انتقال الطاقة في النظام البيئي - علوم متكاملة - أولي ثانوي - الترم الثاني

مقدمة

تخيل نفسك في قلب غابة كثيفة حيث تتسلل أشعة الشمس الساطعة بين الأشجار، وتبدو النباتات متألقة بلونها الأخضر الزاهي. كيف يمكن لهذه النباتات أن تتحول إلى مصدر غذاء للحيوانات التي تعيش هنا؟

في هذا الدرس، سنستكشف كيف تنتقل الطاقة من الشمس عبر النظم البيئية من خلال السلاسل الغذائية، وكيف تؤثر هذه العملية على التوازن البيئي.

---

1- مفهوم انتقال الطاقة في النظم البيئية

كيف تنتقل الطاقة؟

عندما يصل ضوء الشمس إلى النباتات، تقوم بعملية البناء الضوئي، حيث تتحول الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية تُخزن في جزيئات السكر داخل النباتات.

انتقال الطاقة عبر السلاسل الغذائية

1. تتغذى الحشرات على النباتات وتحصل على الطاقة الكيميائية المخزنة في السكريات.
2. تنتقل هذه الطاقة إلى الحيوانات التي تتغذى على الحشرات.
3. مع انتقال الطاقة من مستوى غذائي إلى آخر، تفقد كمية كبيرة منها.

المستويات الغذائية

• المستوى الأول: المنتجات (النباتات)
• المستوى الثاني: المستهلكات الأولية (الحيوانات العاشبة)
• المستوى الثالث: المستهلكات الثانوية (الحيوانات اللاحمة)
• المستوى الرابع: المستهلكات العليا (المفترسات الكبيرة)
• المحللات: تقوم بتحليل الكائنات الميتة وإعادة المواد العضوية إلى التربة.

نشاط: تحليل السلاسل الغذائية

• كم عدد المستويات الغذائية في السلسلة الغذائية؟
• أي الكائنات الحية تحصل على أقل كمية من الطاقة؟

---

2- قياس الطاقة وانتقالها

هرم انتقال الطاقة

• يوضح أعداد الكائنات الحية التي تعتمد على نفس المصدر من الطاقة.
• كفاءة انتقال الطاقة عادةً 10% فقط، حيث يتم فقدان 90% منها في عمليات حيوية مثل التنفس والإخراج.
• لهذا السبب، نادرًا ما يحتوي هرم الطاقة على أكثر من ستة مستويات غذائية.
• من ناحية الطاقة، يُفضل أن يحصل الإنسان على غذائه مباشرةً من النبات بدلاً من استهلاك حيوان تغذى على النبات.

حساب الطاقة المفقودة

مثال: يحصل الأرنب على 100 جول من الطاقة من النبات، كيف يتم توزيعها؟

• جزء يُستهلك في التنفس
• جزء يستخدم في الحركة
• جزء يُفقد كحرارة
• جزء يُخزن في الطعام غير المهضوم ويخرج كفضلات

السؤال: إذا استقبل النبات 1000 جول من الطاقة الشمسية، لكنه استخدم 2% فقط منها في البناء الضوئي، احسب:

• كمية الطاقة المخزنة في النبات.
• كمية الطاقة المفقودة.
• تأثير فقدان الطاقة على الكائنات في نهاية السلسلة الغذائية.
• دور المحللات في إعادة تدوير الطاقة الكيميائية إلى التربة.

---

3- الكيمياء في نقل الطاقة

عملية البناء الضوئي

تحدث داخل البلاستيدات الخضراء، حيث تقوم صبغة الكلوروفيل بامتصاص الضوء وتحفيز التفاعلات الكيميائية التي تحول ثاني أكسيد الكربون والماء إلى جلوكوز وأكسجين.

التنفس الخلوي

• تستخدم الكائنات الحية الجلوكوز المخزن في الغذاء لإنتاج الطاقة عبر التنفس الخلوي.
• تتحول الطاقة الكيميائية المخزنة في الجلوكوز إلى طاقة حرارية تستخدم للحركة والنمو.

---

4- العلاقة بين البناء الضوئي والتنفس الخلوي

التوازن البيئي

• تقوم النباتات بإنتاج الأكسجين أثناء البناء الضوئي.
• تستهلك الكائنات الحية الأكسجين أثناء التنفس الخلوي وتطلق ثاني أكسيد الكربون.
• يحافظ هذا التفاعل المتبادل على توازن الغازات في الغلاف الجوي.

تدفق الطاقة في النظام البيئي

• تبدأ السلسلة الغذائية بالطاقة الشمسية.
• تتحول إلى طاقة كيميائية في النباتات، ثم إلى طاقة حرارية داخل الكائنات المستهلكة.
• يتم فقدان جزء من الطاقة في كل مستوى غذائي.

---

5- الطاقة المختزنة في الوقود الأحفوري

كيف يتكون الوقود الأحفوري؟

• يتكون الفحم من بقايا النباتات المتحللة منذ ملايين السنين.
• يتكون البترول من كائنات بحرية ونباتات بحرية تحللت بفعل الضغط ودرجة الحرارة.
• يتكون الغاز الطبيعي من غازات مثل الميثان والإيثان والبروبان.

دور الوقود الأحفوري في نقل الطاقة

• عند احتراق الوقود الأحفوري، يتم تحرير الطاقة الكيميائية المختزنة فيه وتحويلها إلى طاقة حرارية، مما يساهم في تشغيل الآلات.

---

6- تجربة عملية: استكشاف عملية البناء الضوئي

المواد المطلوبة:

• نبات مائي (مثل الإيلوديا)
• زجاجة شفافة أو كوب زجاجي
• ماء
• صودا الخبز (بيكربونات الصوديوم)
• ورق ألومنيوم
• مصدر ضوء (مصباح أو أشعة الشمس)
• ورقة وأقلام لتدوين الملاحظات

الخطوات:

1. تحضير النبات: ضع النبات المائي في كوب ماء مع إضافة نصف ملعقة صغيرة من صودا الخبز.
2. توجيه الضوء: ضع النبات تحت ضوء الشمس أو وجه مصباحًا نحوه.
3. تغطية بعض الأوراق: غطِّ بعض الأوراق بورق الألومنيوم واترك أخرى مكشوفة.
4. ملاحظة التفاعل: بعد عدة ساعات، لاحظ الفقاعات المتكونة على الأوراق المكشوفة.
5. تحليل النتائج:
   • أين ظهرت أكبر كمية من الفقاعات؟
   • لماذا لم تحدث عملية البناء الضوئي في الأوراق المغطاة؟
   • كيف يساعد ثاني أكسيد الكربون والماء في عملية البناء الضوئي؟

---

خاتمة

انتقال الطاقة عبر السلاسل الغذائية يوضح كيف تعتمد الكائنات الحية على بعضها البعض. يحافظ البناء الضوئي والتنفس الخلوي على توازن الغازات في الغلاف الجوي، مما يضمن استمرار الحياة. من خلال دراسة هذه العمليات، يمكننا فهم كيفية استغلال الطاقة بشكل أكثر كفاءة للحفاظ على البيئة.