد المغذية خلال الأجزاء الحيوية واللاأيوية من النظام البيئي، ونشرح أهميتها للمخلوقات الحية، ونقارن بين الدورات الجيوكيميائية الحيوية. تذكر قانون حفظ الكتلة الذي تعلمته في الفيزياء: المادة لا تفنى ولا تستحدث إلا بمشيئة الله. وبناء على ذلك، فإن المادة في الغلاف الحيوي تُعاد تدويرها باستمرار. والمادة المغذية هي أي مادة كيميائية يحتاج إليها المخلوق الحي ليبقي على عملياته الحيوية واستمرار حياته، مثل الماء والكربون والنتروجين والفوسفور. انظر إلى الشكل ؛ فالأعشاب الخضراء تحصل على مواد أساسية من الهواء والتربة والماء لتحولها إلى مواد مغذية مفيدة. فإذا أكلت البقرة هذه الأعشاب، انتقلت المواد المغذية إليها، ثم تنتقل إلى المستهلكات، ثم تأتي المحللات لتعيد المواد المغذية إلى الدورة عند كل مستوى. تُسمى هذه العملية في الغلاف الحيوي الدورة الجيوكيميائية الحيوية.
يقوم درس تدوير المواد على فكرة أن المادة لا تفنى ولا تستحدث إلا بمشيئة الله، بل تُعاد تدويرها باستمرار ضمن الغلاف الحيوي عبر عمليات جيوكيميائية حيوية تدعم حياة المخلوقات الحية. تتناول الدورات الطبيعية تبادل العناصر بين الأجزاء الحيوية واللاوحيّة للنظام البيئي. من أهم هذه الدورات: دورة الماء، دورتا الكربون والأكسجين، دورة النيتروجين، ودورة الفوسفور. مثال على ذلك: عندما تمتص النباتات النيتروجين من التربة وتحوله إلى بروتينات، ثم تتغذى عليها الحيوانات، وتعود المادة عبر المحللات إلى التربة مجدداً لتستعملها مخلوقات حية أخرى.
الفكرة الأساسية
يعاد تدوير المواد المغذية الأساسية بالعمليات الجيوكيميائية الحيوية ضمن الغلاف الحيوي، إذ تنص المادة على أنها لا تفنى ولا تستحدث إلا بمشيئة الله، بل تعاد تدويرها لضمان استمرار الحياة واستقرار الأنظمة البيئية.
الشرح
تتحول الطاقة من شكل لآخر بشكل مستمر، بينما تدور المادة ولا تفنى. تحتاج المخلوقات الحية إلى المادة المغذية لتأدية وظائفها الحيوية. وتسمى عملية تبادل المواد ضمن الغلاف الحيوي الدورة الجيوكيميائية الحيوية. في دورة الماء، يتبخر الماء من المسطحات المائية والتربة والنباتات بعملية النح، ثم يتكثف مشكلاً الغيوم، ويسقط على شكل مطر أو ثلج أو برد، ليعود إلى سطح التربة وتتستمر الدورة حيث يشكل الماء العذب المتاح للمخلوقات الحية نسبة ضئيلة جداً. وفي دورتي الكربون والأكسجين، تشكل ذرات الكربون الهيكل الأساسي للجزيئات المهمة كالبروتينات والكربوهيدرات، حيث تحول النباتات ثاني أكسيد الكربون والماء إلى كربوهيدرات بعملية البناء الضوئي، وتتحر الأكسجين، بينما يعود الكربون عبر التنفس والتحلل والوقود الأحفوري. أما في دورة النيتروجين، فيستفاد من النيتروجين عبر تثبيت النيتروجين أو النترتة بواسطة البكتيريا أو البرق، لتمتصه النباتات وتستعمله المخلوقات الحية، ثم يعود للتربة عبر الفضلات والتحلل، وأحياناً يعود للغلاف الجوي بعملية إزالة النيتروجين أو عكس النترتة. وفي دورة الفوسفور، ينتقل الفوسفور في دورتين، إحداهما قصيرة والأخرى طويلة الأمد، ويعتبر غالباً عاملاً محدداً لنمو المنتجات لقلة وجوده في التربة والماء.
مثال محلول خطوة بخطوة
إذا كانت نسبة الماء العذب المتاح للاستخدام في النظام البيئي مقدرة من إجمالي الماء الكلي على الأرض كالتالي: إجمالي الماء على الأرض يقدر بنسبة 100%، ويشكل الماء العذب نسبة 2.5% فقط منه، بينما يشكل الماء العذب المتوفر في القطبين والجبال الجليدية نسبة 68.9% تقريباً من مجمل الماء العذب وهو غير متاح للاستخدام، فما هي نسبة الماء العذب المتاح فعلياً للاستخدام الحيوي من إجمالي الماء الكلي؟ الخطوة الأولى: نحسب كمية الماء العذب المتاح غير المتجمد بطرح الماء المتجمد من مجمل الماء العذب. الخطوة الثانية: نجد النسبة المتاحة من الإجمالي بضرب نسبة الماء العذب من الأرض (2.5%) في نسبة الماء العذب غير المتجمد المتاح (100% ناقص 68.9% أي 31.1%). الناتج هو أن الماء العذب المتاح للاستخدام لا يمثل سوى نسبة ضئيلة جداً لا تتجاوز 0.77% من إجمالي مياه الأرض.
أخطاء شائعة
- الاعتقاد بأن الطاقة تدور في النظام البيئي مثل المادة، والصواب أن الطاقة تتولى التدفق باتجاه واحد وتتحول من شكل لآخر بينما المادة هي التي تدور وتُعاد.
- الخلط بين تثبيت النيتروجين وعكس النترتة؛ فتثبيت النيتروجين يحول الغاز إلى نترات نافعة للنبات، بينما إزالة النيتروجين تعيد النيتروجين من النترات إلى غاز في الغلاف الجوي.
سؤالان للتدريب مع الإجابة
السؤال الأول: ما الفرق الأساسي بين حركة الطاقة وحركة المادة في الغلاف الحيوي؟ الإجابة: الطاقة تتولى التدفق المستمر وتتحول من شكل لآخر ولا تعود بالدورة نفسها، بينما المادة تعاد تدويرها ولا تفنى بل تنتقل بين الأجزاء الحيوية واللاوحيّة للنظام البيئي. السؤال الثاني: لماذا يعد الفوسفور غالباً عاملاً محدداً لنمو المنتجات في النظام البيئي؟ الإجابة: لأنه يوجد في التربة والماء بصورة فسفات فقط وبكميات قليلة وبطريقة بطيئة جداً في دورته الطويلة الأمد.