_{تالیف: دکتر سلطانی نژاد}

"بنام خداوند بزرگ"

ماده در محیط زیست

 

مواد بلوکهای ساختمانی حیات:

می دانیم که مواد ارگانیک همه مولکولهائی هستند که مملو از کربن می باشند.

کربن(carbon) یکی از مهمترین بلوک های ساختمانی موجودات زنده است که معمولاً با اکسیژن و هیدروژن ترکیب می شود.

بعنوان مثال: مواد ی مانند C، H و  O2   ترکیبات اصلی مولکولهای گلوکز و لاکتوز هستند.

 

 

 

"بنام خداوند بزرگ"

ماده در محیط زیست

 

مواد بلوکهای ساختمانی حیات:

می دانیم که مواد ارگانیک همه مولکولهائی هستند که مملو از کربن می باشند.

کربن(carbon) یکی از مهمترین بلوک های ساختمانی موجودات زنده است که معمولاً با اکسیژن و هیدروژن ترکیب می شود.

بعنوان مثال: مواد ی مانند C، H و  O2 ترکیبات اصلی مولکولهای گلوکز و لاکتوز هستند.

هیدراتهای کربن و چربیها نیز مولکولهای آلی هستند که فقط کربن، اکسیژن و هیدروژن دارند.

ولی موجودات زنده علاوه بر کربن، اکسیژن و هیدروژن عناصر دیگری نظیر نیتروژن، پتاسیم و کلسیم  را در بدن خود دارند و اگر بدقت بنگریم، مقدار بسیار کمی از عناصر دیگر نظیر آهن و سولفور نیز در بدن موجودات یافت می گردد.

این مواد اگر چه مقادیر آنها بسیار کم است، ولی برای سلامتی موجودات فوق العاده ضروری و حیاتی هستند.

بعنوان مثال: نیتروژن جزء مهمی از پروتئین های بدن حیوانات و انسان را تشکیل می دهد.

این مولکول(N) بلحاظ ساختاری فوق العاده پیچیده است و در واقع مولکولهای سه بعدی دارد که اسیدهای امینه(Amino acids)از آن تشکیل یافته اند.

پروتئین ها قسمت اعظم بافت های زنده را تشکیل می دهند، بعنوان مثال:

کارکرد ماهیچه های بدن انسان و موجودات به پروتئین های موجود در آنها وابسته است و پروتئینها ضرورت عملکرد درست ماهیچه ها محسوب می شوند.

ماده (the matter) مورد نیاز برای همه موجودات زنده، مواد غذائی (nutrients) نام دارد. ماده همه عناصری که برای رشد و کارکرد حیوانات و گیاه مورد نیاز است را در بر می گیرد.

مواد غذائی معمولاً از نیتروژن، فسفر، سولفور، پتاسیم، کلسیم، آهن، کبالت، سدیم و مولیبدن تشکیل شده اند.

موجودات برای دستیابی به مواد غذائی از دو استراتژی پیروی می کنند.

اغلب موجوداتی که از خود تغذیه می کنند(autotrophs) مواد غذائی را از محیط زیست بشکل غیر ارگانیک(inorganic)  از محیط زیست دریافت می کنند.

از طرف دیگر، موجودات دیگرخور(heterotrophs) ، یعنی حیواناتی که از دیگر موجودات تغذیه می کنند، مواد غذائی مورد نیاز خود را بشکل آلی و ارگانیک (organic) از محیط زیست دریافت می نمایند.

دقیقاً همانند استراتژیهائی که در مبحث مربوط به انرژی توضیح دادیم در مبحث مربوط به ماده نیز کاربرد دارد. نیاز به دستیابی به مواد غذائی، تمایل و رفتارهای هر یک از موجودات زنده  را تحت تاثیر قرار می دهد.

گیاهان چگونه مواد غذائی را از محیط زیست دریافت کنند؟

بجز چند گیاه حشره خوار(insect eating plants)، اکثر گیاهان (autatrophs)، مواد غذائی مورد نیاز خود را از محیط زیست به شکل غیر ارگانیک (inorganic) دریافت می کنند.

بعنوان مثال: اغلب گیاهان نیتروژن را به شکل نیترات(NO3) و فسفر را به شکل فسفات (PO4) مورد استفاده قرار می دهند.

نیتروژن و فسفر بصورت فوق براحتی در دست رس بوده و گیاه می تواند آنها را بدون هیچ گونه فرآوری و بصورت مستقیم و فوری مورد استفاده قرار دهد.

بعبارت دیگر اغلب گیاهان نمی توانند نیتروژن را بصورت نیتروژن مولکولی(N2) مورد استفاده قرار دهند. این شکل از نیتروژن غیر موجود بوده و غیر قابل دست رس (unavailable) می باشد.

بدین ترتیب در چنین حالتی، اگر چه اکثر فضای اتمسفر پوشیده از  نیتروژن(87%)  است، ولی بدین صورت برای گیاهان غیر قابل استفاده است . در صورت نبودن نیترات(NO3) گیاهان در رنج  و عذاب خواهند بود.

گیاهان آوندی (vascular plants)، گیاهانی هستند که سیستم بافت های هدایت کننده آنها برای انتقال آب، نمک های معدنی و شکر بطرز فوق العاده ای توسعه یافته است.

بافت ها و مجاری هدایت کننده گیاهان، مواد غذائی موجود در خاک ، که در آب حل شده اند را از طریق ریشه ها جذب می کنند.

بدین طریق مواد غذائی همراه  با آب به قسمتهای دیگر گیاه انتقال داده می شود. از آنجائیکه گیاهان همانند حیوانات سیستم سیرکولاسیون همراه با پمپاژ (قلب) ندارند، لذا، آب را از طریق فرآیندی به نام تعریق(transpiration) تبخیر می نمایند.

همچنانکه آب تبخیر می پذیرد، از ریشه ها عبور کرده و همانند یک زنجیره غیر مرئی با همدیگر مرتبط گشته و از راه ریشه و نهایتاً برگها، به فضا پرتاب میگردند.

گیاهان برای تهیه یک کیلوگرم ماده گیاهی خشک(dry plant material) به مقدار 300 تا 1000 کیلوگرم ،تبخیر و تعریق صورت می دهند.به عبارت دیگر برای تهیه یک کیلو گرم ماده خشک به مقدار 300 تا 1000 کیلو گرم آب لازم است.

مقدار بسیار کمی از این آب برای تشکیل گلوکز یا دی اکسید کربن (CO2) مورد استفاده قرار میگیرد، البته این فرآیند از طریق فتو سنتز انجام می شود.

گیاهان نیازمند مواد غذائی متفاوتی هستند و مواد را در ترکیبات  و نسبت های معینی مورد استفاده قرار می دهند.

بعنوان مثال:آرایش شیمیائی یک پلانکتون گیاهی(phytoplankton)نسبت معینی       از نیتروژن و فسفر نشان میدهد. این نسبت معمولاً شانزده به یک است، یعنی شانزده واحد نیتروژن و یک واحد فسفر. نسبت اتمهای نیتروژن به اتمهای فسفر مورد نیاز برای گیاهان به نسبت ردفیلد(redfield ratio) معروف است. این نسبت ثابت نیست و در فیتو پلانکتونها و گیاهان مختلف گیاه متفاوت است، لذا می توانیم نسبت مواد غذائی را بعنوان یک دستورالعمل مهم در جهت زنده نگه داشتن بقایای حیوانی و گیاهی مدنظر و مورد توجه جدی قرار دهیم.

با تغییرات جزئی در نسبتهای مواد غذائی گیاهان ناهنجاریها نیز جزئی و قابل اغماض خواهد بود ولی انحراف وسیع از کیفیت های ایجاد شده باعث می گردد که سلامت و رشد گیاهان بطرز قابل ملاحظه ای در خطر افتد.

بعنوان مثال: مواد غذائی محدود کننده(limiting nutrient)، اگر از میزان تعریف شده کمتر یا بیشتر شوند، گیاهان را در خطر جدی قرار می دهند.

لذا اهمیت ماده غذائی محدود کننده توسط قانون مینیمم لیبگ

(Liebigs Law of minimum) قابل تعریف است.

این قانون می گوید، میزان رشد گیاهان غالباً توسط یک عامل رشد گیاه که در پائین ترین حد خود موجود است، تعیین می گردد.

بعبارت دیگر، عامل رشد گیاه در پائین تر حد موجود معین کننده ظرفیت عملکرد، گیاهان می باشد.

بعنوان مثال: اگر برای تولید یک واحد توده زنده 100 واحد کربن، 16 واحد نیتروژن و یک واحد فسفر احتیاج داشته باشیم و اگر گیاهی 300 واحد کربن، 32 واحد نیتروژن و 5 واحد فسفر داشته باشد، این گیاه قادر است 3 واحد توده زنده کربن، 2 واحد توده زنده نیتروژن، و 5 واحد توده زنده فسفر تولید کند.

واحد مواد غذائی نسبت ری فیلید، توده زنده تولید مثل     1/5، 16/32 و 100/300.

لذا با استفاده از قانون حداقل لیبگ، می توان میزان غذائی تولیدی از محیط زیست را در هکتار، افزایش داد.

برای این منظور خاکهای کشاورزی در رابطه با فراوانی مواد غذائی و مقایسه آنها با میزان مواد غذائی مورد نیاز برای محصولاتی را که باید کشت شود، اندازه گیری می شوند و بر اساس نیاز خاک و گیاه، مواد طبیعی لازم به خاک اضافه می گردد، تا بتوان میزان بیشتری محصول برداشت نمود.

لذا از کودهای حیوانی حاوی فسفر و نیتروژن بر اساس نتایج آزمایشگاهی می توان استفاده نمود.

 

حیوانات چگونه مواد غذائی را از محیط زیست به دام می اندازند؟

هنگامیکه حیوانات و انسان ، گیاهان و یا حیوانات دیگر محیط زیست  را بدام انداخته و شکار میکنند، در واقع، مواد غذائی و انرژی  مورد نیاز خود را بدین صورت اخذ می کنند.

موجودات زنده دیگر در واقع حاوی مواد غذائی و انرژی برای دیگر حیوانات و انسان محسوب می شوند.

بعنوان مثال: اکثر حیوانات بخش قابل ملاحظه ای از نیتروژن مورد نیاز خود را از پروتئین ها(Proteins) دریافت می کنند.

حیوانات، هنگامیکه گیاهان و حیوانات دیگر را می خورند، از این طریق مواد غذائی را بدست می آورند، ولی اگر این مواد غذائی در داخل بدن حیوان تحت فرآیند جذب(absorption) نروند، هیچ اتفاقی نمی افتد.

لذا، مواد غذائی خورده شده در داخل روده یا معده، حیوانات و انسان برای اینکه جذب شوند، به مولکولهای ارگانیک کوچک تری تبدیل می شوند و از طریق فرآیند هضم(digestion) به بلوکهای ساختمانی مواد دیگری نظیر پروتئین ها و هیدراتهای کربن، تبدیل می گردند.

لذا این مواد مجدداً دوباره سازی پروتئین ها و هیدراتهای کربن را بر عهده می گیرند.

حیوانات همانند گیاهان به مواد غذائی به نسبت های معینی احتیاج دارند، برای مثال، انسان نمی تواند شکم خود را همانند سایر موجودات علفخوار، از علف پر کند و انتظار داشته باشد که علف ها براحتی جذب، هضم و به پروتئین تبدیل شوند.

در بدن انسان آنزیمهای لازم برای شکستن علف ها تولید نمی گردد و لذا رژیم غذائی انسان با سایر حیوانات فرق اساسی دارد.

بدین ترتیب حیواناتی که از گیاهان و سایر حیوانات دیگر برای دستیابی به مواد غذائی و انرژی، استفاده می کنند، نمی توانند همه عناصر مورد نیاز بدن خود را از فرآیندهای جذب و هضم تهیه کنند، لذا لازم است بعضی از عناصر و مواد مورد نیاز بدن خود را بصورت آماده از طبیعت و محیط زیست اخذ نمایند.

بعنوان مثال: بدن انسان از میلیونها پروتئین متفاوت که فقط از بیست نوع اسید آمینه(amino acids) ساخته شده اند، تشکیل شده است.

اگر همه مواد مدنظر در بدن وجود داشته باشند، در چنین حالتی بدن ما دستورالعمل فقط ده اسید آمینه را با خود دارد، مانند سیستین(cysteine)، این ده اسید آمینه در واقع اسید آمینه های قابل سنتزی(synthesize) هستند که توسط موجودات زندهتبدیلا ت لازم روی انها انجام میشود این گروه  اسیدهای امینه غیر ضرور نیز نام(nonessential amino acids) دارند.

بعبارت دیگر بدن موجودات زنده از جمله انسان دستورالعمل ده اسید آمینه دیگر را نمی داند و در اختیار ندارد.

مثلاً نمی داند یا نمی تواند چگونه ماده تری پتوفان(Tryptophan) که برای بدن ضرورت دارد را تهیه کند.

در چنین حالتی حتی اگر تمام مواد اولیه لازم را برای همه اسید آمینه مورد نیاز بدن در اختیار داشته باشد، قادر نیست این ده اسید آمینه دیگر را تولید کند.

در عوض، موجودات و انسان برای دستیابی به ده اسید آمینه اشاره شده در فوق، مستقیماً دست به کار شده و آنها را از غذائی که می خورد، تولید کنند، اسید آمینه هائی که مستقیماً از غذا بدست می آیند، اسیدهای آمینه ضروری                      (essential aminoacids) نام دارند.

مفهوم مواد غذائی محدود کنندهیا عامل محدود کننده، معمولاً در خصوص حیوانات کاربرد دارند. بخاطر اینکه این موجودات برای سالم و تندرست ماندن، مجبورند، مواد غذائی متنوعی را مورد استفاده قرار دهند. و در صورتیکه از همه مواد غذائی استفاده کنند، نمی توانند احتیاجات غذائی خود که عمدتاً اسید های آمینه ضروری و غیر ضروری می باشند،  را تامین نمایند و در نتیجه این عقب ماندگی غذائی به انواع بیماریهای ناخواسته گرفتار می گردند.

مثلاً کواشیورکور(Kwashivrkor) از جمله این بیماریها است، یعنی بیماری که با کمبود پروتئین(Protein) بوجود می آید.

این بیماری عمدتاً در کشورهای، فقیر شایع است که معمولاً بچه ها را مورد حمله قرار می دهد، کمبود نیتروژن و اسیدهای آمینه ضروری که توسط غذا خوردن بوجود می آیند، از علائم آن است

جریان ماده:

حرکت ماده در چرخه های زیست شناسی، زمین شناسی و شیمیائیL

Biogeochemical cycles)بر اساس قانون بقاء ماده، ماده نه ایجاد می شودو نه از بین می رود، بلکه تمام مواد شیمیائی در طبیعت فقط جابجا می شوند.

بعنوان مثال: مولکولهای دی اکسید کربنیاجدادشما هزاران سال بلکه میلیونها سال پیش در هوا رها کرده اند، امروزه از راه مجرای تنفسی وارد بدنتان می شود.

به همین ترتیب اتمهای نیتروژن رها شده از مغز حیوانات غول پیکر و دراز گوش صدها میلیون سال  پیش، هم اکنون بعنوان بخشی از ماهیچه های شما در بدنتان جای گرفته است، بعبارتی همه موجودات زنده در همه حال و احوالتان همدیگر را می خورده و با این خورد و خوراک، و گردش مواد از کانالی به کانال دیگر، ارتزاق و زندگی می کنند.

ماده پس از اینکه سازمان گرفت، در شکل و هیبت متفاوت گیاهی، حیوانی و انسانی و تحت عنوان موجود زنده و با کمک انرژی(قبلاً توضیح داده شده است) در سیاره زمین به حیات زمینی خود ادامه می دهد و پس از مدتی و همراه با کار و فعالیت مجدداً آنتروپی آن بالا رفته  و بدین صورت متلاشی می گردد و تنزیل درجه می دهد، و نقصان کیفیت می گیرد، اجزاء تکه تکه شده، عناصر دگرگون گشته مجدداً در  زمین و فضای         لایتناهی در چرخه های بیولوژیک، زمین شناختی و شیمیائی وارد گشته و پس از طی مسیرهای سخت و طولانی ساختار دوباره می گیرد.

لذا گیاهان و حیوانات جدید و انسانهای نسل دیگر، همه و همه از طریق

دوباره سازی پا بر عرصه حیات می گذارند.

مطمئن باشید، بدن کنونی شما هم اکنون درآن زندگی می کنید، مملو از مولکولها و عناصر اجداد شماست و شما به واسطه عناصر متلاشی شده اجداد خود ، به حیات ادامه می دهید.

لذا این امتزاجها و ترکیبات مجدد مواد(Recombinations) از نسلی به نسل دیگر بر اساس قانون، محتمل و امکان پذیر است و بر خلاف انرژی، ماده می تواند بارها و بارها  مورد استفاده قرار گیرد. مولکولها، اتمها،  مجددا سازمان بندی شدهومرتب می گردند . شکل و شمایل حیوانی و گیاهی و انسانی پیدا می کنند.

بدین ترتیب ماده در همه احوال جابجا می شود. پتانسل چرخش و حرکت ماده در جمیع جهات(شیمیائی، زمین شناسی و زیست بومی) برای حیات موجودات زنده و از همه مهمتر انسان بعنوان عالی ترین ترکیب خلقت، بسیار ضروری و حیاتی است و بدلایل عملی فراوان(For most practical reasons) زمین نمی تواند از این پس، صاحب مواد جدیدی گردد و تنها و تنها همین ماده موجود که باید دوباره و دوباره و بلکه برای هزاران بار در چرخه قرار گیرد و مورد استفاده واقع شود.

راهی که ماده در همه طبیعت می چرخد و بازیافت می شود، چرخه های شیمیائی – بیولوژیک و زمین ساختاری (Bio geo chemical cycle) نام دارد.

این اصطلاع همانگونه که از نامش پیداست ترکیبی از شیمیائی، بیولوژیکی و زمین شناسی است، چرخه های شیمیائی، زمین شناسی و بیولوژیک سیاره زمین را نشان می دهند.

اساساً این چرخه ها همانند یک سیستم جاده ای عمل می کنند.

بعنوان مثال: چرخه کربن شامل مسیرهای فراوانی است که یک اتم کربن از آنها عبور می کند و به مقصد اصلی خود می رسد.

فرض کنید یک اتم کربن از لبهای جد شما در این مسیر عبور کرده و نهایتاً به لبهای شما می رسد و در آن جای می گیرد.

برای اتمهای نیتروژن نیز به همین ترتیب فکر کنید، یعنی هنگامیکه یک اتم نیتروژن، مثلاً از مغز ابوعلی سینا رها شود و نهایتاً به مغز شما برسد، مسیرهای فراوانی را باید طی کنند،یا یک اتم کربن پس از اینکه از لبهای یکی از اجداد شما در چند میلیون سال رها گردد، ابتدا برای مدتی در فضا مسافرت کرده و سپس از طریق فرآیند فتو سنتز وارد گیاه می گردد، بعداً گیاه توسط گوسفند خورده می شود و کربن وارد بدن گوسفند و پنیر ان می گردد، شیر توسط شما به ماست تبدیل شده و سپس هنگامیکه شما درب ماست را باز می کنید، مقداری از اتمهای کربن را نیز تنفس می نمائید.

این چرخه توسط همه مواد در طبیعت به همین صورت تکرار می گردد. برای اینکه این موضوع(چرخه مواد) بهتر درک شود، به بحث ذیل توجه کنید.

ماده برای اینکه در کل طبیعت جریان یابد از یک مکان به مکان دیگر منتقل گردد، ابتدا باید در مکانهائی انبار و ذخیره گردد، مکانهائی که ماده در انها نگهداری میشود، انبارهای ماده (Storages) نام دارند.

بطور کلی در محیط زیست 5 انبار و مکان برای توقف ماده وجود دارد، این ذخائر عبارتند از:

1- هوا.

2- اقیانوسها و آبها.

3- قشر زمین.

4- خاک.

5- همه موجودات زنده.

بعنوان مثال : 78% هوا پوشیده از نیتروژن مولکولی (Molecular Nitrogen)، است. لذا اتمسفر بزرگترین مکان، جایگاه و انبار ذخیره، نیتروژن محسوب می گردد.

البته نیتروژن یکی از اجزاء بسیار مهم موجودات زنده از جمله انسان نیز است، لذا  زیست واره ها و زیوگان ،انبار و جایگاه دوم مهم دیگر نیتروژن در محیط زیست هستند.

ماده همیشه از مکانها و انبارهای خود خارج و به آنها نیز وارد می گردد، حرکت ماده از یک مکان(دریک انبار) به مکان دیگر، جریان(Flow)نام دارد.

جریان طبیعتاً مقدار ماده ای که از یک مکان به مکان دیگر حرکت می کند را اندازه گیری می نماید.

بطور مثال: فتو سنتز باعث می گردد، که کربن از اتمسفربه زیوگان(اندامهای زنده) جریان یابد.

لذا، اگر تولید اولیه ناخالص منطقه ای در حدود 50 گرم کربن بر متر مربع در سال باشد، در چنین میزانی جریان سالانه کربن از هوا کره(Atmosphere) به زیست کره 50گرم است.

ارتباط بین جریانها(Flows) و مکانهای ذخیره(Storages) ماده توسط قانون بقاء ماده مدیریت می گردد.

این قانون بیان می دارد که ماده نه ایجاد می شود و نه از بین می رود، بلکه مقدار آن در یک مکان و یا یک انبار و بواسطه میزانی که ماده از آن مکان و یا به آن مکان جریان می یابد، تعیین می گردد.

بعنوان نمونه، یک حیوان( یک زیست واره )را در نظر بگیرید، مثلاً یک مارمولک(زیست انباره کربن) که سال را با 100 کربن شروع می کند،اگر در طول سال 40 واحد کربن از غذائی که می خوردرا جذب کند و 25 واحد کربن از طریق تنفس هوازی بازدم نماید(خروج هوا از راه دهان) معادله فوق صادق است.

 

 

اندازه و بزرگی یک جریان مناسب با بزرگی و کوچکی انباره آن، زمان ماند یا توقف ماده (residence time)را تعیین می کند.

زمان ماند، مدت زمانی است که یک اتم در انبار مربوط توقف می نماید، برای مثال:

میانگین زمانی را که مولکولهای دی اکسید کربن(CO2) در اتمسفر سپری می کنند، در حدود 5 سال است.

ولی این میانگین در لایه های عمیق اقیانوس 300 سال می باشد.

قوانین ترمودینامیک دو نوع جریان را تعریف می کند:

1- جریان خود انگیخته.

2- جریان غیر خودانگیخته.

در جریانهای خود بخودی(Spontaneous) تمایل ماده برای حرکت از آنتروپی پائین به آنتروپی بالا، سازگاری کاملی وجود دارد، یعنی ماده بطرز گسترده و فزآینده ئی از نظم و ترتیب عمومی خارج می گردد و به سوی بی نظمی کامل حرکت می کند.

بعبارت دیگر جریانهای خودانگیخته حرکاتی هستند که ماده را از غلظت  بالابه غلظت فوق العاده پائین و از منطقه ای به منطقه دیگر سوق می دهند.

لذا با نقصان غلظت، نقصان کیفیت ماده نیز حادث می گردد. برای مثال:

هنگامیکه یک سوخت فسیلی می سوزد، مقداری دی اکسید کربن در هوا منتشر می شود، با ادامه این روند، غلظت دی اکسد کربن در هوا به نسبت غلظت دی اکسید کربن(CO2) در اقیانوسها افزایش می یابد.

لذا، تفاوت در غلظت باعث می گردد دی اکسید کربن به صورت خود انگیخته ای  (Spontaneous) از اتمسفر (Atmosphere) به اقیانوس(Ocean) ساری و جاری گردد.

با توجه به توضیحات فوق، جریانهای خود انگیخته در طبیعت بدون دخالت انرژی و کار، جریان می یابند.

این مهم بخاطر آنست که مواد تمایل دارند از حالت انتروپی پائین به وضعیت انتروپی بالا تغییر ماهیت دهند، و در نتیجه بصورت خود بخودی و بدون انرژی بین بخشهای مختلف محیط زیست از انباری به انباره دیگری مرتباً در حال حرکت هستند.

جریانهای غیر خود انگیخته( nonspontaneous flows)

این جریانها دقیقاً برخلاف جریانهای خود انگیخته، عمل می کنند.

با این وضعیت ماده تمایل ندارد از غلظت بالا به غلظت پائین نقل و مکان کند، در عوض ماده می کوشد از غلظت پائین به غلظت بالا جریان یابد و بدین ترتیب از نظم بسیار بالاتری برخوردار میگردد.

بعنوان مثال: درختان، کربن را از هوا(Atmosphere) که با غلظت کمتری همراه است را به درون خود هدایت می کنند و این مقدار کربن جذب شده در ساختار گیاه، در واقع مقدار کربن موجود در آن  رابه غلظت بسیار بالاتر و متراکم تری می رساند.

بر اساس قوانین ترمودینامیک می توانیم اینگونه بیان کنیم که، جنب و جوش مواد و حرکات آنها از غلظت های پائین به سوی غلظت های بالا، خودبخود و با خود انگیختگی ایجاد نمی گردد، بلکه این جریانها و حرکات مربوط به آنها توسط انرژی(energy)، قدرت گرفته و انجام می گردند.

بدین ترتیب برای جابجائی و حرکت دادن کربن از هوا (Atmosphere)، درختان به کمک انرژِی خورشیدی عمل فتوسنتز را انجام داده و باعث می گردند که کربن از هوا به گیاه منتقل گشته و تراکم حاصل آید، این عمل گیاهان را در حالت آنتروپی پائین قرار داده و نظم را بر آنها حاکم می گردند.

هر چرخه بیوجیوشیمیائی{(زیست-زمین-شیمی منظر)(Biogeochemical cycle)} حداقل باید  یک جریان ناخودانگیخته(Nonspontaneous ) داشته باشند.

برای درک بهتر جریانهای ناخودانگیخته به مثال جالب ذیل توجه کنید:

هنگامی که مواد از فراز یک کوه بلند به طرف پائین، سرازیر می شوند، یعنی در سراشیبی قرار می گیرند، قادر ند بدون هیج گونه نیروی  بصورت خودبخودی به طرف پائین به حرکت درآیند، و این مثال نمونه واقعی از حرکت خودبخودی ماده در طبیعت تلقی می گردد.

در صورتیکه اگر مواد از ته دره بخواهند به قله کوه جابجا شوند و به حرکت درآیند، لازم است از نیروئی کمک گرفته و خود  را به مقصد که قله کوه است، برسانند، و این مهم نیز نمونه حقیقتی از حرکت ماده بصورت ناخودانگیخته خواهد بود.

لذا اگر همه جریانها(Flows) در چرخه بیو زمین شیمیائی ناخودانگیخته باشند و توسط نیروئی به حرکت درآیند، در چنین حالتی ماده در یک چرخه مشخصی به طرف پائین و سراشیبی حرکت کرده و نهایتاً در ته انبار و جایگاه توقف موقت خود، تجمع می یابد و این تجمع پذیری   بن بستی (Deadend) خواهد بود که نهایتاً ماده را متوقف خواهد کرد، در صورتیکه این گونه نیست و ماده بر اساس تعاریف مسلم علمی باید به صورت مداوم در بخش های مختلف محیط زیست جابجا گشته و حرکت دائمی داشته باشد.

برگشت ماده از سراشیبی به سربالائی یک ضرورت حیاتی و ذاتی است که توسط جریان انرژی تحقق می یابد و بدین ترتیب ماده را در وضعیت همیشه چرخان(حرکت دائم) قرار می دهد.

چرخه کربن / چرخه اصلی حیات :

کربن علی رغم اینکه درصد بسیار کمی از ماده     موجود در قشر زمین را بخود اختصاص می دهد و چیزی کمتر از 0.004درصد است، ولی برای زندگی و فعال کردن همه سامانه های آن  بسیار حیاتی و ضروری است و سایر عناصر حیات بدون کربن کارائی حیاتی برخوردار نخواهند شد.

این مقدار بسیار کم کربن، این ماده را در ردیف چهاردهم  مواد قرار می دهد.

این عنصر از نظر اکولوژیک، دانشمندان علوم محیط زیست، شیمیدانها، فیزیک دانها و حتی اقتصاددانان بسیار مهم تلقی می گردد.

لذا هنگامیکه نقشه چرخه کربن را نظاره می کنیم، بخوبی در می یابیم که این عنصر برای به جریان انداختن انرژی بیولوژیک(biological) ،انرژی صنعتی و تنظیم اقلیم سیاره زمین بسیار اساسی است.

کربن در شش محل و جایگاه یا انبار در محیط زیست سیاره زمین یافت می شود.

- هوا

- زیوگان

- خاک

- اقیانوس

- قشر زمین

- سوختهای فسیلی

در مکانهای فوق می توانیم بخوبی ردپای(footprint) کربن را نظاره کنیم، همه انباره های صدرالاشاره توسط هشت جریان بسیار مهم به همدیگر مرتبط هستند، این هشت جریان عبارتند از:

- فتوسنتز(photosyntesis)

- تنفس (respiration)

- جنگل زدائی(deforestation)

- سوزاندن سوختهای فسیلی(fossil fuel combustion)

- انحلال (Solution)

- از هم پاشیدگی در اقیانوس (dissolution in the ocean)

- رسوب و ته نشینی(Sedimentation)

- مرگ(death)

کربن همانند سایر چرخه های بیولوژیک- زمین گرا - شیمیائی(Biogeochemical cycles) در محیط زیست فوقالعاده فعال است  و هیچ آغاز و پایانی برای چرخه کربن در محیط زیست وجود ندارد و این کربن عزیز باید به صورت مادام العمر در همه جایگاههای مربوط به خود پس از اندکی توقف دوباره حرکت کرده و به مکانی دیگر روانه گردد، این روند مادامیکه محیط زیست در سیاره زمین فعال باشد، تداوم دارد.

لذا همانگونه که در بالا توضیح دادم، مجدداً تاکید می کنم، هیج آغاز و پایانی برای چرخه متصور نیست.

ساده ترین مکانی که می توانیم چرخه کربن را در محیط زیست رصد کنیم، در واقع، جریان ناخودانگیخته(nonspontaneous) کربن از اتمسفر(هوا) به زیوگان(Biota) است، هر سال به میزان در حدود صد و بیست پتاگرم                   (یک پتاگرم =10power15 گرم = 132 میلیارد تن) کربن از هوا(Atmosphere) وارد زیوگان(all living organisms) می گردد.

زمانی که کربن در محل بیوتیک مورد نظر قرار گیرد، برای ساختن مولکولهای ارگانیکی همچون هیدراتهای کربن، پروتئین ها و چربیها، از دی اکسید کربن(CO2)  مورد استفاده     قرار میگیرد.

لذا مولکولهای ارگانیک کربن به صورت بی امان، مرتباً بین تولید کننده گان(گیاهان) و مصرف کننده گان(جانوران) در حرکتند و این رقص زندگی تا زمانیکه زمین زنده است ادامه دارد

.مکانیزم فوق و الگوی عمومی نقل و انتقالات کربن در زنجیره ها و شبکه های  غذائی بدرستی جریان و حرکت کربن را مابین انبارهای زیوگان توضیح می دهند.

زنجیره ها و شبکه های غذائی اجزائ بسیار مهمی از چرخه کربن در محیط زیست بشمار می روند.

در بحث مربوط به انرژی توضیح دادیم که انرژی هنگامیکه مورد استفاده قرار می گیرد، تنزل درجه یافته و نقصان کیفیت می گیرد، ولی کربن انرژی نیست، بلکه ماده(Matter) است.

لذا محاسبه میزان کربن استفاده شده توسط انسان، راههای خوبی از میزان استفاده از مواد  را بدست میدهد.

برای محاسبه ردپای محیط زیستی در زمینه استفاده از کربن، باید مقدار تولید اولیه خالصی را که استفاده می کنیم بدست آوریم(NPP).

از آنجائیکه کربن مورد استفاده قرار گرفته در جریان انجام کار و ایجاد انرژی، ماده است، از بین نمی رود، پس چه اتفاقی برای ماده(کربن) می افتد؟

مولکولهای ارگانیک کربن بصورت هوازی(aerobically) از طریق تنفس (موجودات زنده) تبدیل به آب(H2O) و دی کسید کربن(CO2) شده  و در فضا (هوا) منتشر می شوند.

هر سال تنفس توسط موجودات زنده البته بجز تجزیه کنندگان، به میزان در حدود 66.2 میلیارد تن دی اکسید کربن  تولید گشته وتوسط فرآیند فتوسنتز جذب  گیاهان می گردد.

نصف کل کربن جذب شده توسط گیاهان مجدداً روانه هوا می شود. مقدار ی کربن که از هوا به زیوگان وارد می گردد، مورد استفاده تجزیه کنندگان قرار گرفته و بدین ترتیب وارد زنجیره غذائی میشود. ماده ارگانیک تجزیه شده ناقص

(Partially decomposed organic matter) انباره مقدار کربنی است که در خاک مستقر است و نهایتاً مواد ارگانیک موجود در خاک، تجزیه گشته و تبدیل به آب و دی اکسید کربن شده و مجدداً به اتمسفر باز می گردند.

این حرکت، نقل و انتقال و بعبارتی جریان یافتن کربن در واقع تجزیه و متلاشی شدن(decay) کربن نام دارد و تقریباً 55 پتاگرم معادل 60.6 میلیارد تن کربن است که سالانه  در محیط زیست جابجا می گردد.

جریانهای فوق همراه با جریان تنفس،  نشان میدهند که کربن توسط فرآیند فتوسنتز از اتمسفر حذف می گردد.

علاوه  بر میزان جابجائی کربن در فرآیندهای فوق هر ساله مقادیر بسیار کمی کربن هنگام تنفس موجودات و نیز در زمان متلاشی کربن، از در  جریان قرار گرفتن فرار می کنند و در محیط هائی که اکسیژن وجود ندارد بدام افتاده و زندانی می گردند، بدون اکسیژن، تجزیه و متلاشی شدن کربن و ماده، ناقص است.

اگر چه فقط یک مقدار بسیار کمی از ماده ارگانیک(کربن) فرآیند تجزیه پذیری و متلاشی شدن، فرار می کنند، ولی، این مقدار در طول میلیونها سال تجمع پیدا کرده و منجر به انبار شدن(Storage) مقدار بسیار زیادی کربن در شکل سوخت های فسیلی می گردد.

دانشمندان تخمین می زنند که مقداری در حدود 10 هزار پتاگرم(Petagarms 10000) معادل 11025 میلیارد تن کربن در شکل ذغال سنگ، نفت، گاز طبیعی  و سایر ماسه های قطران که در دل زمین انبار شده است، وجود دارد.

تا چندی پیش جریان کربن ناشی از سوخت های فسیلی به اتمسفر، خیلی ناچیز و  در حد صفر بود و انبار شدن سوخت های فسیلی به منزله بن بستی  در چرخه کربن تلقی می گشت، ولی با ظهور انقلاب صنعتی، استفاده از ذغال سنگ، نفت و سایر سوخت های فسیلی افزایش یافت و سوزاندن سوخت های فسیلی فرآیند تجزیه و شکست کربن و تبدیل آن به آب و دی اکسید کربن را تکمیل نمود.

تنها در سال 2003 میلادی، انسانها در کل کره زمین به میزان در حدود 5.2 میلیارد تن ذغال سنگ، 29.2 میلیارد بشکه نفت و 95.5 میلیارد فوت مکعب گاز طبیعی استفاده کردند.

یعنی مقادیری در حدود 7.6 میلیارد تن کربن از انبارهای زیرزمینی سوخت های فسیلی به اتمسفر جریان یافته و  در چرخه کربن قرار گرفت.

بدین ترتیب، افزایش در فعالیت های اقتصادی باعث گردید که میزان کربن در اتمسفر بیشتر گشته و تعاقب آن ناهنجاریهای محیط زیستی متعددی از جمله تغییرات وسیع اقلیمی بوجود آمد.

 

سوخت های فسیلی و ناهنجاریهای محیط زیستی:

سوزاندن سوخت های فسیلی که به واسطه افزایش فعالیت های اقتصادی بوجود آمده نه تنها جریان کربن را در چرخه کربن بیشتر کرد، بلکه باعث توسعه و گسترش تمدن انسانی نیز گردید.

بدین ترتیب مقدار کربن انبار گشته در زیوگان به آرامی و سال به سال تغییر پیدا کرد.

بلحاظ طبیعی و بصورت متعارف، میزان کربن جذب شده از طریق عملیات فتوسنتز بایستی با میزان کربن انتشار یافته توسط فرآیندتنفس و تجزیه پذیری تقریباً برابر باشند، ولی فعالیتهای انسانی انبار بیولوژیک کربن را دچار اختلال کرده اند.

انسانها در طول چند صد سال گذشته، متراژ جنگل ها را با پدیده جنگل زدائی بشدت کاهش داده اند.

لذا با کاهش تعداد درختان از طریق سوزاندن آنها و یا راههای دیگر نابودی، همگی باعث گردیده اند که میزان کربن انبار شده در زیوگان (Biota) کاهش یابد و مقدار زیادی از این کربن در اتمسفر جاری شود.

بعنوان مثال در دهه 1990 میلادی جنگل زدائی و سایر تغییرات در استفاده از زمین، باعث گردید  که به میزان یک تا دو پتاگرم یعنی 1.1 تا 2.2 میلیارد تن کربن از زیوگان به اتمسفر بصورت سالانه جریان یابد.

یک مجموعه مهم دیگری از جریانها، کربن را از اتمسفر به اقیانوس و از اقیانوس به اتمسفر نقل و مکان می دهد.

برای مدت های طولانی این دو جریان فوق تقریباً مساوی بود و این تعادل و بالانس بصورت منظم ایجاد می گردید و توسط جریان خود انگیخته کربن از انبارهای با غلظت بالا به انبارهای با غلظت پائین مدیریت می گردید و این نقل و انتقالات و حرکات موردی بین مقدار و میزان کربن در اتمسفر و اقیانوس در تعادل  واقعی قرار داشت، ولی با سوزاندن سوخت های فسیلی و جنگل زدائی این تعادل هم اکنون بهم خورده است.

دو جریان اشاره شده فوق ، مقادیر زیادی کربن به اتمسفر وارد کرده اند و بدین ترتیب غلظت کربن در اتمسفر نسبت به اقیانوس افزایش یافته است.

غلظت بالای اتمسفری دی اکسید کربن باعث می شود که کربن بصورت خود انگیخته ای از اتمسفر به اقیانوس جریان یابد.

اندازه و بزرگی  جریان فوق توسط مکانیزم و حلقه بازخورد منفی محدود می گردد. اصطلاحی که فاکتور یا بافر ری وی لی(Revelle buffer) نام دارد، یعنی با انحلال دی اکسید کربن در اقیانوس، PH آن کاهش یافته و به سمیت اسیدی (Acidic) شدن میل می کند.

PH پائین میزان انحلال دی اکسید کربن را در اقیانوس کند می نماید، در حال حاضر جریان کربن از هوا به دریا در حدود دو پتاگرم یعنی 212 میلیارد تن بیشتر از جریان کربن از اقیانوس به اتمسفر می باشد.

علی رغم قطعیت علمی که چرخه جهانی کربن توسط قوانین بقاء ماده مدیریت می گردد، دانشمندان نتوانسته اند بالانس و تعادل  لازم را بین جریان و انبارهای کربن را محقق سازند.

مجموعه بهترین تخمین ها در خصوص جریانهای کربن به هوا و از اتمسفر، دلالت بر این دارد که مقدار کربن موجود در هوا کمتر از مقدار مورد انتظار است.

در طول دهه 1990 میلادی سالانه به مقدار 3.3 میلیارد تن معادل 3 پتاگرم کربن اتمسفر ناپدید شد و این مقدار گم شده کربن ، انبار ها و حفره های

ناشناخته کربن (Unknown Carbon Sink) نام گرفته اند.

این حفره های ناشناخته کربن توسط مکانیزمهای نامعین و ناشناخته ئی، کربن را از هوا  حذف می کنند و یا ممکن است توسط مکانیزمهای معینی، کربن را سریع از میزانی که توسط دانشمندان تخمین زده شده است، از اتمسفر جذب کنند.

در خصوص انبار های ناشناخته کربن، چندین فرضیه متصور است،و اغلب این فرضیه ها بر مدار حلقه های بازخورد منفی(Negative Feed back loops) استوار هستند.

این حلقه ها  عمدتاً شامل غلظت اتمسفری دی اکسیدکربن(CO2) می باشند. یک فرضیه این است که افزایش غلظت دی اکسید کربن در اتمسفر باعث افزایش تولید اولیه خالص(NPP) می گردد و این مسئله میزان کند شدن کربن از اتمسفر را سرعت می بخشد.

آزمایشات نشان می دهد، گیاهان در غلظت بالای دی اکسیدکربن  سریع تر رشد می کنند، اما این موضوع بدرستی روشن نیست که آیا این افزایش در جهان واقعی هم قابل ملاحظه و مهم است یا خیر.

اگر رشد گیاهان با موجودیت کربن در اتمسفر محدود نگردد، در چنین حالتی افزایش غلظت دی اکسید کربن باعث افزایش رشد گیاه نخواهد شد.

بعبارت دیگر مکانیزمی که ممکن است توسط فعالیتهای انسانی، سرعت گیرد، در واقع افزایش موجودی نیتروژن(Nitrogen) به گیاهان است که باعث رشد بیشتر آنها       می گردد.

فرضیه دیگری که در خصوص چاهک ناشناخته کربن مطرح است، بر اقلیم تمرکز دارد (Climate) و آن اینکه افزایش غلظت دی اکسید کربن در اتمسفر حداقل بخشی از آن، باعث می گردد که افزایش جهانی در درجه حرارت بوجود آید و با گرم تر شدن سیاره زمین، رشد گیاهان نیز تسریع می گردد و با افزایش رشد گیاهان، میزان حذف کربن از اتمسفر توسط گیاهان نیز افزایش می یابد.

اطلاعات ماهواره ای نشان می دهد که سطح سیاره حیات در طول بیست سال گذشته سبزتر (greener) شده است، این تغییرات که با افزایش درجه حرارت حادث می گردد برای سیاره زمین مثبت است.

احتمال جایگزین دیگری که برای افزایش درجه حرارت می توان از آن نام برد، بشرح ذیل است:

درجه حرارت بالاتر می تواند تجزیه پذیری مواد را تسریع نماید، و متلاشی شدن مواد، مواد غذائی از مواد آلی را آزاد می کند.

این مواد غذائی به مفهوم لیبگی خود(Liebigian)، عاملهای محدود کننده بشمار می روند.

لذا تولید بیشتر این مواد، محصول خالص اولیه را افزایش می دهد و بدین ترتیب میزان حذف دی اکسید کربن از اتمسفر نیز سرعت می گیرد.

اما اگر این مواد غذائی عاملهای محدود کننده نباشند، در چنین حالتی، میزانهای تسریع یافته متلاشی شدن و تجزیه پذیری، جریان دی اکسید کربن را به اتمسفر افزایش خواهد داد.

حتی اگر دانشمندان بتوانند چرخه جهانی کربن را بالانس نمایند، پرواضع است که میزان کربن وارد شده به اتمسفر بیشتر از میزان خارج شده از آن است.

در طول 45 سال گذشته میزان کربن انبار شده در اتمسفر افزایش داشته است و بدین ترتیب غلظت اتمسفری دی اکسید کربن نیز بالا رفته است.

در بین سالهای 1959 میلادی تا سال 2004 مسیحی غلظت کربن در اتمسفر هوا از حدود 317 قسمت در میلیون(PPM) به 377 قسمت در میلیون(PPM) افزایش یافته است. یعنی 60 پی پی ام افزایش یافته است.

این افزایش بخاطر خاصیت گلخانه ای دی اکسی کربن که موجب نگه داشت گرما و گرم شدن کره زمین می شود، فوق العاده مهم است.

داستان نفس کشیدن سیاره زمین:

غلظت دی اکسید کربن سیاره زمین هر ساله بالا و پائین(کم و زیاد) می شود.

راستی چه پدیده ای مسئول این تغییرات سالانه CO2 است؟

به واقع این تغییرات تفاوت های فصلی در جریانهای (حرکت های) کربن را بین اتمسفر و زیوگان منعکس می نماید.

همچانکه در گذشته توضیح دادم، دو جریان مهم ،هوا و زیوگان را بهم مربوط می کند.

1- فتو سنتز(Photosynthesis) که کربن را از هوا به موجودات زنده انتقال می دهد.

2- تنفس (Respiration)که کربن را از موجودات زنده به اتمسفر می رساند.

برای تولید چرخه سالانه کربن، لازم است فتوسنتز نسبت به تنفس در یک الگوی منظمی متفاوت باشد.

بعنوان مثال: فتوسنتز باید برای بخشی از سال بیشتر از تنفس، کربن گیری کرده و تولید جریان خالص کربن را از اتمسفر به زیوگان انجام دهد.

لذا در این حالت غلظت اتمسفری دی اکسید کربن کاهش پیدا می کند.

در عوض در وقتهای دیگری از سال تنفس باید بیشتر از فتوسنتز باشد. که در چنین حالتی تولید جریان خالص کربن از زیوگان به اتمسفر صورت گرفته و باعث افزایش غلظت اتمسفری دی اکسیدکربن می گردد.

براستی کدامین علل این تغییرات منظم را در فتوسنتز و تنفس بوجود می آورند؟

در پاسخ به این مهم موارد ذیل مطرح است. گیاهان زیادی در عرض های جغرافیای معتدل وجود دارند که یا بصورت سالانه و یا خزان(برگ ریز) زندگی می کنند.

بدالیل مشخص اکولوژیکی حاکم بر زیست بومهای گیاهی، درختان خزان، برگهای خود   در پائیز یا  در طول فصول خشک از دست می دهند و به همین ترتیب گیاهان سالیانه در طول پائیز و زمستان می میرند.

برگهای مرده و گیاهان متلاشی و تجزیه میشوند و با متلاشی شدن، کربن آنها به اتمسفر برگشت داده می شود.

در چنین حالتی جریان یافتن کربن به اتمسفر از طریق تنفس بیشتر از فتوسنتز است. لذا غلظت اتمسفری دی اکسید کربن در ماههای زمستان، پائیز و اوایل بهار افزایش می یابد، این فرآیند در اواخر بهار و تابستان برعکس می شود.

دانه های گیاهان سالانه رشد می کنند، درختان خزان، مجدداً تولید برگ می نمایند و میزان و مقادیر فتوسنتز در درختان همیشه سبز (evergreens) افزایش می یابد.

تحت شرایط  فوق،عملیات فتوسنتز نسبت به تنفس افزایش می یابد، لذا یک جریان خالص کربن از اتمسفر به زیوگان وجود دارد.

بنظر میرسد، غلظت اتمسفری دی اکسید کربن در اواخر بهار و تابستان کاهش یابد،تاکنون مکانیزم مشخصی که  قادر باشد چرخه کربن را  بخوبی توضیح دهد،ناشناخته مانده است.

این مهم بخاطر آنست که فصول سال در نیمکره های جنوبی و شمالی در فازهای  توضیح داده شده فوق نمی گنجند.

 

 

توضیح این مهم بشرح ذیل است:

هنگامیکه در نیمکره شمالی فصل بهار است، در نیمکره جنوبی پائیز را داریم و عکس    این قضیه نیز برقرار است.

این موضوع بخاطر آنست که مقداری تبادل اتمسفری(CO2) بین نیمکره وجود دارد. چرا افزایش در میزان فتوسنتز در یک نیمکره در بهار و تابستان افزایش در تنفس را در نیمکره دیگر در زمستان و پائیزحذف نمی کند؟

آیا اوج چرخه سالیانه غلظت دی اکسیدکربن در اوایل بهار در نیمکره شمالی وجود دارد یا در همان فصل در نیمکره جنوبی این قضیه اتفاق میافتد؟

برای پاسخ دادن به این مهم باید توضیح دهیم، از آنجائیکه تفاوت های مهمی بین نسبت خشکی به آب در نیمکره ها وجود دارد، می توان اینگونه نتیجه گرفت که در نیمکره شمالی چون خشکی بیشتری وجود دارد.

میزان کربن برگشتی به اتمسفر از طریق تجزیه زیوگان بیشتر است.

انسان چه مقدار از تولید اولیه خالص استفاده می کند؟

نقش انسانها در چرخه کربن در سیاره حیات با اندازه گیری بخشی از تولید اولیه خالصی که استفاده می شود، قابل کمی شدن است.

تولید اولیه خالص یک فاکتور اساسی بوده و بیانگر مقدار کل انرژی بیو لوژیکی موجود  برای جانورانی که از گیاهان استفاده میکنند (Heterotrophs) میباشد.

بدین لحاظ، بخشی از تولید اولیه خالص که انسان مصرف می کند، بیانگر دو جنبه مهم ردپای محیط زیستی   انسان در جامعه است.

اول اینکه تامین محدود تولید اولیه خالص بدین معنی است، که مقدار استفاده شده آن توسط مردم بیانگر درجه ایست که انسانها حد بالائی ازمنابع انرژی بیولوژیکی در دست رس را از آن خود کرده اند

دوم اینکه  با افزایش استفاده انسان از تولید اولیه خالص میزان انرژی بیولوژیکی  برای سایر گونه های موجودات زنده، کاهش می یابد.

 

این کاهش باعث می شود که قدرت و توانمندی سیاره برای تداوم حیات و پشتیبانی سایر گونه های زنده، دچار کاهش و نقصان گردد.

برای تعیین بخشی از تولید اولیه خالص که مورد استفاده انسانها قرار می گیرد، نیازمند دو نوع محاسبه که مشکل هم بنظر می رسد، می باشیم.

اول اینکه، تولید اولیه ناخالص تولید شده توسط همه سامانه های بیولوژیکی سیاره  زمین و مقدار استفاده شده آن توسط انسانها را باید محاسبه نمائیم.

برای انجام این مهم، داده های اقلیمی(درجه حرارت و نزولات جوی) را با اطلاعات جمع شده از طریق سنجش از راه دور(توسط ماهواره ها و عکس های هوائی) با هم ترکیب کرده و توسط کامپیوتر مدلهای فرآیند های بیولوژیکی را شبیه سازی می نمائیم.

از اطلاعات و داده های ماهواره  ئی نیز می شود برای تخمین توده زنده گیاهی استفاده کرد.

مدل این اطلاعات را با داده های نزولات جوی و درجه حرارت ترکیب کرده و تا حدود بسیار زیادی میزان و مقدار فتوسنتز و تنفس را تعیین می نمائیم.

بالانس و تعادل بین دو پدیده فوق (فتوسنتز و تنفس) در واقع تولید اولیه خالص (NPP) است.

دانشمندان علوم محیط زیست و سایر متخصصین زیوگان بر این نظرند که با استفاده  ازروشهای فوق می شود بخوبی میزان مواد را تخمین زد.

بعنوان مثال: با استفاده از مدل فوق، تخمین زده شده است که گیاهان خشکی قادرند سالانه به مقدار در حدود 57 پتاگرم یعنی معادل 62.2 میلیارد تن کربن تولید کنند.

انسانها تولید اولیه خالص را به طرق متعددی مورد استفاده قرار می دهند، که آشکارترین آنها، از طریق غذا خوردن (Food) محقق میشود.

تمام غذاهائی که انسان مصرف می کند، بصورت مستقیم (سبزیجات) یا غیر مستقیم (گوشت)، همگی از تولید اولیه خالص مشتق می گردند.

 

آدمها نیز بصورت غیر مستقیم از راه های دیگری محصول اولیه خالص را در شکل چربی، فیبر و کاغذ برای انرژی و یا ساخت و ساز مورد استفاده قرار می دهند.

در اولین نگاه شاید فکر کنیم که با استفاده از ترکیب شیمیائی مواد، می توانیم مقدار کیلوگرم کربن موجود در آنها را محاسبه کنیم، ولی این نگرش ساده استفاده انسان را از تولید اولیه خالص در واقع، دست کم می گیرد.

باید بدانیم ،اکثر آنچه را که انسان استفاده می کند توده زنده ایست که در سطح زمین وجود دارد ولی این توده غالباً توسط توده زنده موجود که در زیر زمین وجودارد و معادل مقدار توده زنده در سطح می باشد نیز حمایت و پشتیبانی می گردد.

به همین ترتیب،در فرآیندهای تولید اقتصادی غالباً مقدار قابل ملاحظه ای از مواد اصلی  که پنهان میباشند، نادیده گرفته می شوند.

بعنوان مثال: تمام چوبهای برداشت شده از جنگل تبدیل به چوبهائی که قابلیت استفاده در ساخت و ساز را داشته باشند، مورد استفاده قرار نمی گیرند و معمولاً مقداری از آنها ضایعاتی شده یا برای استفاده های دیگری، مثلاً کاغذ، از آنها بهره برداری می شود.

میزان و درجه ای که این استفاده های غیر مستقیم را در بر می گیرند، به دانشمندان این اجازه را می دهد که برای تعیین  بخشی از تولید اولیه خالص استفاده شده(NPP) در جامعه به سه تخمین برسند.

1- تخمین اول: انسانها در حدود 3درصد از تولید اولیه خالص تولید شده توسط اکوسیستم های آبی و خشکی را مورد استفاده قرار می دهند. این سه درصد فقط و فقط شامل مواد ارگانیکی می شود که مستقیماً توسط مردم و یا حیوانات اهلی آنها مورد استفاده قرار می گیرد.

2-تخمین دوم:بر این مدار استوار است که مردم در حدود 19 درصد از ، تولید  اولیه خالص را مورد استفاده قرار می دهند، این میزان مقدار تولید اولیه خالصی است که مستقیماً توسط مردم استفاده شده و نیز محصول اولیه خالصی است که انسان خودش با جایگزین کردن اکوسیستمهای طبیعی، مقدار محصول اولیه از دست رفته را جبران کرده است. یعنی مقدار از دست رفته محصول که توسط اکوسیستمهای طبیعی دست ساز جبران شده است را نیز شامل میشود.

 

بعنوان مثال: همچنانکه انسان جنگل ها را قطع می کند و بجای آنها زمین کشاورزی و دامپروری ایجاد می نماید، در چنین حالتی مقداری از  تولید محصول اولیه خالص ، توسط زمین های کشاورزی ایجاد شده، کاهش می یابد.

این محصول اولیه خالص از دست رفته(Lost) نیز در 19 درصد اشاره شده فوق، لحاظ می گردد.

3-تخمین سوم: این تخمین که در نوع خود منحصر بفرد است، بیان می دارد که انسانها در حدود 39 درصد از تولید اولیه خالص سیاره زمین را مورد استفاده قرار می دهند.

این درصد شامل استفاده هائی است که در بالا شرح داده شده اند، مضافاً اینکه اثرات ثانویه ناشی از فعالیت های انسانی را هم در بر نمی گیرند، مثلاً فعالیت های انسانی خاک را فرسایش داده و موجب انتشار آلاینده ها و ضایعات به اتمسفر نیز می گردد و نهایتاً این اقدامات خدمات محیط زیستی را نیز تنزیل می دهد.

البته برای مصرف بخشی از تولید خالص توسط جامعه، جواب صحیح و درستی وجود ندارد و آنچه را که توضیح داده شد، همگی بر مدار تخمین استوارند.

زیرا استفاده غیر مستقیم صحت تخمین ما را نیز زیر سئوال می برد و منجر به تشکیک می گردد.

در ضمن روشن است که مستثنا کردن استفاده غیر مستقیم بطرز قابل ملاحظه ای اثر انسانها بر محیط زیست را دست کم می گیرد و آنرا نادیده می انگارد، که این موضوع خطای فاحشی است.

دانشمندان مقدار تولید اولیه خالص را که مورد استفاده مردم قرار می گیرد در بعضی از کشورهای جهان محاسبه کرده اند.

بطور کلی افرادیکه از استاندارد مادی بالائی زندگی برخوردارند، نسبت به افرادیکه از استاندارد مادی پائین رنج می برند، مقدار استفاده آنها از تولید اولیه خالص بیشتر است.

لذا برای محاسبه استفاده از تولید اولیه خالص(NPP) ابتدا محصولاتی را که یک نفر در طول سال استفاده می کند، جمع نموده و سپس در ضریب فاکتور مربوط ضرب می نمائیم.

حاصل مجموعه محصولات استفاده شده بیانگر ردپای الکولوژیکی هر نفر در طول سال می باشد.

 

جدول گرم کربن ناشی از تولید اولیه خالص استفاده شده برای تولید محصولات مختلف

 

 

محاسبه ردپای محیط زیستی در زمینه استفاده از مواد:

شاید برای شما محاسبه ردپای محیط زیستی قدری مشکل باشد، ولی اگر حوصله کنید، این مهم براحتی قابل محاسبه خواهد بود.

مواد محاسبه  شده  ذیل در واقع ردپای محیط زیستی نگارنده در خصوص استفاده از مواد است.

تولید اولیه خالص مصرف شده (و)از غذاهای با پایه گیاهی

=

2500Kcal / day X  O.36gram/kcal X 365 day/ year

50kcal/day X 9.295 kg= گوشت

کیلو/30k/y*501g=شیر

 

 

10kg/year X 3630g/k =تولید اولیه خالص مصرف(تخم مرغ،)

200kg/year X 991 g/k= کاغذ

m3/year X 2483 g/m3یک=چوب

تفسیر ردپای محیط زیستی در زمینه استفاده از تولید اولیه خالص

دانشمندان محیط زیست و اغلب اکولوژیستها تولید اولیه خالص کل اک.سیستمهای کره زمین ر ادر حدود 57 پتاگرم کربن تخمین میزنند.اگر همه مردم جهان بشرح محاسبه فوق از تولید اولیه خالص استفاده کنند ، تقریبا 7 درصد از NPPرا بخود اختصاص میدهند.از آنجائیکه تفاوت های زیادی در میزان مصرف مواد و انرژی در دول مختلف وجود دارد،فقط محاسبه سرانه ما را به مصرف 7 درصد میرساند.در سال2002 میلادی هر فرد میان سال در جهان به میزان 2804 کیلو کالری مصرف غذائی گیاهی روزانه داشت،39 کیلو گرم گوشت،44 شیر،8.4کیلو گرم تخم مرغ، در حدود 56 کیلو گرم کاغذ و به متراژ0.51 صدم متر مکعبدر همان  سال مصرف سرانه بود. اگر اعداد فوق را بر مبنای تولید اولیه خالص برای یک فرد میان سال در سال محاسبه کنیم به عدد تخمینی 7 درصد میرسیم.

چرخه نیتروژن در محیط زیست:

تغییرات در شکل نیتروژن با توجه به اندازه و مسیر جریان نیتروژن در چرخه بسیار مهم و اساسی بنظر می رسد.

چرخه نیتروژن نیز دقیقاً همانند چرخه کربن، از اهمیت ذاتی برای موجودات زنده برخوردار است.

نیتروژن  در  بدن موجودات زنده به اشکال گوناگون یافت میشود، ولی بر خلاف چرخه کربن که بیشترین مقدار آن در خارج از بدن موجودات، آنهم بصورت یک شکل منفرد غیر ارگانیک(دی اکسیدکربن) پیدا می شود.

نیتروژن به چند نوع غیر ارگانیک یافت می گردد. این انواع و اشکال غیر ارگانیک نیتروژن عبارتند از: آمونیم(NH4)، امونیاک(NH3)، نیتریت(NO2) و نیترات(NO3)، تفاوت بین اشکال مختلف نیتروژن بسیار مهم و اساسی است، بخاطر اینکه هر موجود زنده نیازمند نوعی خاص از نیتروژن می باشد.

لذا در یک موجود زنده فقط نیتروژنی که نیاز است، وجود دارد.

اکثر مقدار نیتروژن سیاره زمین نهفته در پوسته است. یعنی مکانی که برای موجودات زنده غیر قابل دست رس است.

لذا برای سهولت نوشتار از نیتروژن  موجود در 100 تا 3000 کیلومتری عمق زمین خودداری می کنیم.

در عوض به نیتروژنی می پردازیم که در هوا (اتمسفر) مکانی که ما و همه موجودات زنده، از آن استفاده می نمائیم، وجود دارد.

اتمسفر تقریباً به میزان 4 میلیارد تتراگرم نیتروژن {معادل 4.4 ضربدر 10 بتوان 15 تن} یعنی یک میلیارد کیلوگرم را در خود انبار می کند.

تقریباً تمام این نیتروژن در اتمسفر به شکل نیتروژن مولکولی(N2) وجود دارد.

این نوع نیتروژن تقریباً 87% نیتروژن جو را آرایش می دهد.

این دو اتم بسیار قدرتمند مولکولی به طرز شگفت آوری بصورتی بسیار محکم به هم دیگر چسبیده اند. و برای از هم جدا کردن این مولکول دوقلوانرژی بسیار زیادی مورد نیاز است.

نیتروژن موجود در هوا، برای اینکه وارد انبارهای زیوگان و خاک گردد، باید از هم گسسته گشته و مجدداً با عناصر دیگری مخلوط(recombined) گردد.

این تبدیل که در خصوص نیتروژن به وقوع می پیوندد را تثبیت نیتروژن        (nirogen fixation) می نامند.

حرکت و جریان یافتن نیتروژن از انباره های اتمسفر و خاک، جریانی خود انگیخته(Spontaneous) نیست و عمدتاً بواسطه 2 فرآیند کاری بوجود می آید.

این دو مکانیزم عبارتند از:

1- حملات و برخوردهای ناگهانی رعد و برق.(lightening strikes)

2- موجودات تثبیت کننده نیتروژن.(nitrogen-fixing organisms)

الف: نیروی رعد و برق با عبور از طریق جو گرما را آزاد کرده و این گرما نیتروژن مولکولی (N2) را به اکسیدهای نیتروژن تبدیل می کند.

اکسید نیتروژن(NO)،در سطح زمین تقریباً در هر ثانیه در حدود صدبار توسط نیروی رعد و برق ساخته می شود.

علی رغم این فراوانی، تک های ناگهانی رعد و برق فقط در حدود سالانه 3 تتراگرم(14.3 میلیون تن) نیتروژن را تثبیت(fix) می کنند.

ب: موجودات زنده نیز قادرند به تثبیت نتیروژن بپردازند.

بعنوان مثال: باکتری تثبیت کننده نیتروژن در خاک که ریزوبیم(Rhizobium) نام دارد. نیتروژن مولکولی را تبدیل به آمونیاک(NH3) نموده و این NH3 فوراً تبدیل به آمونیم(NH4) می شود.

باکتریها همچنین می توانند نیتروژن را در اقیانوس به آمونیاک تبدیل کنند. باکتری سیان(Cyanobacteria) این کار راانجام می دهد.

این باکتریها، آنزیمی دارند که نیتروژناس(Nitrogenase) نام دارد، این آنزیم نیتروژن را تثبیت می کند، یعنی نیتروژن مولکولی را تکه تکه کرده و تبدیل به آمونیاک می نماید.

قدرت و توانمندی باکتری برای تثبیت نیتروژن وجود این موجود را برای تشکیل خاکهای جدید فوق العاده ضروری می نماید، تجدید پذیری خاک مخصوصاً خاکهائی که در جریان آتش سوزی و فرسایش نیتروژن خود را از دست داده اند، عمیقاً وابسته به وجود این باکتریهای تثبیت کننده (Nitrogen fixation) نیتروژن در خاک است.

البته کشاورزی و جنگل داری، مقدار زیادی نیتروژن خاک را از بین می برند.

با برداشت محصول و چوب، میزان نیتروژن نیز کاهش می یابد. فرآیند تثبیت نیتروژن بدلیل انرژی بر بودن، نسبتاً کند است و بخاطر این محدودیت ،باکتریهای تثبیت کننده نیتروژن غالباً، نسبت به سایر موجودات در یک رقابت نابرابر قرار می گیرند و در نتیجه اکثر باکتریهای تثبیت کننده نیتروژن در حالت تعاون با سایر موجودات به زندگی ادامه می دهند.

یعنی آنها مخصوصاً با گیاهان، بصورت دوجانبه تبادل مواد غذائی با هم دیگر دارند، این پدیده را درمناسبات محیط زیستی، با هم زندگی کردن و از هم دیگر منتفع شدن (Symbiosis) می نامند.

در چنین حالتی باکتریهای تثبیت کننده نیتروژن، نیتروژن را برای گیاهان فراهم کرده و در عوض گیاهان نیز بزرگواری نموده و آب و ترکیبات کربن دار پر انرژی را در اختیار باکتریهای تثبیت کننده نیتروژن قرار می دهند.

دانشمندان می گویند، اگر باکتریهای تثبیت کننده نیتروژن، نیتروژن خود را در اختیار گیاه قرار ندهند، گیاهان هم بصورت بی رحمانه ای، از در اختیار قرار دادن آب و سایر املاح، باکتریها را در مضیقه قرار داده و بی کیفیت می گردانند.

ارتباط دوجانبه و مسالمت آمیز(symbiosis) با باکتریهای تثبیت کننده نیتروژن در گیاهان وسبزیجات دانه داری همانند نخود، عدس، لوبیا و نظیر آنها، بسیار ضروری و اساسی است.

سبزیجات دانه دار، لوله های(nodules) مخصوصی در ریشه های خود دارند که باکتریهای تثبیت کننده نیتروژن  را در خود جای می دهند.

این تجمیع به گیاهان دانه دار این امکان را می دهد که به نیتروژن دست رسی پیدا کرده و بدین ترتیب محتوی پروتئینی بیشتری نسبت به سایر گیاهان داشته باشند.

و این خا صیت بالای پروتئین گیاهان دانه دار  در واقع یک جزء بسیار مهم  از رژیم سبزینه ای آنها است. انسانها و سایر موجودات زنده با خوردن این رژیم یعنی گیاهان دانه دار، مخصوصاً گیاهان خوران(vegetarians)، تقریباً همه اسید آمینه ضروری را برای زنده ماندن و رشد  کردن  را دریافت  کرده و از زندگی بطرز شگفت آوری لذت می برند.

فساد پذیری موجودات زنده (decay) نیز منجر به  تولید آمونیاک می شود.

تجزیه کنندگان، بعد از مرگ موجودات زنده، اشکال ارگانیک نیتروژن، مانند پروتئین ها را از طریق فرآیند معدنی کردن(mineralization)، این اشکال ارگانیک را به مواد غذائی غیر ارگانیک تبدیل (convert) می کنند.

در این پرسه ها معمولاً آمونیاک از طریق فرآیند نیتریفیکاسیون(nitrification) به نیترات تبدیل می گردد.

یعنی در واقع طی دو مرحله نفس گیر نیتریت و نیترات بوجود می آیند.

در اولین مرحله آمونیاک به نیتریت(NO2) تبدیل می شود، این تبدیل مهم را موجود و باکتری مهمی بنام نیتروسوموناس(nitrosomonas) بر عهده می گیرد.

در پله دوم نیتریت بوجود آمده توسط باکتری فوق العاده موثر دیگری بنام نیتروباکتر(nitrobacter)، نیترات (NO3) را می سازد.

با شکل گرفتن نیترات، نیتروژن معمولاً یکی از دو مسیر فوق را انتخاب کرده و ادامه فعالیت می دهد.

اکثر گیاهان از نیترات بصورت مستقیم استفاده می کنند. نیتروژن جذب شده از خاک، به نیترات تبدیل شده و در فرآیند تغذیه گیاه به اشکال متفاوت شرکت می نماید.

نیتروژن گیاه در زنجیره غذائی وارد گشته و همانند کربن(C) در هر ایستگاه غذائی وجود دارد و با مسافرت از یک سطح تغذیه به سطح دیگر تغییر مقدار داده و کم می شود تا اینکه نهایتاً بعنوان محصولات ضایعاتی، بعنوان یک ماده غذائی مجدداً بخاک بر می گردد.

نیتروژن در چنین حالتی قادر است مجدداً وارد فرآیند نیتریفاکاسیون(nitrification) گردد، چرحش اشکال مختلف و متفاوت نیتروژن، بخش بیولوژیکی چرخه را به اتمام می رساند.

نیترات(nitrate) نیز قادر است بصورت آلترناتیو(alternatively) مجدداً از طریق فرآیند دی نیتریفیکاسیون(denitrification) به نیتروژن مولکولی(N2) تبدیل گردد.

در اولین قدم نیترات به نیتریت تبدیل می شود و نیتریت به اکسید نیتریت (NO) تغییر  می یابد و سپس این اکسید(NO) به اکسید نیتروژن (N2O) تغییر و نهایتاً نیتروژن مولکولی (N2) بوجود می آید.

پدیده دی نیتریفیکاسیون(denitrification) معمولاً توسط باکتری بسیار معروف سودوموناس(pseudemonas) انجام می شود.

این باکتریها و باکتریهای زیاد دیگر که مسئول بوجود آوردن نیتروژن مولکولی(N2) هستند، غالباً بی هوازی(anaerobic) عمل میکنند، یعنی در محیط های بدون اکسیژن زندگی می کنند.

فعالیتهای انسانی نیز انبارها و ذخائر و جریانهای جدیدی در چرخه نیتروژن ایجاد کرده اند. انسانها از نیتروژن برای برآورده کردن چند هدف(اهداف گوناگون) استفاده می کنند.

دو نوع از مهمترین نیازمندیهای انسان از نیتروژن عبارتند از:

1- تولید کودهای شیمیائی.

2- ساخت پودرهای جنگی (باروت)

کودهای برپایه نیتروژن، باعث گردیده است که کشاورزان محصول بیشتر و بهتری بدست آورند، در واقع انقلابی سبز(green revolution) ایجاد نمایند.

نیتروژن در شکل نیترات آمونیم، بعنوان یکی از ترکیبات اصلی باروت مورد استفاده قرار می گیرد.

بطور کلی از کودهای آمونیم که با بنزین نیز قابل ترکیب می باشند، می شود بمب های خطرناک و خانمانسوز تهیه کرد، نمونه آن بمبی بود که در سال 1995 میلادی در اوکلاهما سیتی منفجر گردید و کل ساختمان فدارال  را با خاک یکسان کرد.

امروزه متاسفانه در مناطق زیادی از سیاره زمین، انبارها و جریانهای چرخه نیتروژن ناشی از فعالیت های انسانی بیشتر از جریانهای طبیعی است.

فاضلاب شهرها مقدار بسیار زیادی نیتروژن تولید می کنند. گاوداریها و سایر مناطق پرورش دام نیزضایعات نیتروژن زیادی بر چرخه طبیعی وارد می کنند، لازم به توضیح است که ضایعات تولیدی نیتروژن، 10000 خوک معادل ضایعات تولیدی 18000 انسان است.

این مقدار ضایعات بسیار تغلیظ  شده نیتروژن خطرات وحشناکی را بر سلامت انسان و محیط زیست وارد می آورد، هنگامیکه ضایعات نیتروژنه از آمونیاک به نیترات تبدیل می گردند، نیترات بوجود آمده در آب راهه های محلی تجمیع پیدامیکند. غلظت بالای نیترات سمی است و مخصوصاً برای طبقه جوانان و نوزادان بسیار خطرناک است.

این نیترات بوجود آمده هنگامیکه وارد بدن نوزادان می شود{ کسانیکه باکتریهای فراوان در معده خود دارند}، به کمک باکتریهای موجود در معده به ماده بسیار خطرناک دیگری بنام نیتریت(Nitrite) تبدیل می گردد.

نیتریت با هموگلوبین خون وارد واکنش گشته و نهایتاً قدرت خون را  در انتقال اکسیژن بطرز وحشتناکی کاهش می دهد.

این پدیده مت هموگلوبینمیا(methehemoglobinemia) یا سندرم بچه آبی (blue-baby-syndrome) نام دارد.

نارسائی اکسیژن خون توسط نیتریت منجر به پدیده فوق می گردد.

 

چرخه فسفز:

این چرخه با سایر چرخه ها(کربن و نیتروژن) متفاوت است و این موضوع بخاطر آن است که اتمسفر میزان بسیار کمی فسفر را در خود جای می دهد.

واقعیت این است که فسفر از قله کوه ها و مناطق شیب دار به پائین سرازیر شده و به زیوگان، خاک، نهرها، دریاها و نهایتاً در اقیانوس رسوب (Sediment) می کند.

این چرخه بعد از حدود 10 تا 100 میلیون سال، یعنی هنگامیکه موتور گرمائی زمین رسوبات را به سطح می کشاند، تکمیل می گردد و زمانیکه فسفر به سطح زمین بازگشت، مجدداً وارد زیوگان(حیوانات و گیاهان) می گردد.

اگر مسافرتی همراه با  چرخه فسفر در محیط زیست داشته باشیم، شرح مکتوب آن بدین صورت است.

این سفر، از قشر زمین آغاز می شود(یعنی از عمق 100 تا 300 کیلومتری)، اگر چه فسفر یک بخش بسیار کوچکی از زمین را شامل می شود، ولی بعضی مواد در قشر زمین، دارای غلظت بسیار بالائی از فسفر هستند.

بعنوان مثال: مواد آپاتیت 36 درصد فسفر دارند.

نیروهای موجود در طبقات زمین(geological forces) مواد حاوی فسفر را به سطح زمین هدایت می کنند و سپس فرسایش خاک این مواد را در معرض نور خورشید، گرما، سرما و رسوب قرار می دهند.

نهایتاً این نیروها همراه با فسفر فعالیت های زیست ساختاری را از سایر مواد قشر زمین جدا کرده و بطرز شگفت آوری در چرخه(فسفر) می اندازند.

فسفر آزاد شده در اشکال متفاوت و گوناگونی یافت می شود و بیشترین مقدار آن با فلزات ترکیب شده و موادی که در آب غیر قابل حل هستند را تولید می نمایند و یا به سطح سایر مواد می چسبند.

فسفر در این اشکال غیر ارگانیک(معدنی) نسبتاً غیر قابل حرکت بوده و ساکن است.

این موضوع بدین معنی است که مقدار کمی از فسفر وارد نهرها می گردد و نیز به همین اهمیت(equally important)، غالبا مقدار و میزان اشکال مختلف فسفر برای موجودات بیولوژیک غیر قابل دست رس است.

در نتیجه این پروسه، فسفر(phosphorus) غالباً یک عامل محدود کننده محسوب می گردد، این عامل مخصوصاً در محیط زیست های آبی محدود کننده است.

بعضی از اشکال فسفر تبدیل به یونهای فسفر PO4 phosphate ions می گردند، یعنی اشکالی که توسط اکثر گیاهان مورد استفاده قرار می گیرد.

زمانیکه فسفر جذب گیاه گردد، وارد ریشه ها شده و برای ساختن ترکیبات مهم حیاتی موجودات، مورد استفاده قرار می گیرد.

پروتئین ها و DNA از این ترکیبات مهم حیاتی محسوب می شوند، بعلاوه، فسفر برای ساختن ادی نوسین تری فسفات (Adenosine triphosphate)(ATP) مورد استفاده قرار می گیرد و یا ATP انرژی لازم را در سرتاسر سلولهای موجودات زنده منتقل می گرداند.

فسفر پس از ترکیب جستن در این فرآیند، همراه با کربن و نیتروژن وارد زنجیره غذائی(Food cnain) می گردد.

فسفر در هر سطح غذائی (trophic level) از طریق محصولات ضایعاتی، مرگ موجودات و تجزیه پذیری (decomposition)، مجدداً به خاک بر می گردد.

مقدار فسفر موجود در خاک بسیار فراتر از مقداری است که مورد نیاز موجودات زنده(biota) می باشد، در ضمن جریان فسفر از خاک به زیوگان تقریباً مساوی جریان مخالف آن است.

علی رغم این بالانس متعادل، حرکت فسفر از خاک بسیار کند است و در هر سال مقدار بسیار کمی از فسفر به داخل نهرها و رودخانه ها سرازیر می گردد.

جلبکهای دریائی مقداری  از فسفر را مورد استفاده قرار داده و بدین ترتیب، حرکت فسفر در زنجیره غذائی اقیانوس آغاز می گردد. و همانند زنجیره های غذائی خشکی(terrestrials)، همچنانکه از هر سطح تغذیه می گذرد، مقداری از ان کاهش می یابد. ومقداری دیگر مجدداً به زنجیره بر می گردد. میزان  بسیار کمی هم به اقیانوس رسوب داده می شود و بخشی  دیگری ار فسفر رسوبات اقیانوس را شکل می دهند.

این حرکت بسیار کند فسفر از خاک به دریا که در طول میلیونها سال اتفاق می افتد، موجب انبار(Storage) مقدار بسیار زیادی فسفر در کف دریا و اقیانوس گردیده است .

زمانیکه فسفر به ته اقیانوس برسد، اساساً مقدار بسیار کمی از آن، بصورت مستقیم در اختیار خاک قرار می گیرد.

چرخه سولفور در محیط زیست:

اثرات محیط زیستی سولفور:

سولفور معمولاً 0.25 درصد از مواد  بدن موجودات زنده را تشکیل می دهد.

اگر چه این میزان خیلی کم است، ولی برای تداوم حیات موجودات بسیار مهم و اساسی تلقی می گردد و جزئی مهم از مواد ضروری قابل استفاده در موجودات است.

سولفور بر خلاف نیتروژن و فسفر معمولاً در ارتباط  با برآورده کردن نیازمندیهای موجودات زنده، بصورت فراوانی در طبیعت و محیط زیست وجود دارد و در نتیجه بندرت اتفاق می افتد که  این ماده بعنوان یک عامل محدود کننده ظاهر گردد.

از طرف دیگر فعالیت های متعدد انسانی باعث گشته است این ماده در محیط زیست و انبارها و جریانهای مربوط، افزایش یابد.

بعنوان مثال: جنگلها سالانه به میزان 1 تا 5 کیلوگرم در هر هکتار به سولفور نیاز دارند.

انسانها در مناطق آلوده به میزان 10 تا 100 کیلوگرم سولفور در هر هکتار در سال به محیط زیست وارد می کنند.

سولفور در محیط زیست در پنج انبار(جایگاه) یافت می شود و در طی چندین فرآیند و جریان تغلیظ سازی آن صورت می گیرد.

جریانها معمولاً نسبت به انبارهای موجود سولفور کوچکتر هستند، ولی جریان اتمسفری سولفور بسیار قوی است.

برای اینکه جریان سالانه ناشی از فعالیت های آتشفشانی و تشکیل آئروسل

(liquid &solid) ناشی از اسپریهای دریائی (sea spray) معمولاً بیشتر از ذخایر سولفور است.

این موضوع بدین معنی است که زمان ماند(توقف) سولفور در اتمسفر نسبتاً کوتاه است. در واقع آئروسلهای (aerosols)سولفور ناشی از ابرهای دریا فقط در حدود دو هفته در اتمسفر زندگی می کنند و سولفور ناشی از انفجارات آتشفشانی در بهترین شکل ممکن آن فقط برای چند سال در اتمسفر باقی می مانند.

به همین ترتیب انبار و ذخایر سولفور در خاک نسبتاً کم است و در عوض مقدار زیادی سولفور در اقیانوسها و رسوبات یافت می شود.

سولفاتهای (SO4 و S2 سولفور در فعالیت های بیولوژیک(زیست ساختاری) دقیقاً همانند دی اکسیدکربن و اکسیژن با هم دیگر پیوند می خورند.

در محیط زیست های غیر هوازی(anaerobic) باکتریهای کاهنده سولفور، یونهای سولفات را برای بدست آوردن انرژی مورد استفاده قرار می دهند. این فرآیند تولید انرژی دقیقاً همانند تولید انرژی توسط موجودات هوازی است.

موجودات هوازی برای تولید انرژی از مولکولهای ارگانیک از اکسیژن استفاده می کنند.

(C₆H₁₂O₆ + 6O₂ →6CO₂ + 6H₂O)

بطور خالص، باکتریهای کاهنده سولفور، سولفاتها و مولکولهای ارگانیک را به انرژی (energy)، دی اکسیدکربن(CO₂)، آب (H₂O) و سولفید هیدروژن                        ( Hydrogen sulfide, H₂s) تبدیل می کنند.

هیدروژن سولفوره بوئی شبیه تخم مرغ گندیده دارد و معمولاً در آبهای راکد و باتلاقها یافت می شود.

مقداری از این هیدروژن سولفوره نیز توسط باکتریهای سبز و ارغوانی مجدداً به سولفات(SO^2¯₄) تبدیل می گردد.

این باکتریها از نور خورشید برای ترکیب سولفید هیدروژن، دی اکسی کربن و آب نیرو گرفته و مولکولهای ارگانیک یا سولفات ها و یونهای هیدروژن را تولید می کنند.

بعبارت دیگر این فرآیند شبیه فرآیند فتوسنتز در گیاهان است و اعتقاد بر این است که در زمانهای بسیار دورتر، یعنی هنگامیکه حیات در مراحل اولیه خود قرار داشت و گیاهان و موجودات نبودند، این باکتریها، کار تولید مولکولهای آلی را انجام می دادند. و نقش آنها در تداوم حیات فوق العاده بود. سپس گیاهان ظاهر شدند، فتوسنتز شکل گرفت، این فرآیند  هم اکنون کمتر مورد توجه قرار میگیرد ولی کماکان ادامه دارد، و محدود است.

سولفور به دو شکل در محیط زیست یافت می شود و بندرت بصورت خالص وجو دارد، معمولاً با سایر عناصر ترکیب یافته و موجودیت می یابد، با آهن تولید (pyrite) یعنی

(Fe S2) وبا کلسیم تولید (gypsunx) یعنی(CaSo4 . 2H2o) می نماید.

این واکنش معمولاً در ته دریا شکل گرفته و توسط فرآیندهای جئولوژیکی(geological) و نیروهای زمین ساختاری به سطح زمین کشانده می شود و بدین ترتیب در چرخه قرار می گیرد.

فعالیت های انسانی میزان تولید سولفور را در محیط زیست افزایش داده است و جریان سولفات ها در اتمسفر نیز افزایش پیدا کرده است.

ذغال سنگ نسبتاً مقدار زیادی سولفور را( تقریباً نیم درصد) به هوا پرتاب می کنند. و هنگامیکه ذغال بدون تجهیزات مهار کننده سولفور می سوزد، حجم وسیعی از سولفور وارد جو می گردد.

سولفور و اتمسفر ذرات آئروسل(aerosol) تشکیل داده و نور خورشید را به فضا بر می گردنند و از این طریق بالانس گرمائی سیاره زمین را بر هم می زنند.

علاوه بر موارد فوق ذرات آئروسل  (aerosol) قادرند، با آب ترکیب گشته و تولید اسید سولفوریک(H₂SO₄) نمایند و این اسید در نهایت به سطح زمین تحت عنوان رسوب اسیدی نازل می گردد.

رسوبات اسیدی خاکها و اکوسیستم های آبهای شیرین را اسیدی کرده و آنها  را برای حیات نامساعد می گرداند.

 

 

واکنش های بین چرخه ای و درگیریهای موجود در  چرخه حیات:

تا کنون چرخه های موجود در محیط زیست را بصورت جداگانه توضیح داده ایم، اما در طبیعت این چرخه ها بعضاً با هم دیگر وارد واکنش شده، از هم اثر گرفته و بر هم اثر می گذارند. و ممکن است این اثرات بر چالش های محیط زیستی بیفزاید.

بعنوان مثال: بر اساس قانون لیبیک(Liebig) بافتهای بیولوژیک از کربن، نیتروژن، فسفر، سولفور و سایر عناصر ساخته شده اند، این عناصر غالباً از یک انبار و با هم به انباره دیگر جریان می یابند.

ترکیب این عناصر در انبارهای زنجیره مواد قدری متفاوت است و این تفاوت، معمولاً تحت عنوان نسبت کربن به مواد غذائی نام گذاری گردیده است.

برای مثال: نسبت کربن به نیتروژن در گیاهان ممکن است بنحو قابل ملاحظه ای بیشتر از نسبت آنها در حیوانات باشد.

بخاطر تفاوتهای ممکن در عامل محدود کننده مربوط به مواد بیولوژیکی که از یک انباره به انباره دیگر منتقل می شوند،  معمولا نسبت کربن به نیتروژن تغییر میکند.

و تحت شرایط فوق  مواد غذائی که از این پس عامل محدود کننده بشمار نمی روند،  مجدداً به محیط زیست برگشت داده می شوند.

عکس این قضیه نیز صادق است، یعنی مواد غذائی که از محیط زیست جذب شده، نیز بعنوان عامل محدود کننده تلقی می گردند.

لذا، ممکن است این گونه تغییرات محدودیت های غذائی را در بعضی از فرآیندهای دیگر بیولوژیک تسکین بخشیده و بدین طریق جریان مواد را در چرخه های دیگر نیز تسریع نماید.

عکس قضیه فوق نیز صادق است ، یعنی ممکن است تغییرات بعضی فرآیند های بیولوژیکی را نیز در چرخه دیگری محدود نماید و لذا، تاثیرات متقابل چرخه های مواد بر هم دیگر مخصوصاً در سامانه های جنگل، بسیار مهم و اساسی است.

بخاطر اینکه بیشترین توده زنده جنگل ها، درختان هستند و یک بخش قابل ملاحظه ای از این توده زنده توسط زنجیره غذائی مرده خواران (decomposers)مصرف می گردد.

درختان در جنگل بخاطر نسبت کربن به موادغذائی بی مثال  و منفرد به فرد هستند و این نسبت ها معمولاً در برگها، ساقه ها، ریشه ها و تنه درخت بسیار متفاوت است.

بعنوان مثال: نسبت کربن به نیتروژن در برگها در حدود یک پنجم شاخه ها است.

یعنی یک برگ در یک واحد توده زنده به مقدار در حدود 5 برابر نیتروژن بیشتری  نسبت به یک شاخه دارد و به همین ترتیب درختان قدیمی از نسبت کربن بیشتری برخوردارند.

لذا، این تفاوت ها و اثرات بسیار مهمی بر میزان کربن برگشتی به اتمسفر دارند.

اکثر مقدار کربن در یک درخت از طریق زنجیره غذائی مرده خواران به اتمسفر برگشت داده می شود. و فقط بخش بسیار کوچکی از توده زنده درخت سرپا، توسط خود درخت مورد استفاده قرار می گیرد.

مرده خواران معمولاً از نسبت کربن به مواد غذائی کمتری از مواد یک درخت را برخوردارند و یا نسبت کربن به مواد غذائی در مرده خواران بسیار  کمتر از مواد غذائی یک درخت است.

حتی برگهای درختان 5 تا 10 برابر نسبت کربن به مواد غذائی آنها، بیشتر از مرده خواران است که این برگها را می خورند.

لذا این تفاوتها، این نکته را بیان می دارد که میزانی که جمعیت مرده خواران و تجزیه کننده گان می تواند رشد کنند، توسط عامل محدود کننده نیتروژن قابل تبیین است. بدین معنی هنگامیکه مقدار کافی نیتروژن در دسترس تجزیه کننده باشد، جمعیت آنها با مصرف مواد مرده به سرعت افزایش می یابد و زمانیکه نیتروژن در دست رس نباشد، عکس مسئله اتفاق می افتد.

لذا در صورت موجودی نیتروژن برای مرده خواران، جریان کربن از زیوگان به اتمسفر تسریع می گردد.

عکس این قضیه نیز صادق است، یعنی زمانیکه نیتروژن در دست رس موجود نباشد، جریان کربن از فرآیندهای بیولوژیک به انبار اتمسفر کاهش می یابد.

بنابر این انبارهای نیتروژن در دست رس بر میزان جریانهای کربن از زیوگان به اتمسفر اثرات قابل ملاحظه ای دارند.

 

اختلاف و ناهنجاری در چرخه های شیمیائی – زمین- بیولوژیکی:

درک چالش های محیط زیستی سیاره زمین:

تغییراتی که در انبارها(ذخائر) و جریانهای چرخه های بیولوژیک زمین شناختی و    محیط زیستی ایجاد می شود ،مشخص کننده اثر فعالیت های انسان بر محیط زیست است.

از نقطه نظر محیط زیستی  و جهانی، انسانها در طول یک دوره چهار میلیون ساله از تاریخ خود، نقش قابل ملاحظه ای در چرخه های محیط زیستی مواد نداشته اند.

در طول دوره های گذشته، چرخه های بیولوژیکی، شیمیائی و زمین ساختاری سیاره زمین، بدلیل عدم دست اندازی غیر قابل ملاحظه انسان در آنها، در حالت تعادلی منحصر به فردی قرار داشته و همه جریانها و انبارهای مواد، بصورت طبیعی و خودگردان منابع طبیعی و خدمات محیط زیستی  را در اختیار انسانها و سایر موجودات زنده قرار میداد بدون اینکه کوچکترین خطری برای محیط زیست بوجود اید.

ولی در طول دو قرن گذشته وضعیت استفاده از منابع طبیعی و خدمات محیط زیستی، کاملاً دگرگون گشت و انسانها در  دوران اخیر ،  میزان استفاده از منابع طبیعی را تسریع و در نتیجه انتشار آلاینده ها به محیط زیست را افزایش داده اند.

این تغییرات بنوبه خود باعث گردیده است که در چرخه های بیولوژیک – زمین ساختاری و شیمیائی، تغییرات عمده ائی ایجاد گردد و چرخه ها نتوانند منابع طبیعی لازم و خدمات محیط زیستی را در اختیار انسان و سایر گونه های حیات قرار دهند.

این تغییرات در واقع در قلب چالش های محیط زیستی امروز ی قرار دارند.

بعنوان مثال: بر اساس اصل اول پایداری، انسانهای امروزی از منابع طبیعی و خدمات محیط زیستی سریع تر و بیشتر از  انکه محیط زیست بتواند آنها تجدید حیات نماید، استفاده می کنند و این ناهنجاری باعث گردیده است که استفاده پایدار از استخراج مواد و انرژی از انبارها در مخاطره قرار گیرد.

بعنوان مثال: برداشت چوب از جنگل زمانی پایدار است که میزان درختان قطع شده مساوی میزان تولید اولیه خالص(NPP)، یعنی کربن انبار شده در درختان را افزایش دهد و استفاده ناپایدار(Nonsustainable) عبارت است از استخراج مواد و انرژی بیشتر از میزان تجدید پذیری  مواد در انبارهای چرخه های بیولوژیکی زمین ساختاری و شیمیائی.

بعنوان مثال: چرخه کربن هر سال فقط به میزان 0.8 میلیون بشکه قابل استفاده نفت خام را به انبارها اضافه می کند.

ولی انسانها سالانه به میزان 25 میلیارد بشکه نفت خام استخراج می کنند و این اوج ناپایداری در این منابع را می رساند.

این کاهش و نقصان بدین معنی است که تا صد سال آینده، ذخائر کربن منهدم گشته و نفت خام بکلی تمام می گردد و این نقصان نیز به نوبه خود مشکلات عدیده محیط زیستی فراهم  را فراهم اورده است.اعوجاجات فوق در مجموع تحت عنوان تخریب و نقصان منابع طبیعی در محیط زیست از آن یاد می شود.

لذا با استخراج نفت از ذخائر، آیندگان در محدودیت شدید موجودی منابع طبیعی قرار گرفته و زندگی بسیار سختی را در محیط زیست تجربه خواهند کرد .

چروکیده و منقبض کردن انبارها و ذخائر مواد، بطرق گوناگون باعث بوجود آمدن مشکلات محیط زیستی می گردد و انبارهای کوچکتر مواد در محیط زیست، بصورت مستقیم تری موجودی منابع طبیعی را کاهش می دهد.

این کاهش در اصطلاح محیط زیستی آن، ته کشیدن و تهی شدن منابع طبیعی نام دارد.

اگر فعالیت های انسانی بدون ملاحظات محیط زیستی رونق گیرد، مناطق پوشیده از جنگلهای بارانی حاره ای بصورت تداوم یافته ای دچار چروکیدن و نقصان می گردند.

لذا جنگل زدائی و کاهش های مربوط به نفت خام دو مشکل عمده محیط زیستی محسوب می گردند.

انسان همچنین می تواند از اصول پایداری در جهت حل مشکلات محیط زیستی مربوط به ضایعات استفاده نماید.

لذا استفاده پایدار از خدمات محیط زیستی مربوط به تحلیل و حذف ضایعات در محیط زیست نیازمند این است که ضایعات سریع تر از اینکه توسط محیط زیست حذف و غیر سمی گردند، تولید نشوند.

انتشار ضایعات باعث افزایش جریان ورودی آنها به انبارهای ذخیره مواد می گردد، در چنین شرایطی و بندرت جریان خروجی انبارهای مواد، تابع جریانات ناخواسته ورودی است.

در نتیجه چنین ورودی های ناخواسته مقدار مواد در انبارهای مربوط افزایش می یابد.

تجمع مواد بالقوه خطرناک در اتمسفر و آب راهه ها باعث آلودگی آب و هوا می گردد.

افزایش میزان و اندازه بعضی از انبارهای مواد در محیط زیست باعث ایجاد و مشکلات محیط زیستی فراوان می گردد.

بعضی از مواد بصورت مستقیم برای سلامت انسان و سایر موجودات زنده خطرآفرین هستند. بعنوان مثال:

افزایش در میزان انبار سولفور در اتمسفر باعث بوجود آمدن مشکلات تنفسی در انسان و موجودات زنده می گردد.

در سال 1952 میلادی هنگامی که  عدم وزش باد، رقیق کردن گازهای سولفور را در هوای لندن متوقف نمود، غلظت گاز دی اکسید سولفور سه برابر گردید و تغلیظ این چنیین سولفور باعث افزایش سه برابری در میزان مرگ و میر شد.

تجمع مواد آلاینده در انبارهای مربوط می تواند، گونه هائی  حیوانی و گیاهی را که خدمات محیط زیستی فراهم می نمایند، دچار محرومیت یا مرگ نماید.

بعنوان مثال: زمانیکه سولفور در اتمسفر انتشار یابد، قادر است بسرعت به اشکال دیگر تبدیل گشته و رسوبات اسیدی را افزایش دهد.

رسوبات اسیدی خاکها و آب راهه ها را اسیدی کرده و خدمات محیط زیستی آنها را کاهش می دهد و در موارد بسیار حاد، تمام خدمات محیط زیستی بخش های مختلف محیط زیست، متوقف می گردد.

 

خلاصه مفاهیم کلیدی مربوط به سرنوشت ماده در محیط زیست:

1- همه موجودات زنده و انسان از کربن، هیدروژن، اکسیژن و مقادیر کمتری از سایر عناصر که به آنها مواد غذائی می گویند، تشکیل یافته اند.

بعضی از این مواد غذائی در اشکالی یافت می شوند که برای موجودات زنده قابل استفاده اند، یعنی موجود هستند و در عوض بعضی دیگر در اشکالی وجود دارند که برای موجودات زنده، غیر قابل استفاده می باشند، یعنی مستقیم موجود نمی باشند.

نسبت عناصری که در سازمان بندی موجودات زنده مورد استفاده قرار می گیرند، نسبتاً ثابت(fixed) است.

این مهم بدین معنی است که موجودیت یک عنصر مجزا و منفرد می تواند  میزانی ، که گیاهان و جانوران می توانند توده زنده جدیدی ایجاد نمایند را محدود کند.

2- ماده در محیط زیست بین همه موجودات زنده و محیط زیست بطرق بیشماری حرکت کرده و جریان می یابد .از این جریانات تحت عنوان چرخه های بیولوژیک، زمین ساختاری شمیائی یاد می شود.

این چرخه ها دارای چهار انبار یا ذخیره بسیار اساسی هستند که عبارتند از: قشر پوسته زمین ، زیوگان، اتمسفر و اقیانوسها.

حرکات مواد بین این ذخائر، جریان (flow) نام دارند.

جریانات می توانند خودانگیخته (حرکت بسوی بی نظمی) یا ناخودانگیخته باشند.

تمام چرخه های بیوجیوشیمیائی حداقل یک جریان غیر خودانگیخته را با خود دارند. انبارهای مواد و جریانات مربوط به آنها توسط قوانین ترمودینامیک و بقاء ماده مدیریت می گردند.

3- چرخه کربن بعنوان چرخه اصلی حیات روی کره زمین شناخته شده است.

مهمترین جریان ناخودانگیخته در چرخه کربن عملیات فتوسنتز است. انسانها با سوزاندن سوخت های فسیلی چرخه کربن را تغییر داده اند و استفاده از سرزمین را نیز دگرگون کرده اند.

بدلیل تغییرات فوق، غلظت اتمسفری دی اکسید کربن در طول زمان افزایش پیدا کرده است.

دانشمندان در حال حاضر قادر نیستند، جریان کربن را به داخل اتمسفر و خارج کردن از اتمسفر، بالانس کنند.

4- جریان(flow) در چرخه جهانی نیتروژن توسط اشکال مختلف نیتروژن قابل تعیین است.

مهمترین جریان ناخودانگیخته(حرکت بسوی نظم و سازمان بندی) در چرخه نیتروژن در واقع تثبیت نیتروژن است، یعنی پروسه ای که نیتروژن اتمسفر که در دست رس موجودات زنده نیست، تبدیل به اشکال قابل می گردد و بدین ترتیب نیتروژن غیر قابل استفاده ، مورد استفاده موجودات زنده  قرار می گیرد.

5- چرخه فسفر در محیط زیست بسیار طولانی است و تا حدود زیادی بستگی به حرکات پوسته و قشر زمین دارد.

جریانات و حرکات پوسته زمین اساساً ناخودانگخته هستند و معمولاً بسوی نظم و سازماندهی حرکت می کنند.

انسانها با معدن کاوی فسفر چرخه آنرا تسریع نموده اند و بدین ترتیب فسفر اضافی فعالیت سیستمهای بیولوژیکی را افزایش داده است.

این افزایش در محیط زیست های آبزی ناهنجاری مهمی ایجاد کرده است که در اصطلاح علمی رشد بیش از حد جلبکی(eutrophication) نام گرفته است.

6- سولفور زیادی در محیط زیست جریان می یابد، این عنصر معمولاً فعالیت بیولوژیکی موجودات زنده را محدود نمی کند.

انسانها در طول زمین انبارها و جریانهای چرخه سولفور را با معدن کاوی و سوختن ذغال سنگ، تغییر داده اند.

این تغییرات منجر به سردشدن سیاره زمین  گشته و افزایش اسیدیته ِی نزولات جوی و آب راهه ها به همراه دارد.

7- اثرات فعالیتهای انسانی بر محیط زیست، با درک کامل چرخه های بیوجیوشیمیائی میسر است.

انسانها در ادوار مختلف، انبار و جریانات چرخه ها را تغییر داده اند و این تغییرات عملکرد طبیعی  هر چرخه را دچار اختلال کرده است.

عملکرد طبیعی چرخه های بیولوژیک زمین ساختاری شیمیائی ،منابع طبیعی و خدمات محیط زیستی را  برای رفاه اقتصادی انسان به ارمغان میاورند.

اختلال در انبارها، ذخائر و جریانات چرخه های حیات معمولاً رفاه اقتصادی انسانها را کاهش می دهد.