الفيزيولوجيا البيئية: ما تدرسه وتطبيقاته في الحيوانات والنباتات - مادة الاحياء - 2025

و ecofisiología هي فرع من فروع علم البيئة الذي يدرس الاستجابة الوظيفية للكائنات الحية على التكيف مع التغيرات البيئية. يجب على كل كائن حي أن يتكيف مع بيئته من أجل البقاء على قيد الحياة وهذا التكيف هيكلي ووظيفي.

يُعرف هذا التخصص أيضًا باسم علم البيئة الفسيولوجي أو علم وظائف الأعضاء البيئي ، ويولد المعرفة الأساسية والتطبيقية. وبالتالي ، من الممكن معرفة العلاقة بين فسيولوجيا الكائن الحي والتغيرات البيئية.

التجارب البيئية الفيزيولوجية. المصدر: راسباك

وبالمثل ، توفر الفيزيولوجيا البيئية معلومات في مجال الإنتاج النباتي والحيواني لتوليد الغذاء. على سبيل المثال ، كانت دراسات الفسيولوجيا البيئية للنباتات التي تتحمل الظروف البيئية القاسية مفيدة في التحسين الوراثي.

وبالمثل ، فإن الدراسات الفيزيولوجية البيئية تجعل من الممكن تحديد الظروف البيئية الأكثر ملاءمة لتحقيق إنتاجية حيوانية أكبر. وبالتالي ، يمكن إنشاء نطاقات متنوعة من العوامل البيئية لتوفير الراحة للحيوانات في وحدات الإنتاج.

ماذا يدرس علم البيئة؟

الفيزيولوجيا البيئية هي تخصص يلتقي فيه علم وظائف الأعضاء مع علم البيئة. علم وظائف الأعضاء هو العلم الذي يدرس أداء الكائنات الحية والبيئة يعالج العلاقات بين الكائنات الحية وبيئتها.

بهذا المعنى ، تدرس الفيزيولوجيا البيئية العلاقة الديناميكية بين البيئة المتغيرة وتكيفات استقلاب النبات أو الحيوان مع هذه التغييرات.

- التجريب البيئي

لتحقيق هدفها ، تطبق الفيزيولوجيا البيئية كلاً من البحث الوصفي والطريقة التجريبية. لهذا ، فإنه يحدد العوامل الفيزيائية والكيميائية التي تعمل في البيئة ويحدد تأثيرها على الجسم.

يمكن أن تكون هذه العوامل موارد يستخدمها الكائن الحي لبقائه أو ظروف تؤثر على عمله. بعد ذلك ، يتم تحديد الاستجابة الفسيولوجية للكائن الحي لتغيرات العامل المذكور.

تشارك أنظمة التمثيل الغذائي

من الضروري تحديد الأنظمة العضوية والوظيفية المشاركة في الاستجابة التكيفية للكائن الحي لتغيير عامل معين. على سبيل المثال ، عندما تكون هناك تغيرات في درجة الحرارة ، يكون هناك استجابة من نظام التنظيم الحراري للفرد.

تصميم تجريبي

يستخدم علم البيئة تصميم التجارب لتحديد الاستجابة الفسيولوجية للكائن الحي للتغيرات في عامل. مثال على ذلك قد يكون تعريض الأفراد من الأنواع النباتية لتركيزات مختلفة من الملح في الركيزة.

- أنواع التغيرات البيئية

بمجرد تحديد العوامل المراد دراستها ، من الضروري تحديد التغييرات التي تحدث في البيئة وطبيعتها الزمنية ، وتحديد ثلاثة أنواع:

التغيرات الدورية

تتكرر هذه التغييرات بشكل دوري ، مثل تناوب المواسم المناخية أو النهار والليل. في مواجهة هذه ، طور الكائن الحي أداء دوريًا ، متبعًا إيقاع التغيير البيئي.

دورة ليلا ونهارا. المصدر: كاليفر

على سبيل المثال ، تساقط الأوراق في موسم الجفاف لتقليل التعرق بسبب نقص الماء. في حالة الحيوانات ، هناك أيضًا تكيفات مع هذه التغيرات الدورية ؛ على سبيل المثال تغيير ريش بعض الطيور.

يتميز ptarmigan (Lagopus muta) في التندرا بتماثل اللون الموسمي ويعرض ريشًا أبيض شتويًا بينما يتغير في الربيع إلى درجات ألوان داكنة ومتنوعة. وبالتالي ، فإن تمويههم يتكيف مع اللون الأبيض الموحد للثلج ثم إلى درجات الألوان الداكنة للبيئة خلال بقية العام.

تكيف حيوان آخر مع التغيرات الدورية هو سبات الدببة والأنواع الأخرى في فصل الشتاء. يتضمن ذلك تغييرات في معدل الأيض تشمل تناقص وظائف الجسم ، مثل درجة الحرارة ومعدل ضربات القلب.

تغييرات عشوائية

تحدث هذه الأنواع من التغييرات بشكل عشوائي ، دون انتظام ثابت. على سبيل المثال ، الانهيار الأرضي لمنحدر جبلي أو انسكاب نفطي أو وصول حيوان مفترس أو ممرض جديد.

تمثل هذه الأنواع من التغييرات خطرًا أكبر على الأنواع ، لأنها تحدث بشكل كبير ، وفي هذه الحالات ، تعتمد استجابة الكائنات الحية على المرونة في الوظائف الموجودة بالفعل.

تغييرات الاتجاه

إنها تغييرات في البيئة تسببها عمداً من قبل البشر لأغراض معينة. حالة من هذا هو إزالة الغابات لإنشاء مرعى أو تدخل الأراضي الرطبة لزراعة الأرز.

- المسلمات العامة

بدءًا من تراكم الأدلة التجريبية والرصدية في البيئة الطبيعية ، يحاول الفيزيولوجيا البيئية تحديد المسلمات العامة. هذه مبادئ عامة تنبثق من انتظام بعض الاستجابات الفسيولوجية للتغيرات البيئية.

قانون الحد الأدنى ليبيج

افترض Sprengel (1828) أن العامل المحدد في نمو الكائن الحي هو العامل الأكثر ندرة في البيئة. في وقت لاحق تم تعميم هذا المبدأ من قبل Liebig (1840) ، وهو معروف باسم قانون الحد الأدنى أو قانون Liebig.

طبق بارثولوميو (1958) هذا المبدأ على توزيع الأنواع ، مشيرًا إلى أنه يتم تحديده من خلال العامل البيئي الأكثر تقييدًا.

قانون Shelford للتسامح

في عام 1913 ، ذكر فيكتور شيلفورد أن نوعًا معينًا موجود في نطاق محدد من التباين لكل عامل بيئي وتفاعلاته. يُعرف هذا باسم حدود التسامح ، والتي لا تعيش الأنواع خارجها.

قانون Shelford للتسامح. المصدر:

يحدد هذا المبدأ أنه في اتساع التباين في عامل بيئي معين ، هناك ثلاث حالات محتملة للكائن الحي. هذه الحالات هي الأمثل ، والضغط الفسيولوجي وعدم التسامح.

بهذا المعنى ، في النطاق الأمثل للعامل ، ستكون أعداد الأنواع وفيرة. عند الابتعاد عن المستوى الأمثل ، يدخل المرء منطقة الإجهاد حيث ينخفض ​​عدد السكان ويختفي النوع خارج حدود التسامح.

- التكنولوجيا الرقمية وعلم البيئة

كما هو الحال في جميع العلوم ، تم تعزيز الدراسات الفيزيولوجية البيئية من خلال تطوير تقنيات جديدة. نظرًا لطبيعته التجريبية ، فقد تم تفضيل هذا التخصص على وجه الخصوص من خلال تطوير التكنولوجيا الرقمية.

يوجد اليوم مجموعة متنوعة من الأجهزة الإلكترونية المحمولة التي تسمح بقياس العوامل البيئية في هذا المجال. من بينها عدادات الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة والرطوبة النسبية ومساحة الأوراق وغيرها.

أمثلة على التطبيقات في الحيوانات

- تأثير درجة الحرارة على إنتاجية حيوانات المزرعة

مجال وثيق الصلة بالموضوع هو الفسيولوجيا البيئية المطبق على الإنتاج الحيواني ، والذي يسعى إلى فهم استجابة حيوانات التربية لتباين العوامل البيئية. أحد هذه العوامل هو درجة الحرارة ، مع الأخذ في الاعتبار الاتجاه الحالي لزيادة متوسط ​​درجة الحرارة العالمية.

هوموثرمي

الغالبية العظمى من الحيوانات المتكاثرة هي نفس الحرارة ، أي أنها تحافظ على درجة حرارة داخلية مستقرة على الرغم من التغيرات البيئية. يتم تحقيق ذلك من خلال استثمار الطاقة الكيميائية للتعويض عن الزيادات أو النقصان في درجة الحرارة الخارجية.

يتم تحقيق عملية تعويض درجة الحرارة الخارجية من خلال التنظيم الحراري ، والذي يشمل منطقة ما تحت المهاد والجهاز التنفسي والجلد.

الدجاج البياض

وجد أن الوقت من اليوم الذي يتم فيه إطعام الدجاجة البياضة مهم لإنتاجيتها. في هذه الحالة ، يتعلق الأمر بقدرة استيعاب الطعام كدالة للإجهاد الحراري.

الدجاج البياض. المصدر: بيلوي (آلان إتش إم)

إذا تم توفير العلف في أكثر ساعات اليوم حرارة ، فإن الدجاجة تستوعبها بشكل أقل ويقل إنتاجها. وبالتالي ، فإن الزيادة في درجة حرارة البيئة تعني انخفاض إنتاجية الدجاج الحر.

ماشية

تدفع الزيادة في درجة الحرارة الحيوانات إلى تفعيل الآليات الفسيولوجية للتنظيم الحراري. يتضمن هذا استثمارًا للطاقة يتم طرحه من زيادة الوزن أو إنتاج الحليب.

من ناحية أخرى ، مع ارتفاع درجة الحرارة ، تختلف الحيوانات في أولوياتها الغذائية. في هذه الحالات ، يزداد تناول الماء ويقل استهلاك المادة الجافة ، مما يؤدي إلى فقدان الوزن.

- التلوث والضفادع

تتيح الدراسات الفيزيولوجية البيئية إمكانية ربط فسيولوجيا الأنواع الحيوانية ببيئتها وتحديد الآثار السلبية المحتملة للتلوث. مثال على ذلك هو حالة التهديد الحالية التي تتعرض لها الضفادع والضفادع.

ضفدع (Atelopus zeteki) حساس للتلوث. المصدر: بريان جراتويك

حوالي نصف 6500 نوع معروف من البرمائيات مهددة بالانقراض. هذه الحيوانات حساسة للغاية للتغيرات في درجات الحرارة أو الرطوبة أو الملوثات البيئية.

تنفس وتداول البرمائيات

إن فسيولوجيا تنفس البرمائيات غريبة جدًا ، لأنها تتنفس عبر الرئتين والجلد. عندما يخرجون من الماء يستخدمون رئتيهم وفي الماء يتنفسون من خلال جلدهم ، وهو منفذ للأكسجين وثاني أكسيد الكربون والماء.

تأثير

يجعل شكل التنفس هذه الحيوانات عرضة لامتصاص الملوثات من الهواء والماء. من ناحية أخرى ، بسبب انخفاض تركيز الأكسجين في الماء ، فإنها تضعف لأنها لا تمتصه بشكل صحيح.

في ظل هذه الظروف يمكن أن يموتوا أو يصبحوا ضعفاء ويكونون عرضة للهجوم من قبل الفطريات المسببة للأمراض والبكتيريا. أحد أكبر التهديدات هو الفطريات الممرضة Batrachochytrium dendrobatidis ، والتي تمنع تدفق الإلكتروليتات في الجلد.

أمثلة على التطبيقات في النباتات

- الفيزيولوجيا البيئية للنباتات

سيؤدي الاحتباس الحراري إلى إنتاج محاصيل معينة في بعض المناطق بسبب قانون التسامح. أي أن عوامل مثل توافر المياه سوف تخرج عن نطاق تحمل الأنواع.

Xerophytes. المصدر: توماس كاستيلازو

ومع ذلك ، فقد طورت أنواع المناطق القاحلة استراتيجيات للتكيف مع نقص المياه. وبهذا المعنى ، فإن البحث في الفسيولوجيا البيئية لنباتات المناطق القاحلة يوفر السبل الممكنة لتحسين وراثي النبات.

الأسمولية

إحدى هذه الاستراتيجيات هي تعديل التعبير الجيني لإنتاج البروتينات التي تساعد على تحمل نقص المياه. من بين هذه البروتينات الأسمولية التي تساعد الخلايا على الحفاظ على تورمها حتى مع القليل من الماء.

يمكن استخدام معرفة هذه البروتينات واستقلابها بواسطة الهندسة الوراثية لتحسين المحاصيل.

- الفيزيولوجيا البيئية للنباتات الملحية

من المشاكل التي تواجه الزراعة هي ملوحة التربة نتيجة تركيز الأملاح المضافة بمياه الري. مع زيادة تملح التربة ، تقل مساحة الأراضي الزراعية المتاحة لإنتاج الغذاء.

نباتات محبة للملوحة

ومع ذلك ، هناك أنواع من النباتات تكيفت للبقاء على قيد الحياة في ظروف التركيز العالي للأملاح في التربة. هذه هي ما يسمى بالنباتات الملحية (Halos = ملح ؛ نبات = نبات).

طورت هذه الأنواع سلسلة من التكيفات المورفولوجية والفسيولوجية كآليات لتجنب امتصاص الملح أو شل حركته أو إفرازه.

النباتات الملحية كغذاء

تعمل معرفة الفيزيولوجيا البيئية لهذه النباتات كأساس لتطوير النظم الزراعية واستخدامها كمصادر للغذاء. وبهذه الطريقة ، يمكن استخدام الأنواع الملحية المزروعة في التربة الزراعية المملحة كعلف للماشية.

المراجع

1. Ariasa، RA، Maderb، TL، and Escobara، PC (2008). العوامل المناخية التي تؤثر على الأداء الإنتاجي لأبقار الأبقار الحلوب. القوس. الطب البيطري.
2. Blaustein، AR، Wake، DB and Sousa، WP (1994). انخفاض البرمائيات: الحكم على الاستقرار والمثابرة وقابلية السكان للانقراضات المحلية والعالمية. حماية الأحياء.
3. كالو ، ب. (محرر) (1998). موسوعة علم البيئة والإدارة البيئية.
4. هوكسفورد ، إم جي ودي كوك ، إل جي (2007). فيزيولوجيا النبات (المجلد 6). الكبريت في النباتات. منظور بيئي.
5. Lüttge، U. and Scarano، FR (2004). الفيزيولوجيا البيئية. مجلة البرازيل. بوت.
6. Pereyra-Cardozo، M. and Quiriban، A. (2014). البروتينات في تحمل الإجهاد المائي في النباتات. SEMIÁRIDA ، مجلة كلية الهندسة الزراعية UNLPam.
7. Purves، WK، Sadava، D.، Orians، GH and Heller، HC (2001). الحياة. علم الأحياء.
8. رافين ، بي ، إيفرت ، آر إف وإيخورن ، سي (1999). بيولوجيا النباتات.