بيئة الأنظمة البيئية

غالبًا ما تتضمن الحياة في النظام البيئي تنافسًا على الموارد المحدودة، والذي يحدث داخل النوع الواحد وبين الأنواع المختلفة. تتنافس الكائنات الحية على الغذاء والماء وضوء الشمس والمساحة والمغذيات المعدنية. توفر هذه الموارد الطاقة للعمليات الأيضية والمادة لتكوين الهياكل الفيزيائية للكائنات الحية. من العوامل الحاسمة الأخرى التي تؤثر على ديناميكيات المجتمع مكونات بيئته الفيزيائية: مناخ الموطن (المواسم، ضوء الشمس، وهطول الأمطار)، الارتفاع، والجيولوجيا. يمكن أن تكون هذه جميعها متغيرات بيئية مهمة تحدد الكائنات الحية التي يمكن أن توجد داخل منطقة معينة.

تُعد أنظمة المياه العذبة البيئية الأقل شيوعًا، حيث توجد على 1.8 بالمائة فقط من سطح الأرض. تتكون هذه الأنظمة من البحيرات والأنهار والجداول والينابيع؛ وهي متنوعة للغاية، وتدعم مجموعة متنوعة من الحيوانات والنباتات والفطريات والطلائعيات وبدائيات النوى.

تُعد الأنظمة البيئية البحرية الأكثر شيوعًا، حيث تشكل 75 بالمائة من سطح الأرض وتتكون من ثلاثة أنواع أساسية: المحيطات الضحلة، مياه المحيطات العميقة، وقاع المحيطات العميقة. تشمل أنظمة المحيطات الضحلة البيئية الشعاب المرجانية ذات التنوع الحيوي الشديد، بينما تُعرف مياه المحيطات العميقة بأعدادها الكبيرة من العوالق والكريل (القشريات الصغيرة) التي تدعمها. تُعد هاتان البيئتان مهمتين بشكل خاص للكائنات التي تتنفس هوائيًا في جميع أنحاء العالم، حيث تقوم العوالق النباتية بنسبة 40 بالمائة من إجمالي عملية التمثيل الضوئي على الأرض. وعلى الرغم من أنها ليست متنوعة مثل النوعين الآخرين، إلا أن أنظمة قاع المحيطات العميقة البيئية تحتوي على مجموعة واسعة من الكائنات البحرية. توجد مثل هذه الأنظمة البيئية حتى في الأعماق حيث لا يستطيع الضوء اختراق الماء.

تُصنف الأنظمة البيئية البرية، المعروفة أيضًا بتنوعها، إلى فئات كبيرة تسمى المناطق الأحيائية. المنطقة الأحيائية (biome) هي مجتمع واسع النطاق من الكائنات الحية، تُحدد بشكل أساسي على اليابسة بواسطة أنواع النباتات السائدة التي توجد في المناطق الجغرافية من الكوكب ذات الظروف المناخية المتشابهة. تشمل أمثلة المناطق الأحيائية الغابات الاستوائية المطيرة، والسافانا، والصحاري، والمراعي، والغابات المعتدلة، والتندرا. إن تجميع هذه الأنظمة البيئية في عدد قليل من فئات المناطق الأحيائية يحجب التنوع الكبير للأنظمة البيئية الفردية داخلها. على سبيل المثال، تُعد صبار الساجوارو (Carnegiea gigantean) والحياة النباتية الأخرى في صحراء سونوران، بالولايات المتحدة، متنوعة نسبيًا مقارنة بالصحراء الصخرية القاحلة في بوا فيستا، وهي جزيرة قبالة ساحل غرب إفريقيا (شكل 20.3).

شكل 20.3 يمكن أن تختلف الأنظمة البيئية الصحراوية، مثل جميع الأنظمة البيئية، اختلافًا كبيرًا. تحتوي الصحراء في (أ) حديقة ساجوارو الوطنية، أريزونا، على حياة نباتية وفيرة، بينما تخلو الصحراء الصخرية في (ب) جزيرة بوا فيستا، الرأس الأخضر، إفريقيا، من الحياة النباتية. (المصدر أ: تعديل لعمل جاي غالفين؛ المصدر ب: تعديل لعمل إنغو فولبرن)

السلاسل الغذائية والشبكات الغذائية

السلسلة الغذائية (food chain) هي تسلسل خطي للكائنات الحية تمر من خلاله المغذيات والطاقة عندما يأكل كائن حي آخر؛ المستويات في السلسلة الغذائية هي المنتجون، المستهلكون الأوليون، المستهلكون ذوو المستويات الأعلى، وأخيرًا المحللون. تُستخدم هذه المستويات لوصف بنية النظام البيئي وديناميكياته. يوجد مسار واحد عبر السلسلة الغذائية. يشغل كل كائن حي في السلسلة الغذائية مستوى غذائي (trophic level) محددًا (مستوى طاقة)، وهو موقعه في السلسلة الغذائية أو الشبكة الغذائية.

في العديد من الأنظمة البيئية، تتكون قاعدة السلسلة الغذائية، أو أساسها، من كائنات حية تقوم بالتمثيل الضوئي (نباتات أو عوالق نباتية)، والتي تُسمى المنتجون (producers). تُعد الكائنات الحية التي تستهلك المنتجين من آكلات الأعشاب: وهم المستهلكون الأوليون (primary consumers). أما المستهلكون الثانويون (secondary consumers) فهم عادةً من آكلات اللحوم التي تتغذى على المستهلكين الأوليين. والمستهلكون من الدرجة الثالثة (tertiary consumers) هم من آكلات اللحوم التي تتغذى على آكلات لحوم أخرى. تتغذى المستويات الأعلى من المستهلكين على المستويات الغذائية الأقل التالية، وهكذا، وصولًا إلى الكائنات الحية في قمة السلسلة الغذائية: المستهلكون القميون (apex consumers). في السلسلة الغذائية لبحيرة أونتاريو، الموضحة في شكل 20.4، يُعد سمك السلمون الشينوك المستهلك القمي في قمة هذه السلسلة الغذائية.

شكل 20.4 هذه هي المستويات الغذائية لسلسلة غذائية في بحيرة أونتاريو على الحدود بين الولايات المتحدة وكندا. تتدفق الطاقة والمغذيات من الطحالب الخضراء التي تقوم بالتمثيل الضوئي في القاعدة إلى قمة السلسلة الغذائية: سلمون الشينوك. (المصدر: تعديل لعمل الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي/NOAA)

أحد العوامل الرئيسية التي تحد من عدد الخطوات في السلسلة الغذائية هو الطاقة. تُفقد الطاقة في كل مستوى غذائي وبين المستويات الغذائية على شكل حرارة وفي الانتقال إلى المحللات (شكل 20.5). وبالتالي، بعد عدد محدود من انتقالات الطاقة الغذائية، قد لا تكون كمية الطاقة المتبقية في السلسلة الغذائية كافية لدعم جماعات أحيائية قابلة للحياة في مستوى غذائي أعلى.

شكل 20.5 يُظهر الرسم الطاقة النسبية في المستويات الغذائية في نظام بيئي في سيلفر سبرينغز، فلوريدا. كل مستوى غذائي لديه طاقة أقل متاحة، وعادةً، ولكن ليس دائمًا، يدعم كتلة أصغر من الكائنات الحية في المستوى التالي.

توجد مشكلة واحدة عند استخدام السلاسل الغذائية لوصف معظم الأنظمة البيئية. فحتى عندما تُصنف جميع الكائنات الحية في مستويات غذائية مناسبة، يمكن لبعض هذه الكائنات الحية أن تتغذى على أكثر من مستوى غذائي واحد؛ وبالمثل، يمكن لبعض هذه الكائنات الحية أن تُتغذى عليها من مستويات غذائية متعددة. بالإضافة إلى ذلك، تتغذى الأنواع على أكثر من نوع واحد وتُؤكل من قبل أكثر من نوع واحد. بعبارة أخرى، النموذج الخطي للأنظمة البيئية، السلسلة الغذائية، هو تمثيل افتراضي ومفرط في التبسيط لبنية النظام البيئي. يُعد النموذج الشمولي — الذي يشمل جميع التفاعلات بين الأنواع المختلفة وعلاقاتها المعقدة المترابطة مع بعضها البعض ومع البيئة — نموذجًا أكثر دقة وشمولية للأنظمة البيئية. الشبكة الغذائية (food web) هي مفهوم يفسر التفاعلات الغذائية المتعددة بين كل نوع والعديد من الأنواع التي قد يتغذى عليها، أو التي تتغذى عليه. في الشبكة الغذائية، قد تتجاوز الروابط الغذائية المتعددة بين كل نوع والأنواع الأخرى التي تتفاعل معه مستويات غذائية متعددة. تُوصف حركات المادة والطاقة لجميع الأنظمة البيئية تقريبًا بشكل أكثر دقة بواسطة الشبكات الغذائية (شكل 20.6).

شكل 20.6 تُظهر هذه الشبكة الغذائية التفاعلات بين الكائنات الحية عبر المستويات الغذائية. تشير الأسهم من الكائن الحي الذي يُستهلك إلى الكائن الحي الذي يستهلكه. تصبح جميع المنتجين والمستهلكين في النهاية غذاءً للمحللات (الفطريات والعفن وديدان الأرض والبكتيريا في التربة). (المصدر "ثعلب": تعديل لعمل كيفن باخر، NPS؛ المصدر "بومة": تعديل لعمل جون وكارين هولينغسورث، USFWS؛ المصدر "ثعبان": تعديل لعمل ستيف جورفيتسون؛ المصدر "أبو الحناء": تعديل لعمل آلان فيرنون؛ المصدر "ضفدع": تعديل لعمل أليساندرو كاتيناتسي؛ المصدر "عنكبوت": تعديل لعمل "Sanba38"/ويكيميديا كومنز؛ المصدر "مئوية": تعديل لعمل “Bauerph”/ويكيميديا كومنز؛ المصدر "سنجاب": تعديل لعمل دون هوتشيك؛ المصدر "فأر": تعديل لعمل NIGMS، NIH؛ المصدر "عصفور": تعديل لعمل ديفيد فريل؛ المصدر "خنفساء": تعديل لعمل سكوت باور، خدمة الأبحاث الزراعية التابعة لوزارة الزراعة الأمريكية؛ المصدر "فطر": تعديل لعمل كريس وي؛ المصدر "عفن": تعديل لعمل الدكتورة لوسيل جورج، CDC؛ المصدر "دودة الأرض": تعديل لعمل روب هيل؛ المصدر "بكتيريا": تعديل لعمل دون ستالونز، CDC)

غالبًا ما تُظهر الشبكات الغذائية نوعين عامين يتفاعلان داخل نظام بيئي واحد. تحتوي الشبكة الغذائية الرعوية (grazing food web) على نباتات أو كائنات أخرى تقوم بالتمثيل الضوئي في قاعدتها، تليها آكلات الأعشاب ومختلف آكلات اللحوم. تتكون الشبكة الغذائية الحُتاتية (detrital food web) من قاعدة من الكائنات الحية التي تتغذى على المواد العضوية المتحللة (الكائنات الميتة)، بما في ذلك المحللات (التي تحلل الكائنات الميتة والمتحللة) وآكلات الحتات (التي تستهلك الحتات العضوي). هذه الكائنات عادة ما تكون بكتيريا وفطريات وحيوانات لا فقارية تعيد تدوير المواد العضوية إلى الجزء الحيوي من النظام البيئي بينما تُستهلك هي نفسها من قبل كائنات أخرى. وبما أن الأنظمة البيئية تتطلب طريقة لإعادة تدوير المواد من الكائنات الميتة، فإن الشبكات الغذائية الرعوية لها شبكة غذائية حُتاتية مرتبطة بها. على سبيل المثال، في نظام بيئي للمروج، قد تدعم النباتات شبكة غذائية رعوية من كائنات مختلفة، ومستهلكين أوليين ومستويات أخرى، بينما تدعم في الوقت نفسه شبكة غذائية حُتاتية من البكتيريا والفطريات التي تتغذى على النباتات والحيوانات الميتة. وفي الوقت نفسه، يمكن للشبكة الغذائية الحُتاتية أن تساهم بالطاقة في الشبكة الغذائية الرعوية، كما يحدث عندما يأكل طائر أبو الحناء دودة أرض.

كيف تحصل الكائنات الحية على الطاقة في الشبكة الغذائية

تتطلب جميع الكائنات الحية الطاقة بشكل أو بآخر. تُستخدم الطاقة في معظم المسارات الأيضية المعقدة (عادةً في شكل ATP)، خاصة تلك المسؤولة عن بناء الجزيئات الكبيرة من مركبات أصغر. لن تتمكن الكائنات الحية من تجميع الجزيئات الضخمة (البروتينات والدهون والأحماض النووية والكربوهيدرات المعقدة) من وحداتها البنائية دون إمداد ثابت بالطاقة.

توضح رسوم الشبكة الغذائية كيفية تدفق الطاقة بشكل اتجاهي عبر الأنظمة البيئية. يمكنها أيضًا أن تشير إلى مدى كفاءة الكائنات الحية في الحصول على الطاقة واستخدامها، وكم يتبقى منها لاستخدام الكائنات الحية الأخرى في الشبكة الغذائية. تحصل الكائنات الحية على الطاقة بطريقتين: الكائنات ذاتية التغذية تسخر الطاقة الضوئية أو الكيميائية، والكائنات غيرية التغذية تحصل على الطاقة من خلال استهلاك وهضم كائنات حية أخرى أو كائنات كانت حية سابقًا.

الكائنات الحية التي تقوم بالتمثيل الضوئي والكيميائي هي ذاتيات التغذية (autotrophs)، وهي كائنات قادرة على تصنيع غذائها بنفسها (وبشكل أكثر تحديدًا، قادرة على استخدام الكربون غير العضوي كمصدر للكربون). تستخدم ذاتيات التغذية الضوئية (ذاتيات التغذية الضوئية (photoautotrophs)) ضوء الشمس كمصدر للطاقة، وتستخدم ذاتيات التغذية الكيميائية (ذاتيات التغذية الكيميائية (chemoautotrophs)) الجزيئات غير العضوية كمصدر للطاقة. تُعد ذاتيات التغذية حاسمة لمعظم الأنظمة البيئية: فهي تمثل المستوى الغذائي للمنتجين. بدون هذه الكائنات، لن تكون الطاقة متاحة للكائنات الحية الأخرى، ولن تكون الحياة نفسها ممكنة.

تُعد ذاتيات التغذية الضوئية، مثل النباتات والطحالب والبكتيريا الضوئية، مصدر الطاقة لغالبية الأنظمة البيئية في العالم. غالبًا ما تُوصف هذه الأنظمة البيئية بواسطة الشبكات الغذائية الرعوية والحُتاتية. تسخر ذاتيات التغذية الضوئية الطاقة الشمسية بتحويلها إلى طاقة كيميائية في شكل ATP (و NADP). تُستخدم الطاقة المخزنة في ATP لتصنيع جزيئات عضوية معقدة، مثل الجلوكوز. يُسمى المعدل الذي يدمج به المنتجون الضوئيون الطاقة من الشمس بالإنتاجية الأولية الإجمالية (gross primary productivity). ومع ذلك، ليست كل الطاقة التي يدمجها المنتجون متاحة للكائنات الحية الأخرى في الشبكة الغذائية لأن المنتجين يجب أن ينموا وتتكاثر أيضًا، مما يستهلك الطاقة. صافي الإنتاجية الأولية (net primary productivity) هو الطاقة التي تتبقى في المنتجين بعد حساب تنفسهم وفقدان الحرارة. ثم تكون الإنتاجية الصافية متاحة للمستهلكين الأوليين في المستوى الغذائي التالي.

تُعد ذاتيات التغذية الكيميائية بشكل أساسي بكتيريا وبدائيات، وتوجد في أنظمة بيئية نادرة حيث لا يتوفر ضوء الشمس، مثل تلك المرتبطة بالكهوف المظلمة أو الفوهات الحرارية المائية في قاع المحيط (شكل 20.7). تستخدم العديد من ذاتيات التغذية الكيميائية في الفوهات الحرارية المائية كبريتيد الهيدروجين (H₂S)، الذي يُطلق من الفوهات كمصدر للطاقة الكيميائية؛ وهذا يسمح لها بتصنيع جزيئات عضوية معقدة، مثل الجلوكوز، لطاقتها الخاصة، وبدورها، توفر الطاقة لبقية النظام البيئي.

شكل 20.7 يُرى جمبري يسبح، وعدد قليل من الكركند القرفصائي، ومئات من بلح البحر الفوهي عند فوهة حرارية مائية في قاع المحيط. نظرًا لعدم اختراق ضوء الشمس لهذا العمق، فإن النظام البيئي مدعوم بالبكتيريا ذاتية التغذية الكيميائية والمواد العضوية التي تغرق من سطح المحيط. التُقطت هذه الصورة في عام 2006 عند بركان NW Eifuku الغارق قبالة سواحل اليابان بواسطة الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA). تقع قمة هذا البركان النشط للغاية على عمق 1535 مترًا تحت السطح.

عواقب الشبكات الغذائية: التضخم الحيوي

إحدى أهم عواقب ديناميكيات النظام البيئي من حيث التأثير البشري هي التضخم الحيوي. التضخم الحيوي (biomagnification) هو التركيز المتزايد للمواد السامة المستمرة في الكائنات الحية في كل مستوى غذائي متتالٍ. هذه المواد قابلة للذوبان في الدهون، وليست قابلة للذوبان في الماء، وتُخزن في احتياطيات الدهون لكل كائن حي. وقد ثبت أن العديد من المواد تتضخم حيويًا، بما في ذلك الدراسات الكلاسيكية حول مبيد ثنائي كلورو ثنائي فينيل ثلاثي كلورو الإيثان (DDT)، والتي وُصفت في كتاب "الربيع الصامت" الأكثر مبيعًا في الستينيات للمؤلفة راشيل كارسون. كان DDT مبيدًا حشريًا شائع الاستخدام قبل أن تُعرف مخاطره على المستهلكين القميين، مثل النسر الأصلع. في الأنظمة البيئية المائية، استهلكت الكائنات الحية من كل مستوى غذائي العديد من الكائنات الحية في المستوى الأدنى، مما تسبب في زيادة DDT في الطيور (المستهلكين القميين) التي تتغذى على الأسماك. وهكذا، تراكمت في الطيور كميات كافية من DDT لتسبب هشاشة في قشور بيضها. وقد أدى هذا التأثير إلى زيادة تكسر البيض أثناء التعشيش وثبت أن له آثارًا مدمرة على جماعات هذه الطيور. حُظر استخدام DDT في الولايات المتحدة في السبعينيات.

من المواد الأخرى التي تتضخم حيويًا مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور (PCB)، والتي استُخدمت كسوائل تبريد في الولايات المتحدة حتى حُظر استخدامها في عام 1979، والمعادن الثقيلة، مثل الزئبق والرصاص والكادميوم. تُدرس هذه المواد بشكل أفضل في الأنظمة البيئية المائية، حيث تتراكم أنواع الأسماك المفترسة تراكيز عالية جدًا من المواد السامة التي توجد بتركيزات منخفضة جدًا في البيئة وفي المنتجين. كما هو موضح في دراسة أجرتها NOAA في خليج ساجينو ببحيرة هورون في البحيرات العظمى بأمريكا الشمالية (شكل 20.8)، زادت تراكيز PCB من منتجي النظام البيئي (العوالق النباتية) عبر المستويات الغذائية المختلفة لأنواع الأسماك. يحتوي المستهلك القمي، سمك الوَالاي، على أكثر من أربعة أضعاف كمية مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور مقارنة بالعوالق النباتية. وبناءً على نتائج دراسات أخرى، قد تحتوي الطيور التي تتغذى على هذه الأسماك على مستويات من مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور أعلى بمقدار رتبة واحدة على الأقل من تلك الموجودة في أسماك البحيرة.

شكل 20.8 يُظهر هذا الرسم البياني تراكيز مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور الموجودة في المستويات الغذائية المختلفة في النظام البيئي لخليج ساجينو ببحيرة هورون. لاحظ أن الأسماك في المستويات الغذائية الأعلى تتراكم فيها مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور أكثر من تلك الموجودة في المستويات الغذائية الأدنى. (المصدر: باتريشيا فان هوف، NOAA)

أُثيرت مخاوف أخرى بسبب التضخم الحيوي للمعادن الثقيلة، مثل الزئبق والكادميوم، في أنواع معينة من المأكولات البحرية. توصي وكالة حماية البيئة الأمريكية بأن الأشخاص الحوامل والأطفال الصغار يجب ألا يستهلكوا أي سمك سيف، أو قرش، أو ماكريل ملكي، أو سمك بلاط بسبب محتواها العالي من الزئبق. ويُنصح هؤلاء الأفراد بتناول الأسماك منخفضة الزئبق: السلمون، والروبيان، وسمك البولوك، وسمك السلور. يُعد التضخم الحيوي مثالًا جيدًا على كيفية تأثير ديناميكيات النظام البيئي على حياتنا اليومية، حتى أنه يؤثر على الطعام الذي نأكله.