معلومة

44.2 د: المغذيات غير العضوية وعوامل أخرى - علم الأحياء


تعتبر بنية التربة وتوافر الأكسجين والرياح والنار من العوامل اللاأحيائية التي تؤثر على توزيع الأنواع وكميتها.

أهداف التعلم

  • تحديد المزيد من العوامل اللاأحيائية التي تؤثر على توزيع الأنواع ووفرتها

النقاط الرئيسية

  • تؤثر بنية التربة ودرجة الحموضة ومحتواها من العناصر الغذائية على توزيع النباتات ، مما يؤثر بدوره على توزيع الحيوانات التي تتغذى عليها.
  • يعد توفر الأكسجين عاملاً غير حيوي مهم يؤثر على الأنواع في كل من البيئات المائية والبرية.
  • تفرض الرياح والنار اضطرابات جسدية يجب أن تتكيف معها الأنواع لتعيش في المناطق المتأثرة.

الشروط الاساسية

  • غير عضوي: يتعلق بمركب لا يحتوي على كربون
  • النتح: فقدان الماء عن طريق التبخر في النباتات الأرضية ، وخاصة من خلال الثغور ؛ يرافقه امتصاص مماثل من الجذور

عوامل غير حيوية مهمة أخرى

تعتبر العناصر الغذائية غير العضوية ، وهيكل التربة ، وتوافر الأكسجين المائي من العوامل اللاأحيائية الأخرى التي تؤثر على توزيع الأنواع في النظام البيئي. وينطبق الشيء نفسه على العوامل الأرضية ، مثل الرياح والنار ، والتي يمكن أن تؤثر على أنواع الأنواع التي تعيش في المناطق المعرضة لهذه الأنواع من الاضطرابات.

المغذيات غير العضوية والتربة

المغذيات غير العضوية ، مثل النيتروجين والفوسفور ، مهمة في توزيع ووفرة الكائنات الحية. تحصل النباتات على هذه العناصر الغذائية غير العضوية من التربة عندما ينتقل الماء إلى النبات عبر الجذور. لذلك ، تلعب بنية التربة (الحجم الجزيئي لمكونات التربة) ودرجة حموضة التربة ومحتوى التربة المغذي دورًا مهمًا في توزيع النباتات. تحصل الحيوانات على العناصر الغذائية غير العضوية من الطعام الذي تستهلكه. لذلك ، ترتبط التوزيعات الحيوانية بتوزيع ما يأكلونه. في بعض الحالات ، تتبع الحيوانات مواردها الغذائية أثناء انتقالها عبر البيئة.

توافر الأكسجين

بعض العوامل اللاأحيائية ، مثل الأكسجين ، مهمة في النظم الإيكولوجية المائية وكذلك البيئات الأرضية. تحصل الحيوانات الأرضية على الأكسجين من الهواء الذي تتنفسه. يمكن أن يكون توفر الأكسجين مشكلة للكائنات الحية التي تعيش على ارتفاعات عالية جدًا ، حيث يوجد عدد أقل من جزيئات الأكسجين في الهواء. في الأنظمة المائية ، يرتبط تركيز الأكسجين المذاب بدرجة حرارة الماء والسرعة التي يتحرك بها الماء. الماء البارد يحتوي على أكسجين مذاب أكثر من الماء الدافئ. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تكون الملوحة وتيار المياه والمد والجزر عوامل غير حيوية مهمة في النظم الإيكولوجية المائية.

العوامل الأرضية الأخرى

يمكن أن تكون الرياح عاملاً غير حيوي مهم لأنها تؤثر على معدل التبخر والنتح. تعتبر القوة الفيزيائية للرياح مهمة أيضًا لأنها يمكن أن تحرك التربة أو الماء أو عوامل غير حيوية أخرى ، بالإضافة إلى كائنات النظام البيئي.

تعتبر النار عاملاً أرضيًا آخر يمكن أن يكون عاملاً هامًا في اضطراب النظم البيئية الأرضية. تتكيف بعض الكائنات مع النار ، وبالتالي تتطلب الحرارة العالية المرتبطة بالنار لإكمال جزء من دورة حياتها. على سبيل المثال ، تتطلب شجرة الصنوبر ، وهي شجرة صنوبرية ، حرارة من النار حتى تفتح مخاريط بذورها. من خلال حرق إبر الصنوبر ، تضيف النار النيتروجين إلى التربة وتحد من المنافسة عن طريق تدمير الشجيرات.


المغذيات والعوامل اللاأحيائية الأخرى التي تؤثر على المجتمعات البكتيرية في نهر أوهايو (الولايات المتحدة الأمريكية)

يمكن أن تؤدي إضافات النيتروجين والفوسفور من مصادر بشرية المنشأ إلى تغيير تجمع المغذيات في النظم المائية ، سواء من خلال زيادة تركيزات المغذيات أو التغيرات في قياس العناصر المتفاعلة. نظرًا لأن البكتيريا مهمة في دورة المغذيات وشبكات الغذاء المائية ، فإن المعلومات حول كيفية تأثير العناصر الغذائية على المجتمعات البكتيرية تعزز فهمنا لكيفية تأثير التغيرات في تركيزات المغذيات وقياس العناصر الكيميائية على النظم البيئية المائية ككل. في هذه الدراسة ، تم فحص المجتمعات البكتيرية في الأغشية الحيوية من الحصى التي تم جمعها عبر المواسم في ثلاثة مواقع على طول نهر ماهونينج (أوهايو) بمستويات مختلفة من مدخلات المغذيات غير العضوية. أعضاء البكتيريا البروتينية ألفا وبيتا وغاما ، و Cytophaga – Flavobacteria الكتلة ، وتم تعداد البكتيريا المجال باستخدام الفلورسنت فى الموقع تهجين. كشف تحليل المراسلات الكنسية (DCCA) أن النسب المتكافئة ، خاصة النيتروجين غير العضوي المذاب (DIN): نسبة الفوسفور التفاعلي القابل للذوبان (SRP) المولية (NO).2/لا3 + نيو هامبشاير4: الفسفور التفاعلي القابل للذوبان) ، مع وفرة الأنواع البكتيرية المختلفة. ومع ذلك ، كانت الأنماط معقدة بسبب الارتباط مع تركيزات المغذيات الفردية والتغيرات الموسمية في درجة الحرارة. يبدو أن الدورات الموسمية تلعب دورًا مهمًا في هيكلة المجتمع ، حيث كانت هناك مجتمعات شتوية متميزة وكانت درجة الحرارة مرتبطة سلبًا بوفرة كل من البكتيريا البروتينية ألفا و Cytophaga – Flavobacteria. ومع ذلك ، يبدو أن العناصر الغذائية وقياس العناصر المتفاعلة تؤثر أيضًا على المجتمع. ارتبطت أعداد الخلايا المهجنة لمسبار بكتيريا المجال مع نسبة DOC: DIN ، وكان للبكتيريا البروتينية بيتا ارتباط سلبي بتركيزات الفسفور التفاعلي القابل للذوبان وعلاقة إيجابية مع نسبة DIN: SRP ، و Cytophaga – Flavobacteria كان له ارتباط جزئي سلبي كبير مع نسبة DIN: SRP. لم تكن وفرة البكتريا البروتينية ألفا أو جاما مرتبطة ارتباطًا مباشرًا بتركيزات المغذيات أو قياس العناصر الكيميائية. يبدو أن قياس العناصر الغذائية قد يكون عاملاً مهمًا في هيكلة المجتمعات البكتيرية ، ومع ذلك ، فهو أحد العوامل العديدة ، مثل درجة الحرارة ، التي ترتبط ببعضها البعض ويجب أخذها في الاعتبار عند دراسة البكتيريا البيئية.

هذه معاينة لمحتوى الاشتراك ، والوصول عبر مؤسستك.


44.2 الجغرافيا الحيوية

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • تحديد الجغرافيا الحيوية
  • قائمة ووصف العوامل اللاأحيائية التي تؤثر على التوزيع العالمي للأنواع النباتية والحيوانية
  • قارن بين تأثير القوى اللاأحيائية على البيئات المائية والبرية
  • لخص آثار العوامل اللاأحيائية على صافي الإنتاجية الأولية

تؤثر العديد من القوى على مجتمعات الكائنات الحية الموجودة في أجزاء مختلفة من المحيط الحيوي (جميع أجزاء الأرض التي تسكنها الحياة). يمتد الغلاف الحيوي إلى الغلاف الجوي (عدة كيلومترات فوق الأرض) وإلى أعماق المحيطات. على الرغم من اتساعها الظاهر بالنسبة للإنسان ، إلا أن المحيط الحيوي يشغل مساحة دقيقة فقط عند مقارنته بالكون المعروف. تؤثر العديد من القوى اللاأحيائية على مكان وجود الحياة وأنواع الكائنات الحية الموجودة في أجزاء مختلفة من المحيط الحيوي. تؤثر العوامل اللاأحيائية على توزيع المناطق الأحيائية: مساحات شاسعة من الأرض ذات مناخ مماثل ، ونباتات ، وحيوانات.

الجغرافيا الحيوية

الجغرافيا الحيوية هي دراسة التوزيع الجغرافي للكائنات الحية و حقيقة غير حيويةأو التي تؤثر على توزيعها. تختلف العوامل اللاأحيائية مثل درجة الحرارة وهطول الأمطار بناءً على خطوط العرض والارتفاع. مع تغير هذه العوامل اللاأحيائية ، يتغير أيضًا تكوين المجتمعات النباتية والحيوانية. على سبيل المثال ، إذا كنت ستبدأ رحلة عند خط الاستواء وتمشي شمالًا ، فستلاحظ تغيرات تدريجية في مجتمعات النباتات. في بداية رحلتك ، سترى غابات استوائية رطبة بأشجار دائمة الخضرة عريضة الأوراق ، وهي سمة من سمات المجتمعات النباتية الموجودة بالقرب من خط الاستواء. أثناء سفرك إلى الشمال ، سترى هذه النباتات دائمة الخضرة عريضة الأوراق تؤدي في النهاية إلى غابات جافة موسمية بأشجار متناثرة. ستبدأ أيضًا في ملاحظة التغيرات في درجة الحرارة والرطوبة. عند حوالي 30 درجة شمالًا ، تفسح هذه الغابات الطريق للصحاري التي تتميز بقلة هطول الأمطار وارتفاع نسبة التشمس (ضوء الشمس).

عند الانتقال إلى الشمال بعيدًا ، سترى أن الصحاري يتم استبدالها بالأراضي العشبية أو البراري. في نهاية المطاف ، يتم استبدال الأراضي العشبية بغابات معتدلة الأوراق. تفسح هذه الغابات المتساقطة الطريق للغابات الشمالية والتايغا الموجودة في المنطقة القطبية الجنوبية الفرعية ، وهي المنطقة الواقعة جنوب الدائرة القطبية الشمالية. أخيرًا ، ستصل إلى التندرا في القطب الشمالي ، والتي توجد في أقصى خطوط العرض الشمالية. تكشف هذه الرحلة الشمالية عن تغيرات تدريجية في كل من المناخ وأنواع الكائنات الحية التي تكيفت مع العوامل البيئية المرتبطة بالنظم البيئية الموجودة في خطوط العرض المختلفة. ومع ذلك ، توجد أنظمة بيئية مختلفة على نفس خط العرض ويرجع ذلك جزئيًا إلى عوامل غير حيوية مثل التيارات النفاثة ، تيار الخليج ، وتيارات المحيط. إذا كنت ستصعد جبلًا ، فإن التغييرات التي قد تراها في الغطاء النباتي ستكون موازية من نواح كثيرة لتلك التي تنتقل إلى خطوط العرض الأعلى.

علماء البيئة الذين يدرسون الجغرافيا الحيوية يفحصون أنماط توزيع الأنواع. لا توجد أنواع في كل مكان على سبيل المثال ، فينوس صائدة الذباب (ديونايا موسيبولا) مستوطنة في منطقة صغيرة في شمال وجنوب كارولينا. الأنواع المستوطنة هي النوع الذي يوجد بشكل طبيعي فقط في منطقة جغرافية محددة والتي عادة ما تكون محدودة الحجم. الأنواع الأخرى عامة: الأنواع التي تعيش في مجموعة متنوعة من المناطق الجغرافية الراكون (بروسيون spp) على سبيل المثال ، موطنه معظم أمريكا الشمالية والوسطى.

أنماط توزيع الأنواع تستند إلى العوامل الحيوية واللاأحيائية وتأثيراتها خلال الفترات الطويلة جدًا اللازمة لتطور الأنواع ، لذلك ارتبطت الدراسات المبكرة للجغرافيا الحيوية ارتباطًا وثيقًا بظهور التفكير التطوري في القرن الثامن عشر. تحدث بعض التجمعات الأكثر تميزًا للنباتات والحيوانات في المناطق التي تم فصلها فعليًا لملايين السنين بسبب الحواجز الجغرافية. يقدر علماء الأحياء أن أستراليا ، على سبيل المثال ، لديها ما بين 600000 و 700000 نوع من النباتات والحيوانات. ما يقرب من 3/4 الأنواع الحية من النباتات والثدييات هي أنواع مستوطنة توجد فقط في أستراليا (الشكل 44.6 ب).

يكتشف علماء البيئة أحيانًا أنماطًا فريدة لتوزيع الأنواع من خلال تحديد مكان وجود الأنواع ليس وجدت. على الرغم من كونها استوائية ، إلا أن هاواي ، على سبيل المثال ، ليس لديها أنواع أصلية من الزواحف أو البرمائيات ، فقط عدد قليل من الأنواع المحلية من الفراشات ، وفقط حيوان ثديي أرضي محلي واحد ، وهو خفاش هواري. كمثال آخر ، تفتقر معظم غينيا الجديدة إلى الثدييات المشيمية.

ارتباط بالتعلم

شاهد هذا الفيديو لمشاهدة خلد الماء يسبح في بيئته الطبيعية في نيو ساوث ويلز ، أستراليا.

مثل الحيوانات ، يمكن أن تكون النباتات مستوطنة أو عامة: توجد النباتات المستوطنة فقط في مناطق معينة من الأرض ، بينما يوجد عامةون في العديد من المناطق. غالبًا ما تحتوي كتل اليابسة المعزولة - مثل أستراليا وهاواي ومدغشقر - على أعداد كبيرة من الأنواع النباتية المتوطنة. بعض هذه النباتات معرضة للخطر بسبب النشاط البشري. غاردينيا الغابة (جاردينيا بريغامي) ، على سبيل المثال ، مستوطنة في هاواي يُعتقد أن ما يقدر بـ 15-20 شجرة فقط موجودة (الشكل 44.7).

مصادر الطاقة

يتم التقاط الطاقة من الشمس بواسطة النباتات الخضراء والطحالب والبكتيريا الزرقاء والطلائعيات الضوئية. تقوم هذه الكائنات بتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية تحتاجها جميع الكائنات الحية. يمكن أن يكون توفر الضوء قوة مهمة تؤثر بشكل مباشر على تطور التكيفات في أجهزة البناء الضوئي. على سبيل المثال ، يتم تظليل النباتات الموجودة في الجزء السفلي من الغابة المعتدلة عندما تنطفئ الأشجار الموجودة فوقها في المظلة تمامًا في أواخر الربيع. ليس من المستغرب أن النباتات الصغيرة لديها تكيفات لالتقاط الضوء المتاح الذي يمر عبر المظلة بنجاح. أحد هذه التكيفات هو النمو السريع للنباتات الربيعية سريعة الزوال مثل جمال الربيع (كلايتونيا فيرجينيكا) (الشكل 44.8). تحقق أزهار الربيع هذه قدرًا كبيرًا من نموها وتنتهي من دورة حياتها (تتكاثر) في وقت مبكر من الموسم قبل أن تنمو أوراق الأشجار في المظلة.

في النظم البيئية المائية ، قد يكون توافر الضوء محدودًا لأن ضوء الشمس يمتص بواسطة الماء والنباتات والجسيمات العالقة والكائنات الحية الدقيقة المقيمة. بالقرب من قاع بحيرة أو بركة أو محيط ، توجد منطقة لا يستطيع الضوء الوصول إليها (لأن معظم الأطوال الموجية باستثناء أقصر درجات الأزرق يمتصها عمود الماء). لا يمكن أن يحدث التمثيل الضوئي هناك ، ونتيجة لذلك ، تطور عدد من التعديلات التي تمكن الكائنات الحية من البقاء على قيد الحياة بدون ضوء. على سبيل المثال ، تحتوي النباتات المائية على نسيج ضوئي بالقرب من سطح الماء. يمكنك التفكير في الأوراق العريضة العائمة لزنبق الماء - لا تستطيع زنابق الماء البقاء على قيد الحياة بدون ضوء. في بيئات مثل الفتحات الحرارية المائية ، تستخرج بعض البكتيريا الطاقة من المواد الكيميائية غير العضوية لأنه لا يوجد ضوء لعملية التمثيل الضوئي.

يعد توفر العناصر الغذائية في الأنظمة المائية مثل المحيطات أيضًا جانبًا مهمًا من جوانب الطاقة أو التمثيل الضوئي. تغرق العديد من الكائنات الحية في قاع المحيط عندما تموت في المياه المفتوحة عند حدوث ذلك ، يتم عزل الطاقة الموجودة في هذا الكائن الحي لبعض الوقت ما لم يحدث تدفق مياه المحيط. ارتفاع مياه المحيط هو ارتفاع مياه المحيطات العميقة الذي يحدث عندما تهب الرياح السائدة على طول المياه السطحية بالقرب من الساحل (الشكل 44.9). عندما تدفع الرياح مياه المحيط إلى البحر ، تتحرك المياه من قاع المحيط لتحل محل هذه المياه. ونتيجة لذلك ، تصبح العناصر الغذائية الموجودة في الكائنات الميتة متاحة لإعادة استخدامها من قبل الكائنات الحية الأخرى.

في أنظمة المياه العذبة ، مثل البحيرات ، تحدث إعادة تدوير العناصر الغذائية استجابةً لتغيرات درجة حرارة الهواء والرياح. يتم إعادة تدوير العناصر الغذائية الموجودة في قاع البحيرات مرتين كل عام: في الربيع والخريف معدل دوران. معدل دوران الربيع والخريف عبارة عن عمليات موسمية تعيد تدوير العناصر الغذائية والأكسجين من قاع بحيرة المياه العذبة إلى الجزء العلوي من البحيرة (الشكل 44.10). تحدث هذه التقلبات بسبب تكوين خط حراري: طبقات من الماء بدرجات حرارة تختلف اختلافًا كبيرًا عن تلك الموجودة فوقها وتحتها.

في فصل الشتاء ، يتجمد سطح البحيرات الموجودة في العديد من المناطق الشمالية. ومع ذلك ، فإن الماء الموجود تحت الجليد يكون أكثر دفئًا قليلاً ، والماء في قاع البحيرة يكون أكثر دفئًا عند 4 درجات مئوية إلى 5 درجات مئوية (39.2 درجة فهرنهايت إلى 41 درجة فهرنهايت). يكون الماء أكثر كثافة عند حوالي 4 درجات مئوية ، وبالتالي فإن المياه العميقة هي الأكثر كثافة أيضًا. أعمق المياه تفتقر إلى الأكسجين لأن تحلل المواد العضوية في قاع البحيرة يستخدم الأكسجين المتاح الذي لا يمكن استبداله عن طريق انتشار الأكسجين في سطح الماء ، بسبب طبقة الجليد السطحية.

اتصال مرئي

كيف يمكن أن يختلف دوران البحيرات الاستوائية عن دوران البحيرات الموجودة في المناطق المعتدلة؟ فكر في الاختلاف ، أو عدم الاختلاف ، في تغير درجة الحرارة الموسمية.

في فصل الربيع ، ترتفع درجات حرارة الهواء ويذوب الجليد السطحي. عندما تبدأ درجة حرارة سطح الماء في الاقتراب من 4 درجات مئوية ، يصبح الماء أثقل ويغرق في القاع. يتم بعد ذلك إزاحة المياه الموجودة في قاع البحيرة بواسطة المياه السطحية الأثقل والأكثر كثافة ، وبالتالي ترتفع إلى الأعلى. عندما ترتفع هذه المياه إلى الأعلى ، يتم جلب الرواسب والمغذيات من قاع البحيرة معها. هذا يسمى دوران الربيع. خلال أشهر الصيف ، تتراكم مياه البحيرة ، أو تشكل طبقات ، مع أكثر المياه دفئًا على سطح البحيرة.

مع انخفاض درجات حرارة الهواء في الخريف ، تبرد درجة حرارة مياه البحيرة إلى 4 درجات مئوية ، وهذا يسبب سقوط الدوران حيث يغوص الماء البارد الثقيل ويزيل الماء في القاع. ثم تنتقل المياه الغنية بالأكسجين الموجودة على سطح البحيرة إلى قاع البحيرة ، بينما ترتفع العناصر الغذائية الموجودة في قاع البحيرة إلى السطح (الشكل 44.10). خلال فصل الشتاء ، يتم استخدام الأكسجين الموجود في قاع البحيرة بواسطة المُحلِّلات والكائنات الحية الأخرى التي تتطلب الأكسجين ، مثل الأسماك. من المهم أن نلاحظ ، مع ذلك ، أن الشفافية النسبية للجليد تسمح أيضًا باختراق الأطوال الموجية الأقصر للضوء المرئي بحيث يمكن أن يستمر التمثيل الضوئي ، وخاصة بواسطة الطحالب.

درجة حرارة

تؤثر درجة الحرارة على فسيولوجيا الكائنات الحية وكذلك كثافة الماء وحالته. تمارس درجة الحرارة تأثيرًا مهمًا على الكائنات الحية لأن القليل من الكائنات الحية يمكن أن تعيش في درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت) بسبب قيود التمثيل الغذائي. من النادر أيضًا أن تعيش الكائنات الحية في درجات حرارة تتجاوز 45 درجة مئوية (113 درجة فهرنهايت) ، وهذا انعكاس للاستجابة التطورية لدرجات الحرارة النموذجية بالقرب من سطح الأرض. الإنزيمات هي الأكثر كفاءة ضمن نطاق ضيق ومحدّد من درجات الحرارة يمكن أن يحدث تدهور الإنزيم في درجات حرارة أعلى. لذلك ، يجب أن تحافظ الكائنات الحية على درجة حرارة داخلية أو يجب أن تعيش في بيئة تحافظ على الجسم ضمن نطاق درجة حرارة يدعم عملية التمثيل الغذائي. تكيفت بعض الحيوانات لتمكين أجسامها من تحمل التقلبات الكبيرة في درجات الحرارة ، مثل التي تظهر في السبات أو السبات الزاحف. وبالمثل ، تطورت بعض بكتيريا العتائق لتحمل درجات حرارة شديدة الحرارة مثل تلك الموجودة في السخانات داخل حديقة يلوستون الوطنية. هذه البكتيريا هي أمثلة على المتطرفين: الكائنات الحية التي تزدهر في البيئات القاسية.

يمكن أن تحد درجة حرارة (الماء والهواء) من توزيع الكائنات الحية. قد تستجيب الحيوانات التي تواجه تقلبات درجات الحرارة مع التكيفات ، مثل الهجرة ، من أجل البقاء على قيد الحياة. الهجرة ، الحركة المنتظمة من مكان إلى آخر ، هي تكيف موجود في العديد من الحيوانات ، بما في ذلك العديد من الحيوانات التي تعيش في المناخات الباردة الموسمية. الهجرة تحل المشاكل المتعلقة بالحرارة وتحديد مكان الطعام والعثور على رفيقة. على سبيل المثال ، Arctic Tern (الجنة ستيرنا) تقوم برحلة ذهابًا وإيابًا تبلغ 40.000 كم (24000 ميل) كل عام بين مناطق التغذية في نصف الكرة الجنوبي ومناطق تكاثرها في المحيط المتجمد الشمالي. فراشات العاهل (Danaus plexippus) يعيشون في شرق وغرب الولايات المتحدة في الأشهر الأكثر دفئًا ، حيث يتجمعون أعدادًا هائلة من السكان ، ويهاجرون إلى مناطق حول ميتشواكان والمكسيك وكذلك مناطق على طول ساحل المحيط الهادئ وجنوب الولايات المتحدة في فصل الشتاء. تقوم بعض أنواع الثدييات أيضًا برحلات مهاجرة. الرنة (رينجيفر تاراندوس) السفر حوالي 5000 كيلومتر (3100 ميل) كل عام للعثور على الطعام. تعتبر البرمائيات والزواحف أكثر محدودية في توزيعها لأنها تفتقر عمومًا إلى القدرة على الهجرة. ليست كل الحيوانات التي يمكنها الهجرة تفعل ذلك: فالهجرة تنطوي على مخاطر وتأتي بتكلفة عالية للطاقة.

بعض الحيوانات بيات شتوى أو خصب للبقاء على قيد الحياة في درجات حرارة معادية. يمكّن السبات الحيوانات من البقاء على قيد الحياة في ظروف البرد ، ويسمح التربية للحيوانات بالبقاء على قيد الحياة في الظروف المعادية للمناخ الحار والجاف. تدخل الحيوانات التي تسبت في حالة السبات أو الاستزراع حالة تعرف باسم سبات: حالة ينخفض ​​فيها معدل الأيض بشكل ملحوظ. وهذا يمكن الحيوان من الانتظار حتى تدعم بيئته بقائه بشكل أفضل. بعض البرمائيات مثل ضفدع الخشب (رنا سيلفاتيكا) ، تحتوي على مادة كيميائية شبيهة بمضاد التجمد في خلاياها ، والتي تحافظ على سلامة الخلايا وتمنعها من التجمد والانفجار.

ماء

المياه مطلوبة من قبل جميع الكائنات الحية لأنها ضرورية للعمليات الخلوية. نظرًا لأن الكائنات الأرضية تفقد الماء في البيئة ، فقد طورت العديد من التكيفات للاحتفاظ بالمياه.

  • تحتوي النباتات على عدد من الميزات المثيرة للاهتمام على أوراقها ، مثل شعر الأوراق والبشرة الشمعية ، والتي تعمل على تقليل معدل فقدان الماء عن طريق النتح والحمل الحراري.
  • كائنات المياه العذبة محاطة بالمياه وهي معرضة باستمرار لخطر اندفاع المياه إلى خلاياها بسبب التناضح. تطورت العديد من تكيفات الكائنات الحية التي تعيش في بيئات المياه العذبة لضمان بقاء تركيزات الذائبة في أجسامها ضمن المستويات المناسبة. أحد هذه التكيفات هو إفراز البول المخفف.
  • الكائنات البحرية محاطة بالماء بتركيز ذائب أعلى من الكائن الحي ، وبالتالي فهي معرضة لخطر فقدان الماء في البيئة بسبب التناضح. تمتلك هذه الكائنات تكيفات مورفولوجية وفسيولوجية للاحتفاظ بالمياه وإطلاق المواد المذابة في البيئة. على سبيل المثال ، الإغوانا البحرية (Amblyrhynchus cristatus) ، قم بإخراج بخار الماء الذي يحتوي على نسبة عالية من الملح من أجل الحفاظ على تركيزات الذائبة ضمن نطاق مقبول أثناء السباحة في المحيط وأكل النباتات البحرية.

المغذيات غير العضوية والتربة

تعتبر العناصر الغذائية غير العضوية ، مثل النيتروجين والفوسفور ، مهمة في تحديد توزيع ووفرة الكائنات الحية. تحصل النباتات على هذه العناصر الغذائية غير العضوية من التربة عندما ينتقل الماء إلى النبات عبر الجذور. لذلك ، تلعب بنية التربة (حجم الجسيمات لمكونات التربة) ودرجة حموضة التربة ومحتوى مغذيات التربة معًا دورًا مهمًا في توزيع النباتات. تحصل الحيوانات على العناصر الغذائية غير العضوية من الطعام الذي تستهلكه. لذلك ، ترتبط التوزيعات الحيوانية بتوزيع ما يأكلونه. في بعض الحالات ، تتبع الحيوانات مواردها الغذائية أثناء انتقالها عبر البيئة.

عوامل مائية أخرى

بعض العوامل اللاأحيائية ، مثل الأكسجين ، مهمة في النظم الإيكولوجية المائية وكذلك البيئات الأرضية. تحصل الحيوانات الأرضية على الأكسجين من الهواء الذي تتنفسه. يمكن أن يكون توفر الأكسجين مشكلة للكائنات الحية التي تعيش على ارتفاعات عالية جدًا ، ومع ذلك ، حيث يوجد عدد أقل من جزيئات الأكسجين في الهواء. في الأنظمة المائية ، يرتبط تركيز الأكسجين المذاب بدرجة حرارة الماء والسرعة التي يتحرك بها الماء. الماء البارد يحتوي على أكسجين مذاب أكثر من الماء الدافئ. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تكون الملوحة والتيارات وتغيرات المد والجزر عوامل غير حيوية مهمة في النظم الإيكولوجية المائية.

العوامل الأرضية الأخرى

يمكن أن تكون الرياح عاملاً غير حيوي مهم لأنها تؤثر على معدل التبخر والنتح وفقدان الحرارة بالحمل الحراري من سطح جميع الكائنات الحية. تعتبر القوة الفيزيائية للرياح مهمة أيضًا لأنها يمكن أن تحرك التربة أو الماء أو عوامل غير حيوية أخرى ، بالإضافة إلى كائنات النظام البيئي.

تعتبر النار عاملاً أرضيًا آخر يمكن أن يكون عاملاً هامًا في اضطراب النظم البيئية الأرضية. تتكيف بعض الكائنات مع النار ، وبالتالي تتطلب الحرارة العالية المرتبطة بالنار لإكمال جزء من دورة حياتها. على سبيل المثال ، جاك باين (Pinus bankiana) تتطلب حرارة من النار حتى تفتح مخاريط البذور (الشكل 44.11). من خلال حرق إبر الصنوبر ، تضيف النار النيتروجين إلى التربة وتحد من المنافسة عن طريق تدمير الشجيرات.

العوامل اللاأحيائية التي تؤثر على نمو النبات

تعتبر درجة الحرارة والرطوبة من العوامل المؤثرة الهامة على إنتاج النبات (الإنتاجية الأولية) وكمية المواد العضوية المتاحة كغذاء (صافي الإنتاجية الأولية). صافي الإنتاجية الأولية هو تقدير لجميع المواد العضوية المتاحة كغذاء ، ويتم حسابها على أنها إجمالي كمية الكربون الثابتة في السنة مطروحًا منها الكمية التي تتأكسد أثناء التنفس الخلوي. في البيئات الأرضية ، تقدر الإنتاجية الأولية الصافية عن طريق قياس الكتلة الحيوية فوق الأرض لكل وحدة مساحة ، وهي الكتلة الإجمالية للنباتات الحية ، باستثناء الجذور (التي يصعب قياس كتلتها). هذا يعني أن نسبة كبيرة من الكتلة الحيوية النباتية الموجودة تحت الأرض لم يتم تضمينها في هذا القياس. صافي الإنتاجية الأولية هو متغير مهم عند النظر في الاختلافات في المناطق الأحيائية. تتمتع المناطق الأحيائية عالية الإنتاجية بمستوى عالٍ من الكتلة الحيوية الموجودة فوق سطح الأرض.

إنتاج الكتلة الحيوية السنوي يرتبط ارتباطًا مباشرًا بالمكونات اللاأحيائية للبيئة. تنتج البيئات التي تحتوي على أكبر قدر من الكتلة الحيوية ظروفًا يتم فيها تحسين التمثيل الضوئي ونمو النبات وصافي الإنتاجية الأولية الناتجة. مناخ هذه المناطق دافئ ورطب. يمكن أن يستمر التمثيل الضوئي بمعدل مرتفع ، ويمكن أن تعمل الإنزيمات بكفاءة أكبر ، ويمكن أن تظل الثغور مفتوحة دون التعرض لخطر النتح المفرط معًا ، وهذه العوامل تؤدي إلى أقصى قدر من ثاني أكسيد الكربون (CO)2) الانتقال إلى المصنع ، مما يؤدي إلى زيادة إنتاج الكتلة الحيوية. تنتج الكتلة الحيوية الموجودة فوق الأرض العديد من الموارد المهمة للكائنات الحية الأخرى ، بما في ذلك الموائل والغذاء. على العكس من ذلك ، تتميز البيئات الجافة والباردة بمعدلات أقل في التمثيل الضوئي وبالتالي كتلة حيوية أقل. ستتأثر المجتمعات الحيوانية التي تعيش هناك أيضًا بانخفاض الغذاء المتاح.


مواد غير عضوية ثنائية الأبعاد بخلاف الجرافين

المواد ثنائية الأبعاد لها تطبيقات واسعة في الإلكترونيات النانوية ، والحفز ، والتقاط الغاز ، وتنقية المياه ، وتخزين الطاقة وتحويلها. استندت الأبحاث في البداية إلى الجرافين ، وانتقلت منذ ذلك الحين إلى البحث عن البدائل ، بما في ذلك الانتقالات ثنائية الكالكوجينيدات المعدنية ، والعوازل الطوبولوجية الطبقية ، ومركبات الكالكوجينيدات الأحادية المعدنية ، والبوروكربونيتريد ، والفوسفور.

يقدم هذا الكتاب مراجعة للبحث في مجال هذه المواد ، بما في ذلك التحقيق في عيوبها ، وتحليل الهياكل الهجينة مع التركيز على خصائصها وتوليفها ، وتوصيف وتطبيقات المواد ثنائية الأبعاد خارج الجرافين. تم تصميمه ليكون مرجعًا من نقطة واحدة للطلاب والمعلمين والباحثين في الكيمياء والمواضيع ذات الصلة ، لا سيما في مجال المواد النانوية.

  • المعادن ثنائية الكالكوجينيدات الانتقالية ومواد أخرى ذات طبقات (مانوج ك جانا وسي إن آر راو)
  • Valleytronics الطوبولوجية (موتوهيكو إيزاوا)
  • مواد ثنائية الأبعاد ذات طبقات كمحفزات لتفاعل تقليل الأكسجين (ديبيوتي موخيرجي وسامباث)
  • الفوسفورين (Arpita Paul و Umesh V Waghmare)
  • 2D van der Waals Hybrid: الهياكل والخصائص والأجهزة (محمد علي عامر ، تنوير أحمد ، كيمبرلي هسيه ، سوراف إسلام ، باريتوش كارناتاك ، رانجيت كاشيد ، فانيبهوسان سينغا ماهاباترا ، جايانتا ميشرا ، تاتاغاتا بول ، أفراديب برادان ، كالول روي ، أنينديتا ساهو وأريندام غوش)
  • تحويل الطاقة الكهروحرارية في مادة الكالكوجينيد المعدنية ذات الطبقات (ساتيا إن جوين وأنانيا بانيك وكانيشكا بيسواس)
  • طرق وتشخيص ترسيب البخار الكيميائي والفيزيائي للبلازما للمواد ثنائية الأبعاد (ماجد الرفاعي ونيكولاس آر جلافين وأندريه فويفودين وتيموثي إس فيشر)
  • وصلات معدنية إلى MOS2(نافين كوشيك ، سمير غروفر ، ماندار ديشموخ ، سوراب لودها)
  • خصائص تعتمد على الإجهاد لـ 2D MX2 (M = Mo و W X = S و Se و Te) (Tribhuwan Pandey و Swastibrata Bhattacharyya و Abhishek K Singh)
  • عيوب النقطة وحدود الحبوب والأعطال المستوية في 2D h-BN و TMX2: النظرية والمحاكاة (أنجالي سينغ وأوميش في واغماري)
أمامي
الفصل 1: ثاني كالكوجينيدات معدنية انتقالية ومواد أخرى ذات طبقات

يجب التعرف على أهمية المواد ثنائية الأبعاد (2D) بشكل كبير بسبب اكتشاف الجرافين. من الجدير بالذكر أن الأبحاث التي أجريت على المواد ثنائية الأبعاد غير العضوية في السنوات القليلة الماضية قد أظهرت أن هذه المواد رائعة بنفس القدر ، وتعرض العديد من الخصائص والظواهر الجديدة. وتجدر الإشارة بشكل خاص إلى تنوع الخصائص الرائعة لطبقات مفردة وقليلة من MoS2 و dichalcogenides ذات الصلة. WTe2 يعرض أكبر مقاومة مغناطيسية مسجلة في المواد. ثم هناك عوازل طوبولوجية مثل Bi2Se3. إلى جانب الكالكوجينيدات ، هناك مواد مثل نيتريد البورون و Borocarbonitrides مع العديد من الميزات المثيرة للاهتمام. يقدم هذا الفصل استعراضًا موجزًا ​​لمختلف المواد ثنائية الأبعاد ذات الأهمية اليوم.

الفصل 2: ​​هندسة Valleytronics الطوبولوجية

في هذا الفصل ، نستعرض الجانب الطوبولوجي لإلكترونيات الوادي في البعدين والثلاثة أبعاد. نأخذ أولاً مثالاً لشبكة قرص العسل ، حيث ك و ك′ النقاط بمثابة درجة الوادي من الحرية. يحدث الامتصاص البصري الانتقائي للوادي المعروف باسم ازدواج اللون الدائري عندما نطبق ضوءًا مستقطبًا دائريًا في نظام قرص العسل. نظهر أن ك و ك′ النقاط لها أرقام تشيرن المعاكسة. ال ك و ك′ نقاط تحول وتفنى لشبكات قرص العسل متباينة الخواص. نراجع أيضًا أساسيات Weyl semimetal ، حيث تعمل نقاط Weyl و anti-Weyl كدرجات الوادي للحرية. نقطتا Weyl و Anti-Weyl لها شحنة أحادية القطب معاكسة في مساحة الزخم. وفقًا لذلك ، لن يتم تحديد نقاط Weyl و Anti-Weyl أبدًا دون إبادة الزوجين.

الفصل 3: مواد ثنائية الأبعاد ذات طبقات كمحفزات لتفاعل تقليل الأكسجين

يصف هذا الفصل التطورات الأخيرة في مجال المركبات ثنائية الأبعاد ذات الطبقات لتفاعل اختزال الأكسجين (ORR). بعد مقدمة موجزة إلى ORR ، يتم إعطاء الديناميكا الحرارية المتضمنة والتفاصيل الميكانيكية للتفاعل ، متبوعًا باستخدام المواد ذات الطبقات كمحفزات. تمت مناقشة النشاط التحفيزي للجرافين ونظائره مثل السيليسين والكالكوجينيدات والكربيدات والبوريدات والبوروكربونيتريد والهيدروكسيدات المزدوجة الطبقات. قرب النهاية ، يتم تقديم ملخص مع الطريق المحتمل للمضي قدمًا.

الفصل الرابع: الفوسفور

من بين المواد ثنائية الأبعاد (2D) ، يعتبر الفوسفورين جذابًا للغاية كبديل للجرافين وثنائي كالكوجينيدات المعادن الانتقالية للاستخدام في الأجهزة الإلكترونية المستقبلية ، نظرًا لفجوة النطاق المحدودة وحركة الناقل العالية. يرتبط التباين الملحوظ في التركيب البلوري والإلكتروني للفوسفور بإعادة توزيع الشحنة في المناطق داخل الطبقة وفيما بينها. يمكن لسلالة مناسبة داخل الطائرة أن تجعل الفوسفور محفزًا ضوئيًا محتملاً ، وكذلك ضبط تباين الخواص في التوصيل الكهربائي. تجعل الاتجاهات المتعامدة المتبادلة للنقل الكهربائي والحراري البارز الفوسفور مادة واعدة للتطبيق في تحويل الطاقة الكهروحرارية. تتحول حالة العزل العادية إلى حالة العزل الطوبولوجي من خلال انعكاس النطاق عند تطبيق المجال الكهربائي الخارجي.

الفصل الخامس: هجين فان دير فالس ثنائي الأبعاد: الهياكل والخصائص والأجهزة

أدى عزل الجرافين والمواد الأخرى ثنائية الأبعاد (2D) لاحقًا مثل معدن ثنائي الكالكوجينيد الانتقالي (TMDCs) والعوازل الطوبولوجية إلى اكتشاف عدد كبير من الظواهر والمفاهيم الأساسية الجديدة في المواد الرقيقة ذريًا. في حين أن الطبقة الواحدة من الجرافين لا تحتوي على فجوة نطاق ويمكنها استضافة ناقلات عالية الحركة ، فإن TMDCs تظهر فجوة نطاق تعتمد على السُمك ، ولكنها تستجيب بشكل حساس للإضاءة الضوئية. ومع ذلك ، غالبًا ما يكون من المرغوب فيه الجمع بين خصائص المواد الفردية المتناقضة لتحسين الأداء الوظيفي. يُطلق على الطريقة الناشئة لتحقيق ذلك اسم epitaxy van der Waals ، حيث يتم تكديس الطبقات الذرية و / أو الجزيئية لمواد ثنائية الأبعاد مختلفة فوق بعضها البعض في تسلسلات مناسبة. في هذا الفصل ، قمنا بمراجعة الجوانب المختلفة ذات الصلة بالهجينة ثنائية الأبعاد لـ van der Waals. في ثانية. 5.2 ، نقدم بعض طرق تصنيع مثل هذه الهياكل غير المتجانسة ، وفي الثانية. 5.3 نناقش حول توصيفها. في ثوان. 5.4-5.6 ، نناقش العديد من الظواهر الكهربائية والبصرية والحرارية المتعلقة بهذه الهجينة. في ثانية. 5.7 ، نقوم بمراجعة بعض الظواهر الناشئة في هذه الأنظمة. يبدو أن الهجينة من Van der Waals تبشر بالخير في سياق كل من الاكتشافات الأساسية غير المتوقعة وتطبيقات الأجهزة ، وما زلنا في المراحل الأولى فقط.

الفصل 6: تحويل الطاقة الكهروحرارية في طبقة الكلوكوجينيدات المعدنية

تقريبًا ، يستخدم 65٪ الطاقة المفقودة كحرارة مهدرة. يمكن للمواد الكهروحرارية تحويل الحرارة بشكل مباشر وعكسي إلى طاقة كهربائية ، وبالتالي فإن للكهرباء الحرارية دور مهم تلعبه في إدارة الطاقة في المستقبل. في الآونة الأخيرة ، اكتسبت الكالكوجينيدات المعدنية ذات الطبقات اهتمامًا بالغ الأهمية في مجال الكهروحرارية حيث أظهر بعضها قيمًا قياسية عالية من الجدارة الحرارية بسبب الموصلية الحرارية المنخفضة جوهريًا. على سبيل المثال ، الطبقات Bi2تي3 وسبائكها معروفة بأدائها الكهروحراري العالي بالقرب من درجة حرارة الغرفة. يجب الإشارة إلى أن الرقم الكهروحراري العالي بشكل ملحوظ من الجدارة ∼2.6 قد تم تحقيقه مؤخرًا في طبقات SnSe بسبب التوصيل الحراري المنخفض للغاية. هنا ، نناقش حول التوليف والبنية والخصائص الكهروحرارية لمواد الكالكوجينيدات ذات الطبقات الهامة.

الفصل السابع: طرق وتشخيص ترسيب البخار الكيميائي والفيزيائي في البلازما للمواد ثنائية الأبعاد

تمت مراجعة نمو المواد ثنائية الأبعاد باستخدام تقنيات البلازما الكيميائية وترسيب البخار في هذا الفصل. نشرح أولاً آليات نمو الجرافين أحادي الطبقة وقليلة الطبقات ، والجرافين النانوي في أنظمة ترسيب البخار الكيميائي بالبلازما. بعد ذلك ، ترسبات البخار الفيزيائية لـ h-BN عن طريق ترسيب الليزر النبضي و MoS2 using magnetron sputtering are described. These plasma systems provide many benefits including low growth time, low growth temperatures, high growth rate, and continuous morphology of the deposited films. Moreover, an overview of فى الموقع diagnostic methods in plasma systems is covered, including optical emission spectroscopy, plasma imaging, laser absorption spectroscopy, and coherent anti-Stokes Raman spectroscopy. These diagnostics methods are applied to understand, monitor and control the growth of 2D materials in a plasma environment. Overall, plasma systems are projected to be efficient and effective in mass production of 2D materials for existing and future applications.

Chapter 8: Metal Contacts to MoS2

The performance of transistors based on 2D transition metal dichalcogenides such as MoS2 is significantly limited by large contact resistance at the metal-MoS2 interface. In this chapter, we present a comprehensive review of metal-MoS2 contact interfaces and recent progress made towards realising low contact resistance on MoS2. Review of metal-semiconductor contact and Fermi-level pinning theory is followed by an analysis of contact resistance and Schottky barrier height data, along with methods used for their extraction, for different work function metals on MoS2 as collated from several experimental and simulation studies. Reduction in contact resistance towards its quantum limit using conventional (doping and interfacial layers) and unconventional (different contact geometries) methods, and different Fermi-level pinning mechanisms responsible for n-type conduction in MoS2 have also been discussed and compared in detail.

Chapter 9: Strain Dependent Properties of 2D MX2 (M = Mo and W X = S, Se and Te)

One of the fascinating properties of the new families of two-dimensional (2D) crystals is their high stretchability, which gives rise to possibility of using external strain to manipulate their optical and electronic properties in a controlled manner. The objective of this chapter is to give an overview of the recent progresses made in controlling the electronic, optical and vibrational properties of 2D transition metal dichalcogenides (MX2, where M = Mo, W and X = S, Se, Te), by means of strain engineering. We will discuss the electronic origin of strain induced semiconductor-metal transition in these 2D materials. We will present the role played by Raman spectroscopy in mapping out the changes in vibrational properties of these 2D materials under applied strain. The effect of strain induced changes in electronic structure on controlling the transport properties of these materials will also be covered. Finally, we will review the recent experimental results, which verifies some of the theoretical predictions and show the immense potential of strain engineering in the range of applications.

Chapter 10: Point Defects, Grain Boundaries and Planar Faults in 2D h-BN and TMX2: Theory and Simulations

In contrast to graphene, two-dimensional (2D) materials such as h-BN and TMX2 exhibit a non-zero band-gap which makes them suitable for applications in FETs. It is important to understand the nature of defect in these materials, and how they influence their properties. Here, we present analysis of point defects, interfaces and planar defects in these 2D materials and highlight the impact of these defects on electronic and vibrational properties. We discuss carbon doping in h-BN, which is interesting for engineering its electronic structure and band-gap through both compositional and configurational modification. We show that the planar structure h-BN with grain boundaries (GBs or interfaces) exhibits instability with respect to buckling (out-of-plane deformation), resulting in the formation of a wrinkle at the GB and long lengthscale rippling of the structure. We present the electronic and vibrational signatures of these interfaces and STM images of the most stable interface, which should facilitate their experimental characterisation. Planar defects (faults) essentially give different polymorphs of materials such as TMX2 compounds (M = (Mo,W) X = (S, Se)), whose monolayer consists of 2 or 3 atomic layers. Introduction of these planar faults leads to transition from insulating 1H structure to metallic c1T structure. We present the energy landscape associated with the fault or 1H to 1T phase transition, leading to prediction of novel 1T structures and intermediate structures associated with structural instabilities of the 1T structure. The metallic centrosymmetric 1T (c1T ) structure of these compounds is shown to be unstable with respect to dimerisation or trimerisation of transition metal atoms, leading to a competing metallic 3 × 1 1T form and ferroelectric semiconducting 3 × 3 1T form respectively. While the former is a more stable 1T form of MoSe2, WS2 and WSe2, the latter is a more stable 1T form of MoS2 exhibiting rich ferroelectric dipolar domain structure. Due to vicinity to such metal-semiconductor transitions, their semiconducting forms are shown to exhibit anomalous response to electric field. To facilitate experimental verification of these subtle features of 1T forms of MX2 monolayers, we present comparative analysis of their vibrational properties, and identify their Raman and Infra-Red spectroscopic signatures.


44.2D: Inorganic Nutrients and Other Factors - Biology

a Department of Chemistry, University College London, 20 Gordon Street, London, UK
بريد الالكتروني: [email protected]

b University College London, Kathleen Lonsdale Materials Chemistry, Department of Chemistry, 20 Gordon Street, London, UK

c Diamond Light Source Ltd., Diamond House, Harwell Science and Innovation Campus, Didcot, Oxfordshire, UK

الملخص

The tolerance factor is a widely used predictor of perovskite stability. The recent interest in hybrid perovskites for use as solar cell absorbers has lead to application of the tolerance factor to these materials as a way to explain and predict structure. Here we critically assess the suitability of the tolerance factor for halide perovskites. We show that the tolerance factor fails to accurately predict the stability of the 32 known inorganic iodide perovskites, and propose an alternative method. We introduce a revised set of ionic radii for cations that is anion dependent, this revision is necessary due to increased covalency in metal–halide bonds for heavier halides compared with the metal-oxide and fluoride bonds used to calculate Shannon radii. We also employ a 2D structural map to account for the size requirements of the halide anions. Together these measures yield a simple system which may assist in the search for new hybrid and inorganic perovskites.


درجة حرارة

Figure 5. This colorful hot spring in Yellowstone National Park, located in Midway Geyser Basin, is the largest hot spring in the United States and the third largest in the world. Its rich color is the result of thermophilic organisms living along the edges of the hot spring,

Temperature affects the physiology of living things as well as the density and state of water. Temperature exerts an important influence on living things because few living things can survive at temperatures below 0 °C (32 °F) due to metabolic constraints. It is also rare for living things to survive at temperatures exceeding 45 °C (113 °F) this is a reflection of evolutionary response to typical temperatures. Enzymes are most efficient within a narrow and specific range of temperatures enzyme degradation can occur at higher temperatures. Therefore, organisms either must maintain an internal temperature or they must inhabit an environment that will keep the body within a temperature range that supports metabolism. Some animals have adapted to enable their bodies to survive significant temperature fluctuations, such as seen in hibernation or reptilian torpor. Similarly, some bacteria are adapted to surviving in extremely hot temperatures such as geysers. Such bacteria are examples of extremophiles: organisms that thrive in extreme environments.

Temperature can limit the distribution of living things. Animals faced with temperature fluctuations may respond with adaptations, such as migration, in order to survive. Migration, the movement from one place to another, is an adaptation found in many animals, including many that inhabit seasonally cold climates. Migration solves problems related to temperature, locating food, and finding a mate. In migration, for instance, the Arctic Tern (Sterna paradisaea) makes a 40,000 km (24,000 mi) round trip flight each year between its feeding grounds in the southern hemisphere and its breeding grounds in the Arctic Ocean. Monarch butterflies (Danaus plexippus) live in the eastern United States in the warmer months and migrate to Mexico and the southern United States in the wintertime. Some species of mammals also make migratory forays. Reindeer (رينجيفر تاراندوس) travel about 5,000 km (3,100 mi) each year to find food. Amphibians and reptiles are more limited in their distribution because they lack migratory ability. Not all animals that can migrate do so: migration carries risk and comes at a high energy cost.

Figure 6. Chipmunks hibernate for the winter, but they come out of sleep every few days to eat.

Some animals hibernate or estivate to survive hostile temperatures. Hibernation enables animals to survive cold conditions, and estivation allows animals to survive the hostile conditions of a hot, dry climate. Animals that hibernate or estivate enter a state known as torpor: a condition in which their metabolic rate is significantly lowered. This enables the animal to wait until its environment better supports its survival. Some amphibians, such as the wood frog (رنا سيلفاتيكا), have an antifreeze-like chemical in their cells, which retains the cells’ integrity and prevents them from bursting.


Factors Affecting In Vitro Androgenesis | علم الوراثة

The following points highlight the nine main factors affecting in vitro androgenesis. The factors are: 1. Age and Physiology 2. Stages of Pollen 3. Thermal Stress 4. Genotype 5. Chemical Treatment 6. Medium Factor 7. Anther Wall Factor 8. Microspore Density 9. Cultural Conditions.

Factor # 1. Age and Physiology:

The physiological conditions of the donor plant have a considerable effect on the response of microspore in culture. Plant age is a significant factor in determining high frequency of embryogenesis. Thus flower buds are collected from the plant in the beginning of flowering season rather than at the end of flowering season.

Generally, plants grown under green-house conditions ensure disease free and physiologically active status of the plant from which buds are collected for anther culture.

عامل # 2. Stages of Pollen:

The stage of pollen grain in anthers plays a crucial role in determining androgenesis. Thus, immature anthers containing uninucleate pollen at the time of first mitosis are the ideal stage for the induction of androgenesis.

Even just before or after first pollen mitosis are also ideal stages in anther for selection. One of the possible reason choosing particular stages of pollen is that tRNA genes are active and turned on at these stages.

Several other physiological factors could influence androgenesis in culture. The plants which are grown under low temperature generates greatest embryo yield. Experiments with tobacco shows the variations in photoperiod and light intensity influence microspore embryogenesis with higher yields of embryo observed when donor plants are grown under short days and high light intensities.

Even seasonal variation is important while selecting flower buds. The callus produced from barley exhibit higher frequency when selected in later summer, whereas in rape seed, highest embryo is obtained in spring and early summer. In certain cases, field grown plants yield better results than green-house grown plants.

عامل # 3. Thermal Stress:

Pre-conditioning of the anthers prior to culturing is highly desirable, which is receiving increasing attention recently. Low temperature, pre-treatment of anthers for periods of 2-30 days at temperature, from 3 to 10°C are known to stimulate embryogenesis. Other treatment includes maintenance of detached inflorescence in water for several days.

It was shown that flower buds subjected for cold and hot treatment or combination of both are useful in producing androgenesis. Exposure of plants to thermal shocks can change the pattern of division of microspore nucleus. In wheat, before removal of anthers, spikes were subjected to temperature stress of 3°C.

عامل # 4. Genotype:

Induction of androgenesis is more successfully governed by plant genotypes. Various species and cultivars exhibit different response in culture. This has been noticed in the cultiva­tion of Arabidopsis thaliana and Lycopersicum esulentum in which only three cultivars are able to produce haploids. Similar observations are seen in anther culture.

The better situation was noticed remarkably in various species in Nicotiana and solanum. These studies clearly indicate that these experiments should be carried out with all the remaining cultivars. Androgenesis is heritable, and ability to undergo callus formation is controlled by few nuclear genes. The possible beneficial effect of cold treatment (2°-5°C) is induction of androgenesis due to the acceleration of pollen viability and delay in senescence.

The genetic factors affect greatly in the androgenic ability of Triticum. The close relation of wheat, spelta, containing q-factor located on chromosome 5A is probably responsible for its adaptability to grow in wide range of climatic conditions. Thus, anthers taken from Triticum spelta, a hybrid between wheat or spelta exhibit a great potential haploid production.

عامل # 5. Chemical Treatment:

Plants treated with several chemicals such as malic hydride, colchicine increases effi­ciency of haploid induction in Beta vulgaris and Nicotiana langsdorfi. In addition, spraying growth regulators or hormones also provided considerable results.

Following the applications of 2-chloro ethyl phosphoric acid, commercially known as ethrel, causes male sterility. Forma­tion of multinucleate pollen due to additional mitosis occurs in wheat following ethrel spray before first meiosis in the pollen mother cells.

عامل # 6. Medium Factor:

Success in androgenesis is controlled well by the composition of medium. Several media formulations have been designed to accomplish in vitro response, that includes several inorganic nutrients, nitrogen in particular and organic supplements like amino acids. Media formulations designed by Nitsch (1969), basal media of MS encouraged androgenic development in wide range of species.

Sucrose plays a prominent role in embryogenesis from anther or microspore culture. Addition of 6% is required for androgenesis in most cereals. Microspore viability has been noticed during the early stages of anther culture in presence of 15-16% sucrose as in the case of Brassica napus.

Production of haploids were noticed in neem anther culture by supplying 9% sucrose. Anther culture of sunflower preferred 10% sucrose. It however, shows that embryo germination was largely increased by decreasing sucrose concentration to 10% > 6.1 > 3%.

Similarly, Chen and Dribnenk (2002) employed NLS media with 12% sucrose for the haploid production in flax. Sucrose is supplied as chief carbohydrate source in culture media. The concentration required by tobacco microspore is less (4%) whereas its requirements for wheat and rice at elevated levels range from 6 to 12%.

The requirement for sucrose is very specific and none of the other disaccharide other than glucose to some extent can substitute sucrose. Several amino acid supplements like glutamic and serine stimulates embryogenesis in tobacco and rape seed. The culture medium enriched with inorganic nitrogen promotes androgenesis in rice anther culture.

Other beneficial agents include coconut milk, ascorbic acid, nucleic acid hydrolysate are employed in culture media. Due to the undefined nature of coconut milk it can be replaced by yeast extract. The modified Chinese media gives the best result for embyro induction and regeneration.

Growth regulators play a role in induction of androgenesis. Auxins such as 2, 4-D in the media are essential for callus formulations in barley, rice and wheat. Studies with cereals indicate the auxin usage can be avoided if media formulations are designed specifically. Utility of auxin could be seen during initial stages of culture and could be subsequently recovered.

Cytokinins are indispensable on several occasions and have been approached in the anther culture of Datura and potato. Gibberellin exhibits some encouraging results in case of Datura. However, certain plants particularly in microspore culture of B. napus have revealed that exogenous supplies of growth regulators are not essential and many are inhibitory to anther response.

Utilization of liquid media in anther culture has clear advantages over solid media to increase frequency of embryogenesis in several plants and has been evidenced in tobacco and barley culture. The negative role of solid media on several occasions is probably due to the accumulation of inhibitors like impurities in agar-agar.

Enhanced yield of embryo and callus obtained in culture by the addition of activated charcoal which is probably involved in the removal of inhibitors by adsorption process. Generally, two percent charcoal is used in the medium enhancing embryogenic frequency. In sunflower (Helianthus annus) androgenesis in vitro have been improvised by the addition of 0.1% polyvinylpyrrolidin.

Increase in the yield of androgenic anthers from 15 to 40% was observed in tobacco. In the enhanced frequency of androgenesis in tobacco certain chemicals have been implicated due to the absorption of hydroxymethyl furfural.

عامل # 7. Anther Wall Factor:

Induction of tobacco androgenesis can occur in media containing only agar and water or on simple media formulations indicates that the anther wall may play a critical role during early stages of culture. Tapetal cells, which outlines the anther wall provides essential nutrition to the development of pollen mother cells into mature pollen.

Therefore, in the entire anther culture system the presence of anther wall provides essential nutrients. The existences of inhibition wall factor have also been implicated.

عامل # 8. Microspore Density:

In microspore culture for example, only a fraction of total microspore population will undergo division. Microspore density may be a crucial factor determining culture success. The isolated microspore density of 105 microspore/mL has been determined to play a prominent role in the successful culture.

عامل # 9. Cultural Conditions (Light and Temperature):

Light and temperature decides nature of tissue proliferation but many contradictions have been reported: Continuous light supply during the culture in initial stage is detrimental to tobacco anther culture. Interesting results were noticed during photoperiodic treatment, are believed to be beneficial.

Red light is stimulatory to embryogenesis in isolated microspore. In addition, incandescent and fluorescent light greatly enhances embryo production in tobacco. High light intensity (3-200 lux) is beneficial to rice callus formation and inhibitory to Nicotiana microspore but low intensity of 300 lux in beneficial.

Culture temperature has a significant role in microspore embryogenesis. For example, Datura embryo fail to form unless temperature is maintained at 20°C and its responses increased upto 30°C. In certain cases preconditioning of anthers at elevated temperature may stimulate androgenesis. Anthers of Brassica campestris maintained at 35°C for 24 hrs before transferred to 25°C greatly encouraged androgenesis.


44.2D: Inorganic Nutrients and Other Factors - Biology

Two-dimensional (2D) layered inorganic nanomaterials have attracted huge attention due to their unique electronic structures, as well as extraordinary physical and chemical properties for use in electronics, optoelectronics, spintronics, catalysts, energy generation and storage, and chemical sensors. Graphene and related layered inorganic analogues have shown great potential for gas-sensing applications because of their large specific surface areas and strong surface activities. This review aims to discuss the latest advancements in the 2D layered inorganic materials for gas sensors. We first elaborate the gas-sensing mechanisms and introduce various types of gas-sensing devices. Then, we describe the basic parameters and influence factors of the gas sensors to further enhance their performance. Moreover, we systematically present the current gas-sensing applications based on graphene, graphene oxide (GO), reduced graphene oxide (rGO), functionalized GO or rGO, transition metal dichalcogenides, layered III-VI semiconductors, layered metal oxides, phosphorene, hexagonal boron nitride, etc. Finally, we conclude the future prospects of these layered inorganic materials in gas-sensing applications.


Conventions, Conversions, and Definitions

Fertilizer is labeled as nitrogen (N), phosphate (P2O5), and potash (K2O), respectively N-P-K, which are the oxide forms for elemental phosphorus (P) and potassium (K). In some cases, nutrients may be expressed either way. These are the simple conversions between the oxide and elemental forms:

Fertilizer recommendations by the Mississippi State University Extension Service Soil Testing Laboratory are listed as pounds of either phosphate or potash per acre.

Fertilizer grade or analysis is the weight percent of available nitrogen (N), phosphate (P2O5), and potash (K2O) in the material, expressed in the order N-P2O5-K2O. For example, 10-20-10 indicates the material is 10 percent N, 20 percent P2O5, and 10 percent K2O by weight.

Fertilizer ratio is the ratio of the weight percents of N-P2O5-K2O and is calculated by dividing the three numbers by the smallest of the three. Again using 10-20-10 fertilizer as an example, the ratio is 10/10-20/10-10/10 = 1-2-1.

If soil test-based recommendations call for certain amounts of plant food, you calculate the total fertilizer needed based on the grade of product.

A given weight of two fertilizers with different analyses (grades) has different amounts of actual plant food. One hundred pounds of a 10-30-10 fertilizer contains 10 pounds of N, 30 pounds of P2O5, and 10 pounds of K2O. One hundred pounds of a 7-21-7 fertilizer has 7 pounds of N, 21 pounds of P2O5, and 7 pounds of K2O. These fertilizers have the same nutrient ratio (1-3-1) but are different grades (10-30-10 versus 7-21-7), so different total amounts of fertilizer will have equal amounts of plant food. Application rates will be higher on a lower grade of product than a higher grade to supply the same amount of plant food.

Straight materials are the basic materials used in fertilizer manufacture. Many can be applied directly such as anhydrous ammonia, urea, urea-ammonium nitrate solutions, triple superphosphate, ammonium phosphates, and muriate of potash (potassium chloride).

Compound fertilizers are chemical or physical mixtures of the straight materials.


The authors have no conflict of interest to report. AM has participated as an expert witness in a court case in Sweden related to pesticide exposure from organic and conventional foods (Patent and Market Courts, case no. <"type":"entrez-protein","attrs":<"text":"PMT11299","term_id":"1328285238","term_text":"PMT11299">> PMT11299�), but did not benefit financially from this effort. PG is an editor of this journal but recused himself from participating in the handling of this manuscript.

Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.


شاهد الفيديو: العناصر الغذائية الأساسية (كانون الثاني 2022).