معلومة

هل ينبعث البشر المزيد من الكربون من خلال التنفس أو التغوط؟

هل ينبعث البشر المزيد من الكربون من خلال التنفس أو التغوط؟


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.

أين يذهب معظم الكربون الذي نتناوله؟ أفهم أن كمية كبيرة يتم إخراجها في صورة ثاني أكسيد الكربون ، ولكن ما هي النسبة المئوية التي يتم التغوط بها (والتي تترسب نظريًا في الأرض)؟


الجواب القصير

في المقارنة بين الكربون الزفير والبراز ، يفوز الكربون الزفير.


الجواب الطويل

تحذير: الافتراضات والتقديرات والمتوسطات المقبلة.

حساب إخراج الكربون من البراز

الإنسان العادي ينتج عنه 29 دولارًا نص {g} $ البراز (الوزن الجاف) في اليوم ، والمكون الرئيسي فيه البكتيريا [1]. في الوقت الحالي ، تجاهل الاختلافات في الألياف والمكونات الغذائية الأخرى. افترض أيضًا أن كل ذلك عبارة عن بكتيريا.

الآن ، يتكون الكربون $50 \%$ الوزن الجاف البكتيري [2]. وبالتالي فإن إفراز الكربون اليومي في البراز هو حول 15 دولارًا نص {g} $.

حساب زفير الكربون

إنسان بالغ يتنفس $20$ مرات في الدقيقة [3]. كل نفس له حجم حوالي 500 دولار نص {mL} $ [4]. وبالتالي فإن حجم الزفير في اليوم هو 20 دولارًا مرات 60 مرات 24 مرات 500 نص {mL} = 1.44 مرات 10 ^ 7 نص {mL} $.

هواء الزفير حوالي $4 \%$ ثاني أكسيد الكربون [5]. كثافة ثاني أكسيد الكربون عند 37 $ ^ { circ} text {C} $ و $ 1 نص {bar} $ يكون 1.713 دولارًا أمريكيًا نص {كجم م} ^ {- 3} = 1.713 مرات 10 ^ {- 3} نص {g mL} ^ {- 1} $ [6].

وبالتالي ، فإن كتلة ثاني أكسيد الكربون التي يتم إخراجها يوميًا هي 0.04 دولار مرات يسار (1.44 مرات 10 ^ 7 يمين) مرات يسار (1.713 مرات 10 ^ {- 3} يمين) نص {g} حوالي 987 نص {g} $.

ومنذ ذلك الحين $ text {CO} _2 $ يكون $ frac {12} {44} $ الكربون ، كتلة الكربون التي يتم إخراجها يوميًا $ frac {12} {44} times 987 text {g} = 269 text {g} $، وهو على الأقل ترتيب من حيث الحجم أكبر من الرقم الذي حصلنا عليه للكربون البرازي.

مراجع

  1. Rose C، Parker A، Jefferson B، Cartmell E. توصيف البراز والبول: مراجعة الأدبيات لتنوير تكنولوجيا العلاج المتقدمة. Crit Rev Environ Sci Technol. 2015 سبتمبر 2 ؛ 45 (17): 1827-1879. https://doi.org/10.1080/10643389.2014.1000761.

  2. Lawford H، Rousseau J. دراسات حول متطلبات المغذيات والمكملات الفعالة من حيث التكلفة لإنتاج الإيثانول بواسطة الإشريكية القولونية المؤتلفة. تطبيق بيوتشيم. التكنولوجيا الحيوية. 1996 1 مارس ؛ 57-58 (1): 307-326. https://doi.org/10.1007/BF02941710.

  3. هوكر EA ، O'Brien DJ ، Danzl DF ، Barefoot JA ، Brown JE. معدلات التنفس لدى مرضى قسم الطوارئ. J Emerg Med. 1989 ؛ 7 (2): 129-132. https://doi.org/10.1016/0736-4679(89)90257-6.

  4. https://en.m.wikipedia.org/wiki/Tidal_volume

  5. https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/z9hycdm/revision/3

  6. https://www.engineeringtoolbox.com/carbon-dioxide-density-specific-weight-temperature-pressure-d_2018.html


التنفس هو عملية كيميائية حيوية يتم خلالها تكسير الكربوهيدرات البسيطة ، مثل الجلوكوز ، لإطلاق الطاقة. كل خلية من خلايا الكائن الحي - الإنسان والحيوان والنبات ، تتنفس.

يمكن دراسة التنفس في النباتات في بذور إنبات رطبة تطلق ثاني أكسيد الكربون (CO2) أثناء التنفس. تحفظ البذور في دورق مخروطي محكم الغلق. يتم وضع أنبوب اختبار صغير يحتوي على محلول هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) في القارورة. يمتص هيدروكسيد البوتاسيوم ثاني أكسيد الكربون الناتج عن البذور وينتج فراغ جزئي في القارورة. يؤدي هذا إلى ارتفاع منسوب الماء في أنبوب التوصيل.

يمكن دراسة التنفس عند البشر بماء الجير. يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع ماء الجير عند التنفس لتكوين كربونات الكالسيوم (CaCO3) التي تحول الماء الجير حليبي. يؤخذ ماء الليمون الطازج في أنبوب الغليان ويتم إدخال فلين به أنبوبان زجاجيان في الفلين. يغطس طرف أحد الأنبوب الزجاجي في ماء الجير وينفخ الهواء بقوة كاملة من خلال هذا الأنبوب الزجاجي. فقاعات الهواء المنبعثة تتحول تدريجياً إلى ماء حليبي ، مما يدل على أن ثاني أكسيد الكربون ينتج في التنفس البشري.


دور في التمرين

يحدث التنفس اللاهوائي عند البشر بشكل أساسي في خلايا العضلات أثناء ممارسة التمارين عالية الكثافة. قد يحدث هذا إذا كنت تدفع حدودك أثناء نشاط هوائي ، مثل الدوران أو تمرين القلب ، وكان إمداد الأكسجين لعضلاتك غير كافٍ للحفاظ على التنفس الهوائي فقط. يحدث التنفس اللاهوائي أيضًا مع الأنشطة التي تتطلب دفعات قصيرة ومكثفة من قوة العضلات ، مثل العدو السريع أو رفع الطاقة.

تحتوي جميع العضلات على نوعين من الألياف العضلية تسمى الألياف سريعة النشل والألياف البطيئة. تختلف النسب باختلاف العضلات. تتجه ألياف النتوء البطيء نحو النشاط المستدام وتعتمد عادةً بشكل أساسي على التنفس الهوائي ، على الرغم من أنها يمكن أن تستخدم التنفس اللاهوائي إذا لزم الأمر. الألياف العضلية سريعة الارتعاش موجهة وظيفيًا نحو التنفس اللاهوائي لأنها تولد طاقة أسرع بكثير - حتى 100 مرة أسرع - من التنفس الهوائي. ومع ذلك ، نظرًا لأن التنفس اللاهوائي أقل كفاءة من التنفس الهوائي ، فإن الألياف العضلية سريعة الارتعاش تتعب بسرعة نسبيًا.


يمكن للكربون أيضًا أن يدور على المدى الطويل

تمت مناقشة دورة الكربون في فصول أخرى. باستخدام ما تعرفه ، حاول الإجابة على الأسئلة التالية.

  • كيف يمكن لدورة ذرة الكربون بسرعة كبيرة؟ إحدى الطرق هي أن يأخذ النبات ثاني أكسيد الكربون2 لصنع الطعام ثم يأكله حيوان ، والذي بدوره ينفث ثاني أكسيد الكربون2.
  • كيف يمكن تخزين الكربون لفترة قصيرة؟ قد يبقى الكربون المخزن كطاقة كيميائية في خلايا نبات أو حيوان حتى يموت الكائن الحي. في ذلك الوقت ، عندما يتحلل الكائن الحي ، يتم إطلاق الكربون مرة أخرى في البيئة.
  • كيف يمكن تخزين الكربون لفترة طويلة من الزمن؟ إذا تم دفن الكائن الحي بسرعة ، فقد يتحول على مدى ملايين السنين إلى فحم أو نفط أو غاز طبيعي. يمكن تخزين الكربون لملايين السنين.
  • كيف يمكن تخزين الكربون لفترات طويلة في المحيطات؟ تستخدم العديد من كائنات المحيط كربونات الكالسيوم (CaCO3) لصنع قذائفهم. عندما تموت هذه الكائنات الحية ، تصبح مادتها العضوية جزءًا من رواسب المحيط ، والتي قد تبقى في قاع المحيط لآلاف أو ملايين السنين. في النهاية ، قد تنغمس هذه الرواسب في الوشاح. يمكن أن يعود الكربون إلى الغلاف الجوي: تذوب رواسب المحيط وتشكل الصهارة ، وثاني أكسيد الكربون2 عندما تندلع البراكين.

البشر والأشجار لها علاقة حيوية

إجابه: الأشجار أكثر من مجرد موطن للطيور أو شيء جميل للنظر إليه - فهي تساعدنا على التنفس! إليك الطريقة.

كبشر ، نتنفس الهواء الذي يحتوي على الأكسجين. الأكسجين ضروري لنا ولجميع الحيوانات الأخرى للبقاء على قيد الحياة. بمجرد أن نتنفس الأكسجين ، يستخدمه جسمنا ، إلى جانب السكر الذي نحصل عليه من خلال الأكل ، لإنتاج الطاقة ، والتي تتيح لنا بعد ذلك أن نكون نشيطين. تُعرف هذه العملية بالتنفس. أثناء التنفس ، يتم إنتاج كل من الطاقة والغاز المعروف باسم ثاني أكسيد الكربون. عندما نتنفس ، يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون الناتج في الهواء.

من ناحية أخرى ، يمكن للنباتات مثل الأشجار أن تمتص ثاني أكسيد الكربون ، وهو غير صالح للاستخدام بالنسبة للإنسان ، وتستخدمه لإنتاج طاقتها الخاصة. تُعرف النباتات باسم المنتجين ، مما يعني ببساطة أنها تنتج طاقتها الخاصة دون الحاجة إلى تناول الطعام.

يفعلون ذلك من خلال عملية تعرف باسم التمثيل الضوئي. في عملية التمثيل الضوئي ، تأخذ النباتات الضوء من الشمس ، ومن خلال سلسلة معقدة من الخطوات ، تستخدم ضوء الشمس هذا ، وثاني أكسيد الكربون من الهواء ، والماء الذي تدخله من خلال جذورها لإنتاج السكريات ، والتي يمكن أن يستخدمها النبات و الأكسجين ، ثم يتم إرساله في الهواء.

من خلال عملية التمثيل الضوئي ، يمكن للبشر أن يتنفسوا مرة أخرى الأكسجين الذي تم إنتاجه والبقاء على قيد الحياة. التمثيل الضوئي والتنفس هما عمليتان أساسيتان تسمحان للحياة على الأرض.

بطريقة ما ، هي عبارة عن دورة - فالنباتات تساعد البشر على التنفس من خلال تزويدنا بالأكسجين ، والبشر يساعدون النباتات على "التنفس" من خلال تزويدهم بثاني أكسيد الكربون.

بالإضافة إلى ذلك ، يأخذ الإنسان السكريات التي يتم إنتاجها من خلال عملية التمثيل الضوئي عندما نأكل نباتات مثل الفواكه والخضروات ، مما يسمح لنا باستخدام السكريات من خلال التنفس. هذا هو السبب في أن الحيوانات تُعرف باسم المستهلكين لأننا مطالبون بتناول الطعام حتى نتمكن من استخدام الطاقة.

كما ترى ، تلعب الأشجار دورًا كبيرًا في حياتنا. في المرة القادمة التي تأخذ فيها نفسًا كبيرًا من الهواء ، تأكد من شكر الأشجار من حولك!

اسأل عالمًا يعمل يوم الأحد. يتم الرد على الأسئلة من قبل أعضاء هيئة التدريس في جامعة بينغهامتون. يُطلب من المعلمين في منطقة بينغهامتون الكبرى الذين يرغبون في المشاركة في البرنامج الكتابة إلى اسأل عالم ، أو c / o Binghamton University ، أو Office of Communications and Marketing ، أو PO Box 6000 ، أو Binghamton ، NY 13902-6000 ، أو عالم البريد الإلكتروني @ binghamton.edu. لمزيد من المعلومات ، قم بزيارة http://www.binghamton.edu/mpr/ask-a-scientist/.

مدرسة: مدرسة جونسون سيتي المتوسطة ، منطقة مدارس جونسون سيتي المركزية


لعب دور دورة الكربون

كيف تتحرك الكمية المحدودة من الكربون على هذا الكوكب في البيئة ، من مكان إلى آخر؟ كيف يتفاعل الغلاف الأرضي والمحيط الحيوي والغلاف المائي والغلاف الجوي؟ في هذا العرض التوضيحي النشط ، سيقوم الطلاب بنمذجة دورة الكربون ، والنظر في الطريقة التي تلعب بها الأفعال البشرية دورًا.

  1. ندرك أن هناك كمية محدودة من الكربون على الأرض.
  2. نموذج لكيفية تحرك الكربون في البيئة ، من مكان إلى آخر.
  3. تحديد كيفية تأثير البشر على دورة الكربون.
  • 14-28 من جسم صغير وخفيف الوزن لتمثيل الكربون (مثل كرات بينج بونج.)
  • بطاقات لعب الأدوار من دورة الكربون (7 إجمالاً ، واحدة لكل مجموعة)
  • الطباشير ، إذا لزم الأمر لرسم المناطق
  1. اقرأ من خلال جدول ملخص لعب الأدوار في نهاية الدرس للحصول على فهم أفضل للتدفقات المحددة التي سيتعلمها طلابك. لاحظ أن دورة الكربون بأكملها تتكون من تدفقات أكثر تحديدًا بين الغلاف الجوي والغلاف الحيوي والغلاف المائي والغلاف الصخري أكثر من تلك التي تمت مناقشتها هنا. يُعلم لعب الأدوار هذا إصدارًا مناسبًا للعمر من دورة الكربون.
  2. اجمع 14-28 من الأشياء الصغيرة وخفيفة الوزن التي ستمثل الكربون (مثل كرات بينج بونج).
  3. اطبع بطاقات لعب الأدوار على الوجهين.
  4. خصص مساحة كبيرة مفتوحة لهذا النشاط.
  • إذا كنت تعمل بالخارج ، فاستخدم الطباشير لرسم المناطق الموضحة أدناه.
  • إذا كنت في حجرة الدراسة ، ارسم صورة على السبورة للمناطق الثلاث وحدد مناطق مختلفة من الفصل لتمثيل المحيط والأرض والغلاف الجوي.

نصيحة المعلم: إذا كنت تعتقد أن أداء طلابك أفضل من خلال درس يمكنهم من خلاله التنقل في الفصل الدراسي ، فراجع قسم الملحق للحصول على نسخة بديلة من هذا الدرس.

نقترح استخدام ماذا يحتوي الكربون؟ كمقدمة للكربون وأشكاله المختلفة. إذا لم يكن لديك وقت لهذا النشاط ، فراجع مع طلابك أن الكربون عنصر شائع على الأرض. اطلب من الطلاب أن يتذكروا بعض الأشياء التي تحتوي على الكربون في حياتهم اليومية. قم بعمل قائمة بهذه العناصر على السبورة.

اشرح لطلابك أن الكربون الموجود في أي شيء لا يبقى هناك إلى الأبد. تنتقل ذرات الكربون من شيء إلى آخر فيما يسمى بدورة الكربون. تحدث أجزاء من دورة الكربون بسرعة كبيرة ، مثلما يحدث عندما تمتص النباتات ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي لعملية التمثيل الضوئي. لكن أجزاء أخرى من دورة الكربون تحدث ببطء شديد.

أخبر الطلاب أنه في هذا النشاط ، سيتعلمون كيف ينتقل الكربون من مكان إلى آخر ، عن طريق لعب دور دورة الكربون.

  1. قسّم الطلاب بالتساوي إلى 7 مجموعات ووزع بطاقة لعب الأدوار المناسبة على كل مجموعة. ستكون كل مجموعة فريقًا من الممثلين الذين سيلعبون جزءًا معينًا من دورة الكربون (الغلاف الجوي ، الماء ، الطحالب ، الحلزون البحري ، الرواسب والصخور ، الأشجار ، أو اليرقات). يلخص الجدول المقدم في نهاية خطة الدرس جميع المجموعات وخياراتها لتدفق الكربون وشرح كل تدفق كربون وخطوط البرنامج النصي الخاصة بهم.
  2. نشر 2-4 كرات بينج بونج لكل مجموعة وشرح أنها تمثل ذرات كربون.
  3. اطلب من الطلاب في كل مجموعة مراجعة بطاقة لعب الأدوار الخاصة بهم لمعرفة دورهم في دورة الكربون واتخاذ قرار كمجموعة باستخدام "خيارات حركة الكربون" الخاصة بهم حول كيفية نقل الكربون الخاص بهم.

اشرح لهم أنه يمكنهم إعطاء الكربون الخاص بهم لمجموعة واحدة أخرى فقط ، أو إذا كان لديهم الكثير ، فيمكنهم إعطاء الكربون لأكثر من مجموعة واحدة.

اشرح أن الكربون موجود في كل هذه الأشياء في نفس الوقت وأن جزءًا فقط من الكربون في كل شيء يتحرك. لذلك ، عندما تقوم كل مجموعة بتحريك الكربون الخاص بها ، فإنها لا تستطيع التخلي عن كل الكربون الخاص بها: يجب أن يحتفظوا بذرة كربون واحدة على الأقل.

أثناء قيامهم بنقل الكربون الخاص بهم ، يجب أن يقولوا سطورهم النصية لشرح حركة الكربون التي اختاروها.

  • اجعل كل المجموعات تحرك الكربون الخاص بها في نفس الوقت: اجعل شخصًا واحدًا من كل مجموعة هو المسؤول عن الكربون ويظل أعضاء المجموعة الآخرون يتلقون الكربون من المجموعات الأخرى. أخبر الطلاب أن هذا تصرف أكثر فوضوية ، ولكنه أكثر واقعية من دورة الكربون ، لأنه في العالم الحقيقي يتحرك الكربون بين جميع هذه المناطق في نفس الوقت.
  • تتبع رحلات عدد قليل من ذرات الكربون: استخدم ذرة كربون واحدة فقط (كرة بينج بونج) وابدأها بمجموعة واحدة. تتخذ كل مجموعة تحصل على الذرة قرارًا بشأن المكان الذي ستذهب إليه بعد ذلك. كلف طالبًا واحدًا بكتابة الرحلة على السبورة أو على قطعة من الورق. افعل ذلك عدة مرات حتى تتمكن من مقارنة رحلات عدة ذرات فردية عبر المجالات المختلفة ومعرفة كيف لا تتحرك دورة الكربون في اتجاه واحد ، ولكنها تتحرك في العديد من الاتجاهات المختلفة في نفس الوقت.
  1. اشرح للطلاب أنهم فعلوا للتو دورة الكربون دون تدخل بشري ، لكن البشر يؤثرون بشكل كبير على دورة الكربون ببعض أنشطتهم.
  2. اطلب من الطلاب تخمين الحركة التي تتوافق مع الأنشطة البشرية التالية:

يستخرج البشر الوقود الأحفوري ويحرقونه للحصول على الطاقة (ينتقل الكربون من الرواسب والصخور حيث يتم دفن الوقود الأحفوري في الغلاف الجوي).

يقوم البشر بقطع وحرق الأشجار لاستخدامها في الزراعة أو تربية المواشي أو البناء (ينتقل الكربون من النباتات الأرضية إلى الغلاف الجوي).

حرق الوقود الأحفوري يأخذ الكربون من الرواسب والصخور حيث يتم دفن الوقود الأحفوري ويضعه في الغلاف الجوي لأنه عند حرق الوقود الأحفوري يطلق غازات تحتوي على الكربون.

قطع الأشجار وحرقها يأخذ الكربون من النباتات الأرضية ويضعه في الغلاف الجوي لأنه عندما يتم حرق الأشجار ، يتم إطلاق الكربون المخزن في هياكلها كغازات تحتوي على الكربون.

  1. عد إلى الفصل الدراسي ، استرجع بطاقات لعب الأدوار.
  2. راجع النشاط باستخدام الصورة في خطة الدرس كقالب. اعمل مع طلابك لرسم كل تدفقات الكربون التي فعلوها ، معتمدين على المجموعات كـ "خبراء" لتمثيلهم.
  3. شجع الطلاب على تقديم تفسيرات للعمليات الكامنة وراء كل سهم ، مع التركيز على المحتوى المناسب لمستوى صفك الدراسي.

نصيحة المعلم:للطلاب الأكبر سنًا ، يمكنك تقديم المصطلحات المحددة لمجالات الأرض الأربعة.

حدود التقييم: إذا كنت تعمل على تحقيق توقعات الأداء 5-LS2-1 أو MS-LS2-3 أو HS-LS2-5 فيما يتعلق تطوير نموذج لوصف حركة المادة بين الأجزاء الحية وغير الحية من النظام البيئي، تذكر أن الطلاب ليس من المتوقع أن يُظهر فهمًا للحركة الجزيئية أو يصف العملية باستخدام التفاعلات الكيميائية.

حدود التقييم: إذا كنت تعمل على تحقيق توقعات الأداء 5-ESS2-1 أو MS-ESS2-1 أو HS-ESS2-6 فيما يتعلق تطوير نموذج لوصف طرق تفاعل الغلاف الأرضي والمحيط الحيوي والغلاف المائي و / أو الغلاف الجوي، تذكر أن طلاب الصف الخامس يحتاجون فقط إلى شرح تفاعلات نظامين في وقت واحد. ينصب التركيز في المدرسة الإعدادية على العملية الجيولوجية لدورة الصخور ، وينصب التركيز في المدرسة الثانوية على كيفية توفير الدورات الكيميائية الجيوكيميائية التي تشمل دورة الكربون عبر المحيط والغلاف الجوي والتربة والمحيط الحيوي (بما في ذلك البشر) ، الأساس للكائنات الحية.

  • اتبع هذا النشاط مع ملصق دورة الكربون يمكن أن يكون بمثابة شكل من أشكال التقييم.
  • يمكنك استخدام أرحلة Carbon Atom كإضافة أو نسخة بديلة للطلاب الذين يحققون أداءً أفضل عندما يُسمح لهم بالتنقل في الفصل الدراسي. بدلاً من وجود سبع مجموعات ونمذجة تدفق الكربون عن طريق تمرير الأشياء ، هناك ثلاث مناطق مصدر للكربون (الغلاف الجوي ، المحيط ، الأرض / النباتات) ويتنقل الطلاب بين المناطق المختلفة.

كربون: عنصر يمكن العثور عليه في جميع الكائنات الحية

نشبع: مركب كيميائي يتكون من ذرتين من الأكسجين مرتبطة على جانبي ذرة كربون (CO2) تظهر عادة كغاز

الغلاف الجوي: الغازات المحيطة بالأرض

تتحلل: ليتم تكسيرها جسديا وكيميائيا عن طريق العمل البكتيري أو الفطري لتعفن

النباتات وعملياتها

الطحالب: نباتات تنمو في الغالب في الماء وتفتقر إلى الجذور الحقيقية والسيقان والأوراق.

البناء الضوئي: العملية التي تستخدم بها النباتات ثاني أكسيد الكربون والطاقة من الشمس لبناء السكر

التنفس: العمليات التي تقوم بها الخلايا النباتية والحيوانية بتكسير السكر مما ينتج عنه ثاني أكسيد الكربون

التعرية: العملية التي يحرك بها الماء أو الجليد أو الرياح أو الجاذبية الصخور أو التربة المتجمدة

الرواسب: المواد ، مثل الحجارة أو الرمل ، المترسبة عن طريق المياه أو الرياح أو الأنهار الجليدية

التجوية: العمليات التي تتعرض من خلالها الصخور لتغير الطقس وتنهار

يعتبر الكربون عنصرًا مهمًا للحياة على الأرض ويمكن العثور عليه في جميع المجالات الأربعة الرئيسية للكوكب: المحيط الحيوي والغلاف الجوي والغلاف المائي والغلاف الصخري (الطبقة الخارجية الصخرية الصلبة للأرض). يوجد الكربون في كل من الأجزاء الحية وغير الحية من الكوكب ، كمكون في الكائنات الحية ، والغازات الجوية ، والماء ، والصخور. ينتقل الكربون من كرة إلى أخرى في عملية مستمرة تُعرف باسم دورة الكربون. تؤثر دورة الكربون على عمليات الحياة الحاسمة مثل التمثيل الضوئي والتنفس ، وتساهم في تكوين الوقود الأحفوري ، وتؤثر على مناخ الأرض.

إلى جانب الإضافات الصغيرة نسبيًا للكربون من النيازك ، فإن إجمالي الكربون على الأرض ثابت. ولكن ، كمية الكربون في أي مجال معين من الكوكب يمكن أن تزيد أو تنقص اعتمادًا على تقلبات دورة الكربون. يمكن التفكير في الدورة من حيث الخزانات (الأماكن التي يتم فيها تخزين الكربون) و يطفو (التنقل بين الخزانات). ال الغلاف الجوي (الغازات المحيطة بالأرض) ، فإن المحيط الحيوي (أجزاء الأرض والبحر والجو التي توجد فيها الحياة) ، و الغلاف المائي (كل مياه الأرض) و الغلاف الصخري (الطبقة الخارجية الصخرية للأرض) هي الخزانات والعمليات التي ينتقل بها الكربون من خزان إلى آخر هي التدفقات. على الرغم من أن الكربون شائع نسبيًا على الأرض ، إلا أن الكربون النقي ليس كذلك. عادة ما يرتبط الكربون بعناصر أخرى في المركبات. وبالتالي ، فإن دورة الكربون تشمل العديد من المركبات المحتوية على الكربون ، مثل ثاني أكسيد الكربون والسكريات والميثان.

دورات الكربون على حد سواء بسرعة وببطء

تحدث العديد من العمليات التي تنقل الكربون من مكان إلى آخر على نطاقات زمنية مختلفة. يحدث بعضها على نطاقات زمنية قصيرة ، مثل التمثيل الضوئي ، الذي ينقل الكربون من الغلاف الجوي إلى المحيط الحيوي حيث تستخرج النباتات الكربون من الغلاف الجوي. تحدث بعض عمليات دورة الكربون على نطاقات زمنية أطول بكثير. على سبيل المثال ، عندما تموت الكائنات البحرية ذات الهياكل العظمية والأصداف من كربونات الكالسيوم ، فإن بعض بقاياها تغرق في قاع المحيط. هناك ، يصبح الكربون الذي تم تخزينه في أجسامهم جزءًا من الرواسب الغنية بالكربون ويتم نقله في النهاية ، عبر حركة الصفائح التكتونية ، إلى مناطق الاندساس حيث يتم تحويله إلى صخور متحولة. يوضح هذان المثالان التنوع الشديد للعمليات التي تحدث في دورة الكربون.

بشكل عام ، فإن دورة الكربون قصيرة المدى يشمل التركيب الضوئي ، والتنفس ، ونقل الكربون بين المفترس والفريسة. على اليابسة ، هناك تدفق للكربون من الغلاف الجوي إلى النباتات التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي ثم يتدفق عائدًا إلى الغلاف الجوي مع تنفس وتحلل النبات والحيوان. بالنسبة للنباتات المائية ، يتضمن التمثيل الضوئي أخذ الكربون من ثاني أكسيد الكربون المذاب في الماء من حولهم. كما أن ثاني أكسيد الكربون يتحرك باستمرار بين الغلاف الجوي والماء عن طريق الانتشار. ال دورة الكربون طويلة المدى يتضمن المزيد من عمليات الغلاف الصخري. وهي تشمل التجوية وتآكل الصخور المحتوية على الكربون ، وتراكم المواد النباتية والحيوانية الغنية بالكربون في الرواسب ، وبطء حركة تلك الرواسب خلال دورة الصخور.

يؤثر البشر على دورة الكربون

هناك تقلبات طبيعية في دورة الكربون ، لكن البشر يغيرون تدفقات الكربون على الأرض بمعدل غير طبيعي. تؤدي التغييرات الرئيسية التي يسببها الإنسان إلى زيادة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. أكبر مصدر لهذا التغيير هو حرق الوقود الأحفوري ، لكن الإجراءات الأخرى مثل إزالة الغابات وتصنيع الأسمنت تساهم أيضًا في هذا التغيير في دورة الكربون. لأن ثاني أكسيد الكربون والميثان من الغازات الدفيئة التي تساعد على التحكم في درجة حرارة الكوكب ، فإن الزيادة التي يسببها الإنسان في مستويات الكربون في الغلاف الجوي تؤدي إلى مجموعة من التغيرات المناخية على كوكبنا. كما نوقش أعلاه ، تعتبر دورة الكربون الطبيعية مهمة للتعلم لأنها ضرورية للعديد من عمليات الأرض ، ولكن فهم دورة الكربون مهم بشكل خاص في هذا الوقت من تاريخ البشرية بسبب التغييرات الدراماتيكية والتبعية التي نجريها على دورة.


التخمير مقابل التنفس: التعريف والأنواع والاختلافات

مصطلح "تخمير" مشتق من الكلمة اللاتينية "fervere" التي تعني "الغليان". في أواخر القرن الرابع عشر ، وصف الكيميائيون عملية التخمير وأصبحت موضوعًا للبحث العلمي في القرن السادس عشر. في ستينيات القرن التاسع عشر ، درس لويس باستير عملية التخمير. في عام 1897 ، استخدم الكيميائي الألماني إدوارد بوشنر عملية التخمير علميًا لأول مرة وقام بتخمير محلول السكر. تعتبر تجربته بداية علم الكيمياء الحيوية الذي أكسبه جائزة نوبل في الكيمياء عام 1907. ومن ثم ، تُعرف دراسة التخمير باسم علم الزيمولوجيا. لصنع منتجات صناعية مختلفة مثل النبيذ والجبن ولبن البيرة ومنتجات أخرى ، تطبق الشركات المصنعة عملية التخمير.

التخمير هو عملية التمثيل الغذائي التي يتم من خلالها تحويل الجزيئات العضوية مثل الجلوكوز أو النشا أو السكر بواسطة الكائنات الحية الدقيقة إلى أحماض أو غازات أو كحول تحت ظروف لاهوائية. للحصول على الطاقة تقوم الخميرة بالتخمير عن طريق تحويل السكر إلى كحول بينما تقوم البكتيريا بتحويل الكربوهيدرات إلى حمض اللاكتيك من خلال عملية التخمير. بشكل عام ، تحتاج البكتيريا والخميرة إلى بيئة خالية من الأكسجين لتعيش. تستخدم العديد من صناعات المشروبات والأغذية عملية التخمير لتحويل السكريات إلى إيثانول. في هذه الحالة ، يتم استخدام الإيثانول لإنتاج المشروبات الكحولية باستخدام الخميرة التي تطلق ثاني أكسيد الكربون2.

أنواع التخمير

هناك العديد من أنواع عملية التخمير. من بينها ، عمليات التخمير الأكثر شيوعًا هي تخمير الإيثانول وحمض اللاكتيك. ينتج الناس الأطعمة التجارية مثل الجعة والخبز باستخدام عملية تخمير الإيثانول. يستخدم تخمير حمض اللاكتيك لإضفاء نكهة على منتجات الألبان والخضروات والحفاظ عليها.

تستخدم العديد من صناعات الأغذية والمشروبات عملية التخمير لإنتاج العديد من المنتجات الصناعية المهمة:


حرق الوقود الأحفوري

عندما يتم حرق النفط أو الفحم ، يتم إطلاق الكربون في الغلاف الجوي بمعدل أسرع من إزالته. نتيجة لذلك ، يزداد تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. الغاز الطبيعي والنفط والفحم عبارة عن وقود أحفوري يتم حرقه عادة لتوليد الكهرباء في محطات توليد الطاقة والنقل والمنازل والمجمعات الصناعية الأخرى. الأنشطة الصناعية الأساسية التي ينبعث منها ثاني أكسيد الكربون وتؤثر على دورة الكربون هي تكرير البترول ، والورق ، وإنتاج الأغذية والمعادن ، والتعدين ، وإنتاج المواد الكيميائية.


هل ينبعث البشر المزيد من الكربون من خلال التنفس أو التغوط؟ - مادة الاحياء

تدفق الطاقة: الإنتاج الأولي إلى مستويات غذائية أعلى

"كل جسد عشب".
- اشعياء

هناك حاجة لثلاثمائة سمك السلمون المرقط لدعم رجل واحد لمدة عام. سمك السلمون المرقط ، بدوره ، يجب أن يستهلك 90 ألف ضفدع ، وهذا يجب أن يستهلك 27 مليون ضفدع الجنادب التي تعيش على 1000 طن من العشب.
- جي تايلر ميلر الابن كيميائي أمريكي (1971)

  • ما مقدار طاقة الشمس المتاحة للنباتات واستيعابها ، وكيف يتم قياسها؟
  • كيف يرتبط إجمالي الإنتاج وصافي الإنتاج وإنتاج النظام البيئي؟
  • كيف ترتبط المحاصيل الدائمة ومعدل الدوران وصافي الإنتاج الأولي؟
  • ما هي أنواع النظم البيئية التي تتمتع بأعلى معدلات الإنتاج ، والتي تقدم أكبر مساهمات في الإنتاج الأولي في جميع أنحاء العالم؟
  • ما هي العوامل التي تحد من كمية الإنتاج الأولي محليًا وعالميًا؟
  • ما هي الكفاءة التي يتم بها تحويل الطاقة من المستوى الغذائي إلى المستوى الغذائي؟
  • ما هي الاختلافات بين كفاءة الاستيعاب وكفاءة الإنتاج الصافي والكفاءة البيئية؟
  • كيف تختلف النظم البيئية في كمية الكتلة الحيوية أو عدد الكائنات الحية الموجودة في أي وقت ، والتي تتولد بمرور الوقت ، في كل مستوى غذائي؟
  • ما مقدار الطاقة المتاحة للبشر ، وكم نستخدمها ، وهل هذا المقدار مستدام؟

اذهب إلى: [مقدمة] [الإنتاج] [نقل الطاقة] [مثال فوكس والأرنب] [نماذج الأهرامات] [استهلاك الطاقة البشرية] [ملخص]

مقدمة - تدفقات الطاقة في شبكات الغذاء

تعد كل من الطاقة والمواد ضرورية لهيكل النظام البيئي ووظيفته وتكوينه. لقد تعرفت بالفعل على المفاهيم الأساسية لدورات المغذيات في هذه المحاضرة نركز على الطاقة. لاحظ أنه فيما يتعلق بدورة الكربون ، يمكن تحويل "المواد" والطاقة. على سبيل المثال ، نعرف عدد السعرات الحرارية (مقياس للطاقة) التي يحتوي عليها جرام من بعض مركبات الكربون مثل الدهون أو الكربوهيدرات.

آيات التغذية الذاتية متغايرة التغذية

كمراجعة موجزة ، ندرك أن بعض الكائنات الحية قادرة على تخليق الجزيئات العضوية من السلائف غير العضوية ، وتخزين الطاقة الكيميائية الحيوية في هذه العملية. تسمى هذه التغذية الذاتية، وتعني "التغذية الذاتية". يشار إلى Autotrophs أيضًا باسم المنتجين الأساسيين. الكائنات الحية قادرة على تصنيع جزيئات عضوية معقدة من مركبات غير عضوية بسيطة (ماء ، أول أكسيد الكربون2والمغذيات) تشمل النباتات وبعض الطلائعيات وبعض البكتيريا. عادة ما تكون العملية التي يقومون بذلك من خلالها البناء الضوئيوكما يوحي اسمه ، يتطلب التمثيل الضوئي الضوء (انظر الشكل 1).

من أجل الاكتمال ، يجب أن نذكر المسار المعروف باسم التخليق الكيميائي. يمكن لبعض الكائنات الحية المنتجة ، ومعظمها من البكتيريا المتخصصة ، تحويل العناصر الغذائية غير العضوية إلى مركبات عضوية دون وجود ضوء الشمس. توجد عدة مجموعات من البكتيريا المُصنَّعة كيميائيًا في البيئات البحرية وبيئة المياه العذبة ، خاصة تلك الغنية بالكبريت أو غاز كبريتيد الهيدروجين. مثل النباتات الحاملة للكلوروفيل والكائنات الحية الأخرى القادرة على التمثيل الضوئي ، فإن كائنات التخليق الكيميائي التغذية الذاتية (انظر ملاحظات محاضرة الميكروبات لمزيد من المعلومات). يمكن للكثير من الكائنات الحية الحصول على طاقتها فقط عن طريق التغذية على الكائنات الحية الأخرى. تسمى هذه غيرية التغذية. وهي تشمل مستهلكي أي كائن حي ، بأي شكل من الأشكال: النباتات ، والحيوانات ، والميكروبات ، وحتى الأنسجة الميتة. وتسمى أيضا مغايرة التغذية المستهلكين.

في هذه المحاضرة سنبدأ بالتفكير في الإنتاج الأولي ، وفي المحاضرة التالية سوف ندرس ما يحدث لهذه الطاقة أثناء نقلها عبر سلسلة غذائية.

عملية الإنتاج الأولي

سواء كان المرء يقيس معدل حدوث التمثيل الضوئي ، أو معدل زيادة كتلة النبات الفردي ، فإن المرء يهتم بـ الإنتاج الأولي (التعريف: تخليق وتخزين الجزيئات العضوية أثناء نمو وتكاثر كائنات التمثيل الضوئي). الفكرة الأساسية هي إنتاج مركبات كيميائية جديدة وأنسجة نباتية جديدة. بمرور الوقت ، ينتج عن الإنتاج الأولي إضافة الكتلة الحيوية النباتية الجديدة إلى النظام. يستمد المستهلكون طاقتهم من المنتجين الأساسيين ، إما بشكل مباشر (الحيوانات العاشبة ، بعض الحيوانات الحارقة) ، أو بشكل غير مباشر (الحيوانات المفترسة ، وغيرها من المواد الحارقة).

هل هناك حد أعلى للإنتاج الأولي? الإجابة المختصرة هي & quotyes & quot. دعونا نفكر بإيجاز في مقدار الطاقة التي يتم التقاطها في الواقع بواسطة autotrophs ، ونفحص مدى كفاءة عملية التمثيل الضوئي. تذكر أن شدة الإشعاع الشمسي التي تصل إلى سطح الأرض تعتمد جزئيًا على الموقع: يتم تلقي أقصى شدة للطاقة عند خط الاستواء ، وتقل الشدة كلما تحركنا نحو القطبين. كما رأينا في المحاضرة حول النظم البيئية ، فإن هذه الاختلافات لها تأثيرات عميقة على المناخ ، وتؤدي إلى الأنماط الجغرافية المرصودة للمناطق الأحيائية.

علاوة على ذلك ، نحن نعلم أن جزءًا صغيرًا فقط من إشعاع الشمس يتم استخدامه فعليًا في تفاعل التمثيل الضوئي في النباتات على سطح الأرض. من إجمالي الإشعاع الشمسي الذي يضرب الغلاف الجوي الخارجي للأرض ، ينعكس حوالي نصفه مرة أخرى إلى الفضاء عن طريق الجليد أو الثلج أو المحيطات أو الصحاري ، أو تمتصه الغازات في الغلاف الجوي - على سبيل المثال ، تمتص طبقة غاز الأوزون في الغلاف الجوي جميع الأشعة فوق البنفسجية تقريبًا الضوء الذي يشكل حوالي 9٪ من إشعاع الشمس.

بشكل عام ، من الضوء الذي يصل إلى سطح الأرض ، يوجد حوالي نصفه فقط في نطاق الطول الموجي الذي يمكن أن تستخدمه النباتات في عملية التمثيل الضوئي (

الطول الموجي 400-700 نانومتر) - وهذا ما يسمى بالإشعاع النشط الضوئي ، أو PAR. تمتص النباتات بشدة ضوء الأطوال الموجية الزرقاء والحمراء (ومن هنا جاء لونها الأخضر نتيجة انعكاس الأطوال الموجية الخضراء) ، وكذلك الضوء في منطقة الأشعة تحت الحمراء البعيدة ، وتعكس الضوء في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة. حتى لو كان الطول الموجي صحيحًا ، لا يتم تحويل الطاقة الضوئية كلها إلى كربون عن طريق التمثيل الضوئي. يفتقد بعض الضوء إلى البلاستيدات الخضراء للأوراق ، حيث تحدث تفاعلات التمثيل الضوئي ، ويتم استخدام الكثير من الطاقة من الضوء الذي يتم تحويله عن طريق التمثيل الضوئي إلى مركبات الكربون في الحفاظ على عمل الكيمياء الحيوية والماكينة & quot في النبات بشكل صحيح - يُطلق على هذه الخسارة عمومًا & quot؛ ويشمل أيضًا خسائر الديناميكا الحرارية. لا تستخدم النباتات إذن كل الطاقة الضوئية المتاحة لها نظريًا (انظر الشكل 2).


الشكل 2: تقليل الطاقة المتاحة للنباتات

في المتوسط ​​، يبلغ إجمالي الإنتاج الأولي للنبات على الأرض حوالي 5.83 × 10 6 كالوري م -2 عام -1. يمثل هذا حوالي 0.06٪ من كمية الطاقة الشمسية التي تسقط لكل متر مربع على الحافة الخارجية للغلاف الجوي للأرض سنويًا (يُعرف باسم ثابت شمسي ويساوي 1.05 × 10 10 كال م -2 عام -1). بعد تكاليف التنفس ، ينخفض ​​صافي الإنتاج الأولي للنبات إلى 4.95 × 10 6 كالوري م -2 سنة - 1 ، أو حوالي 0.05٪ من ثابت الطاقة الشمسية. لاحظ أن هذا هو "متوسط" الكفاءة ، ويمكن أن تصل هذه القيمة في النباتات البرية

2-3٪ وفي النظم المائية يمكن أن تصل هذه القيمة

1٪. هذه الكفاءة المنخفضة نسبيًا لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة في مركبات الكربون تحدد الكمية الإجمالية للطاقة المتاحة للكائنات غيرية التغذية في جميع المستويات الغذائية الأخرى.

بعض التعاريف

حتى الآن لم نكن دقيقين للغاية بشأن تعريفاتنا "للإنتاج" ، ونحتاج إلى جعل المصطلحات المرتبطة بالإنتاج واضحة للغاية.

* إجمالي الإنتاج الأولي، GPP ، هو المبلغ الإجمالي لثاني أكسيد الكربون2 يتم إصلاحه بواسطة النبات في عملية التمثيل الضوئي.

* التنفس، R ، هي كمية ثاني أكسيد الكربون2 التي فقدت من كائن حي أو نظام من النشاط الأيضي. يمكن تقسيم التنفس أيضًا إلى مكونات تعكس مصدر ثاني أكسيد الكربون2.

رص = التنفس بالنباتات

رح = التنفس عن طريق التغاير

رد = التنفس بواسطة المُحلِّلات (الميكروبات)

* صافي الإنتاج الأولي، NPP ، هو المبلغ الصافي للإنتاج الأولي بعد تضمين تكاليف تنفس النبات. وبالتالي، NPP = GPP - R

* صافي إنتاج النظام البيئي، نيب ، is the net amount of primary production after the costs of respiration by plants, hetertrophs, and decomposers are all included. وبالتالي، NEP = GPP - (Rص + Rح + Rد)

A measure of Net Ecosystem Production is of great interest when determining the CO2 balance between various ecosystems, or the entire Earth, and the atmosphere. This will be discussed more in our lectures on climate change and the global carbon cycle.

ملحوظة that in these definitions we are concerned only with "primary" and not "secondary" production. Secondary production is the gain in biomass or reproduction of heterotrophs and decomposers. The rates of secondary production, as we will see in a coming lecture, are very much lower than the rates of primary production.

An everyday example of how GPP, NPP, and R are related. To better understand the relationship between respiration (R), and gross and net primary production (GPP and NPP), consider the following example. Let's say that you have a part-time job and make $100 per week that goes directly into your bank account. This is your "gross production" of money, and it is analogous to the gross production of carbon fixed into sugars during photosynthesis. Now let's say that you spend $50 per week from your bank account on food, which in part is necessary for you to stay alive and in good health and able to keep going to your part-time job. That is the "cost" you pay to keep operating, and it is analogous to the respiration cost that a plant has when their cells use some of the energy fixed in photosynthesis to build new enzymes or chlorophyll to capture light or to get rid of waste products in the cell. Thus in your bank account your gross production is $100/week, your cost of living (respiration) is $50 per week, and the "net" amount of money that you produce each week (your net production) is $100 - $50 = $50. You can see that your bank account balance is determined as follows: Your Net production is equal to your Gross Production minus Respiration, which is the same as the equation above that states the Net Primary Production (NPP) = the Gross Primary Production (GPP) minus Respiration (R).

Measuring Primary Production

(أ) Rate of Photosynthesis :

You know the equation for photosynthesis from a previous lecture:

If we could place our plants in a closed system, and measure the depletion of CO2 per unit time, or the generation of O2, we would have a direct measure of primary production.

The method used in studies of aquatic primary production illustrates this method well. In the surface waters of lakes and oceans, plants are mainly unicellular algae, and most consumers are microscopic crustaceans and protozoans. Both the producers and consumers are very small, and they are easily contained in a liter of water. If you put these organisms in a bottle and turn on the lights, you get photosynthesis. If you turn off the lights, you turn off the primary production.

However, darkness has no effect on respiration. Remember that cellular التنفس is the reverse process from photosynthesis, as follows.

Photosynthesis stores energy, and respiration releases it for use in functions such as reproduction and basic maintenance. When calculating the amount of energy that a plant stores as biomass, which is then available to heterotrophs, we must subtract plant respiration costs from the total primary production.

The general procedure is so simple that primary production of the world's oceans has been mapped in considerable detail, and many of the world's freshwater lakes have also been investigated (Figure 3). One takes a series of small glass bottles with stoppers, and half of them are wrapped with some material such as tin foil so that no light penetrates. These are called the "light" and "dark" bottles, respectively.

الشكل 3. "Limnologists" (people who study lakes and streams) working
on Lake Victoria in East Africa (left) and on Lake Michigan (right).

The bottles are filled with water taken from a particular place and depth this water contains the tiny plants and animals of the aquatic ecosystem. The bottles are closed with stoppers to prevent any exchange of gases or organisms with the surrounding water, and then they are suspended for a few hours at the same depth from which the water was originally taken. Inside the bottles CO2 is being consumed, and O2 is being produced, and we can measure the change over time in either one of these gases.

For example, the amount of oxygen dissolved in water can be measured easily by chemical titration. Before suspending the bottles, the initial O2 concentration is determined and expressed as mg of O2 per Liter of water (mg/L). Then, the final value is measured in both the light and dark bottles after a timed duration of incubation. What processes are taking place in each bottle that might alter the original O2 or CO2 concentrations? The equations below describe them.

Light bottle: In the light bottle there is photosynthesis, or Gross Primary Production (GPP), and there is Respiration (R). The difference between these two processes, as we saw above, is Net Primary Production = NPP = (GPP - R)

Dark bottle:In the dark bottle there is no photosynthesis and only respiration. (In this example we may also have some consumer respiration in both bottles, unless we used a net to sieve out tiny heterotrophs.)

Now consider the following simple example. It illustrates how we account for changes from the initial oxygen concentrations in the water that occurred during the incubation. We will assume that our incubation period was 1 hour. Measured oxygen concentrations:

Initial bottle = 8 mg O2 / ل Light bottle = 10 mg O2 / ل Dark bottle= 5 mg O2 / ل

The oxygen increased in the light bottle compared to the initial due to photosynthesis, and the oxygen decreased in the dark bottle due to respiration. With this information we can calculate the التنفس, NPP، و GPP for our system:

(Light - Initial) = (10 - 8) = 2 mg/L/hr = (GPP - R) = NPP

(Initial - Dark) = (8 - 5) = 3 mg/L/hr = التنفس

(Light - Dark) = (10 - 5) = 5 mg/L/hr = (NPP + R) = GPP

Thus we have a measure of the net and gross primary production as well as the respiration of our system. The oxygen technique is limited in situations where the primary production is very low. In these situations, the radioactive form of carbon, C 14 ( 14 CO2), can be used to monitor carbon uptake and fixation. You can also convert the results between the oxygen and carbon methods by multiplying the oxygen values by 0.375 to put them into carbon equivalents (the factor comes from differences in atomic mass).

(ب) Rate of Biomass Accumulation:

What do you do with plants that are too large to put into bottles? Consider the following example. Suppose we wish to know the primary production of a corn crop. We plant some seeds, and at the end of one year we harvest samples of the entire plants including the roots that were contained in one square meter of area. We dry these to remove any variation in water content, and then weigh them to get the "dry weight". Thus our measure of primary production would be grams m -2 yr -1 of stems, leaves, roots, flowers and fruits, minus the mass of the seeds that may have blown away. What have we measured?

It isn't GPP, because some of the energy produced by photosynthesis went to meet the metabolic needs of the corn plants themselves. Is it NPP? Well, if we excluded all the consumers such as insects of the corn plant, we would have a measure of NPP. But we assume that some insects and soil arthropods took a share of the plant biomass, and since we did not measure that share, we actually have measured something less than NPP. Note that this is exactly the same situation in the bottle method we described above if small heterotrophs that grazed on algae were included in the bottle, in which case the two methods would measure the same thing.

In recent years it has also become possible to estimate GPP and R in large plants or entire forests using tracers and gas exchange techniques. These measurements now form the basis of our investigations into how primary production affects the carbon dioxide content of our atmosphere.

Production, Standing Crop, and Turnover

Standing crop, on the other hand, is a measure of the biomass of the system at a single point in time, and is measured as calories or grams per m 2 . The difference between production and standing crop is a crucial one, and can be illustrated by the following question. Should a forester, interested in harvesting the greatest yield from a plot, be more interested in the forest's standing crop or its primary production? Well, the key element to the answer is "TIME". If the forester wants a short term investment (i.e., to cut the forest down and sell the trees for maximum, immediate profit), then the higher the standing crop the better. If instead the forester wants to manage the forest over time (sell some trees while growing more each year), then the rate at which the forest produces new biomass is critical.

The ratio of the standing crop to the production (Standing Crop / Production) is equal to the دوران النظام. By dividing standing crop (units of g/m 2 ) by production (units of g/m 2 /yr), you can see that the turnover is in units of 1/(1/yr) = year in this example. Thus the stock or standing crop of any material divided by the rate of production gives you a measure of time. Notice how similar (really, identical) this turnover time is to the residence time that you learned about in earlier lectures. It is really important to consider this element of "time" whenever you are thinking about almost any aspect of an organism or an ecosystem or a problem in sustainability. Learning about how much of something is happening and how fast it is changing is a critical aspect of understanding the system well enough to make decisions for example, the decision of the forester above may be driven by economic concerns or by conservation concerns, but the "best" choice for either of those concerns still depends on an understanding of the production, standing crop, and turnover of the forest. This highlights the point made in earlier lectures that to make decisions about sustainability you must understand these basic scientific concepts.

Patterns and Controls of Primary Production in the World's Ecosystems

الشكل 4. Net Primary Production per unit area of the world's common ecosystems.

If we wish to know the total amount of NPP in the world, we must multiply these values by the area that the various ecosystems occupy. In doing that, we find that now the most productive systems are open oceans, tropical rain forests, savannas, and tropical seasonal forests (see Figure 5).

الشكل 5. Average world net primary production of various ecosystems.

What accounts for these differences in production per unit area? Basically, the answer is that climate and nutrients control primary productivity. Areas that are warm and wet generally are more productive (see Figures 6a and 6b). Overall, the amount of water available limits land primary production on our world, in part due to the large areas of desert found on certain continents. Agricultural crops are especially productive due to "artificial" subsidies of water and fertilizers, as well as the control of pests.

Figures 6a and 6b. Graphs showing the relationship
between NPP and precipitation, and between NPP and temperature.

Even though temperature and especially precipitation are related to production, you will notice a large degree of "scatter" around the line of best fit drawn in the graphs above. For example, look at the range of production values (Y axis) at a temperature value of 10 deg C or at a precipitation value of 1000 mm. The scatter or variation in the production due in part to other aspects of particular (local) systems, such as their nutrient availability or their turnover rates. For example, grasslands can have a relatively high rate of primary production occurring during a brief growing season, yet the standing crop biomass is never very great. This is indicative of a high turnover rate. In a forest, on the other hand, the standing crop biomass of above-ground wood and below-ground roots is large. Each year's production of new plant matter is a small fraction of total standing crop, and so the turnover of forest biomass is much lower.

Another good example is seen in the oceans, where most of the primary production is concentrated in microscopic algae. Algae have short life cycles, multiply rapidly, do not generate much biomass relative to their numbers, and are eaten rapidly by herbivores. At any given point in time, then, the standing crop of algae in an ocean is likely low, but the turnover rate can be high (see below) We have now examined the first step in the flow of energy through ecosystems: the conversion of energy by primary producers into a form that is usable by heterotrophs, as well as by producers themselves. In the next lecture we will examine how this energy moves through the rest of the ecosystem, providing fuel for life at higher trophic levels.

The Flow of Energy to Higher Trophic Levels

Most of you are now familiar with the concept of the المستوى الغذائي (see Figure 1). It is simply a feeding level, as often represented in a food chain or food web. Primary producers comprise the bottom trophic level, followed by primary consumers (herbivores), then secondary consumers (carnivores feeding on herbivores), and so on. When we talk of moving "up" the food chain, we are speaking figuratively and mean that we move from plants to herbivores to carnivores. This does not take into account decomposers and detritivores (organisms that feed on dead organic matter), which make up their own, highly important trophic pathways.

In the process, metabolic work is done and energy in chemical bonds is converted to heat energy. If NPP was not consumed, it would pile up somewhere. Usually this doesn't happen, but during periods of Earth's history such as the Carboniferous and Pennsylvanian, enormous amounts of NPP in excess of the degradation of organic matter accumulated in swamps. It was buried and compressed to form the coal and oil deposits that we mine today. When we burn these deposits (same chemical reaction as above except that there is greater energy produced) we release the energy to drive the machines of industry, and of course the CO2 goes into the atmosphere as a greenhouse gas. This is the situation that we have today, where the excess CO2 from burning these deposits (past excess NPP) is going into the atmosphere and building up over time, dramatically changing our climate.

  • Only a fraction of the energy available at one trophic level is transferred to the next trophic level. The rule of thumb is 10%, but this is very approximate.
  • Typically the numbers and biomass of organisms decrease as one ascends the food chain.

An Example: The Fox and the Hare

The hare uses a significant fraction of the assimilated energy just being a hare -- maintaining a high, constant body temperature, synthesizing proteins, and hopping about. This energy used (lost) is attributed to cellular respiration. The remainder goes into making more hare biomass by growth and reproduction (that is, increasing the overall biomass of hares by creating offspring). The conversion of assimilated energy into new tissue is termed secondary production in consumers, and it is conceptually the same as the primary production or NPP of plants. In our example, the secondary production of the hare is the energy available to foxes who eat the hares for their needs. Clearly, because of all of the energy costs of hares engaged in normal metabolic activities, the energy available to foxes is much less than the energy available to hares.

Just as we calculated the assimilation efficiency above, we can also calculate the net production efficiency for any organism. This efficiency is equal to the production divided by the assimilation for animals, or the NPP divided by the GPP for plants. The "production" here refers to growth plus reproduction. In equation form, we have net production efficiency = (production / assimilation), or for plants = (NPP / GPP). These ratios measure the efficiency with which an organism converts assimilated energy into primary or secondary production.

These efficiencies vary among organisms, largely due to widely differing metabolic requirements. For instance, on average warm-blooded vertebrates such as mammals and birds use about 98% of assimilated energy for metabolism, leaving only 2% for growth and reproduction. On average, invertebrates use only

80% of assimilated energy for metabolism, and thus exhibit greater net production efficiency (

20%) than do vertebrates. Plants have the greatest net production efficiencies, which range from 30-85%. The reason that some organisms have such low net production efficiencies is that they are homeotherms, or animals that maintain a constant internal body temperature (mammals and birds). This requires much more energy than is used by poikilotherms, which are also known as "cold-blooded" organisms (all invertebrates, some vertebrates, and all plants, even though plants don't have "blood") that do not regulate their temperatures internally.

Just as we can build our understanding of a system from the individual to the population to the community, we can now examine whole trophic levels by calculating ecological efficiencies. Ecological efficiency is defined as the energy supply available to trophic level N + 1, divided by the energy consumed by trophic level N. You might think of it as the efficiency of hares at converting plants into fox food. In equation form for our example, the ecological efficiency = (fox production / hare production). Note that the ecological efficiency is a "combined" measure that takes into account both the assimilation and net production efficiencies. You can also combine different species of plants and animals into a single trophic level, and then examine the ecological efficiency of for example all of the plants in a field being fed on my all of the different grazers from insects to cows.

Thinking about the overall ecological efficiency in a system brings us back to our first rule for the transfer of energy through trophic levels and up the food chain. In general, only about 10% of the energy consumed by one level is available to the next. For example, If hares consumed 1000 kcal of plant energy, they might only be able to form 100 kcal of new hare tissue. For the hare population to be in steady state (neither increasing nor decreasing), each year's consumption of hares by foxes should roughly equal each year's production of new hare biomass. So the foxes consume about 100 kcal of hare biomass, and convert perhaps 10 kcal into new fox biomass. In fact, this ecological efficiency is quite variable, with homeotherms averaging 1- 5% and poikilotherms averaging 5-15%. The overall loss of energy from lower to higher trophic levels is important in setting the absolute number of trophic levels that any ecosystem can contain.

From this understanding, it should be obvious that the mass of foxes should be less than the mass of hares, and the mass of hares less than the mass of plants. Generally this is true, and we can represent this concept visually by constructing a pyramid of biomass for any ecosystem (see Figure 3).

Figure 3. A pyramid of biomass showing producers and consumers in a marine ecosystem.

Pyramids of Biomass, Energy, and Numbers

We could also construct a pyramid of numbers, which as its name implies represents the number of organisms in each trophic level (see Figure 4-top). For the grassland shown in Figure 4-top, the bottom level would be quite large, due to the enormous number of small plants (grasses). For other ecosystems such as the temperate forest, the pyramid of numbers might be inverted: for instance, if a forest's plant community was composed of only a handful of very large trees, and yet there were many millions of insect grazers which ate the plant material.

Just as with the inverted pyramid of numbers, in some rare exceptions, there could be an inverted pyramid of biomass, where the biomass of the lower trophic level is less than the biomass of the next higher trophic level. The oceans are such an exception because at any point in time the total amount of biomass in microscopic algae is small. Thus a pyramid of biomass for the oceans can appear inverted (see Figure 4b-middle). You should now ask "how can that be?" If the amount of energy in biomass at one level sets the limit of energy in biomass at the next level, as was the case with the hares and foxes, how can you have less energy at the lower trophic level? This is a good question, and can be answered by considering, as we discussed above, the all important aspect of "time". Even though the biomass may be small, the RATE at which new biomass is produced may be very large. Thus over time it is the amount of new biomass that is produced, from whatever the standing stock of biomass might be, that is important for the next trophic level.

We can examine this further by constructing a pyramid of energy, which shows rates of production rather than standing crop. Once done, the figure for the ocean would have the characteristic pyramid shape (see Figure 4-bottom). Algal populations can double in a few days, whereas the zooplankton that feed on them reproduce more slowly and might double in numbers in a few months, and the fish feeding on zooplankton might only reproduce once a year. Thus, a pyramid of energy takes into account the turnover rate of the organisms, and can never be inverted. Note that this dependence of one trophic level on a lower trophic level for energy is why, as you learned in the lectures on predation, the prey and predator population numbers are linked and why they vary together through time (with an offset).

Figure 4: Pyramids of numbers, biomass, and energy for various ecosystems.

The Residence Time of Energy. We see that thinking about pyramids of energy and turnover time is similar to our discussions of residence time of elements. But here we are talking about the residence time of "energy". The residence time of energy is equal to the energy in biomass divided by the net productivity, رر = (energy in biomass / net productivity). If we calculate the residence time of energy in the primary producers of various ecosystems, we find that the residence times range from about 20-25 years for forests (both tropical rainforests and boreal forests), down to

3-5 years for grasslands, and finally down to only 10-15 days for lakes and oceans. This difference in residence time between aquatic and terrestrial ecosystems is reflected in the pyramids of biomass, as discussed above, and is also very important to consider in analyzing how these different ecosystems would respond to a disturbance, or what scheme might best be used to manage the resources of the ecosystem, or how you might best restore an ecosystem that has been degraded (e.g., by storms or by humans).

Humans and Energy Consumption

المدخلات: NPP, calculated as annual harvest. In a cropland NPP and annual harvest occur in the same year. In forests, annual harvest can exceed annual NPP (for example, when a forest is cut down the harvest is of many years of growth), but we can still compute annual averages. Note that the following estimates are being successively revised in the literature, but the approach to the problem is always the same.


ملخص

Animal respiratory systems are designed to facilitate gas exchange. In mammals, air is warmed and humidified in the nasal cavity. Air then travels down the pharynx, through the trachea, and into the lungs. In the lungs, air passes through the branching bronchi, reaching the respiratory bronchioles, which house the first site of gas exchange. The respiratory bronchioles open into the alveolar ducts, alveolar sacs, and alveoli. Because there are so many alveoli and alveolar sacs in the lung, the surface area for gas exchange is very large. Several protective mechanisms are in place to prevent damage or infection. These include the hair and mucus in the nasal cavity that trap dust, dirt, and other particulate matter before they can enter the system. In the lungs, particles are trapped in a mucus layer and transported via cilia up to the esophageal opening at the top of the trachea to be swallowed.


مراجع

  1. ↑ R. Wolfson, "Carbon: A Closer Look" in Energy, Environment, and Climate, 2nd ed., New York, NY: W.W. Norton & Company, 2012, ch. 13, sec. 5, pp. 357-361
  2. ↑ 2.02.1 M. Melieres and C. Marechal, "Warming in the 20th century," in Climate Change: Past, Present and Future 1st ed., U.K.: Wiley, 2015, ch.29, sec.1, pp. 298-301
  3. ↑ Wikimedia Commons [Online]. (June 5 2015). Available: http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_cycle#/media/File:Carbon_cycle.jpg


شاهد الفيديو: إعادة استنشاق ثاني أكسيد الكربون خلال ارتداء الكمامة. هل من مخاوف صحية لذلك (شهر فبراير 2023).