معلومة

46.1C: دراسة ديناميكيات النظام البيئي - علم الأحياء

46.1C: دراسة ديناميكيات النظام البيئي - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

يتم استخدام العديد من النماذج المختلفة لدراسة ديناميكيات النظام البيئي ، بما في ذلك النماذج الشاملة والتجريبية والمفاهيمية والتحليلية والمحاكاة.

أهداف التعلم

  • التفريق بين النماذج المفاهيمية والتحليلية والمحاكاة لديناميات النظام البيئي والدراسات البحثية للعالم المتوسط ​​والصغير

النقاط الرئيسية

  • يحدد نموذج النظام البيئي الشامل ديناميكيات النظام البيئي بأكمله.
  • يمكن للعلماء استخدام أنظمة تجريبية ، مثل عوالم مصغرة أو عوالم متوسطة ، لدراسة النظم البيئية في ظل ظروف معملية خاضعة للرقابة.
  • يستخدم النموذج المفاهيمي مخططات التدفق لإظهار التفاعلات بين المكونات الحية وغير الحية للنظام البيئي.
  • يستخدم النموذج التحليلي معادلات رياضية بسيطة للتنبؤ بآثار الاضطرابات البيئية على بنية النظام البيئي وديناميكياته.
  • يتنبأ نموذج المحاكاة بآثار الاضطرابات البيئية باستخدام خوارزميات الكمبيوتر المعقدة ؛ هم عادة تنبؤات موثوقة إلى حد ما.

الشروط الاساسية

  • عالم: جزء صغير من البيئة الطبيعية يتم وضعه تحت ظروف خاضعة للرقابة لأغراض تجريبية
  • عالم مصغر: نظام بيئي اصطناعي مبسط يستخدم لمحاكاة سلوك النظم البيئية الطبيعية والتنبؤ به في ظل ظروف خاضعة للرقابة

البحث في ديناميات النظام البيئي: تجربة النظم البيئية والنمذجة

ديناميات النظام البيئي هي دراسة التغيرات في بنية النظام الإيكولوجي الناتجة عن الاضطرابات البيئية أو عن طريق القوى الداخلية. منهجيات بحث مختلفة تقيس ديناميات النظام البيئي. يدرس بعض علماء البيئة النظم البيئية باستخدام أنظمة تجريبية مضبوطة ، بينما يدرس البعض النظم البيئية بأكملها في حالتها الطبيعية ؛ يستخدم الآخرون كلا النهجين.

نموذج النظام البيئي الشامل

يحاول نموذج النظام البيئي الشامل تحديد التكوين والتفاعل وديناميكيات النظم البيئية بأكملها. الشبكة الغذائية هي مثال على نموذج شامل للنظام البيئي ، وهو الأكثر تمثيلاً للنظام البيئي في حالته الطبيعية. ومع ذلك ، فإن هذا النوع من الدراسة محدود بالوقت والنفقات ، فضلاً عن جدواه المحدودة لإجراء تجارب على النظم البيئية الطبيعية الكبيرة.

الأنظمة التجريبية

لهذه الأسباب ، يدرس العلماء النظم البيئية في ظل ظروف أكثر تحكمًا. عادةً ما تتضمن الأنظمة التجريبية إما تقسيم جزء من نظام بيئي طبيعي يمكن استخدامه لإجراء التجارب ، يُطلق عليه اسم عالم متوسط ​​، أو عن طريق إعادة إنشاء نظام بيئي بالكامل في بيئة معملية داخلية أو خارجية ، والتي يشار إليها باسم صورة مصغرة. يتمثل أحد القيود الرئيسية لهذه الأساليب في أن إزالة الكائنات الحية الفردية من نظامها البيئي الطبيعي أو تغيير النظام البيئي الطبيعي من خلال التقسيم قد يغير ديناميكيات النظام البيئي. غالبًا ما تكون هذه التغييرات ناتجة عن الاختلافات في أعداد الأنواع وتنوعها ، ولكن أيضًا بسبب التغيرات البيئية الناتجة عن تقسيم (العالم المتوسط) أو إعادة تكوين (العالم المصغر) الموائل الطبيعية. وبالتالي ، فإن هذه الأنواع من التجارب لا تنبئ تمامًا بالتغيرات التي قد تحدث في النظام البيئي الذي تم جمعها منه.

نظرًا لأن كلا النهجين لهما حدود ، يقترح بعض علماء البيئة أنه يجب استخدام نتائج هذه الأنظمة التجريبية فقط بالاقتران مع دراسات النظام البيئي الشاملة للحصول على البيانات الأكثر تمثيلا حول بنية النظام البيئي ووظيفته وديناميكياته.

نماذج النظام البيئي

يستخدم العلماء البيانات الناتجة عن هذه الدراسات التجريبية لتطوير نماذج النظام البيئي التي توضح بنية وديناميكيات النظم البيئية. يتم استخدام ثلاثة أنواع أساسية من نمذجة النظام البيئي بشكل روتيني في البحث وإدارة النظام البيئي: النماذج المفاهيمية والنماذج التحليلية ونماذج المحاكاة.

يتكون النموذج المفاهيمي من مخططات انسيابية لإظهار تفاعلات الأجزاء المختلفة للمكونات الحية وغير الحية للنظام البيئي. يصف النموذج المفاهيمي بنية النظام الإيكولوجي ودينامياته ويوضح كيف تؤثر الاضطرابات البيئية على النظام البيئي ، على الرغم من أن قدرته على التنبؤ بآثار هذه الاضطرابات محدودة.

النماذج التحليلية والمحاكاة هي طرق رياضية لوصف النظم البيئية القادرة على التنبؤ بآثار التغيرات البيئية المحتملة دون تجربة مباشرة ، على الرغم من وجود قيود في الدقة. يتم إنشاء نموذج تحليلي باستخدام معادلات رياضية بسيطة للتنبؤ بآثار الاضطرابات البيئية على بنية النظام البيئي وديناميكياته.

يتم إنشاء نموذج المحاكاة باستخدام خوارزميات الكمبيوتر المعقدة لنمذجة النظم البيئية بشكل شامل والتنبؤ بآثار الاضطرابات البيئية على بنية النظام البيئي وديناميكياته. من الناحية المثالية ، تكون هذه النماذج دقيقة بما يكفي لتحديد مكونات النظام البيئي الحساسة بشكل خاص للاضطرابات. يمكن أن تكون بمثابة دليل لمديري النظام الإيكولوجي (مثل علماء البيئة في مجال الحفظ أو علماء الأحياء في مصايد الأسماك) في الصيانة العملية لصحة النظام الإيكولوجي.


مناهج النمذجة لدراسة الميكروبيوم

قدمت التطورات في تسلسل الميتاجينوم للميكروبيوم البشري عددًا كبيرًا من الرؤى الجديدة وكشفت عن ارتباط وثيق بين هذا النظام البيئي المعقد ومجموعة من الأمراض البشرية. ومع ذلك ، هناك القليل من المعرفة حول كيفية تفاعل مختلف أعضاء المجتمع الميكروبي مع بعضهم البعض ومع المضيف ، ونفتقر إلى الفهم الآلي الأساسي لهذه التفاعلات المتعلقة بالصحة والمرض. أثبتت النمذجة الرياضية أنها مفيدة للغاية لاكتساب نظرة ثاقبة لديناميكيات وتفاعلات الأنظمة المعقدة وفي السنوات الأخيرة ، تم اقتراح العديد من مناهج النمذجة لتعزيز فهمنا للميكروبيوم. هنا ، نستعرض أحدث التطورات والأساليب الحالية ، ونسلط الضوء على كيفية تطبيق استراتيجيات النمذجة المختلفة لكشف الطبيعة الديناميكية للغاية للميكروبيوم البشري. علاوة على ذلك ، نناقش القيود الحالية لاستراتيجيات النمذجة المختلفة ونقدم منظورًا لكيفية تعزيز النمذجة للفهم وتقديم طرق علاج جديدة للتأثير على صحة الإنسان.


معهد جورجيا للتكنولوجيا كلية العلوم البيولوجية | معهد جورجيا للتكنولوجيا | أتلانتا ، جورجيا | معهد جورجيا للتكنولوجيا | أتلانتا، GA


تم اختيار الدفعة الافتتاحية من الباحثين في معهد Brook Byers للأنظمة المستدامة (BBISS) لمساعدي أبحاث الدراسات العليا (GRA) مؤخرًا لبرنامج مدته سنتان من العمل والدراسة والتدريب كفريق متعدد التخصصات لأبحاث الاستدامة.


يتعاون Alberto Stolfi مع Shu Jia لربط الاكتشاف البيولوجي الجديد بتكنولوجيا التصوير التحويلية. سيستكشف Liang Han و Costas Arvanitis بروتينات الصوت والاهتزاز وأغشية الخلية لتطوير أدوات علم الأعصاب غير الغازية.


وجد بحث New Georgia Tech أن الأفيال توسع فتحات أنفها من أجل خلق مساحة أكبر في جذوعها ، مما يسمح لها بتخزين ما يصل إلى 5.5 لتر من الماء. يمكنهم أيضًا امتصاص ثلاثة لترات في الثانية - أسرع 30 مرة من الإنسان.


البيولوجيا التركيبية: أنظمة بيئية مستقرة هندسية

تسمح الثقافة المشتركة للخلايا البكتيرية المصممة بدوائر استشعار النصاب والتحلل الذاتي بديناميات تذبذبية مقترنة وحالات مستقرة ، مما يفتح الطريق أمام النظم البيئية الميكروبية المهندسة ذات الديناميكيات المستهدفة وتوسيع دوائر الجينات إلى مستوى النظام البيئي.

تتميز النظم الإيكولوجية الميكروبية بالتفاعلات التعاونية بين الأنواع ، حيث يمكن للتغييرات في عشيرة أحد الأنواع أن تؤثر على الأنواع الأخرى بطرق إيجابية وسلبية. أحد التفاعلات المهمة هو التنافس على عنصر غذائي أساسي مشترك ، حيث ينص مبدأ الاستبعاد التنافسي ، المعروف أيضًا باسم قانون غوز ، على عدم وجود حالة ثابتة للتعايش. تخضع المجموعات الميكروبية أيضًا لهذا القانون ، مما يؤدي إلى صعوبة الحفاظ على ثقافة مشتركة مستقرة للسلالات المرغوبة. ومع ذلك ، يمكن أن يحدث التعايش إذا أدت التفاعلات البيئية الإضافية إلى تذبذبات زمنية ، على سبيل المثال ، في ديناميات المفترس والفريسة 1. في هذه الحالة ، من المستحسن الوصول أولاً إلى الحالة الثابتة لثقافة واحدة مع الحفاظ على وجود الأنواع الأخرى. في هذا العدد من علم الأحياء الدقيقة الطبيعةسكوت وآخرون. 2 استخدام تقنيات البيولوجيا التركيبية لهندسة نظام متعامد للتحكم في عدد السكان مع عدم وجود نقاش غير مقصود لسلالتين من السالمونيلا، والذي يسمح بسلوك تذبذب مقترن وثقافة مشتركة طويلة الأمد لمجموعتين في حالة مستقرة.


دمج بيئة الحركة مع أبحاث التنوع البيولوجي - استكشاف طرق جديدة لمعالجة ديناميات التنوع البيولوجي الزماني والمكاني

حركة الكائنات الحية هي إحدى الآليات الرئيسية لتشكيل التنوع البيولوجي ، على سبيل المثال توزيع الجينات والأفراد والأنواع في المكان والزمان. أدت التطورات التكنولوجية والمفاهيمية الحديثة إلى تحسين قدرتنا على تقييم أسباب وعواقب الحركة الفردية ، وأدت إلى ظهور مجال جديد لـ "بيئة الحركة". هنا ، نحدد كيف يمكن لبيئة الحركة أن تساهم في المجال الواسع لبحوث التنوع البيولوجي ، أي دراسة العمليات وأنماط الحياة بين وعبر النطاقات المختلفة ، من الجينات إلى النظم البيئية ، ونقترح إطارًا مفاهيميًا يربط بين هذه المجالات المنفصلة إلى حد كبير حتى الآن. ابحاث. يعتمد إطار عملنا على مفهوم إيكولوجيا الحركة للأفراد ، ويوضح أهميتها لربط حركة الكائنات الحية الفردية بالتنوع البيولوجي. أولاً ، يمكن أن توفر حركات الكائنات الحية "روابط متنقلة" بين الموائل أو النظم البيئية ، وبالتالي ربط الموارد والجينات والعمليات بين مواقع منفصلة. سيتم تسهيل فهم هذه الروابط المتنقلة وتأثيرها على التنوع البيولوجي من خلال بيئة الحركة ، لأنه يمكن إنشاء روابط متنقلة من خلال أنماط مختلفة من الحركة (مثل البحث عن الطعام ، والتشتت ، والهجرة) التي تتعلق بمقاييس زمانية مكانية مختلفة ولها تأثيرات متباينة على التنوع البيولوجي. ثانيًا ، يمكن للحركات العضوية أيضًا أن تتوسط في التعايش في المجتمعات ، من خلال آليات "التكافؤ" و "الاستقرار". يوفر هذا الإطار المتكامل الجديد نقطة انطلاق مفاهيمية لفهم ديناميكيات التنوع البيولوجي بشكل أفضل في ضوء الحركة الفردية وسلوك استخدام الفضاء عبر المقاييس الزمانية المكانية. من خلال توضيح هذا الإطار بأمثلة ، نجادل بأن تكامل علم البيئة الحركي وأبحاث التنوع البيولوجي سيعزز أيضًا قدرتنا على الحفاظ على التنوع على المستويات الجينية والأنواع والنظام البيئي.

الكلمات الدالة: الحفاظ على التنوع البيولوجي ديناميكيات المجتمع النمذجة الفردية النمذجة الجينية للمناظر الطبيعية الحركة لمسافات طويلة الروابط المتنقلة التعايش بين الأنواع.


النظام البيئي: هيكل ووظائف و rsquos (مع رسم بياني)

يكون الكائن الحي دائمًا في حالة توازن مثالي مع البيئة. البيئة تعني حرفيا المناطق المحيطة.

تشير البيئة إلى الأشياء والظروف المحيطة بالكائنات الحية التي تؤثر بشكل مباشر أو غير مباشر على حياة وتطور الكائنات الحية ومجموعاتها.

"النظام البيئي هو معقد حيث تعتبر الموائل والنباتات والحيوانات وحدة واحدة مثيرة للاهتمام ، والمواد والطاقة من واحد يمر داخل وخارج الآخرين" & # 8211 Woodbury.

الكائنات الحية والبيئة عاملين غير منفصلين. تتفاعل الكائنات الحية مع بعضها البعض وكذلك مع الظروف المادية الموجودة في موائلها.

& # 8220 الكائنات الحية والسمات الفيزيائية للموئل تشكل معقدًا بيئيًا أو أكثر باختصار نظامًا بيئيًا. & # 8221 (كلارك ، 1954).

تم طرح مفهوم النظام البيئي لأول مرة بواسطة A.G. Tansley (1935). النظام البيئي هو الوحدة البيئية الرئيسية. لديها هيكل ووظائف. الهيكل مرتبط بتنوع الأنواع. كلما كان الهيكل أكثر تعقيدًا ، كلما زاد تنوع الأنواع في النظام البيئي. ترتبط وظائف النظام البيئي بتدفق الطاقة وتدوير المواد من خلال المكونات الهيكلية للنظام البيئي.

وفقًا لـ Woodbury (1954) ، فإن النظام البيئي عبارة عن معقد حيث تعتبر الموائل والنباتات والحيوانات وحدة واحدة مثيرة للاهتمام ، وهي المواد والطاقة التي يمر بها المرء داخل وخارج الوحدات الأخرى.

وفقًا لـ E.P. Odum ، النظام البيئي هو الوحدة الوظيفية الأساسية للكائنات الحية وتتفاعل بيئتها مع بعضها البعض ومع مكوناتها الخاصة. يمكن تصور النظام البيئي ودراسته في الموائل ذات الأحجام المختلفة ، على سبيل المثال ، متر مربع واحد من الأراضي العشبية ، وحمام سباحة ، وبحيرة كبيرة ، ومساحة كبيرة من الغابات ، وحوض مائي متوازن ، ومنطقة معينة من النهر والمحيط.

ترتبط جميع النظم البيئية للأرض ببعضها البعض ، على سبيل المثال ، يرتبط النظام البيئي للنهر بالنظام البيئي للمحيطات ، والنظام البيئي الصغير من جذوع الأشجار الميتة هو جزء من نظام بيئي كبير للغابة. نادرًا ما يوجد نظام بيئي كامل الاكتفاء الذاتي في الطبيعة ولكن قد تحدث مواقف تقترب من الاكتفاء الذاتي.

هيكل النظام البيئي:

هيكل النظام البيئي هو في الأساس وصف للكائنات الحية والسمات الفيزيائية للبيئة بما في ذلك كمية وتوزيع العناصر الغذائية في موطن معين. كما يوفر معلومات بشأن مجموعة الظروف المناخية السائدة في المنطقة.

من وجهة نظر الهيكل ، تتكون جميع النظم البيئية من المكونات الأساسية التالية:

1. المكونات اللاأحيائية:

تتجلى العلاقات البيئية في البيئة الفيزيائية والكيميائية. يشتمل المكون اللاأحيائي للنظام البيئي على العناصر والمركبات الأساسية غير العضوية ، مثل التربة والماء والأكسجين وكربونات الكالسيوم والفوسفات ومجموعة متنوعة من المركبات العضوية (المنتجات الثانوية للأنشطة العضوية أو الموت).

ويشمل أيضًا عوامل ومكونات فيزيائية مثل الرطوبة وتيارات الرياح والإشعاع الشمسي. الطاقة المشعة للشمس هي مصدر الطاقة الوحيد المهم لأي نظام بيئي. تُعرف كمية المكونات غير الحية ، مثل الكربون والفوسفور والنيتروجين وما إلى ذلك الموجودة في أي وقت بالحالة الدائمة أو الكمية الدائمة.

2. المكونات الحيوية:

تشمل المكونات الحيوية جميع الكائنات الحية الموجودة في النظام البيئي.

من وجهة نظر التغذية ، يمكن تجميع المكونات الحيوية في مكونين أساسيين:

(ط) مكونات ذاتية التغذية ، و

(2) مكونات غيرية التغذية

تشمل المكونات ذاتية التغذية جميع النباتات الخضراء التي تثبت الطاقة المشعة للشمس وتصنع الغذاء من المواد غير العضوية. تشمل المكونات غيرية التغذية نباتات غير خضراء وجميع الحيوانات التي تأخذ الطعام من ذاتية التغذية.

لذلك يمكن وصف المكونات الحيوية للنظام البيئي تحت الرؤوس الثلاثة التالية:

1. المنتجون (مكونات ذاتية التغذية) ،

3. محللات أو مخفضات ومحولات

تُعرف كمية الكتلة الحيوية في أي وقت في أي نظام بيئي بالمحصول الثابت والذي يتم التعبير عنه عادةً بالوزن الطازج أو الوزن الجاف أو الطاقة الحرة من حيث السعرات الحرارية / متر.

المنتجون (عناصر التغذية الذاتية):

المنتجون هم العناصر ذاتية التغذية - بشكل رئيسي النباتات الخضراء. يستخدمون الطاقة المشعة للشمس في عملية التمثيل الضوئي حيث يتم استيعاب ثاني أكسيد الكربون وتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. الطاقة الكيميائية محجوزة في الواقع في مركبات الكربون الغنية بالطاقة. يتطور الأكسجين كمنتج ثانوي في عملية التمثيل الضوئي.

يتم استخدام هذا في التنفس من قبل جميع الكائنات الحية. تعد الطحالب والنباتات المائية الأخرى في البركة ، وأعشاب الحقل ، وأشجار الغابات أمثلة على المنتجين. بكتيريا التخليق الكيميائي والكاروتينات التي تحمل البكتيريا الأرجواني التي تمتص ثاني أكسيد الكربون أيضًا2 مع طاقة ضوء الشمس ولكن فقط في وجود مركبات عضوية تنتمي أيضًا إلى هذه الفئة.

مصطلح المنتج مضلل لأنه في سياق الطاقة ، ينتج المنتجون الكربوهيدرات وليس الطاقة. نظرًا لأنها تقوم بتحويل أو تحويل الطاقة المشعة إلى شكل كيميائي ، فإن E.J. يقترح Kormondy شروطًا بديلة أفضل & # 8216 محولات & # 8217 أو & # 8216 محولات & # 8217. بسبب الاستخدام الواسع لمصطلح المنتج لا يزال محتفظًا به.

يُطلق على الأعضاء الأحياء في النظام البيئي الذين يستهلكون الطعام الذي يصنعه المنتجون اسم المستهلكين. تحت هذه الفئة يتم تضمين جميع أنواع الحيوانات الموجودة في النظام البيئي.

هناك فئات أو فئات مختلفة من المستهلكين ، مثل:

(أ) المستهلكون من الدرجة الأولى أو المستهلكين الأساسيين ،

(ب) مستهلكو الدرجة الثانية أو المستهلكون الثانويون ،

(ج) المستهلكون من الدرجة الثالثة أو المستهلكين من الدرجة الثالثة ، و

(د) الطفيليات والقمامة والعفن.

هذه حيوانات نباتية بحتة تعتمد في غذائها على المنتجين أو النباتات الخضراء. تعد الحشرات والقوارض والأرانب والغزلان والبقر والجاموس والماعز من الحيوانات العاشبة الشائعة في النظام البيئي الأرضي والقشريات الصغيرة والرخويات وما إلى ذلك في الموائل المائية. أطلق Elton (1939) على العواشب في النظام البيئي اسم & # 8220key Industry حيوانات & # 8221. تعمل العواشب كمصدر غذائي رئيسي للحيوانات آكلة اللحوم.

(ب) المستهلكون الثانويون:

هذه هي الحيوانات آكلة اللحوم والحيوانات آكلة اللحوم. الحيوانات آكلة اللحوم هي حيوانات تأكل اللحم والحيوانات آكلة اللحوم هي الحيوانات التي تتكيف مع الحيوانات العاشبة وكذلك النباتات كغذاء لها. ومن الأمثلة على المستهلكين الثانويين العصفور والغراب والثعلب والذئاب والكلاب والقطط والثعابين ، إلخ.

هذه هي أهم الحيوانات آكلة اللحوم التي تتغذى على آكلات اللحوم الأخرى والحيوانات آكلة اللحوم والحيوانات العاشبة. تعتبر الأسود والنمور والصقور والنسر وما إلى ذلك من المستهلكين من الدرجة الثالثة أو من كبار المستهلكين.

(د) إلى جانب الفئات المختلفة من المستهلكين ، يتم أيضًا تضمين الطفيليات والزبال والسابروبس في المستهلكين. تستخدم النباتات والحيوانات الطفيلية الأنسجة الحية للنباتات والحيوانات المختلفة. يستخدم الزبالون والنباتات بقايا الحيوانات والنباتات الميتة كغذاء لهم.

المحولات والمحللات:

المُحلِّلات والمحولات هي المكونات الحية للنظام البيئي وهي الفطريات والبكتيريا. تهاجم المحللون البقايا الميتة للمنتجين والمستهلكين وتحلل المواد العضوية المعقدة إلى مركبات أبسط. يتم بعد ذلك مهاجمة المواد العضوية البسيطة بواسطة نوع آخر من البكتيريا ، المحولات التي تحول هذه المركبات العضوية إلى أشكال غير عضوية مناسبة لإعادة استخدامها من قبل المنتجين أو النباتات الخضراء. تلعب المحولات والمحللات دورًا مهمًا للغاية في الحفاظ على الطبيعة الديناميكية للنظم البيئية.

وظيفة النظام البيئي:

النظام البيئي هو نظام بيئي هيكلي ووظيفي ومستدام للحياة. يتكون النظام البيئي من مكونات حيوية وغير حيوية في الموائل. يشتمل المكون الحيوي للنظام البيئي على الكائنات الحية النباتات والحيوانات والميكروبات بينما يشتمل المكون اللاأحيائي على المواد غير العضوية والطاقة.

توفر المكونات اللاأحيائية المصفوفة لتخليق وإدامة المكونات العضوية (البروتوبلازم). تتضمن عمليات التوليف والاستمرارية تبادل الطاقة وتأتي هذه الطاقة من الشمس في شكل ضوء أو طاقة شمسية.

وبالتالي ، في أي نظام بيئي لدينا المكونات الوظيفية التالية:

(ط) المكونات غير العضوية (الهواء والماء والأملاح المعدنية)

(2) الكائنات الحية (النباتات والحيوانات والميكروبات) ، و

(3) مدخلات الطاقة التي تدخل من الخارج (الشمس).

هؤلاء الثلاثة يتفاعلون ويشكلون نظامًا بيئيًا. يتم تصنيع المكونات غير العضوية في هياكل عضوية بواسطة النباتات الخضراء (المنتجين الأساسيين) من خلال عملية التمثيل الضوئي ويتم استخدام الطاقة الشمسية في هذه العملية. تصبح النباتات الخضراء مصدر الطاقة للتجديدات (العواشب) والتي بدورها تصبح مصدر طاقة للحيوانات الآكلة للحوم (آكلات اللحوم). تنمو الحيوانات من جميع الأنواع وتضيف المواد العضوية إلى وزن أجسامها ومصدر طاقتها هو مركب عضوي معقد يؤخذ كغذاء.

وهم معروفون باسم المنتجين الثانويين. جميع الكائنات الحية سواء كانت نباتات أو حيوانات في نظام بيئي لها فترة حياة محددة تموت بعدها. توفر البقايا العضوية الميتة للنباتات والحيوانات غذاءً للميكروبات الرمية ، مثل البكتيريا والفطريات والعديد من الحيوانات الأخرى. تتحلل السابروب في النهاية البنية العضوية وتكسر الجزيئات المعقدة وتحرر المكونات غير العضوية في بيئتها.

تُعرف هذه الكائنات الحية بالمحللات. أثناء عملية تحلل الجزيئات العضوية ، يتم تحرير الطاقة التي تحافظ على المكونات غير العضوية مرتبطة ببعضها البعض في شكل جزيئات عضوية ، وتبدد في البيئة كطاقة حرارية. وهكذا في نظام إيكولوجي للطاقة من الشمس ، يتم تثبيت المدخلات بواسطة النباتات وتحويلها إلى مكونات حيوانية.

يتم سحب العناصر الغذائية من الركيزة ، وترسب في أنسجة النباتات والحيوانات ، وتدويرها من مجموعة تغذية إلى أخرى ، ويتم إطلاقها عن طريق التحلل في التربة والماء والهواء ثم إعادة تدويرها. تعتمد النظم البيئية التي تعمل في موائل مختلفة ، مثل الصحاري والغابات والأراضي العشبية والبحار على بعضها البعض. قد تجد الطاقة والمغذيات في أحد الأنظمة البيئية طريقها إلى نظام آخر بحيث تكون جميع أجزاء الأرض مترابطة في النهاية ، ويشكل كل منها جزءًا من النظام الكلي الذي يحافظ على عمل المحيط الحيوي.

وبالتالي فإن الخطوات الرئيسية في تشغيل النظام البيئي هي كما يلي:

(1) استقبال الطاقة المشعة للشمس ،

(2) تصنيع المواد العضوية من غير العضوية من قبل المنتجين ،

(3) استهلاك المنتجين من قبل المستهلكين وزيادة تفصيل المواد المستهلكة و.

(4) بعد وفاة المنتجين والمستهلكين ، تتحلل المركبات العضوية المعقدة ويتم تحويلها أخيرًا بواسطة المحولات والمحللات إلى أشكال مناسبة لإعادة استخدامها من قبل المنتجين.

لا تشمل الخطوات الرئيسية في تشغيل النظام البيئي إنتاج المكونات الحية ونموها وموتها فحسب ، بل تؤثر أيضًا على الجوانب اللاأحيائية للموئل. من الواضح الآن أن هناك نقلًا لكل من الطاقة والمغذيات من المنتجين إلى المستهلكين وأخيراً إلى مستويات التحلل والمحولات. في هذا النقل ، هناك انخفاض تدريجي في الطاقة ولكن عنصر المغذيات لا يتضاءل ويظهر التدوير من اللاأحيائية إلى الحيوية والعكس صحيح.

تدفق الطاقة أحادي الاتجاه. تكمن العمليتان البيئيتان - تدفق الطاقة ودورة المعادن التي تتضمن التفاعل بين المكونات الحيوية وغير الحيوية في قلب ديناميات النظام البيئي. يوضح الشكل 3.1 الخطوات والمكونات الرئيسية للنظام البيئي.


حجم السكان وكثافتهم

الشكل 1. تظهر الثدييات الأسترالية علاقة عكسية نموذجية بين الكثافة السكانية وحجم الجسم. كما يوضح هذا الرسم البياني ، تتناقص الكثافة السكانية عادةً مع زيادة حجم الجسم. لماذا تظن أن هذه هي القضية؟

يتسم السكان بحجم سكانهم (إجمالي عدد الأفراد) وكثافتهم السكانية (عدد الأفراد لكل وحدة مساحة). قد يكون لدى السكان عدد كبير من الأفراد الموزعين بكثافة أو قليلة. هناك أيضًا مجموعات سكانية ذات أعداد صغيرة من الأفراد قد تكون كثيفة أو قليلة التوزيع في منطقة محلية. يمكن أن يؤثر حجم السكان على إمكانية التكيف لأنه يؤثر على مقدار التباين الجيني الموجود في السكان. يمكن أن يكون للكثافة تأثيرات على التفاعلات داخل السكان مثل التنافس على الطعام وقدرة الأفراد على العثور على رفيقة. تميل الكائنات الأصغر إلى أن تكون أكثر كثافة من الكائنات الأكبر (الشكل 1).


تتكاثر العوالق الضخمة مع تأثيرات مختلفة جدًا على النظام البيئي

قال دينيس ماكجيليكودي ، كبير العلماء ورئيس قسم فيزياء وهندسة المحيطات التطبيقية في معهد وودز هول لعلوم المحيطات (WHOI): "اللغز الكبير حول العوالق هو ما يتحكم في توزيعها ووفرة ، وما الظروف التي تؤدي إلى تكاثر العوالق الكبيرة".

تستكشف ورقتان جديدتان هذا السؤال وتقدمان أمثلة للظروف التي تؤدي إلى ازدهار هائل للعوالق مع تأثيرات محتملة مختلفة إلى حد كبير على النظام البيئي ، وفقًا لماكجيليكودي ، المؤلف المشارك لكلا البحثين. تشير كلتا الورقتين أيضًا إلى أهمية استخدام التكنولوجيا المتقدمة - بما في ذلك مسجلات العوالق بالفيديو ، والمركبات ذاتية القيادة تحت الماء ، ومصفوفة الساحل الرائد لمبادرة المحيطات - للعثور على هذه الإزهار ومراقبتها.

في ورقة واحدة ، Diatom Hotspots مدفوعة بعدم استقرار التيار الغربي الحدودي ، نُشر في رسائل البحث الجيوفيزيائي (GRL)، وجد العلماء أزهارًا منتجة بشكل غير متوقع تحت سطح الأرض من العوالق النباتية المشطورة.

في ال GRL ورقة بحثية ، قام الباحثون بالتحقيق في الديناميكيات التي تتحكم في الإنتاجية الأولية في منطقة وسط المحيط الأطلسي (MAB) ، أحد أكثر النظم البيئية البحرية إنتاجية في العالم. في عام 2019 ، لاحظوا نقاط ساخنة غير متوقعة للمشطورة في منطقة الانحدار في منطقة euphotic في الخليج ، وهي طبقة المحيط التي تتلقى ضوءًا كافيًا لحدوث عملية التمثيل الضوئي. العوالق النباتية هي كائنات دقيقة تعمل بالتمثيل الضوئي وهي أساس شبكة الغذاء المائية.

كان من المدهش للباحثين أن النقاط الساخنة حدثت في مياه عالية الملوحة تتسلل من تيار الخليج. وأشار المؤلفون إلى أنه "في حين يُعتقد أن هذه التدخلات لمياه تيار الخليج منخفضة المغذيات قد تقلل الإنتاجية البيولوجية بشكل محتمل ، فإننا نقدم أدلة على ازدهار المشطورة الجوفية المنتج بشكل غير متوقع نتيجة للتدخل المباشر لتيار الخليج المتعرج نحو الجرف القاري". يفترضون أن النقاط الساخنة لم تكن تغذيها المياه السطحية لـ Gulf Stream ، والتي عادة ما تكون منخفضة في المغذيات والكلوروفيل ، ولكن بدلاً من ذلك ، كانت النقاط الساخنة تغذيها المغذيات التي تغذي منطقة ضوء الشمس من مياه تيار الخليج العميقة.

مع تغير استقرار تيار الخليج ، أصبحت عمليات الاقتحام من تيار الخليج أكثر تكرارا في العقود الأخيرة ، وفقا للباحثين. وأشار المؤلفون إلى أن "هذه النتائج تشير إلى أن تغيير الدورة الدموية على نطاق واسع له عواقب على الإنتاجية الإقليمية لا يمكن اكتشافها بواسطة الأقمار الصناعية بحكم حدوثها تحت سطح الأرض".

"في هذه الحالة بالذات ، أدى تغير المناخ إلى زيادة الإنتاجية في هذه المنطقة بالذات ، بفضل تفاعل دقيق وغير متوقع إلى حد ما بين فيزياء وعلم الأحياء للمحيطات. وهذه الديناميكية نفسها قد لا تنطبق بالضرورة في أماكن أخرى من المحيط ، ومن المحتمل جدًا أن تصبح مناطق أخرى من المحيط أقل إنتاجية بمرور الوقت. "ستكون هناك اختلافات إقليمية في طريقة استجابة المحيط لتغير المناخ. ويجب أن يكون المجتمع قادرًا على الإدارة بذكاء من منظور إقليمي ، وليس فقط من منظور عالمي".

أظهرت نتائج البحث "تأثيرًا بيولوجيًا رائعًا وغير بديهي لهذا الدوران الواسع النطاق المتغير" GRL المؤلف الرئيسي للورقة ، هيلدا أوليفر ، باحثة ما بعد الدكتوراه في فيزياء وهندسة المحيطات التطبيقية في WHOI. تذكرت مشاهدة بيانات الجهاز وهي تأتي. مع قيم الصيف النموذجية لحوالي 1-1.5 ميكروغرام من الكلوروفيل لكل لتر من مياه البحر ، سجل الباحثون "تركيزات لم يسمع بها من الكلوروفيل في هذه المنطقة في الصيف" تصل إلى 12 أو 13 ميكروغرامًا لكل لتر. قال أوليفر.

أوليفر ، الذي دكتوراه. ركزت على النمذجة ، وقالت إن الرحلة البحرية ساعدتها على النظر إلى أزهار العوالق النباتية من أكثر من مجرد إحساس نظري. وقالت: "الخروج إلى المحيط ورؤية كيف يمكن لفيزياء المحيط أن تظهر هذه الإزهار في العالم الحقيقي كان منفتحًا عليّ".

ورقة أخرى ، A Regional، Early Spring Bloom of Phaeocystis pouchetii on the New England Continental Shelf ، نشرت في Journal of Geophysical Research: Oceans (JGR: Oceans) ، كانت أيضًا مفتوحة للعين. اكتشف الباحثون الذين درسوا الديناميكيات البيولوجية للجرف القاري لنيو إنجلاند في عام 2018 ازدهارًا ضخمًا للعوالق النباتية haptophyte Phaeocystis pouchetii.

ومع ذلك ، على عكس النقاط الساخنة المشطورة الموصوفة في GRL قال ويليام وماري ، الأستاذ المتقاعد في معهد فيرجينيا للعلوم البحرية ويليام وماري ، وهو المؤلف الرئيسي في JGR: ورقة المحيطات: تشكل العوالق النباتية مستعمرات هلامية يبلغ قطرها ملليمترات.

عندما تزدهر Phaeocystis ، فإنها تستخدم العناصر الغذائية تمامًا مثل أي شكل آخر من أشكال العوالق النباتية. ومع ذلك ، على عكس الدياتومات المذكورة في GRL ورقة ، Phaeocystis يحول الكتلة الحيوية إلى شيء لا يميل إلى تجاوز بقية السلسلة الغذائية ، قال McGillicuddy.

ذكر المؤلفون أن "فهم التفاعلات الفيزيائية - البيولوجية في النظام الساحلي يوفر أساسًا للتنبؤ بتكاثر هذه الطحالب التي يحتمل أن تكون ضارة وقد يؤدي إلى تنبؤ أفضل بتأثيراتها على النظم الساحلية".

تم الإبلاغ عن أزهار ضخمة من المرحلة الاستعمارية لهذا النوع وأنواع مماثلة في العديد من الأنظمة في أجزاء مختلفة من العالم ، والتي درسها سميث. قال سميث إن هذه الأنواع من الإزهار تحدث على الأرجح كل ثلاث سنوات في الجرف القاري لنيو إنجلاند وربما يكون لها تأثير قوي إلى حد ما على مياه نيو إنجلاند وشبكات الطعام ومصايد الأسماك. وقال إن مديري السواحل بحاجة إلى معرفة هذه الإزهار لأنها يمكن أن يكون لها آثار اقتصادية على تربية الأحياء المائية في المناطق الساحلية.

قال سميث: "على الرغم من حقيقة أن Mid-Atlantic Bight قد تمت دراسته جيدًا وأخذ عينات منه على نطاق واسع ، إلا أن هناك أشياء تجري لا نزال لا نقدرها حقًا". "أحد الأمثلة هو أزهار Phaeocystis الموجودة في أعماق المياه والتي لن تراها أبدًا ما لم تكن هناك لأن الأقمار الصناعية لا تستطيع إظهارها. لذلك ، كلما نظرنا أكثر ، اكتشفنا أكثر."


المهمة والرؤية

بيان الرؤية

إجراء البحوث والتقييمات القائمة على النظام الإيكولوجي للموارد البحرية الحية ، مع التركيز على الجرف الشمالي الشرقي ، لتعزيز استعادة هذه الموارد واستدامتها على المدى الطويل ، وتوليد الفرص الاجتماعية والاقتصادية والفوائد من استخدامها.

أهداف المهمة

البحث والرصد

فهم والتنبؤ بالتغيرات التي تطرأ على النظم الإيكولوجية البحرية وأنظمتها الفرعية التي تؤثر على الموارد البحرية الحية ، ومصايد الأسماك ، والموائل ، وظروف النظام البيئي ، والإنتاجية ، وتربية الأحياء المائية ، وتوليد الفوائد الوطنية الصافية.

نصائح علمية

  • تطوير وتوفير الأساس العلمي لبرامج الإدارة التي لها إطار قائم على النظام الإيكولوجي.
  • تعزيز قدرة المجتمع على الاستجابة لظروف النظام البيئي المتغيرة وإدارة المخاطر من خلال تطوير أدوات القرار المستندة إلى العلم.

التعليم والتواصل

الانخراط والتفاعل مع الأفراد والشركاء والمدارس والمجتمعات والصناعات لتسهيل تدفق المعلومات ، ولضمان التنسيق والتعاون ، وتقديم المساعدة الفنية في إدارة الموارد البحرية الحية وموائلها.

مذكرة إرشادية سنوية

يقدم مديرنا إرشادات سنوية حول الأنشطة التي تتم كل عام. قم بتنزيل المذكرة الإرشادية السنوية الحالية.


بحث مفتوح

البيانات المستخدمة في النماذج الخطية الديناميكية متاحة من المؤلفين بناءً على طلب معقول.

اسم الملف وصف
fwb13707-sup-0001-FigS1.pdf مستند PDF ، 9.1 كيلوبايت الشكل S1
fwb13707-sup-0002-FigS2.pdf مستند PDF ، 8.1 كيلوبايت الشكل S2
fwb13707-sup-0003-FigS3.pdf مستند PDF ، 8.4 كيلوبايت الشكل S3
fwb13707-sup-0004-FigS4.pdf مستند PDF ، 8.4 كيلوبايت الشكل S4
fwb13707-sup-0005-FigS5.pdf مستند PDF ، 39.5 كيلوبايت الشكل S5
fwb13707-sup-0006-FigS6.pdf مستند PDF ، 32.6 كيلوبايت الشكل S6
fwb13707-sup-0007-FigS7.pdf مستند PDF ، 32.6 كيلوبايت الشكل S7
fwb13707-sup-0008-FigS8.pdf مستند PDF ، 33.4 كيلوبايت الشكل S8
fwb13707-sup-0009-Supinfo.docxWord المستند ، 24.3 كيلوبايت المواد التكميلية

يرجى ملاحظة ما يلي: الناشر غير مسؤول عن محتوى أو وظيفة أي معلومات داعمة مقدمة من المؤلفين. يجب توجيه أي استفسارات (بخلاف المحتوى المفقود) إلى المؤلف المقابل للمقالة.