_{تالیف: دکتر سلطانی نژاد}

"بنام خداوند بزرگ"

انرژی درمحیط زیست

 

چگونه ردپای محیط زیستی خود را محاسبه کنیم؟

سیستمهای فیزیکی سیاره حیات ، انرژی خورشیدی برای تولید منابع طبیعی و خدمات محیط زیستی که بشر استفاده می کند را مورد استفاده قرار می دهند.

 

 

 

"بنام خداوند بزرگ"

انرژی درمحیط زیست

 

چگونه ردپای محیط زیستی خود را محاسبه کنیم؟

سیستمهای فیزیکی سیاره حیات ، انرژی خورشیدی برای تولید منابع طبیعی و خدمات محیط زیستی که بشر استفاده می کند را مورد استفاده قرار می دهند.

 

در این بحث کوتاه و در عین حال بسیار مهم قصد دارم اطلاعاتی را ارائه دهم که شما بتوانید، مقدار انرژی خورشیدی که برای تهیه غذائی که مصرف میکنید را محاسبه(Calculate) نمائید.

مصرف آب را و حتی چوب جنگل را هم که در زندگی روزانه مورد استفاده قرار می دهید، با اطلاعاتی که ارائه میدهم، می توانید محاسبه نمائید.

ارتباط بین انرژی خورشیدی و تهیه غذا، نسبتاً مستقیم و ساده است.

بعنوان مثال: گیاهان انرژی خورشید را برای ترکیب مولکولهائی که یک اتم منفرد کربن را  به مولکولهای پیچیده ئی که دارای شش کربن هستند،تبدیل کرده و مورد استفاده قرار

می دهند.(گلوکز)(C6H12O6)

یعنی اتم کربن توسط نور خورشید با استعانت از گیاهان به گلوکز تبدیل می گردد، و گلوکز مقداری از این انرژی خورشیدی را به گونه ئی که انسان  بتواند مورد استفاده قرار دهد، را در خود انبار می کند.

چه مقدار انرژی خورشیدی در غذای روزانه ما وجود دارد؟

فقط در حدود 30. درصد از انرژی خورشیدی که بر برگهای گیاهان می تابد در گلوکز انبار می شود. بعبارتی کارائی(efficiency) فتوسنتز در حدود 30.% است، این کارائی بدین معنی است که یک گیاه می تواند در حدود 300 کیلوکالری از انرژی خورشیدی را برای تولید فقط یک کیلوکالری انرژی جذب کند.

از این یک کیلو کالری انرژی جذب شده در حدود 40. کیلوکالری انرژی تبدیل به مواد گیاهی می شود. یعنی 40 درصد کارائی و فقط در حدود 10 درصد یک گیاه قابل خوردن است. و این یعنی 10 درصد کارائی. دقیقاً بدلیل اینکه تمام این تبدیلات نسبتاً غیر کارا هستند، لذا میانگین(average) کیلوکالری غذای گیاهی مثل فلفل قرمز یا سیب زمینی نیاز به، در حدود 7500 کیلوکالری انرژی خورشیدی دارد و در چنین حالتی کل انرژی مورد نیاز گیاهی با فاکتورده (10)افزایش می یابد وبه 75000 کیلو کالری انرژی خورشیدی میرسد.

برای تهیه یک کیلوکالری (kcal) گوشت ، دقیقاً به دلایلی که در بالا شرح دادم و در آینده بیشتر توضیح خواهم داد، حیوانات فقط ده درصد  موادغذای گیاهی را به گوشت قابل خوردن تبدیل  میکنند یعنی 50 کیلو گیاه میخورند و در عوض 5 گوشت تحویل میدهند.

 

چه مقدار انرژی خورشیدی برای تولید آب آشامیدنی مورد نیاز است؟

بدلیل فشارهای متعدد جاذبه ائی،(gravitational)، آب نهایتاً به اقیانوسها میرسد.

در اقیانوسها با مواد معدنی عمدتاً سدیم(Na) مخلوط گشته و با غلظت بالا به آب شور و غیرقابل آشامیدن (undrinkable)تبدیل می گردد.

این آب شور دریاها و اقیانوسها توسط فعالیتهای انرژی خورشیدی (solar energy) تبدیل به آب شیرین و در نتیجه قابل آشامیدن (drinkable)می گردد.

انرژی خورشید مواد معدنی را از آب جدا کرده و آنرا در زمین ساری و جاری مینماید،آب جاری نهایتاً به ذخائر و سفره های آبی نزدیک محل سکونت شما سرازیر می شود.

تبخیر یک فرآیند بسیار انرژی بر( energy intensive) است. تقریباً 540 کیلوکالری انرژی برای تبدیل یک کیلوگرم آب مایع به بخار(گاز) مورد نیاز است.

بعلاوه انرژی زیادی برای بالا بردن آب و مستقر کردن آنها در ابرها، لازم است.

لذا برای محاسبه انرژِی خورشیدی مورد نیاز برای تهیه آب آشامیدنی، مقدار انرژی خورشیدی مورد استفاده به منظور بحرکت درآوردن چرخه هیدرولوژیک در طول یک سال را تقسیم بر میزان نزولات جوی سالانه می نمائیم این محاسبه در صفحات اتی انجام خواهد شد. برای تولید یک کیلو گرم نزولات جوی، مقدار 750 کیلوکالری انرژی خورشیدی  مورد نیاز است.

چه مقدار انرژی خورشیدی برای تولید کاغذ نیاز داریم؟

همه می دانیم که کاغذ از چوب جنگل تهیه می شود. این مواد چوبی دقیقاً همانند سایر فرآیندهائی که به انرژی خورشیدی نیاز دارند، تولید می گردند.

قبلاً توضیح دادم که فقط به میزان 0.3% انرژی خورشیدی توسط برگ گیاهان جذب می گردد و در گلوکز انبار می شود، یعنی 0.3% کارائی ، اغلب این انرژی یعنی 50 تا 70 درصد آن برای سایر مواد گیاهی، مثلاً تولید چوب مورد استفاده قرار می گیرد.

در حدود 6000 کیلوکالری انرژی خورشیدی برای تولید یک کیلوکالری مواد گیاهی، مورد نیاز است.

چوب خشک بصورت میانگین در حدود 4500 کیلوکالری در کیلوگرم انرژی دارد، این  موضوع بدین معنی است که به میزان در حدود 27 میلیون کیلوکالری انرژی خورشیدی برای تولید فقط یک کیلوگرم مواد چوبی، نیاز داریم.

بعنوان مثال، از دو کیلو گرم چوب خشک فقط می شود یک کیلوگرم کاغذ تولید نمود. یعنی در حدود 54 میلیون کیلوکالری انرژی خورشیدی برای تولید یک کیلوگرم کاغذ، نیاز است.

 

 

 

 

 

نحوه محاسبه ردپای محیط زیستی انسان در تولید غذا، آب و کاغذ:

چند کیلوکالری انرژی روزانه مورد نیاز است؟

دانشمندان علوم تغذیه می گویند، در حدود 2500 کیلوکالری برای هر نفر در روز  انرژی مورد نیاز است. البته امریکائیها و کشورهای اروپائی هر یک از آنها به میزان 4821 کیلوکالری روزانه مصرف می کنند.

بدین ترتیب مقدار غذا روزانه هر نفر در کشورهای فقیر و غنی بشرح ذیل قابل محاسبه است.

ضریب انرژی خورشید Kcal/kcalx 7500Kcal/day غذا4821  =36157500 کیلو کالری انرژی خورشیدی مورد نیاز برای کشورهای غنی
ضریب انرژی خورشید Kcal/g x 7500Kcal/day غذا2500 =18750000 کیلو کالری انرژی خورشیدی مورد نیاز برای کشورهای فقیر

 

آب: چه مقدار آب برای آشامیدن روزانه یک نفر احتیاج داریم؟

هر فرد سالم، روزانه به 2.5 لیتر آب آشامیدنی نیاز دارد.

تقریبا 750 کیلوکالری انرژی خورشیدی برای تولید یک کیلوگرم نزولات جوی لازم است، در چنین حالتی، چه مقدار انرژی خورشیدی برای تولید 2.5 لیتر آب آشامیدنی مورد نیاز است؟

2.5l/d*750kcal= کیلو کالری انرژی خورشیدی مورد نیاز مورد نیاز برای تولید 2.5 لیتر آب آشامیدنی=kcals/sun1875

چوب:

هر شهروند بصورت میانگین به میزان 314 کیلوگرم کاغذ در سال استفاده می کند، یعنی روزانه هر نفر 0.86 کیلوگرم.

در حدود 54 میلیون کیلوکالری انرژی خورشیدی برای تولید یک کیلوگرم کاغذ مورد نیاز است، در چنین حالتی انرژی خورشیدی مورد نیاز برای تولید کاغذ روزانه هر نفر بقرار ذیل است.

کیلو کالری انرژی خورشیدی برای کاغ464400000=کیلو کالری در هر کیلو گرم0.86kg/day*5.4*10⁷

بدین ترتیب میزان کل انرژی خورشیدی مورد نیاز برای غذا، آب و کاغذ=464400000+1875+36157500= در حدود 500559375 میلیون کالری در هر روز است.

 

تفسیر ردپای محیط زیستی انسان در موارد فوق:

ثابت خورشیدی در خط استوا  به میزان 28320 کیلوکالری بر متر مربع در هر روز است، و ضریب انعکاس زمین(albedo) در حدود 31 درصد میباشد،درچنین حالتی ، فرمول محاسبه متراژ زمین مورد نیاز برای  بدام انداختن انرژی خورشید برای تولید غذا، آب و کاغذ بقرار ذیل است.

m²/day17675=500559375 kcal/day/28320 m2/day

فائو(FAO) می گوید، هر فرد متوسط روزانه به میزان 3272 کیلوکالری انرژی و 0.15 کیلوگرم کاغذ مصرف می کند.

بدین ترتیب مقدار بسیار زیادی زمین کشاورزی و آب و از همه مهمتر انرژی خورشیدی برای تامین نیازمندیهای انسان مورد نیاز است.

با توجه به اهمیت فزآینده انرژی خورشیدی(Solar Energy) و نقش آن در تولید غذا، آب و سایر خدمات مهم محیط زیستی، شرح مختصری در این خصوص خالی از لطف نیست.

انرژی  حاصل ازنور خورشید

بر اساس معادله انشتین(E=mc² ) یعنی مقدار انرژی ایجاد شده دقیقاً مساوی مقدار ماده تخریب شده ضربدر سرعت نور بتوان دو است.

این قانون در واقع واکنش های گداخت هسته ای – گرمائی درون یک ستاره(خورشید) را توضیح می دهد، یعنی ستاره سیاره زمین بنحوی وحشتناک و بصورتی شتاب زده ، اتمهای هیدروژن خود را به هیلیوم و مقدار زیادی انرژی تبدیل می کند و و البته همه ستاره های دیگر ، اینگونه اند.

خورشید ما، با انجام واکنشهای گداخت در درون خود، در هر ثانیه در حدود 4 میلیون تن هیدروژن  را تخریب میکند و معادل 10²⁶*3.9 وات(Watts) انرژِی نیز در همان ثانیه تولید می گردد.  این مقدار انرژی برابر با 391 میلیارد میلیارد 10¹⁸ *391مگاوات، انرژی خواهد بود.

رهاسازی این مقدار انرژی ناشی از هم جوشی درونی خورشید، درجه حرارتی معادل ده میلیون سانتیگراد  را در قلب خورشید به همراه دارد. البته اغلب این انرژی، جذب لایه های خارجی خورشید گردیده و نور کره (photosphere) را تشکیل میدهد.

درجه حرارت فتوسفر، بین 5300 تا 8600 درجه سانتیگراد متغیر است. بطور کلی دانشمندان می گویند، انرژی تشعشعی فتوسفر بر سطح زمین در حدود 6400 درجه سانتیگراد است.

ممکن است فکر کنید رهاسازی این مقدار انرژی برای کره زمین ناچیز و بی اهمیت است، ولی در آینده به شما خواهم گفت که این انرژی وارده به زمین، در تغییر اقلیم کره زمین نقش بسزائی خواهد داشت.

 

انرژی ساطع شده از خورشید با عبور از فضا، پراکنده تر شده و بعد از طی کردن  150 میلیون کیلومتر، مقدار تشعشع خورشیدی که به لایه های خارجی اتمسفر زمین می رسد معادل1.97 کالری در هر سانتیمتر مربع در دقیقه است، یا 12.71 کیلوکالری در هر اینچ مربع، انرژی بزمین می رسد، مابقی در فضا و در جهات مختلف، برای منظورهای دیگری پراکنده می گردد.

این مقدار انرژِی وارده به سطح زمین(1.97) ثابت خورشیدی(Solar Constant) نام دارد.

 

تشعشع خورشیدی وارده به سطح زمین:

مقدار انرژی که به لایه های خارجی اتمسفر زمین می رسد، با مقداری که به سطح زمین برخورد می کند، کاملاً متفاوت است.

تشعشعات خورشیدی به محض وارد شدن به اتمسفر زمین با مولکولهای گازها، گرد و غبار و سایر ذرات برخورد می کنند و نتیجه این تصادفات پراکنده شدن تشعشع در جهات مختلف است.

مقداری از تشعشات به فضا برگشت داده می شود ، این فرآیند انعکاس (reflction) نام دارد.

در فرآیند انعکاس، 6 درصد اشعه وارده به زمین با برخورد به ذرات موجود در فضا، مخصوصاً انفجارات آتشفشانی، مجدداً به فضا برگشت داده می شود. 21 درصد از انرژی وارده نیز توسط ابرها در فضا انعکاس می یابد و نهایتاً 4 درصد از انرژی وارده توسط سطح زمین به فضا منکعس می شود، کل انرژی انعکاس یافته توسط ابرها، گرد و غبار به سطح زمین، که مجدداً به فضا برگشت داده می شود، 31 درصد است، این درصد انرژی برگشتی به فضاآلبیدو(albedo) نام دارد.

مقدار انرژی که به فضا برگشت داده نشده است در سطح زمین جذب می گردد.

مولکولها، گردو غبار و ابرها، در اتمسفر قادرند به میزان 21 درصد از انرژی وارده به زمین را جذب کنند، 3 درصد در ابرها و 18 درصد در مولکولهای گاز و گرد و غبار، جذب می شود.

48 درصد باقی مانده انرژی خورشیدی وارده به زمین توسط سطوح آب و خاک جذب می گردد. بدین ترتیب سطح زمین و اتمسفر به میزان 69 درصد از اشعه وارداتی از خورشید را جذب می کنند و بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، جمع درصد های انعکاس یافته و جذب شده 100 درصد است که بیانگر تشعشع خورشیدی وارده به سطح زمین می باشد.

در حقیقت این 69 درصد انرژی وارده است که تمام سیستمهای فیزیکی سیاره زمین را بحرکت در آورده و نیرو می بخشد.

در حدود نصف انرژی خورشیدی وارده به سطح زمین(%69) به گرما تبدیل می شود و این گرما درجه حرارت اتمسفر را تحت تاثیر قرار می دهد.

در حدود یک پنجم اشعه خورشیدی وارده به سطح زمین برای به حرکت درآوردن چرخه آب مورد استفاده قرار می گیرد و در حدود دو دهم از این انرژی خورشیدی برای براه انداختن سیرکولاسیون اتمسفری مورد استفاده قرار میگیرد. و یک درصد هم برای نیرو بخشیدن به امواج اقیانوسی مورد استفاده قرار می گیرد. نهایتاً مقدار کمی، در حدود 0.4 درصد بصورت مستقیم توسط گیاهان و جلبک های تک سلولی مورد استفاده قرار می گیرد.

گرمای درون زمین:

علاوه بر گرمای وارده از انرژی خورشیدی بروی سطح زمین، منبع دیگری از انرژِی که به سطح زمین وارد می گردد. در واقع از درون خود زمین(interior) است.

این گرما از چند منبع درون زمینی حاصل می گردد.

یک بخش کوچک آن، گرمای اولیه است که از زمان تشکیل سیاره، بر جای مانده است، ولی اغلب گرمای موجود در دل زمین ناشی از تخریب رادیو اکتیویته، عناصری مانند اورانیوم، توریم و پتاسیم است.

این دو منبع گرمائی باهم، حرارت زمین را تا 1200 درجه سانتیگراد، در حدود 100 کیلومتری زیر سطح زمین بالا می برند.

دانشمندان می گویند احتمال اینکه، درجه حرارت مرکز زمین 4300 سانتیگراد باشد، وجود دارد.

البته این حرارت می تواند 50 درجه کمتر یا بیشتر باشد، خوشبختانه درجه حرارت سطح زمین پائین و برای حیات کاملاً مناسب است.

تفاوت درجه حرارت بین سطح زمین و درون آن باعث می گردد که شیب(gradient) ،گرما را از مناطق گرم به محل های سردتر روانه گرداند.

این جریان در حدود^6-10*1.5 کالری در هر سانتیمتر مربع در ثانیه است، این اندازه گیری علی رغم عدم قطعیت آن در باره درجه حرارت درون زمین، نسبتاً دقیق است.

اگر جریان گرمای ناشی از درون زمین را در سرتاسر کره زمین برای مدت یکسال تداوم بخشیم، کل انرژی حاصله به میزان در حدود10¹⁷*2 کیلوکالری خواهد بود.

این مقدار انرژی، زیاد بوده و بسیار بیشتر از استفاده جهانی از ذغال سنگ، نفت، گاز طبیعی و برق تولید شده از نیروگاههای هسته ای و آبی می باشد.  این مقدار انرژی کمتر از  یک درصد انرژی وارده از خورشید به زمین است.

لذا تشعشع خورشیدی وارده به سیاره زمین، منبع اصلی انرژی برای سیستمهای فیزیکی مستقر در سیاره زمین است.

فعالیتهای گرمائی درون زمین:

اگر چه مقدار انرژی گرمائی ناشی از درون زمین در مقایسه با انرژی خورشیدی وارده به سطح زمین بسیار ناچیز است، ولی انرژی خورشیدی فقط سطح زمین را تغذیه می کند و لذا در زیر سطح زمین، این انرژی گرمائی درون زمین است که انجام فعالیت های مهم درون زمین را بر عهده دارد.

بعنوان مثال: انرژی گرمائی درون زمین باعث تشکیل قشر پوسته جدید گشته و در جابجائی قاره ها نقش بسیار مهمی دارد.

علاوه بر دو مورد فوق، انرژی درون زمین، پوسته و قشر موجود را ذوب کرده و آب اقیانوسها را نیز گرم نگه می دارد.

خدمات محیط زیستی چرخه و سیرکولاسیون اتمسفری (الگوی جهانی چرخه اتمسفری) رفاه انسانی را بصورت مستقیم و غیر مستقیم حمایت  و پشتیبانی می کند.

این چرخه ها علاوه بر اینکه آب پاک و قابل آشامیدن را در اختیار ما قرار می دهند، در پیش بینی اقلیم نیز نقش بسزائی دارند، برای به تصویر کشیدن اهمیت پیش گوئیهای اقلیمی، سه الگوی ممکن برای چرخه اتمسفری متصور است.

1- احتمال اول اینکه هیج گونه سیرکولاسیون و گردشی وجود ندارد، در چنین حالتی هوا توسط مولکولهای انفرادی حرکت می کند، که بنوبه خود یک فرآیند کند(slow) است و تحت این شرایط شیب و گرادیان درجه حرارت، عرض جغرافیائی بسیار بزرگ تر خواهد بود که باعث می گردد مناطق استوائی بسیار گرم و مناطق قطبی بسیار سردتر از آنچه که هستند، باشند.

2- احتمال دوم این است که یک جریان کاملاً تصادفی از هوا ایجاد شود و از الگوهای تصادفی پیروی کند. در چنین حالتی مسیر بادها بطرز غیر قابل پیش بینی تغییر می کند، تحت این شرایط یک ناحیه می تواند در طول دوره هائی گرم و در عوض نواحی دیگری سرد باشند. لذا ممکن است یک ناحیه در یک سال بیابانی  و در سال بعد مقدار زیادی نزولات جوی دریافت نماید. این شرایط  غیرقابل پیش بینی همواره تتعیین کننده، چالشیهائی برای حیات و زنده ماندن حیوانات و گیاهان محلی محسوب میشود.

3- احتمال سوم این است که الگوهای چرخه و سیرکولاسیون اتمسفری کاملاً و بر عکس دو الگوهای فوق، قابل پیش بینی باشند. در چنین حالتی بادها بعضی از نواحی را گرم و مناطق دیگر را سرد می کنند. لذا بر همین منوال، مناطق نزدیک استوا و نواحی نزدیک جبهه های قطبی که میزان نزولات جوی بیشتری نسبت به سایر مناطق  و دامنه های نیمه حاره ائی دارند، از این الگو پیروی  میکنند و هنگامیکه این الگوها تغییر کنند، قابل پیش بینی خواهند بود.

لذا الگوهای قابل پیش بینی در محیط زیست، از قبیل درجه حرارت و نزولات جوی، این امکان را به گیاهان و حیوانات و جوامع انسانی می دهد که خود را با طیف گسترده ای از شرایط در هر منطقه تطبیق دهند.

 

حرکات پوسته(Crust) زمین:

بجز در موارد محدود، ( وقوع زلزله،) نمیتوانیم حرکات پوسته زمین را احساس نمائیم، ولی امروزه این حرکات توسط ماهواره های  پیش رفته  و موقعیت یاب جهانی قابل اندازه گیری می باشند.

حرکات فوق العاده کند ولی مداوم پوسته زمین، نقش بسیار مهمی در حمایت از حیات روی کره زمین دارد.

بر خلاف خدمات بر پایه انرژی های خورشیدی که توسط اتمسفر و اقیانوسها فراهم می گردد، خدمات محیط زیستی پوسته توسط گرمای موجود در درون زمین فراهم می گردد.

 

صفحات لایه خارجی زمین( گردش جهانی پوسته):

عقیده اینکه قاره های سیاره زمین از قطعات متلاشی شده  تشکیل یافته و در امتدادهم (fit together)، قرار دارند ، یک معمای بسیار پیچیده  است،و  از مدتها پیش مطرح بوده است.

در سال 1596 میلادی یک نقشه ساز هلندی، بنام ابراهیم اورتیوس توضیح داد که ساحل شرقی جنوب امریکا به ساحل غربی افریقا چسبیده است و در امتداد هم قرار دارند.

تا اینکه در سال 1912 اصطلاحی تنظیم و فرموله گردید و تئوری علمی جابجائی قاره ها (Continental drift) توسط یک دانشمند آلمانی علوم جوی(meteorologist) بنام آلفرد وگنر(Alfred Wegener) بنا نهاده شد.

تئوری حرکت قاره ائی، بیان میدارد، قاره ها در گذشته دور بخشی از یک منطقه وسیع زمینی متصل بهم بوده اند  و از آن زمان تا بحال  با تغییرات درون ساختاری زمین به  وضعیت فعلی در آمده اند.

لذا این فرضیه قوت می گیرد که، اگر قاره ها بهم دیگر متصل باشند، حیوانات و گیاهان موجود در صفحات مختلف باید مثل هم باشند، در صورتیکه بر اساس شواهد فسیلی اینگونه نیست  و جانوران هر قاره با هم تفاوتهای دارند و گونه مختلفی با رگه های متفاوتی یافت می گردند.

از طرف دیگر اقلیم قاره های مختلف و سیاره زمین با هم متفاوت است، بعضی از مناطق سرد و پاره ای دیگر گرم و به همین ترتیب،شاهد حیوانات و گیاهان مختص همان اقلیم هستیم، لذا این فرضیه قوت می گیردکه صفحات قاره ای بصورتی بسیار کند و ظریف در حال جابجائی بوده و بصورت برنامه ریزی شده به هم نزدیک و یا از هم دور می شوند، اما اینکه این قاره ها چگونه حرکت می کنند، سئوالی است که باید به آن پاسخ داده شود.

در دهه 1960 میلادی، نقشه های کف اقیانوس و زلزله های ایجاد شده درمرکز زمین (epicentric)، نشان داد که بر خلاف معمول، زمین  توپی از مواد جامد نیست، بلکه صفحات جدا از همی دارد که می توانند به این طرف و آنطرف حرکت کنند.

هر صفحه ورقه های سخت بسیار بزرگ صخره ای جامدی دارد، حرکت این صفحات به همراه پدیده های مرتبط دیگری، همانند زلزله(earthquake) و آتشفشان(Volcanoes) توسط تئوری صفحات خاک کره(Plate tectonics) قابل توضیح است.

تئوری ساختار صفحات سیاره زمین(Plate tectonics) میگوید ، زمین از لایه هائی تشکیل شده است و این لایه ها  توسط جابجائی گرما(heat) و حرکت (motion) تعریف می شوند.

لایه ضعیف پلاستیکی یا پلاستیک کره(athenosphere) که بعد از خاک کره یا پوسته و قبل از جبه(Mantle) در فاصله 100 تا 300 کیلومتری درون سیاره زمین وجود دارد، تا حدود بسیار زیادی پلاستیکی و ارتجاعی است و حالت بین مایع و جامد را دارد.

این لایه مقدار زیادی گرما را از مرکز زمین و هسته آن دریافت می کند، این مقدار گرما و انرژیِ جذب شده نهایتاً به خاک کره (lithosphere) انتقال داده می شود.

خاک کره در فاصله صفر تا 100 کیلومتری درون زمین قرار دارد، بالای لایه جبه و پوسته زمین از خاک کره تشکیل یافته است.

خاک کره یک لایه متصل و پیوسته ائی نیست که همه سیاره زمین را احاطه کند، بلکه از تقریباً سیزده صفحه اصلی تشکیل یافته است، و در واقع قاره ها(continents) روی این صفحات سوارند.

حرکت صفحات توسط جریان تبادل حرارتی که با سلولهای انتقال گرمای همرفتconvection cells)) صورت می پذیرد، قابل تبیین است.

پوسته زمین نیز بصورت افقی یعنی موازی با سطح زمین حرکت می کند، و در واقع ایجاد پوسته جدید  باعث می گردد که صفحات از هم دور شوند.

اساساً این حرکت افقی و جانبی، باعث بوجود آمدن رانش و جابجائی قاره ائی می گردد.

سرعت حرکت صفحات سنگین، بستگی به میزان تشکیل پوسته های جدید دارد. این حرکات در مورد صفحات مختلف پوسته زمین، معمولاً از 2 سانتی متری شروع شده و تا 16 سانتی متر در سال، پیش روی مینماید.

بعنوان مثال: حرکت پوسته در آتلانتیک شمالی در سال 2 سانتی متر و در اقیانوس آرام معمولاً در سال تا 16 سانتی متر هم می رسد. حرکت کند و در عین حال ثابت صفحات ،مکان و موقعیت پوسته را در طول میلیونها سال تغییر می دهد.

صفحه ساحل امریکا جنوبی، در امتداد بخش غربی صفحه افریقا قرار دارد، این موضوع بخاطر آن است که در حدود 180 میلیون سال پیش ، این دو قاره بخشی از یک منطقه وسیع خشکی بوده اند.

 

 

منابع طبیعی و خدمات محیط زیستی ناشی از حرکات پوسته زمین(جابجائی قاره ها):

1- مردم زیادی در جهان مخصوصاً  در ایسلند ، انرژی مورد نیاز برای گرم کردن خانه ها و ساختمانهای خود را از گرمای درون زمین، استخراج کرده و استفاده می کنند.

این گونه استفاده از انرژی درون گرمائی زمین که ناشی از حرکات صفحه های سنگی زمین است، منافذ لازم را برای دست یابی به گرما، ایجاد کرده و  انواع استفاده های گرمائی را میسر می سازد. در نتیجه احتیاج به ذغال سنگ، نفت و گاز طبیعی کاهش می یابد.

2- حرکت سطح زمین برای تکامل حیات(حیوانی و گیاهی)، بسیار ضروری و اساسی  است .حرکات صفحات زمین، قاره های جهان را تقریباً در حدود 100 میلیون سال پیش از هم جدا کرده و بوجود آوده اند، و در هر قاره ای تکامل حیات بخوبی راه خودش را بصورت  مجزا از دیگر قاره ها طی می کند.

این وضعیت تشکیل قاره ها به واسطه حرکت صفحات سنگی، تنوع موجودات زنده حیوانی و گیاهی را به طرز شگفت آوری افزایش داده است.

بعنوان مثال: گونه های پستانداران  در قاره ها، بسیار بیشتر از گونه های خزندگان است. و این مهم بخاطر آنست که پستانداران بعد از جدائی قاره ها از همدیگر، پدیدار گشته اند، لذا تنوع زیستی که عمدتاً به واسطه جایگائی قاره ها حادث گشته است، خدمات محیط زیستی فراوانی را تقدیم ساکنان کره زمین می نماید.

3- گرمای ناشی از درون زمین را که تا حدود زیادی به حرکت صفحات زمین، در امتداد هم دیگر بودن، روی همدیگر سوار شدن و دور شدن و بهم خوردن صفحات، وابسته است، نقش بسیار مهمی را در ترکیب شیمیائی آب اقیانوسها بر عهده دارد.

در چنین حالتی آب سرد اقیانوس به کف آن، یعنی به نزدیک برآمده گیهای(ridges) وسط اقیانوس سرازیر می گردد، آب موجود  بخاطر حرکت صفحات اقیانوسی و در نتیجه تولید گرمای زیاد، آب اقیانوس گرم می شود، به واسطه این گرما، ترکیب شیمیائی آب دریا، تغییر می یابد، بعنوان مثال: واکنش های شیمیائی درون دریا به واسطه گرمای ایجاد گشته توسط جابجائی قاره ها، منزیم را حذف کرده و در عوض غلظت کلسیم و سیلیکون را افزایش می دهند، سیلیکون یکی از اجزاء بسیار مهم دیاتومها است، دیاتومها موجودات ذره بینی(میکروسکوپی) دریائی هستند که منبع اصلی غذائی تعداد زیادی از جانوران دریائی می باشند.

با بیشتر گرم شدن آب دریا و اقیانوس، این آب از اعماق به طرف بالا صعود میکند. این سیرکولاسیون و چرخه برگشتی، در واقع   به لبه ها و کناره های اقیانوس، این اجازه را می دهد که مقدار قابل ملاحظه ای از آب دریا را در طول زمان فرآیند کرده و پروسس نمایند.

هشت میلیون سال طول میکشد تا اب اقیانوسها بصورت کامل و شامل فرایند شده و در چرخه قرار گیرند.

اگر چه 8 میلیون سال، برای بشر طولانی بنظر می رسد، ولی در مقایسه با تاریخچه جئولولوژیکی و زمین شناختی سیاره زمین، بسیار کوتاه است.

4- چهارمین و مهم ترین خدمت محیط زیستی جابجائی قاره ها و در نتیجه گرمای درون زمین، تشکیل مواد معدنی مورد نیاز برای حیات و زنده ماندن موجودات است.

مواد معدنی بصورت مستقیم برای انسان نیز مفید می باشند. اگر فلزات و سایر مواد معدنی بصورت تصادفی در سرتاسر قشر زمین پراکنده باشند، معدن کاوی آنها بلحاظ اقتصادی ، بصرفه نیست، لذا گرمای درون زمین و حرکت پوسته و جابجائی قاره ها، باعث می گردد که فلزات در مکانهای معینی از غلظت قابل ملاحظه ای برخوردار گردند و بدین ترتیب معادن غنی از فلزات شکل می گیرد و در چنین حالتی برای انسان معدن کاوی آنها، کاملاً اقتصادی و با صرفه می گردد.

5- پنجمین خدمت محیط زیستی حرکت پوسته زمین و چرخه صخره ای آن، باعث میگردد که سوختهای فسیلی بیشتری نظیر ذغال سنگ، نفت و گاز طبیعی تولید گردد.

سوخت های فسیلی منبع مهم انرژی برای جوامع صنعتی هستند. علاوه بر موارد فوق، رسوبات و ته نشینی ناشی از ذرات از هم جدا شده صخره ها، مواد ارگانیک را درون قشر زمین انبار و نگهدای کرده و آنها  را از گزند صدمات اکسیژن که به تخریب آنها می انجامد، مصون می دارد.

و نهایتاً اینکه فشار ناشی از روی هم قرار گرفتگن رسوبات و ته نشینی ها، بعلاوه گرمای ناشی از درون زمین، هر دو با هم مواد را پالایش کرده و محتوای انرژتیک آنها را تغلیظ می نمایند، این مواد مملو از انرژی برای استفاده های متنوع انسانی است و کاربردهای فراوانی دارند.

موجودات زنده چگونه از انرژی استفاده می کنند؟

حیوانات و گیاهان در ارتباط با نحوه استفاده از انرژی طیف وسیعی از رفتارها را از خود به نمایش می گذارند.

مثلاً بعضی از حیوانات برا ی مسافتهای طولانی به مهاجرت می پردازند و عده دیگر به خواب زمستانی مشغول می شوند، یا بعضی از گیاهان برگ هایشان را در پائیز می ریزند و پاره دیگر همیشه سبز باقی می مانند.

رفتارهای فوق  برای تحقق اهداف خاصی  بشرح ذیل صورت می پذیرد.

1- بقاء و زنده ماندن.

2- رشد.

3- ذخیره کردن.

4- تولید مثل.

5- حفاظت.

6- دستیابی به انرژی بیشتر.

تمام حیوانات و گیاهان از انرژی برای تحقق اهداف فوق استفاده می کنند، طریقی که آنها برای استفاده از انرژی مدنظر قرار می دهند، برای هر گیاه و حیوان متمایز و منحصر به فرد است.

بعنوان مثال: بعضی از گونه های خفاش مشکل خود  را با خواب زمستانی حل می کنند. در صورتیکه پرندگان همین مشکل را با طی کردن هزاران کیلومتر در اطراف کره زمین حل می نمایند.

جریان یافتن انرژی با عنایت به اهداف  فوق ،به ما اجازه می دهد که رفتار معنی دار موجودات را درک کنیم

دریافت انرژی از محیط زیست:

حیات و زنده ماندن روزانه اغلب موجودات زنده بستگی به توانمندی آنها برای دستیابی به انرژی از محیط زیست دارد.

این احتیاج براساس قانون دوم ترمودینامیک شکل می گیرد، یعنی توانمندی انرژی برای انجام کار مفید، با تداوم استفاده از انرژی، کاهش یابد.

پس بدین ترتیب همه موجودات زنده برای بقاء، رشد، تولید مثل و حفاظت از انرژی استفاده می کنند و برای تداوم و تحقق اهداف فوق  مجبورند، منابع جدید انرژی را از محیط زیست بدست آورده و بصورت مستمر استفاده کنند.

لذا، موجودات برای تحقق دستیابی به انرژی از محیط زیست، دو استراتژی عمومی را توسعه داده اند، عبارتند از:

1- استفاده از اشکال غیر ارگانیک انرژی، ( نور خورشید) برای تولید اشکال ارگانیک انرژی، مثل گلوکز(C6H12O6).

2- بدست آوردن انرژِی مستقیماً از سایر موجودات زنده.

موجوداتی که اشکال و مواد غیر ارگانیک انرژی را به اشکال ارگانیک تبدیل می کنند، آتوتورفها(Autotrophs) یا موجوداتی که از خود تغذیه میکنند(Self Feeders) نام دارد(گیاهان).

در عوض موجوداتی که انرژی خود را از سایر موجودات دریافت می کنند، هتیروتروف(heterotrophs) نام دارند.

با توصیف فوق موجودات گیاهی از درون خود تغذیه کرده و به حیات ادامه می دهند، اغلب موجوداتی که از خودشان تغذیه می کنند، اشکال و موادارگانیک انرژی را از طریق عمل فتوسنتز(Photosynthesis) تولید می کنند.

فرمول عمومی فتوسنتز بشرح ذیل است:

6CO₂+6H₂O=C₆H₁₂O₆

 

ضرورت فتوسنتز ،انرژی خورشیدی است، بدون انرژی عمل فتوسنتز غیر ممکن خواهد بود. دی اکسید کربن و آب بصورت خودبخودی با هم ترکیب نمی شوند تا گلوکز بدست آید.(C₆H₁₂O₆)

لذا فتوسنتز انرژی خورشیدی را برای شکستن پیوندهای بین اتمهای اکسیژن و هیدروژن در مولکول دی اکسید کربن، مورد استفاده قرار داده و بدین ترتیب گلوکز تولید می گردد.

این فرآیند مقداری از انرژی جنبشی (Kinetic) خورشید ، که در پیوندهای مولکولی گلوکز نهفته است را به انرژی پتانسل(بالقوه) تبدیل می نماید.

البته در یک فرآیند کاری (Work process) کارکرد فتوسنتز نسبتاً غیر کارا(inefficient) است.

در مولکول گلوکز چیزی در حدود کمتر از یک درصد از انرژی خورشیدی به انرژی بالقوه تبدیل می گردد.

از طرف دیگر در موجودات حیوانی(Heterotrophs) استراتژی دیگری برقرار است. این موجودات(جانوران)، انرژی مورد نیاز خود را، با خوردن دیگر موجودات که غنی از مولکولهای انرژتیک هستند، تامین می کنند.

این فرآیند بسیار کاراتر از کارکرد فتوسنتز است، ولی این کارائی بالا، براحتی و بسادگی بدست نمی آید.

هیج موجود زنده ئی داوطلب خورده شدن نیست، و آنها برای اینکه خورده نشوند، در همه موارد فرار را بر قرار ترجیح می دهند.

حیوانات و حتی گیاهان، برای اینکه به غذای دیگران تبدیل نشوند، خیلی کوشش می کنند که  خود را از گزند، دیگران حفظ کنند، و این جاست که جانوران، برای بدست آوردن انرژی مورد نیاز باید تلاش مضاعف داشته باشند.

 

 

 

 

تفسیر و تحلیل مصرف انرژی در موجودات زنده:

انرژی مورد مصرف موجودات زنده باید بگونه ای باشد، که بتواند مجموعه نیازمندیهای موجودات را فراهم آورد، بقاء، رشد، ذخیره، تولید مثل و حفاظت، نیازمندیهائی هستند که همه موجودات به آنها احتیاج مبرم دارند.

لذا موجودات برای اینکه بتوانند بخوبی از خود محافظت کنند، باید مقداری انرژی مازاد(Surplus) را  نیز در خود ذخیره کنند.

این انرژی اضافه، در واقع نوعی سرمایه گذاری بر آینده موجودات است و نحوه محاسبه آن بدین گونه است.

انرژی برگشتی برای سرمایه گذاری یا انرژی مازاد=انرژی ناخالص بدست امده/انرژی استفاده شده برای تولید انرژی.

یعنی میزان انرژی بدست آمده تقسیم بر میزان انرژی استفاده شده برای بدست آوردن انرژی بدست آمده. این میزان معمولاً باید بزرگتر از یک باشد.

یعنی میزان انرژی غذائی بدست آمده باید بیشتر از میزان انرژی استفاده شده برای دست یابی آن باشد.

تفاوت بین مقدار انرژی بدست آمده و انرژیِ استفاده شده برای دستیابی به انرژی بدست آمده، در واقع انرژی مازاد(Surplus) نام دارد.

انرژی مازاد برای همه موجودات زنده، ضروری و حیاتی است، این انرژی برای بقاء، رشد، تولید مثل، ذخیره و حفاظت موجودات مورد استفاده دائمی قرار می گیرد.

اگر استراتژی برای بدست آوردن غذا، مازادی کمتر از یک یا مساوی یک داشته باشد، هیج گونه انرژی دیگری برای استفاده های شش گانه فوق متصور نخواهد بود و در چنین حالتی موجودات زنده پس از تهی شدن انباره انرژی شان، از بین خواهد رفت.

 

 

 

 

توزیع انرژی در موجودات خون گرم و خون سرد:

بر اساس قانون دوم ترمودینامیک سیستم ها برای جلوگیری از بی نظمی و برقرار کردن  نظم و مقابله با ناملایمات باید از انرژی بنحو مطلوب استفاده کنند.

استفاده از انرژی برای حفظ و بقاء،  و ایجاد نظم و سازمان دهی در موجودات، متابولیسم سلولی نگه دارنده(maintenance respiration) نام دارد.

انرژی تعمیراتی (maintenance energy) برای تداوم حیات موجودات و سلامت آنها فوق العاده ضروری است.

سوخت ساز درون سلولی به طرق متعددی متصور است.

اکثر موجودات زنده مقداری از انرژی خود را برای حذف و غیر سمی کردن ضایعات مورد استفاده قرار می دهند، این عمل از تجمع ضایعات در بدن جلوگیری کرده و عملکرد ساختارهای درونی بدن موجودات زنده از اختلال نجات می دهد.

بعنوان مثال: بدن انسان، مقداری قابل ملاحظه از انرژی را برای کارکرد درست(proper) کلیه ها مورد استفاده قرار می دهد و بدین ترتیب این اندامهای حیاتی انسان، ضایعات را از رگ گردش خون حذف کرده و به بیرون هدایت می کنند، و کبد نیز همانند کلیه اعمال  سم زدائی از بدن را بر عهده دارد، یعنی ضایعات را در خون تکه تکه کرده و آنها را بی خاصیت می گرداند.

شکل دیگری از حفظ متابولیسم سلولی و تندرست نگه داشتن موجودات در واقع تولید سلولها و گلبولهای قرمز خون است.

به محض اینکه سلولهای قرمز خون، پا به سن می گذارند، یعنی پیر می شوند، فعالیتهای متابولیکی آنها تضعیف می گردد.

سلولهای قدیم و کهنه به صورت مداوم توسط سلولهای قرمز جدید، تلطیف و تعویض می گردند و بدین ترتیب سلولهای جدید جایگزین سلولهای قدیمی می گردد.

یکی از جالبترین مکانیزمهای ماشین متابولیک بدن موجودات زنده، نحوه حفظ و نگهداشت و تنظیم درجه حرارت بدن است، حیوانات برای اداره این مهم، نگه داشتن و حفظ درجه حرارت بدن، از دو استراتژی مهم پیروی می کنند.

بعضی از گونه ها از جمله انسان، از انرژی به گونه ای استفاده می کنند که می توانند حتی از گرمای هدر رفته و ضایعاتی بهره ببرند و بدین طریق درجه حرات بدن خود را بالاتر دمای محیط نگه می دارند. این حیوانات اندوترم(endotherm) یعنی خون گرم(warm- blooded ) نام دارند، پرندگان و پستانداران در این رده قرار دارند و بعضی از ماهیها (دولفین آتلانتیک) می توانند خون گرم باشند.

در عوض گروه دیگری از موجودات هستند که نسبتاً از انرژی با آهنگ کندتری استفاده می کنند. و گرمای ضایعاتی بدنشان بگونه ای نیست که تکافوی بالا بردن درجه حرارت بدنشان را بدهد.

در عوض این موجودات گرمای مورد نیازخود  را از محیط زیست می گیرند. این حیوانات آکتودرم(ectotherm) یا خون سرد (Cold – blooded) نام دارند.

بدین ترتیب جانوران خونسرد، برای بالا بردن درجه حرارت بدن خود در آفتاب می نشینند و به اصطلاع آفتاب می گیرند. و به محض اینکه آفتاب غروب کند، درجه حرارت بدن آنها، همانند درجه حرارت محیط می گردد.

اغلب ماهیها، حشرات، دوزیستان و خزندگان امروزی این گونه اند.

تفاوت بین اثر دریافت انرژی از فرآیندهای متوبولیک درونی بدن(Endotherm) با دریافت گرما از محیط اطراف به چگونگی اختصاص انرژی دارد.

حیوانات و جانوران (انسان)که درجه حرارت بدنشان از طریق فرآیندهای متابولیک درون بدنشان را بالا می برند، بخاطر میزان متابولیک در هنگام استراحت است، میزانیکه یک موجود، از انرژی در زمان استراحت استفاده می کند، در حدود ده برابر بیشتر از میزان متابولیک یک موجود اکتو(Ecto) در زمان استراحت است.

بدین ترتیب جانوران پستاندار اغلب انرژی را از فرآیندهای متابولیک درونی گرفته و از آن برای ابقاء و نگهداری خود استفاده حداکثر را می نمایند.

در عوض سایر جانداران از قبیل خزندگان، این انرژی را از محیط دریافت می کنند و فرآیندهای متابولیک درونی آنها در زمان استراحت بسیار پائین است.

 

 

اختصاص انرژی در گونه های حیوانی و نحوه استفاده آن1

 

 

لذا با توجه به موارد فوق قدرت و توانمندی جانوران اندوترم (Endotherm) برای گرم نگه داشتن بدن خود با استفاده از گرمای ضایعاتی بدن ،در برگیرنده مزایای فراوانی است، که عبارتند از:

1- اکثر موجودات دارای گستره درجه حرارت داخلی بدن هستند و بدن فقط می تواند در این محدوده ها فرآیندهای فیزیولوژیکی ضروری برای حیات را انجام دهد.و خارج از محدود حرارتی مورد نظر، بدن موجودات قادر به انجام فعالیت نیست و نهایتاً به مرگ موجود ختم می گردد.

بعنوان مثال: درجه حرارت بدن انسان در گستره حدود یک درجه سانتیگراد قرار دارد و میانگین آن  در حدود 37 درجه سانتیگراد است.

در صورتیکه بدن نتواند این محدوده را رعایت کند و بین 34 تا 41 درجه سانتیگراد باقی نماند، تمام فعالیت های انسانی مختل و در مدت زمان کوتاهی مرگ سلولها فراهم می گردد.

ردپای محیط زیستی در ارتباط با مصرف انرژی: (چاقی مفرط / مصرف انرژی بالا)

راستی چرا عده ای چاقند و در عوض عده ای دیگر  لاغر؟

تعریف: چاقی عبارت از وزن اضافه که معمولاً با توجه به قد، قابل اندازه گیری است. و از طریق شاخص توده بدن، اندازه گیری می شود.(Body Mass Index)

یعنی وزن بدن به کیلوگرم تقسیم  مربع قد به متر.(یعنی مقدار قد بتوان 2)

بعنوان مثال: اگر کسی قدش 1.74 متر باشد، مربع آن عبارت از1.74*1.74 مساوی 3.0276متر و وزن آن 63.5 باشد، در چنین حالتی 63.5/3.0276=  شاخص توده بدن او مساوی 20.97است.

افرادیکه شاخص توده بدن(BMI) آنها بین 20 تا 25 باشد از نظر وزنی ایده آل و کسانیکه بین 25 تا 30 باشند، اضافه وزن و افراد  باBMI ی 30 و یا بیشتر، چاق محسوب می شوند.

البته فرضیه های زیادی برای چاقی و افزایش وزن مردم جهان وجود دارد. عده ای می گویند، بخاطر تبلیغات و آگهی های مربوط به مصرف غذا ست و عده دیگری بیان می دارند که نوع و نحوه و روش زندگی افراد منجر به چاقی می شود، و از منظر محیط زیستی و ردپای اکولوژیکی، استفاده بی حدو حصر در مصرف انرژی و مواد تلقی می گردد.

بدین ترتیب کسانیکه از انرژی و مواد بدون رعایت اصول عملیاتی توسعه پایدار و حفاظت از محیط زیست حتی در سطوح فردی که نهایتاً منجر به چاقی مفرط می گردد استفاده می کنند، نسبت به سایر بخش های محیط زیستی از ردپای محیط زیستی بالاتری برخوردارند و این افزایش ردپای محیط زیستی در بخش انرژی، منجر به ناهنجاریهای محیط زیستی بیشتری در حوزه انرژی می گردد.

 

و نهایتاً فرد استفاده کننده از انرژی را تحت تاثیرات نامطلوب قرار داده و سلامت او را با خطر جدی مودجه میسازد.(چاقی مفرط بدلیل استفاده بیش از حد از انرژی و مواد)

باید بدانیم که حداقل مقدار انرژی مورد نیاز انسان در زمان استراحت توسط میزان متابولیک در وقت استراحت، قابل تعریف است.

این میزان عبارت از، انرژی مورد نیازی که بدن برای ادامه حیات خود و حفظ وضعیت موجود، مورد استفاده قرار می دهد، است.(انرژی استفاده شده برای نگهداری بدن) مقدار متابولیک در زمان استراحت در افراد مرد و زن، وزن، قد و سن، متفاوت است و معمولاً از طریق فرمول زیر محاسبه می گردد.

(سن)*6.775 –(قد) * 5.0003 + (وزن) * 13.75+ 66.5= میزان متابولیک مرد در زمان استراحت

(سن)*4.676–(قد) * 1.85 + (وزن) * 9.563+655.1= میزان متابولیک زن در زمان استراحت

معادلات فوق میزان کیلوکالری استفاده شده در روز را نشان می دهد.

از آنجائیکه انسان درون گرما (Endotherm) است، یعنی از گرمای ضایعاتی بدن خود برای فرآیندهای متابولیک استفاده میکند، لذا میزان متابولیک او در زمان استراحت نیز بستگی به درجه حرارت محیط زیست(Environmental Temprature) دارد.

دانشمندان می گویند، بشر کمترین میزان انرژی را برای تنظیم درجه حرارت بدن خود، مورد استفاده قرار می دهد. و این میزان در حدود 26 درجه سانتیگراد است، لذا درجه حرارت های پائین 26 یا بالای آن، از طریق عرق کردن یا لرزیدن، افزایش می دهد.

بعلاوه موارد فوق نیازمندیهای انرژی بطرق دیگری هم قابل تعیین است. مثلاً یک خانم باردار نسبت به خانم دیگر(غیر حامله) به میزان ده درصد انرژی بیشتری مصرف می کند.

یا مثلاً فردی که دچار بیماری عفونی است، نسبت به یک فرد سالم از انرژی بیشتری استفاده می کند.

بطور کلی یک کیلو گرم ماهیچه نسبت به یک کیلو گرم چربی انرژی بیشتری را می سوزاند.

لذا کسی که مقدار زیادی انرژی را برای ذخیره مورد استفاده قرار می دهند، انرژی را با آهنگ کندتری می سوزاند(البته در هر واحد وزن بدن)

همه مردم همیشه در حال استراحت نمی باشند، مثلاً ورزش کردن، انرژی بیشتری را می طلبد. هر چه ورزش سنگین تر باشد، مصرف انرژی به همان اندازه بیشتر خواهد بود.

 

جدول ذیل مصرف انرژی را در فعالیت های روزانه نشان می دهد:2

 

محاسبه ردپای محیط زیستی انسان در مصرف انرژی نهفته در مواد غذائی(food energy)

جدول انرژی نهفته در مواد غذائی:3

 

با استفاده از جدول یک، دو و سه میزان متابولیسم در زمان استراحت، مقدار کل انرژی استفاده شده از محیط زیست در یک روز کاری برای هر فرد به شرح ذیل تعیین می گردد.

114+5+815+218+208+774+440+160+240=2864کیلو کالری

2864+1417=4281متابولیک در زمان استراحت

 

تفسیر ردپای محیط زیستی ناشی از مصرف انرژی ناشی ازمصرف غذا، با توجه به اینکه تغییر وزن را می شود، از اختلاف بین انرژی خورده شده (Energy eaten) و انرژی مصرف شده(Energy used) بدست آورد، لذا داریم یک کیلوگرم وزن بدن معادل در حدود 7700کیلوکالری به ترتیب  ذیل ا ست:

بالانس هفتگی وزن 1.28-= 7 *0.18-=7700 /4281-2864 =kg/day تغییر وزن

اعداد فوق متفاوت بوده و هرروز تغییر میکنند.

لذا، اختلاف فوق را در 7 ضرب کرده و میزان بالانس و تعادل هفتگی را محاسبه        می کنیم.

اگر از انرژی بیشتر از میزان مصرف استفاده کنیم، عدد بدست آمده مثبت است و بدین معنی است که در حال اضافه وزن هستیم.

اگر از انرژی به میزان کمتری که نیاز داریم استفاده کنیم، عدد بدست آمده منفی است و ما در حال کاهش وزن هستیم.

اگر میزان انرژی استفاده شده، با میزان انرژی مصرف شده مساوی گردد، بدین معنی است که وزن ثابت است.

لذا برای افزایش وزن، کاهش وزن و ثبات وزن از فرمول فوق استفاده می شود.

بدین ترتیب اگر فردی با استعانت از فرمول فوق، پی ببرد که افزایش وزن پیدا می کند، می تواند با بالانس بین انرژِی خورده شده و با انرژی استفاده شده جلوی افزایش وزن خود را بگیرد.

عکس این قضیه نیز صادق است. کاهش وزن  را با بالانس و افزایش خوراکیها نیز می توان جبران کرد.

 

در مبحث قبل توضیح دادیم که موجودات زنده عمدتاً انرژی را برای شش هدف مشخص مورد استفاده قرار می دهند. این اهداف عبارتند از:

1- برقراری نظم و سازماندهی(موجودات زنده)

2- رشد.

3- ذخیره انرژی برای روزهای سخت.

4- تولید مثل(تکثیر و  ازدیاد نسل)

5- حفاظت از خود در برابر ناملایمات.

6- دستیابی به انرژی بیشتر.

راجع به برقراری نظم به تفصیل در صفحات قبل بحث کردیم، در این گفتار راجع به رشد با استفاده از انرژی، بحث خواهیم کرد.

رشد(Growth): در موجودات زنده فرآیندی است که بواسطه آن اجزاء ساختمان بدن موجودات از قبیل استخوانها و ماهیچه ها بزرگتر و قویتر می گردند، این فرآیندها معمولاً پروسه های بلوغ(maturation) نام گرفته اند.

فرآیند رشد بلوغ موجودات زنده  را میسر و شکل و شمایل آنها را نیز تغییر می دهند و به نقطه ای می رساند که می توانند جفت گیری کرده و تولید مثل کنند.

بعضی از موجودات با بالغ شدن، شکل و شمایل خود را نیز حفظ می کنند، ولی گونه های زیادی هستند که با بزرگ شدن تدریجی شکل و شمایل آنها بطرز حیرت آوری نیز تغییر می کند، این فرآیند دگردسی(metamorphosis) نام دارد.

بعنوان مثال: حشرات به نحو بارزی چرخه رشد راطی مینمایند و بدین ترتیب فرآیند دگردیسی را بخوبی طی می کنند.

حشرات در این دوره، زندگی را که به شکل کرم(Womr-like) آغاز می کنند ، در این مرحله از رشد لارو(Larvae) نام گرفته و پس از شش روز تغذیه بدون توقف ،دیواره لارو به شکل حفره های نازکی در می آید که پوپا(Pupae) نام دارد و چهار روز بعد تبدیل به حشره بالغ می گردد و حشره در این مرحله نیز چهار روز وقت دارد، جفت خود را پیدا کرده و تولید  مثل صورت گیرد. و از آنجائیکه این موجودات گرمای بدن خود از محیط  می گیرند، زنده ماندن در مرحله چهارم(مرحله تولید مثل) بستگی به شرایط محیط دارد. هر چه محیط مساعد تر باشد، زندگی حشرات طولانی تر است.

موجودات دیگر شامل بعضی از دوزیستان، قورباغه ها ، بعضی از جانوران دریائی نیز به صورت دگردیسی، تحقق می یابد.

علت اینکه این گونه های جانوری بدین صورت پا به عرصه حیات می گذارند، دقیقاً مشخص نیست، شاید یکی از دلایل مهم آن نحوه استفاده و برداشت از انرژی باشد و برای بدست آوردن اسان تر به انرژی، دگردیسی کار را آسان تر میکند و بدلیل توقف و سکون موجود در مراحل رشد، از انرژی کمتری استفاده می شود و کارائی بالاتری بدست می آید.

بعبارتی برای رشد موجودات زنده بدین صورت، طبیعت، استفاده بهینه از انرژی را برای آنها محقق ساخته است و این یک مکانیزم حفاظت و پایداری انرژی در مرحله رشد است.

 

ذخیره انرژی در بدن موجودات زنده:

اغلب موجودات زنده، مخصوصاً انسان در طول روز چند بار غذا می خورند و این نظم در عذا خوردن یکی از استثناعاتی است که بر بعضی از موجودات حاکم است و تقریباً از مدار قانون خارج می باشد.

در عوض تعداد زیادی از گونه های دیگری از گیاهان و جانوران، در مناطقی زندگی می کنند که موجودی غذا و انرژی، نامنظم و دستیابی به آن قدری مشکل است.

بعنوان مثال: شرایط محیط زیستی (environmental conditions)مانند، سرمای بیش از حد، (cold temperature)اجازه نمی دهد که گیاهان در طول سال بخوبی عمل فتوسنتز (photosynthesis)را انجام دهند.

به همین ترتیب بعضی از جانوران نیز بدلیل مشکلاتی که در طول زندگی با آنها روبرو می شوند نمی توانند بصورت منظم انرژی را از محیط زیست دریافت کنند، مثلاً رابطه بین شکار و شکارچی در طبیعت، رابطه ای تصادفی است، و تا حدود زیادی به شانس(chance) بستگی دارد.

این مهم بدین معنی است که شکارچیان(جانوران) نمی توانند بصورت منظم و روزانه از انرژی برخوردار شوند.

لذا برای جبران روزهای سخت زندگی یعنی روزهای که نتوانند شکار کنند، مجبورند، مقدار زیادی کیلوکالری (kcals) از انرژی کسب کرده در گذشته را در بدن خود ذخیره نموده و بتدریج و در روزهای نداری از آن استفاده کنند.

بدین ترتیب، گیاهان، حیوانات چون نمی توانند منابع جدید انرژی را بصورت منظم و روزانه در اختیار داشته باشند، لذا انرژی ذخیره می کنند.

نیاز به ذخیره انرژی در میان موجودات زنده متفاوت است و بخشی  از آن به محیط زیست بستگی دارد.

بعضی از حیوانات در محیط هائی زندگی می کنند که هوا بسیار سرد است و یا نزولات جوی حادث نمی گردد و با این شرایط سخت محیطی، جانوران نمی توانند برای مدتی طولانی انرژی بدست آورند، لذا در این گونه مواقع میزان سوخت و ساز درون سلولی بنیادین(BMR) این حیوانات بطرز حیرت آوری تنظیم و در عین حال تنزیل می یابد.

لذا خواب زمستانی(hibernation) حالتی است که میزان سوخت ساز پایه(بنیادین) حیوان را تا 99% کند می کند.

لذا حیوانات زمستان خواب هم نیاز به انرژی دارند و این انرژی انبار شده (stored) در طی ماههائی بوده است که حیوان غذای کافی در دست رس داشته است و مقداری از انرژی رابرای دوره های سخت ذخیره(storage) نموده است.

بعنوان مثال: خفاش های زمستان خواب، از انرژی انبار شده ائی را که در تابستان ذخیره کرده اند، استفاده می کنند.

بعضی از حیوانات دیگر نیز از انرژی ذخیره شده خود، استفاده می کنند، مثلاً شیرها که از هر شش شکار، فقط یک موقعیت دارند، برای چند روزی می توانند از انرژی ذخیره شده استفاده کنند.

گیاهان نیز در مواردی به ذخیره انرژی می پردازند و در روزهای سخت از آن استفاده می کنند.

بعنوان مثال: سیب زمینی و هویج مقدار زیادی انرژی (شکر) را در فصل رشد، در خود انبار می کنند، غلظت بالای انرژی در این ریشه ها غذائی لذیذ و مناسب برای انسانها و سایر موجودات زنده است.

البته مکانیزمی که باعث می گردد، حیوانات و گیاهان انرژی را بدین طریق ذخیره کنند، توسط انتخاب طبیعی شکل می گیرد.

اغلب حیوانات بخش قابل ملاحظه ای از انرژی خود را در شکل چربی، ذخیره می کنند، در صورتیکه گیاهان این مقدار قابل ملاحظه انرژی را در شکل هیدراتهای کربن(Carbonydrates) ذخیره می نمایند.

راستی چرا مکانیزم انتخاب طبیعی ذخیره چربی را در بدن موجودات میسر می گرداند؟

چربیها در بدن حیوانات مزایا و مضاری دارند، مضار آنها این است که در مایعات بدن غیر قابل حل می باشند و حرکت آنها در مایعات بدن بسیار سخت و مشکل است، مزایای چربیها، این است که حیوانات از آنها برای عایق و جلوگیری از سرما استفاده می کنند.

یکی از ویژه گیهای بسیار مهم و منحصر به فرد چربیها، انبار شدن مقدار زیادی  انرژی در آنهاست، در واقع یک گرم چربی قادر است دو برابر یک گرم پروتئین یا نشاسته انرژِی را  در خود ذخیره نماید.

این ظرفیت انباره ائی بالا ،برای جانوران بسیار حیاتی و اساسی است .حیوانات میتوانند توسط این مقدار انرژی اضافی و ذخیره شده به این طرف و آن طرف نقل و مکان نمایند.

اساساً قدرت و توانمندی یک حیوان برای بدست آوردن غذا و یا فرار از مهلکه و در نتیجه احتمال افزایش ازدیاد نسل(تولید مثل) ، با انبار و ذخیره کردن مقدار زیاد انرژی با حداقل میزان وزن(حیوان)، افزایش می یابد.

مزیت های تحرک(جابجائی) افزایش یافته همراه با چربیها بر مضارهمراه با ذخیره کردن انرژی در آنها، می چربد.

این مضار بر منافع گیاهان ساکن، نیز چربش فراوان دارد، احتیاج به حرکت و نقل و مکان به اطراف نیز{ جائیکه حیوانات چربیها را در بدنشان انبار می کنند} تاثیرات فراوانی دارد.

اگر چربیها نزدیک حرکت جاذبه انبار گردد، تحرکات و نقل و مکان ها نیز افزایش می یابد. مرکز جاذبه بدن انسان و حیوانات درواقع قسمت تحتحانی شکم است و در نتیجه سازگار، با فشارهای مکتسبه برای ذخیره انرژی و نهایتاً ایجاد تحرک می باشد، لذا مردم تمایل دارند که وزن خود را در جمیع جهات افزایش دهند.

تجمع انرژی و ذخیره آن در انباره های چربی و سایر انبارک های پروتئین، نشاسته ها و غیره به موجودات کمک می کند که در برابر ناملایمات با استفاده انرژی ذخیره، مقاومت کرده و به حیات خود ادامه دهند و با انتخاب طبیعی سازگاری کاملی بین موجود و محیط زیست  و زنده ماندن، حادث می گردد.

تولید مثل در محیط زیست(reproduction):

سرنوشت همه موجودات زنده در محیط زیست سیاره زمین نهایتاً فنا و نابودی است. البته بعضی زودتر و برخی و مقداری دیگر دورتر در چنگال وحشتناک مرگ فرو خواهند رفت.

این اتفاق غم انگیز و در عین حال محتوم به صور مختلف بر همه موجودات جاری و ساری می گردد.

مثلاً بعضی از حشرات زندگی چند روزه و چند هفته ای دارند و در عوض سایر حیوانات از جمله انسان هوشمند، برای سالیان دراز و دهه ها، زنده می مانند و زندگی می کنند.

به نظر می رسد این دورانها در مقایسه با سن بشر، بسیار زیاد باشد، ولی حتی در مقایسه با میلیاردها سال زندگی موجودات زنده روی زمین بسیار کوتاه است.

موفقیت زنده ماندن و زندگی کردن موجودات زنده بر اساس قدرت و توانمندی تولید مثل آنها است، تولید مداوم نسل و بر جای نهادن فرزندان برای تداوم حیات روی کره زمین، اساسا ممکن است بلحاظ فلسفی همواره این سئوال در ذهن خطور کند که انتخاب طبیعی به نفع تولید مثل برای مدت طولانی در موجودات زنده وارد عمل گردیده است.

ولی پاسخ به این سئوال بصورت صد در صد ممکن نیست، یکی از احتمالات بسیار قوی می تواند انتخاب طبیعی و جریان انرژی در سیستمهای حیات باشد، پس پاسخ احتمالی به تداوم نسل و تولید مثل، به لحاظ طبیعی و ساختاری ساری و جاری گشتن جریان انرژی در سیستمهای حیات است.

انتخاب طبیعی، ساز و کارهائی دارد که توسط آنها، موجودات زنده قادر می گردند، بیشترین تعداد فرزندآوری را داشته باشند. و بدین ترتیب نسل های آینده را شکل می گیرد.

برای انجام این مهم، موجودات زنده بخش قابل ملاحظه ای از انرژی را برای تولید مثل اختصاص می دهند، گرچه این میزان انرژی برای تولید مثل بخش کوچکی(یک درصد) از کل انرژیِ موجودات زنده میباشد، ولی بسیار مهم، بارز و با اهمیت است.

در بعضی از حالت ها، طرحی استخدام می گردد که والدین می توانند، مواظبت از فرزندان  خود را بطور قابل قبول و در عین حیرت انگیزی افزایش دهند و نیز می توانند فرزندان بیشتری را تحویل اجتماعات گیاهی، حیوانی و انسانی دهند و بطور کلی ظرفیت پذیری محیط زیست را بالا ببرند.

فرآیند فرزندآوری و مواظبت که اختصاص سهم  مهمی از انرژی  محیط زیست به  این امر صورت می پذیرد را مکانیزم تولید مثل (Reproduction) می نامند.

استفاده از انرژی برای تولید مثل، میزان انرژی مورد نیاز و در دست رس را برای سایر استفاده ها نیز میسر میسازد.

بعنوان مثال،انرژی قادر است  سوخت و ساز درون سلولی، را کاهش دهد. لذا انتخاب طبیعی موجوداتی را که برای تولید فرزند از انرژی استفاده می کنند، حمایت کرده و اگر این حمایت و پشتیبانی صورت نگیرد، موجودات تلاش خواهند کرد تا ناملایمات و امراض بدن خود را ترمیم نمایند و بجای تولید مثل از انرژی برای ادامه حیات بیشتر برخوردار شوند و در چنین حالتی تولید مثل میسر نمیگردد.

اگر این وضعیت در دراز مدت ادامه یابد، موجودات بدون  تولید نسل ادامه حیات داده و در نهایت میمیرند . این مردن و از بین رفتن به معنای کاهش نسل و نهایتاً انقراض گونه ها را بدنبال خواهد داشت.

باید توجه داشت که انرژی اختصاص داده شده برای تولید مثل، در زمان تولید متوقف نمی شو. اغلب گونه ها برای فرزند آوری که در واقع مواظبت و حمایت از فرزندان را نیز در بر می گیرد و تحت عنوان دودمان داری(Parenting) از آن نام برده می شود، به این مهم می پردازند.

 

 

 

لذا دودمان داری و محافظت از فرزندان نیز مستلزم  استفاده از مقدار قابل ملاحظه ای از انرژی می باشد.

بعنوان مثال: نهنگ ماده خاکستری اقیانوس آرام(Female Pacific gray Whale) تقریباً 25 درصد از وزن بدن خود را برای پرستاری از فرزندان  به این امر اختصاص میدهد و بدین ترتیب در طول دوران حمایت از فرزندان کاهش وزن (25 درصد) دارد.

به همین ترتیب گونه های انسانی نیز ، مقداری زیادی انرژی (هزینه) برای دودمانداری، محافظت، پرورش و حمایت از فرزندان تا سنین بالا،( معمولاً از زمان تولد تا 25 سالگی) به مصرف می رسانند.

بعنوان مثال: در کشور امریکا برای حمایت ازهر فرزند جمعاً به میزان 240000 دلار در سال 1999، انرژی مصرف گردید، این میزان در کشورهای اسلامی فوق العاده بیشتر است.

موفقیت استراتژی تولید مثل تا حدود زیادی بستگی به محیط زیست و شرایط آن دارد. در محیط زیست هائی که نسبتاً رقابت در حد پائینی قرار دارد ،انتخاب طبیعی باعث می گردد که موجودات بخش قابل ملاحظه ای از انرژی خود را به تولید مثل بیشتر اختصاص دهند. و در طول چرخه عمر خود به تولید مثل و حمایت از فرزندان بپردازند

 

انرژی و حفاظت موجودات زنده محیط زیست:

از خود تغذیه کردن (Autotrophy) و موجودات زنده دیگر را خوردن(Heterotophy)، راههای معمولی است که موجودات زنده، به زندگی ادامه می دهند.

نظر به اینکه گیاهان و حیوانات منابعی سرشار از انرژی هستند، لذا برای اینکه براحتی در دست رس قرار نگیرند، به انواع حیل و روشها از خود حمایت و حفاظت می کنند.

موجودات زنده برای حفاظت از خود به انواع مکانیزمهای بازدارنده از خطر متوسل می شوند و مقدار زیادی از انرژی خود را که از محیط زیست کسب کرده اند صرف گسترش این تجهیزات(مکانیزم های دفاعی) می نمایند.

تولید شاخ، چنگالهای قوی و برنده، دندانهای ضخیم و تیز و حتی سرعت بالای دویدن و فرار از خطر، پنهان شدن و خود  را به شکل محیط درآوردن، همه و همه مکانیزمهائی است که برای محافظت و زنده ماندن در موجودات بکار می روند.

و اما گیاهان چگونه از خود محافظت می کنند؟

شاید در نگاه اول به نظر رسد که گیاهان در دفاع از خود، فاقد هر گونه مکانیزمی هستند، ولی واقعیت این گونه نیست، گیاهان نیز برای دفاع از خود و حفاظت در برابر انواع ناملایمات مکانیزمهای متنوعی در اختیار دارند و با استفاده از انرژی تولیدی خود که از محیط زیست اخذ کرده اند به این مهم مبادرت می ورزند.

بعنوان مثال: گیاهان بدلیل احتیاج مبرم به نور خورشید و در نتیجه تولید مواد غذای برای خود و دیگران مجبور هستند که در فضای باز(open) زندگی کنند.و نمی توانند همانند دیگر موجودات خود را پنهان نمایند، با توجه به آنالیزهای  دقیق صورت گرفته  گیاهان برای انجام اینمهم(حفاظت از خود) ، بخش قابل ملاحظه ای از انرژی خود را برای پرکردن برگ ها، ریشه ها و ساقه ها از مواد شیمیائی {که حیوانات را از خوردن آنها برحذر می دارند }مورد استفاده قرار می دهند.

مواد شیمیائی با تولید کردن بوی بد و زننده  گیاه را برای خوردن نامطبوع مینمایند و بدین طریق رشد گیاه با مصون شدن از خطر ادامه می یابد.

لذا مواد شیمیائی بد بوئی که گیاهان تولید می کنند، محافظ اصلی آنها در برابر حملات بی امان حیوانات دیگر تلقی می گردد.

البته بعضی از حیوانات نیز برای دفاع از خود، مواد شیمیائی سمی نیز تولید می کنند.

بعنوان مثال: مارها، عقرب ها و سایر موجودات دیگر برای محافظت از این مکانیزم دفاعی پرقدرت استفاده می کنند، برای تولید این نیروی بازدارنده، مقدار قابل موثری از انرژی خود را نیز به این مهم اختصاص می دهند.

بعضی از حیوانات نیز با توسعه رنگ ها ی مختلف که به نظر سمی می رسند، از خود دفاع می کنند، این موجودات با تولید رنگ قرمز، سیاه و زرد با صرف نظر از سمی بودن آنها تولید شده و به عنوان مکانیزم دفائی مورد استفاده قرار میگیرند.

بعضی از گونه ها برای محافظت ،خود را به شکل محیط اطراف در می آورند و با این طریق خود را از گزند دیگر موجودات در امان نگه می دارند.

بدین ترتیب موجودات، گیاهان و حیوانات برای اینکه در برابر ناملایمات، از خود محافظت کنند، مقداری از انرژی کسب شده از محیط زیست را به این مهم اختصاص میدهند

انرژی  و انتخاب طبیعی:

راههای زیادی برای دستیابی به انرژیِ و استفاده از آن توسط موجودات وجود دارد.

نحوه دستیابی به انرژی، توسط مکانیزم انتخاب طبیعی (Natural selection) ، تحقق می یابد، لذا نقش انتخاب طبیعی با این سئوال شفاف می گردد و آن اینکه چرا حیوانات با اکسیژن(O2) نفس می کشند؟

پاسخ این است که موجودات چند روش بیوشیمیائی تبدیل غذا به انرژی را ِ گسترش داده و  فرآیند تنفس (Respiration)بوجود اورده اند.

راه دیگری که می شود غذا به انرژی تبدیل شود ، استفاده از  اکسیژن است که از طریق نفس کشیدن صورت می گیرد. این فرآیند ،تنفس هوازی(Aerobic Respiration) نام دارد.

اغلب موجودات از طریق تنفس هوازی یعنی استفاده از اکسیژن غذا را به انرژی تبدیل می نمایند.

راستی چرا اغلب موجودات از طریق تنفس هوازی غذا را به انرژی تبدیل می کنند؟

پاسخ این است که تنفس هوازی مقدار انرژی آزاد شده نسبت به تنفس غیر هوازی، بسیار فراوانتر و بیشتر خواهد بود.

در تنفس غیر هوازی مکانیزم تولید انرژی بصورت ذیل است:

انرژی + 6H2O + 2C3H6O3 _____ 6O2 + C6H12O6

در معادله فوق، محصول فرعی لاکتوز ومقداری انرژِی خواهد بود، در عوض در تنفس هوازی داریم:

انرژی + 6H2O + 6CO2 _____ 6O2 + C6H12O6

در معادله تنفس هوازی، محصولات عبارتند از:

دی اکسید کربن، آب و مقدار زیادی انرژی.

تفاوت بین دو مکانیزم تولید انرژی از غدا بدین صورت است که تنفس غیر هوازی در یک مولکول گلوکز به میزان 47 واحد انرژی بدست می آید، در صورتیکه در تنفس هوازی از همان مولکول به مقدار 686 واحد انرژی حاصل می گردد، بعبارت دیگر موجوداتیکه از تنفس هوازی پیروی می کنند، پانزده برابر انرژی بیشتری تولید می نمایند.

این تفاوت بدین معنی است، که موجودات هوازی، برای سوخت و ساز درون سلولی، رشد، تولید مثل، حفاظت و بدست آوری غذا انرژی بیشتری را مورد استفاده قرار میدهند.

بر اساس مزیت فوق، موجوداتی که بنحو بارزی به تنفس هوازی وابسته اند، قادر خواهند بود در رقابت با موجوداتی که از تنفس غیر هوازی استفاده می کنند، پیروز گشته و از اکسیژن محیط بهره کافی و وافی ببرند.