الدورات البيوجيوكيميائية لبعض المواد

الدورات البيوجيوكيميائية لبعض المواد

تعرفنا في الفصل الأول من هذه الوحدة على مكوّنات الغلاف الحيوي وهي: الغلاف المائي والغلاف الصخري، وتبيّن لنا أن لغازات الغلاف الجوي أهمية كبيرة في النظام البيئي. وفي هذا الفصل سنتعرف على دورات بعض العناصر في الطبيعة وكيف تعمل هذه الدورات على المحافظة على نسبة وجود غازات الغلاف الجوي ثابتة بدرجة كبيرة.

ويتوقع منك بعد دراستك هذا الفصل أن تكون قادراً على أن:

1-      توضح ما المقصود بالدورة البيوجيوكيميائية للعنصر.

2-      توضح المستودعات التي ينتقل بينها العناصر الغازية (الكربون والأكسجين والنتروجين) والعمليات المسؤولة عن ذلك.

3-      توضح دور أنواع مختلفة من البكتيريا في دورة النتروجين.

4-      تقارن بين ما يجري في تثبيت النتروجين وتحريره وانتزاعه.

5-      تستنتج العلاقة بين الدورات البيوجيوكيميائية للكربون والأكسجين والنتروجين.

6-      تفسر السبب في عدم اكتمال دورات العناصر مثل الكربون والأكسجين والنتروجين في بعض الأنظمة البيئية.

7-      تستنتج أثر نشاطات الإنسان في إخلال التوازن في الدورات البيوجيوكيمائية لبعض العناصر مثل الكربون والأكسجين والنتروجين.

3-1

الدورة البيوجيوكيميائية

عرفت أن النظام البيئي يتكون من المواد الحية والمواد غير الحية، وبين هذه المكونات علاقات معينة يتم تمثيلها عادة بالسلاسل والشبكات الغذائية. ولعلك لاحظت أن الكائنات الحية جميعها، سواء كانت منتجات أو مستهلكات أو محللات، تعتمد على العناصر البسيطة كمواد خام (كمصدر للطاقة وكوحدات بناء). والعناصر التي تحتاجها الكائنات الحية بشكل أساسي هي: الكربون، والأكسجين، والهيدروجين، والنتروجين، والفسفور والكبريت. وتوجد هذه العناصر في الطبيعة؛ كأملاح في الصخور أو كغازات في الغلاف الجوي.

تقوم الكائنات الحية بالعمليات الحيوية من إحساس وحركة وغذاء وتنفس وإخراج وغيرها، فيؤدي ذلك إلى تبادل المواد بينها وبين الوسط المحيط في النظام البيئي. ولمعرفة حركة المواد في النظام البيئي يجب معرفة المستودعات (Reserviors) التي توجد فيها العناصر أولاً، والعمليات التي تؤدي إلى انتقالها من مستودع إلى آخر ثانياً.

ويبين الشكل (3-1) المستودعات التي توجد فيها العناصر والعمليات التي تربط بينها. استعن بهذا الشكل وتعرّف المستودعات والعمليات التي تربط بينها.      الشكل (3-1): المستودعات التي توجد فيها العناصر والعمليات التي تربط بينها.

صندوق معلومات

تطور الغاز

يظن العلماء بأن الحياة بدأت في المياه، وكانت الكائنات الحية تقوم بعملية البناء الضوئي وعملية التنفس داخل المياه، الأمر الذي أدى إلى أن تصبح المياه تحتوي على الغازات وبخاصة غازي (CO2, O2) بدرجة فوق الإشباع، وهذا أدى إلى تحرر هذه الغازات إلى الجو وتكون الغلاف الجوي. وباستمرار خروج هذه الغازات تغيرت نسبتها في الغلاف الجوي حتى وصلت إلى حالة الاتزان. ولكن ممارسات الإنسان ونشاطاته أدت إلى تغير نسب الغازات في الغلاف الجوي. لذا تُجرى حالياً دراسات بيئية حديثة لظاهرة الاحترار العالمي (Global Warning) لمعرفة نسب الغازات في طبقة التروبوسفير التي سادت قبل عشرات آلاف السنين، وذلك باتباع طرائق متعددة منها دراسة تراكيز الغازات في عينات من الجليد تؤخذ من أعماق متفاوتة عن طريق الحفر في مناطق القطبين الشمالي والجنوبي.

بالإضافة إلى ذلك يوجد أيضاً المستودع الحيوي المكون من تفاعل المستودعات الجوي والمائي واليابس. وعليه يمكن القول أن دورات العناصر تمر بطورين أساسيين هما:

1-      طور تكوين المواد العضوية المعقدة التركيب من مواد بسيطة غير عضوية.

2-      طور تحلل المواد العضوية المعقدة التركيب إلى مواد بسيطة غير عضوية.

سؤال

وضح العمليات التي يتبادل فيها المستودع الحيوي مع بقية المستودعات.

سؤال

نظم جدولاً تصنّف فيه العمليات التي تربط بين المستودعات جميعها إلى عمليات فيزيائية وعمليات كيميائية.

إن انتقال العناصر بين هذه المستودعات جميعها بواسطة العمليات الفيزيائية والكيميائية والحيوية هو ما يسمى بالدورة البيوجيوكيميائية. لاحظ أن الدورة البيوجيوكيميائية لأي عنصر تنحصر بالقرب من سطح الأرض وتصل إلى أعماق القشرة الأرضية. ونتيجة لهذه الدورة قد ينتقل جزء من بعض العناصر من المنطقة المحصورة بها الدورات إلى الفضاء الخارجي أو الستار. ويعد هذا الجزء من العنصر الذي انتقل إلى الفضاء الخارجي أو إلى الستار مفقوداً من الدورة.

ولكن ما الذي يجعل العنصر يتحرك عبر هذه المستودعات ضمن دورة؟ إن الجواب عن ذلك واضح هو استمرار العمليات المسؤولة عن ذلك، إذ أن كل عملية تحتاج إلى قوة مسببة لإحداثها حتى يؤدي ذلك إلى تدوير العناصر عبر المستودعات بشكل مستمر في النظام البيئي. فمثلاً عملية البناء الضوئي تحتاج إلى طاقة شمسية، فإذا لم تتعرض النباتات الخضراء إلى الطاقة الشمسية تتعطل عملية البناء الضوئي. وتحتاج عملية الاحتراق أيضاً إلى الأكسجين، ففي غياب الأكسجين تتوقف عملية الاحتراق.

سؤال

بالرجوع إلى الشكل (3-1) ما القوى المسببة لإحداث العمليات المسؤولة عن انتقال العناصر من مستودع إلى آخر.

مما سبق يمكن القول أن توقف أي عملية نهائياً عن العمل يؤدي إلى فقدان العنصر من الدورة ولا تكتمل دورة العنصر في ذلك المسار، وسنوضح ذلك عند الحديث عن دورات العناصر.

تأمل الشكل (3-1)، هل معدل حركة انتقال المواد من مستودع إلى آخر متساوٍ أم لا؟ يمكن الإجابة عن ذلك بسهولة، إذا درسنا تبادل المواد بين المستودع الحيوي والمستودع الجوي؛ إذ تتم عن طريق عمليتي: البناء الضوئي والتنفس وهاتان العمليتان سريعتان نسبياً، ولكن عملية انتقال المواد من المستودع الرسوبي إلى المستودع اليابس (عملية الرفع) تحتاج إلى زمن طويل، لذلك نقول أن المسارات التي تتبعها العناصر في الرسوبيات غالباً ما تكون طويلة الأمد، لذلك اصطلح علماء البيئة تسمية الفترة التي يمكث فيها العنصر في المستودع المائي متوسطة، وفي المستودع الجوي قصيرة.

إن العمليات السابقة هي عمليات طبيعية كانت تحدث قبل ظهور الإنسان على الأرض. ولكم وجود الإنسان وممارساته وخصوصاً في هذا القرن، سبب تغيرات في معدل حركة انتقال المواد من مستودع إلى آخر، مثل عمليات استخراج المواد واستغلاها في الصناعة، وعمليا الاحتراق وغيرها. كما أن ممارسات الإنسان أدت إلى استحداث مواد كيميائية جديدة كالأسمدة والمبيدات الحشرية وغيرها. من هنا سيكون بحثنا لدورات العناصر يتضمن أيضاً نشاطات الإنسان.

هل تعد دورات العناصر في الطبيعة حالة من حالات التوازن الطبيعي أم لا؟ لا نستطيع الإجابة عن هذا السؤال من الملاحظات الوصفية لحركات العناصر بين المستودعات، إلا إذا عرفنا مقادير العناصر فيها. لذلك فإن دراسة الدورات البيوجيوكيميائية يتضمن دراسات كمية، أي مقدار العنصر في المستودع ومقدار انتقاله بين المستودعات. ويقاس معدل انتقال العنصر بين المستودعات بكمية المادة التي تعبر باتجاه معين خلال فترة من الزمن (غالباً ما تقاس بالسنوات). فإذا كانت كمية العنصر في المستودع ثابتة، فهذا يعني أن هناك حالة توازن بين كميات العنصر التي تغادر المستودع الجوي ونسب العناصر في القشرة الأرضية.

3-2

دورة الكربون

يوجد الكربون في الغلاف الجوي على شكل CO2، كما يوجد في المركبات التي تكون أجسام الأحياء البرية والبحرية وهياكلها، وفي التربة ضمن المادة العضوية والدبال، وفي الغلاف المائي على شكل CO2-3، HCO-3 ذائبة في الماء كما يوجد أيضاً في الغلاف الصخري في الصخور الجيرية ((CaCo3 والدولوميت (CaMg(Co3)2، والوقود الأحفوري (الفحم الحجري والنفط والغاز الطبيعي).

لاحظ أم الكربون يوجد ضمن المادة العضوية (الكربون العضوي) وضمن المادة غير العضوية (الكربون غير العضوي).

سؤال

حدد المستودعات التي يكون فيها الكربون عضوياً وتلك التي يكون فيها غير عضوي.

كيف ينتقل الكربون من مستودع إلى آخر ضمن النظام البيئي؟ وما العمليات المسؤولة عن ذلك؟

يبين الشكل (3-2) المستودعات التي يتواجد فيها الكربون والعمليات التي تؤدي إلى انتقاله من مستودع إلى آخر. تبدأ دورة الكربون بأخذ النباتات الخضراء (المنتجات) مادة ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي في عملية البناء الضوئي لإنتاج المركبات العضوية.

سؤال

على أي شكل (أو أشكال) تأخذ النباتات المائية عنصر الكربون؟

وفي النباتات أيضاً تتم عملية التنفس، وينتج عن ذلك غاز CO2 الذي يعود إلى الغلاف الجوي، ومن ثم يستخدم في عملية البناء الضوئي بحيث تكتمل الدورة برجوعه إلى النبات. لاحظ أن دورة الكربون مرتبطة إلى حد كبير بما يحدث لغاز CO2.   الشكل (3-2): دورة الكربون في الطبيعة.

سؤال

لماذا تزداد نسبة CO2 في الليل عن معدلها الطبيعي (0.03%) في الجزء القريب من سطح الأرض في المناطق التي تكون فيها النباتات كثيفة؟

وغالباً ما تتبع دورة الكربون مسارات أكثر تعقيداً؛ فبعد تحول الكربون الذي يكتسبه النبات على مواد عضوية، تتغذى الحيوانات (المستهلكات) عليها، فإنه تتم عملية هضم المواد العضوية وامتصاصها وتمثيلها لتساهم في بناء الأنسجة الحيوانية. وبناء عليه فإن ذرات الكربون الموجودة فلي النبات تصبح جزءاً من تركيب خلايا جسم الحيوان الذي تغذى عليها. ماذا يحدث للكربون بعد ذلك؟

ويمكن للكربون أن يرجع إلى الجو عن طريق عملية التنفس وينتج من ذلك ثاني أكسيد الكربون. والكربون المتبقي في خلايا وأنسجة الكائنات الحية المستهلكة تفقد جزءاً منه عن طريق إفرازاتها وفضلاتها، وبعد موتها فإن الكربون يؤول إلى الماجة العضوية التي يمكن أن يعود منها إلى الجو بفعل عمليات التحلل الهوائية بواسطة الكائنات الحية الدقيقة (المحللات).

سؤال

ارسم مراحل دورة الكربون من مرحلة كونه أحد عناصر CO2، مبيناً المستودعات والعمليات التي مر بها.

قضية للبحث

افترض أنه قضي على النباتات الخضراء والطحالب الخضراء أو قضي على الكائنات الحية الدقيقة المحللة للمادة العضوية. ما تصوراتك لما يمكن أن يحدث في كل حالة؟ وهل يمكن أن تدور دورة الكربون؟

وهناك جزء من الكربون العضوي لا يمر بدورات من هذا النوع وبهذه السرعة، إذ أنه يمكن أن يتتبع مساراً أطول؛ ففي بعض الحيوانات البحرية يدخل الكربون في تركيب الأجزاء الصلبة منها كأصداف الرخويات وذلك على شكل كربونات الكالسيوم. وبعد مرور فترات زمنية طويلة يثبت الكربون في الصخور الجيرية من الترسبات البحرية لهذه الأصداف. كما يذوب قسم كبير من CO2 في مياه البحار والمحيطات والبحيرات الأمر الذي يمكن أن يؤدي إلى ترسيب الصخور الجيرية أي تثبيت الكربون. وهذه الصخور تتعرض إلى عمليات التجوية الكيميائية مما يؤدي إلى عودة قسم من الكربون المثبت إلى الغلاف الجوي على شكل CO2.

كما يمكن للكربون أن يصبح محتجزاً في المركبات العضوية في الوقود الأحفوري عندما تحفظ المركبات العضوية من عمليات التحلل الهوائية. وعند احتراق هذا الوقود فإن الكربون يرجع ثانية إلى الغلاف الجوي على شكل غاز ثاني أكسيد الكربون ليعاد تدويره من جديد.

سؤال

ما تفسيرك أن حركة الكربون من المستودع الرسوبي إلى المستودعات الأخرى هي حركة بطيئة؟ ثم وضح أثر نشاطات الإنسان في هذا القرن في تسريع حركة الكربون في هذا المسار.

هناك نقطة أخرى يجب ذكرها عند دراسة الكربون في الطبيعة وهي: أن معدل عمليات التحويل كالتنفس والبناء الضوئي وغيرها تتباين وتختلف من نظام بيئي آخر. ففي المناطق الدافئة ذات الضوء الجيد (المناطق الاستوائية) تقوم النباتات الخضراء بعملية البناء الضوئي بإنتاجية عالية الأمر الذي يؤدي إلى تنوع المستهلكات لمختلف مستوياتها، وهذا يزيد من كمية التنوع الحيوي. وإذا قارنا ذلك بنظام بيئي بارد جاف ذي ضوء خافت فإن عملية البناء الضوئي تكون بطيئة، وبالتالي فإن الإنتاجية بطيئة أو قليلة مما يقلل الكائنات الحية المستهلكة وهذا سيقلل من التنوع الحيوي.

3-3

دورة الأكسجين

يتواجد عنصر الأكسجين بتركيز عالي في القشرة الأرضية (46.4% كتلة)، وفي الغلاف الجوي (21% كتلة)، وكذلك يتواجد في الغلاف المائي والحيوي.

يوجد الأكسجين في القشرة الأرضية على هيئة أيونات سالبة الشحنة متحداً مع عناصر مختلفة ليكوّن الشق السالب لمجموعات المعادن مثل السليكات (Sio4-4) والكربونات (CO2-3) في الحجر الجيري؛ والفسفات (PO3-4) في صخور الفسفات والكبريتات (SO2-4) في بعض صخور المتبخرات كالجبس، ومجموعة النترات (NO-3) مثل صخور تشيلي وغيرها. وعندما تتحطم البنية الكيميائية للمعادن بفعل عمليات التجوية الكيميائيوة فإن الشق السالب من مجموعات هذه المعادن لا يتحطم، وإنما ينتقل بعد ذلك عبر مسارات المياه إلى المحيطات ذائباً في الماء، وإذا انتقلت إلى اليابسة تبقى أيضاً كما هي.

وبناءً على ذلك فإن الأكسجين الذي يدخل في تركيب القشرة الأرضية تكون مساهمته في الدورة البيوجيوكيميائية محدودة جداً عدا الأكسجين الذي يدخل في تركيب مجموعتي الكبريتات والنترات.

أما وجود الأكسجين في الغلاف الجوي فيعد نشيطاً كيميائياً إذ يوجد حراً على شكل جزيئات يحوي كل منها على ذرتين من (O2).

ويوجد أيضاً على شكل O3 (بكميات قليلة)، كما يوجد مذاباً في الماء.

سؤال

على أي شكل (أو أشكال) يتواجد الأكسجين مذاباً في الماء؟

كيف ينتقل الأكسجين من مستودع إلى آخر ضمن النظام البيئي؟ وما العمليات المسؤولة عن ذلك؟ وما علاقة دورته مع الكربون؟

يبين الشكل (3-3) الدورة البيوجيوكيميائية للأكسجين. يتضح من الشكل أن الأكسجين ينتج بفعل عمليتي هما:

الشكل (3-3) دورة الأكسجين في الطبيعة.

1-      عملية البناء الضوئي (Photosynthesis): تحدث هذه العملية في النباتات الخضراء والطحالب الخضراء، إذ يتم إنتاج معظم (O2) الجوي.

2-      التحلل الضوئي للماء (Photodissocation): وهذه العملية تنتج كمية قليلة من (O2) بفعل تأثير الأشعة فوق البنفسجية على جزيئات الماء كما في المعادلة الآتية:

معادلة

إن العمليتين السابقتين تظهران إلى أن كمية الأكسجين في حالة مستمرة، ولكن الحقيقة غير ذلك. فلو تأملت الشكل (3-2) جيدا ستجد أن حالة من التوازن تحصل، فالأكسجين يستهلك (يتحد مع غيره من العناصر) بفعل:

1-      التنفس (Resperation): وهي عملية احتراق ولكنها بطيئة ومتدرجة عبر خطوات، وأنزيمات خاصة بكب خطوة حتى لا تنطلق الطاقة دفعة واحدة، وفق المعادلة الآتية:

معادلة

2-      تحلل المواد العضوية (Decomposition of Organic Matter): وفي هذه العملية يتم استهلاك الأكسجين المذاب ف الماء في حالة وجود المادة العضوية. ويتم استهلاكه أيضاً في وجوده ضمن البيئة الهوائية المحيطة بالمادة العضوية.

3-      احتراق الوقود الأحفوري (Compustion of fussil fuels): عند احتراق الوقود الحفوري يتحد الأكسجين الحر مع الكربون، أو النتروجين، أو الكبريت، أو الهيدرجين، وغيرها. وينتج من ذلك أكاسيد لهذه العناصر مثل ) (SO, NO2, CO2) التي توجد على شكل غازات. وهذه الغازات تتصاعد إلى أعلى في الغلاف الجوي. ماذا يمكن أن يحصل لها؟ بالنسبة لغاز (CO2) –معظمه- يستخدم في عملية البناء الضوئي وتستكمل دورة الأكسجين في هذا المسار. وجزء قليل من (CO2) يتفاعل مع الماء ويكون HCO-3/ CO2-3 الأمر الذي يؤدي إلى تثبيت الأكسجين في الصخور الجيرية (CaCO3). وفي هذه الحالة نقول: إن دورة الأكسجين لم تكتمل في هذا المسار.

قضية للبحث

هل يمكن للأكسجين في الصخور الجيرية أن يستأنف الدورة من جديد لتكتمل؟

أما بالنسبة لغازي (NO2, SO3) فإنها تتفاعل مع مياه الأمطار مكونة أمطاراً ترجع إلى سطح الأرض إما على اليابسة أو إلى المحيطات.

سؤال

اكتب معادلات التفاعل التي تؤدي إلى تكوين الأمطار الحمضية المحتوية على (H2SO4, HNO3).

ويمكن أن يثبت الأكسجين في بعض أنواع الصخور؛ إذ أن وجود هذه الحموض (HOSO4, HNO3) في الماء يمكن أن يؤدي إلى ترسيب الجبس وصخور تشيلي. وهناك احتمال أيضاً أن يستأنف الأكسجين الدورة من جديد إذا تعرضت هذه الصخور إلى عمليات التجوية الكيميائية، إذ تتكون أيونات (SO2-4, NO-3)، ويتحرر الأكسجين منها بواسطة أنواع معينة من البكتيريا (سنتعرض لتوضيح ذلك في دورة النترجين).

سؤال

اكر عمليات أخرى يستهلك فيها الأكسجين من الغلاف الجوي.

مما سبق، لعلك لاحظت أن أكثر العناصر ارتباطاً بدورة الأكسجين هو عنصر الكربون. لذلك فإن دورة الكربون وكمية المادة العضوية الموجودة في الرسوبيات أيضاً، يؤثران على عمليات التوازن بين إنتاج الأكسجين واستهلاكه. فإذا انخفض تركيز o2 في النظام البيئي يؤدي ذلك إلى انخفاض نسبة المادة العضوية المؤكسدة، وبالتالي فإن ارتفاع تركيز الكربون في الرسوبيات، ومع الزمن يُحْتَجَزُ على شكل وقود أحفوري.

سؤال

إذا كانت كمية الأكسجين (O2) في النظام البيئي مرتفعة، صف ما يحدث لكل من الآتية:

1-      أكسدة المادة العضوية.

2-      اختزان الكربون في الرسوبيات على شكل وقود أحفوري.

ويعدّ تكوّن الأوزون (O3)  واستهلاكه داخلاً ضمن الدورة البيوجيوكيميائية للأكسجين. وسيتم مناقشة ذلك تفصيلاً في وحدة الأرصاد الجوية.

نشاط 3-1

بحث مكتبي

هناك تخوف لدى علماء البيئة من تزايد ارتفاع نسبة ثاني أكسد الكربون في الغلاف الجوي، اكتب بحثاً حول ذلك مبيناً فيه ما يأتي:

1-      مصادر ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.

2-      أسباب توايد تركيزه في السنوات الأخيرة.

3-      تأثير ذلك على دورات الأكسجين والكربون.