علم بوم‌شناسی، مطالعه ارگانیسم‌ها و ربط آنها با محیط فیزیکی و تعامل میان ارگانیسم‌هاست. بوم‌نظام مفهومی در بوم‌شناسی است. یک بوم‌نظام شامل اجزای زنده و غیر زنده است. بخش‌های غیر زنده شامل گازهای جوی، همه حالات آب و رسوبات است. 28 عنصر شیمیایی مورد نیاز ارگانیسم‌های زنده در این سه حوزه فیزیکیِ به‌هم‌پیوسته قرار دارند. بخش‌های زنده یک زیست‌بوم ارگانیسم‌های زنده در پنج فرمانروایی بیولوژیک هستند. مونرا  (باکتری و سیانوباکتری  سبز-آبی)، آغازیان  (جلبک و تک‌یاخته) قارچ ها (قارچ و قارچ انگلی گیاهان)، گیاهان  (گیاهان سبز) و حیوانات (حیوانات).

ارگانیسم‌های زنده در یک بوم‌نظام ممکن است به دو گروه کارکردی تقسیم شوند: تولیدکنندگان، که گیاهان و جلبک‌های فتوسنتزی هستند، و مصرف‌کنندگان که هتروتروف‌هاهستند.هتروتروف‌ها مصرف‌کنندگان کوچک و بزرگ هستند. مصرف‌کنندگان بزرگ، گیاه‌خواران و گوشت‌خواران و مصرف‌کنندگان کوچک، باکتری‌ها و قارچ‌ها هستند. آنها با همدیگر تجزیه‌کنندگان بوم‌نظامند. نقش تجزیه‌کنندگان، تجزیه مواد ارگانیک مرده به مولکول‌ها و ترکیبات غیر ارگانیک است. این معدنی‌سازی به تولید عناصر شیمیایی منجر می‌شود که توسط ارگانیسم‌های زنده مجدداً مصرف می شود. بنابراین مواد مغذی مورد نیاز به‌طور مداوم از طریق بوم¬نظام بازیافت می‌شود.

جریان انرژی و چرخه تغذیه، فرایندهای پویایی هستند که یک بوم‌نظام را حفظ می‌کنند. انرژی خورشیدی منبع انرژی برای زیست‌بوم روی زمین است و این انرژی از طریق فرایند فتوسنتزِ جلبک ها و گیاهان وارد بوم‌نظام می‌شود. رنگدانه‌ها در سلول های جلبک‌ها و گیاهان، انرژی خورشیدی را می‌گیرد و از طریق عمل فتوسنتز آن را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کند:

6CO2+6H2O نورخورشید/رنگدانه→ C6H12O6+6O2

کربن+آب نورخورشید/رنگدانه→ شکر(گلوکز)+گازاکسیژن

گاز دی‌اکسیدکربن توسط گیاهان و سلول‌های جلبکی از جو گرفته می‌شود و در یک جریان پیچیده از واکنش‌های زیست شیمیایی، با آب ترکیب می‌شود تا کربوهیدارت‌ها را تشکیل دهد و گاز اکسیژن را برای برگشت به جو رها سازد. این بهره‌وری اولیه، مبنای انرژی شبکه غذایی در بوم نظام‌ها را فراهم می‌سازد. میزان بیشتر بهره‌وری اولیه در اینجا، میزان انرژی بیشتری برای گیاه‌خواران و گوشت‌خواران فراهم می‌سازد. انرژی نوری باید به‌طور مداوم برای زیست‌بوم باقی باشد تا آنها زنده بمانند، زیرا جریان انرژی یک‌طرفه است: این انرژی وارد زیست‌بوم می‌شود و در هر سطح غذایی از طریق تنفس سلولی رها شده و بازیافت نمی‌شود.

تنفس سلولی هوازی یک فرایند متابولیک است که در سلول‌ همه ارگانیسم‌های زنده اتفاق می‌افتد:

C6H12O6+6O2→ منتشرشده انرژی+6H2O+6H2O

گلوکز+گاز اکسیژن→ منتشرشده انرژی+دی اکسید کربن+آب

در این فرایند، اکسیژن برای تجزیه کربوهیدارت‌ها در سلول و به‌منظور تولید انرژی در ارگانیسم‌ها برای نگهداری، بازتولید و رشد بهنجار مورد استفاده قرار می‌گیرد. گاز دی‌اکسیدکربن در اثر تنفس سلولی منتشر می‌شود. همه ارگانیسم‌های زنده دستخوش تنفس سلولی می‌شوند. این عمل در هتروتروف‌ها همیشه اتفاق می‌افتد و در گیاهان و جلبک‌ها عمدتاً در تاریکی روی می‌دهد. در یک بوم‌نظام بزرگ‌ترین مقدار انرژی در نخستین سطح غذایی، شامل گیاهان و جلبک‌هاست. هرچه سطح پایین مولدتر باشد، کل زیست‌بوم مولدتر خواهد بود.

بوم‌نظام‌ها توسط زیست‌شناسان به ترتیب سودمندیِ اولیه‌شان طبقه‌بندی می‌شوند، یعنی میزانی که در آن، کربنِ گاز دی اکسیدکربن در ساختار شیمیایی سلول‌ جلبک‌ها و گیاهان ادغام شده است. مثال‌هایی از زیست‌بوم‌های طبیعی جنگل‌های معتدل برگ‌ریز، جنگل‌های کاجی، جنگل‌های بارانی گرمسیری، چمن‌های علفزارها، دشت‌های شمالی، صحرا، نواحی مرطوب، دریاچه، رودخانه‌ها و اقیانوس‌ها هستند. یک بوم‌نظام می‌تواند به کوچکی یک آکواریم با حجم یک لیتر یا به بزرگی یک اقیانوس بزرگ باشد؛ زمانی که یک شبکه غذایی از خودخواران متامل، هتروتروف‌ها و تجزیه‌کنندگان و یک منبع انرژی وجود دارد. در بوم‌نظام‌های طبیعی، جمعیت ارگانیسم‌ها به‌صورت یک شبکه پیچیده غذایی تعامل می‌کنند که در آن انرژی از طریق بازیافت مواد غذایی جریان می‌یابد و تجزیه‌کنندگان ترکیبات ارگانیک را تجزیه می‌کنند. ممکن است در یک بوم‌نظام هزاران گونه زندگی کنند و با هم در تعامل باشند. تعامل میان جمعیت‌ها و در بین ارگانیسم‌ها و محیط‌زیست فیزیکی به‌طور باورنکردنی پیچیده است و هیچ نظامی تاکنون به‌طور کامل مطالعه نشده است.

بوم‌نظام‌ها به‌لحاظ پیچیدگی متنوع هستند. برای مثال یک جنگل بارانی گرمسیری بسیار پیچیده است و تنوع زیستی بسیار بالایی دارد (دارای گونه‌های بسیاری از ارگانیسم‌هاست). بوم‌شناسان تشخیص داده‌اند که جنگل‌های گرمسیری بارانی نسبت به هر گونه بوم‌نظام دیگری دارای گونه‌های بیشتری از ارگانیسم‌هاست. در انتهای سر دیگر مقیاس، سرزمین‌های قطب شمال دارای تنوع زیستیِ ‌نسبتاً کمی هستند و جنگل‌های برگ‌ریز و دریاچه‌ها در میانه این دو قرار می¬گیرند.

بوم‌نظام‌ها همچنین به‌لحاظ تعداد سطوح مواد غذایی یا تغذیه، متفاوت هستند. نظامی که کمترین پیچیدگی را دارد ممکن است تنها دو سطح غذایی را داشته باشد: تولیدکنندگان و گیاه‌خواران که از آنها تغدیه می‌کنند. تجزیه‌کنندگان همیشه وجود دارند، اما از آنجا که آنها همیشه بخشی از همه سطوح غذایی هستند، به‌عنوان سطحی جدا در نظر گرفته نشده‌اند، زیرا این باکتری‌ها و قارچ‌ها، مواد ارگانیک مرده را تجزیه می‌کنند. انرژی موجود، تعداد سطوح غذایی موجود در یک بوم‌نظام را محدود می‌کند. زمانی که بهره‌وری اولیه در سطح تولیدکننده بالاست و انرژی به‌طور مؤثری بین سطوح غذایی انتقال می‌یابد، شمار کلی سطوح غذایی ممکن است به هفت یا هشت سطح در یک بوم‌نظام از قبیل اقیانوس برسد. با وجود این، سه تا پنج سطح غذایی، بیشتر از همه رایج است. همیشه نخستین سطح تولیدکنندگان هستند (قارچ‌ها و گیاهان)، سطح دوم شامل همه گیاه‌خواران درمجموع باهم و سطح سوم و بالاتر گوشت‌خواران هستند (نگاه کنید به: شکل 1).

جریان انرژی در بوم‌نظام‌ها از دو قانون ترمودینامیک پیروی می‌کند. قانون اول می‌گوید که انرژی نه می‌تواند نابود شود و نه می‌تواند خلق شود، تنها شکل آن تغییر می‌کند. قانون دوم می‌گوید که وقتی انرژی از شکلی به شکل دیگر تغییر می‌یابد، مقداری از آن به‌صورت گرما از بین می‌رود؛ بنابراین انتقال صددرصد سودمند نیست. بوم‌نظام‌ها از قوانین فیزیک تبعیت می‌کند و زمانی که انرژی از یک سطح پایین‌تر به سطح بالاتر بعدی انتقال می‌یابد، به‌صورت گرمای تنفس سلولی از ارگانیسم‌های زنده از دست می‌رود. بنابراین سطح بالاتر همیشه نسبت به سطح پایین‌تر، انرژی موجود کمتری دارد. به همین دلیل است که انرژی نوری باید به‌طور مداوم از طریق عمل فتوسنتز جلبک و گیاهان به سطح تولیدکننده وارد شود. انرژی جریانی یک‌طرفه است؛ چرخه‌ای نیست و باید همیشه مجدداً تولید شود. با یک حساب سرانگشتی، حدود 90 درصد انرژی از طریق گرمای تنفس سلولی در هر سطح غذایی از دست می‌رود. بنابراین، تنها 10 درصد انرژی از سطح پایین‌تر به سطح بالاتر می‌رسد. انرژی سریعاً در جریان شبکه نابود می‌شود و درنتیجه شمار سطوح غذایی را در بوم‌نظام محدود می‌سازد.

شکل 1) هرم انرژی نشان‌دهنده چهار سطح غذایی و کاهش انرژی موجود در حرکت از سطوح ‌پایین‌تر به بالاتر

همه نظام‌ها به‌طور مستقیم یا غیرمستقیم با همدیگر در ارتباط هستند. نمونه‌ای از ارتباط نزدیک، جنگلی است که شامل یک دریاچه، رود و رودخانه است. در این مثال، هر سه بوم‌نظام به‌طور مستقیم با هم در ارتباط هستند. برخی ارگانیسم‌ها و مواد مغذی در سراسر هر سه نظام و بین آنها و جو بالایی در جریانند. بوم‌نظام‌ها مرزهای طبیعی ندارند. زیستگاه ارگانیسم‌های‌ کره زمین یک زنجیره از بوم‌نظام‌هاست که توسط نوع خاک و آب‌وهوا تعیین می‌شود. برای مثال، در شمال شرق آمریکا، سرزمین‌های قطب شمال به‌تدریج به جنگل‌های درختان مخروطی شمالی در کانادا و نیوانگلند تا جنوب تبدیل می‌شوند، که فراتر از این، جنوب به جنگل‌های درختان برگ‌ریز شرقی ایالات اقیانوس میانی تبدیل می‌شود. همه بوم‌نظام‌های طبیعی تحت تأثیر انسان قرار گرفته‌اند و این اثرات تا زمانی که فعالیت‌های بشری منجر به فشار بیشتر برای تغییر آنها شود ادامه دارد. با چنین اثراتی بر کره زمین، گونه‌های انسانی باید به نگهداری و حفاظت از این بوم‌نظام‌ها بپردازند.

راه‌حل اجبارهای اجتماعی

فعالیت‌های انسانی بوم‌نظام‌های طبیعی زمین را تهدید می‌کند. شواهد علمی به‌طور جدی نشان می‌دهد که افزایش تراکم گازهایی از قبیل دی اکسید کربن سبب تغییرات آب‌وهوایی می‌شود که میانگین دمای جو و اقیانوس را افزایش می‌دهد. پیامدهای دیگر شامل الگوهای آب‌وهوایی نامطلوب، بیابان‌زایی در برخی نواحی و افزایش بارش در دیگر نواحی، بالاآمدن سطح آب دریا با جاری‌شدن سیل در نواحی ساحلی توسعه‌یافته و جزایر مسکونی، تخریب نواحی مرطوب، کاهش محصولات کشاورزی و انقراض گونه‌هاست. جنگل‌زدایی به‌ویژه در جنگل‌های بارانی آمازون، آب‌وهوای جهانی را تحت تأثیر قرار داده است. جنگل‌زدایی در همه جای سیاره زمین، فرسایش خاک، تخریب رودخانه، جاری‌شدن سیل و کاهش منابع آب‌های زیرزمینی را تحت تأثیر قرار می‌دهد. معادن بزرگ‌مقیاس، بوم‌نظام‌ها را به‌طور کامل حذف و دیگر بوم‌نظام‌های باقی‌مانده را آلوده می‌سازد. صید بیش از حد ماهی، لطمات زیادی به حوزه زیست ماهیان اقیانوس‌ها وارد کرده که ممکن است هرگز قابل جبران نباشد. در بسیاری از نواحی، گسترش شهر و تخریب زیستگاه‌ها بزرگ‌ترین تهدید برای بوم¬نظام طبیعی است؛ از جمله جاری‌شدن سیل در زمین¬های مرطوب ارزشمند.

انسان‌ها تخریب‌کنندگان بوم‌نظام هستند و درعوض، ما باید یاد بگیریم که محافظ آن باشیم. امروزه بیشتر محافظان محیط‌زیست مردمانی هستند که در فضای آزاد بازی می‌کنند، اردو می‌روند، ماهی می‌گیرند و شکار می‌کنند و از همین طریق زمانی که جوان بوده‌اند عشق به محیط‌زیست را در خود پرورانده‌اند. با وجود این، آنها کم و درحال پیرشدن هستند. بنابراین، کلید حفاظت و احیای بوم‌نظام‌های طبیعی در آینده داشتن فرزندانی است که امروز زمان بیشتری را در فضای آزاد صرف بازی، اردو، هاکی، ماهیگیری و شکار کنند. ارائه این نوع آموزش‌های زیست‌محیطی به جوانان به توسعه و حفظ یک گروه اساسی از حامیان و قانون‌گذاران برای تضمین حفاظت‌از محیط زیست و نگهداری بوم‌نظام‌های طبیعی کمک خواهد کرد.

همچنین نگاه کنید به: باران اسیدی؛ جنگل‌زدایی؛ بیابان‌زایی؛ محیط‌زیست‌پسماند و پسماندهای خطرناک؛ محیط زیست و آلودگی؛ محیط‌زیست، هرزآب و هوپرورش (انباشتگی خورکه آب)؛ محیط‌زیست، انتقال پس‌آب؛ تخریب محیط‌زیست؛ خطرات زیست‌محیطی؛ انقراض؛ گرمایش جهانی؛ منابع تجدیدناپذیر؛ ساماندهی آب؛ کیفیت آب؛ منابع آب.

منابع برای مطالعه بیشتر:

Louv, Richard. 2006. Last Child in the Woods: Saving Our Children from Nature Deficit Disorder. Chapel Hill, NC: Algonquin

Molles, Manuel C., Jr. 2005. Ecology: Concepts and Applications. New York: McGraw-Hill

Ricklefs, Robert E. 2007. The Economy of Nature: Data Analysis Update. New York: W. H. Freeman