الدور الفريد للحيوانات الأرضية في تحلل الأوراق المتساقطة
Open PDF in new window.
François-Xavier Joly 1, and Jens-Arne Subke1*
1 Biological and Environmental Sciences, University of Stirling, Stirling, United Kingdom
عندما تموت أوراق النباتات وتسقط على الأرض، تبدأ عملية ضرورية وحيوية: التحلل. تلعب هذه العملية دورًا أساسيًا في إعادة تدوير العناصر الغذائية وإعادتها إلى التربة، مما يضمن استدامة النظم البيئية. الكائنات الدقيقة، وهي كائنات صغيرة غير مرئية بالعين المجردة، هي المسؤولة الرئيسية عن تحلل هذه الأوراق الميتة ببطء. ومع ذلك، تتغذى كائنات أكبر، مثل الديدان الألفية والقواقع، أيضًا على الأوراق الميتة. ورغم أن هذه الحيوانات لا تهضم المادة النباتية بشكل كامل، فإن معظم هذه المادة يُعاد إلى التربة على شكل فضلات، والتي تتولى الكائنات الدقيقة تحليلها بشكل أكبر. فهل يؤثر هذا التحول للأوراق الميتة إلى فضلات على عملية إعادة تدوير العناصر الغذائية؟ أظهرت أبحاثنا، التي تضمنت جمع الفضلات من مجموعة من الحيوانات الأرضية التي تتغذى على الأوراق الميتة، أن الفضلات تتحلل بسرعة أكبر من الأوراق الميتة السليمة. وهذا يشير إلى أن الحيوانات الأرضية تسهم في تسريع تحلل الأوراق الميتة، ليس من خلال هضمها مباشرة، بل بتحويلها إلى فضلات يسهل على الكائنات الدقيقة تحليلها.
لماذا ندرس الأوراق الميتة؟
النباتات هي أساس كل أشكال الحياة على الأرض. بفضل أوراقها، تستطيع النباتات استخدام طاقة الشمس لالتقاط غاز ثاني أكسيد الكربون من الهواء وتحويله إلى سكريات. هذه العملية، التي تُعرف بالتمثيل الضوئي، ضرورية للغاية للحياة على كوكب الأرض. تُستخدم السكريات في نمو أجزاء جديدة من النبات (مثل الأوراق، والسيقان، والجذور)، والتي يمكن أن تستهلكها مخلوقات متعددة. لكن أوراق النبات لا تعيش سوى بضعة أشهر إلى عدة سنوات. وعندما يحين وقت تساقطها، تتراكم الأوراق الميتة على التربة حيث تبدأ عملية مهمة أخرى: تحلل الأوراق الميتة. هذه العملية التحليلية لا تقل أهمية عن عملية التمثيل الضوئي، إذ تسمح بعودة الكربون الموجود في الأوراق إلى الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكربون، الذي يمكن استخدامه مجددًا من قبل نباتات أخرى. ومن خلال التحلل، تعود العناصر الغذائية الموجودة في الأوراق الميتة إلى التربة، لتُستخدم مرة أخرى من قبل النباتات في تكوين أوراق جديدة. فقط بفضل هذا التوازن الهش بين التمثيل الضوئي والتحلل يستمر دورة الحياة.
الكائنات الدقيقة تحلل الأوراق الميتة
كيف تحدث عملية التحلل؟ يتم تنفيذ هذه العملية الحاسمة بشكل رئيسي بواسطة مجموعة من الكائنات الحية في التربة: الكائنات الدقيقة. تتكون الكائنات الدقيقة من الفطريات - وهي نفس الكائنات التي تشكل الفطر - والبكتيريا. الكائنات الدقيقة صغيرة جدًا لدرجة أنها غير مرئية في الغالب للعين المجردة، ومع ذلك فهي وفيرة للغاية في التربة. إذ يمكن أن يحتوي 1 جرام من التربة على 10 مليارات كائن دقيق. تستخدم هذه الكائنات الأوراق الميتة كغذاء لها. تهضم الأوراق عن طريق إفراز العديد من الإنزيمات المختلفة في التربة المحيطة بها. تعمل هذه الإنزيمات مثل المقصات، فتقوم بتقطيع الأوراق الكبيرة الميتة إلى أجزاء مجهرية. بعد ذلك، تهضم الكائنات الدقيقة هذه الأجزاء للحصول على الطاقة والنمو. ثم تطلق الكائنات الدقيقة الكربون مرة أخرى إلى الغلاف الجوي على شكل ثاني أكسيد الكربون، مما يسمح لدورة الحياة بالاستمرار ولكن لا تستطيع الكائنات الدقيقة تحلل جميع الأوراق الميتة بنفس السرعة. بعض النباتات، مثل الصنوبر أو الزان، تشكل أوراقًا متينة وسميكة نوعًا ما، وفقيرة بالعناصر الغذائية. هذه الأوراق ليست فعالة في عملية التمثيل الضوئي، لكنها تستطيع البقاء حتى في الظروف الصعبة. لذلك، عندما تموت، تتحلل هذه الأوراق ببطء لأنها توفر عناصر غذائية قليلة ومساحة محدودة لنمو الكائنات الدقيقة. من ناحية أخرى، تشكل النباتات مثل الدردار أو البرسيم أوراقًا أرق وأكثر غنى بالعناصر الغذائية. هذه الأوراق أقل مقاومة للتلف لكنها أكثر كفاءة في عملية التمثيل الضوئي. وعندما تموت هذه الأوراق الأرق والأكثر غنى بالعناصر الغذائية، فإنها توفر الكثير من العناصر ومساحة أكبر للكائنات الدقيقة، وبالتالي تتحلل بشكل أسرع.
الحيوانات تساعد الكائنات الدقيقة في التحلل
الكائنات الدقيقة ليست الوحيدة في التربة التي تقوم بتحلل الأوراق الميتة. العديد من الكائنات الحية الأكبر، مثل الديدان الألفية، والديدان الأرضية، والحشرات القشرية، والرخويات، تتغذى أيضًا على الأوراق الميتة (انظر الأشكال 1 (A–C)في بعض أنواع الغابات، وحتى في الصحاري، يتم تناول الغالبية العظمى من الأوراق الميتة التي تتساقط كل عام بواسطة هذه الحيوانات [1–4]. ومع ذلك، من جميع الأوراق التي تأكلها هذه الحيوانات (على سبيل المثال، الشكل 1(D) يتم هضم جزء صغير فقط واستخدامه من قبل الحيوانات. أما الغالبية العظمى، فتعود إلى التربة على شكل فضلات – أي ما يُعرف بالفضلات (انظر الشكل 1 (E) وهذا يعني أنه في النظم البيئية التي تكون فيها هذه الحيوانات وفيرة، فإن المصادر الرئيسية للمواد العضوية للبكتيريا والفطريات ليست الأوراق الميتة، بل الفضلات. بغض النظر عن نوع الأوراق الميتة التي يتم تناولها، فإن هذه الفضلات تكون دائمًا أصغر بكثير من الأوراق الميتة، وتتكون من عشرات الآلاف من قطع الأوراق الصغيرة (انظر الشكل 1 (F) توفر هذه التحويلة من الأوراق الميتة الكبيرة والسليمة إلى قطع صغيرة مساحة سطح أكبر بكثير لنمو الكائنات الدقيقة وتحللها.
لم يتم فهم أهمية تحويل الأوراق الميتة إلى فضلات بشكل جيد. هل الفضلات تُحلل بشكل أسهل بواسطة الكائنات الدقيقة مقارنة بالأوراق الميتة السليمة؟ إذا كان الأمر كذلك، هل يكون هذا التأثير أكثر أهمية بالنسبة للأوراق السميكة والمتينة مقارنة بالأوراق الرقيقة التي يتم تحللها بسهولة بالفعل بواسطة الكائنات الدقيقة؟ هل تساعد جميع الحيوانات التي تتغذى على الأوراق الميتة الكائنات الدقيقة في تحلل الأوراق؟ في هذه الدراسة، هدفنا إلى تقديم إجابات لهذه الأسئلة [5].
مصنع الفضلات: دراسة التحلل في المختبر
لدراسة أهمية تحويل الأوراق الميتة إلى فضلات، كان علينا العثور على وجمع عشرات الآلاف من الفضلات الطازجة من مختلف الحيوانات التربوية التي تتغذى على أنواع مختلفة من الأوراق الميتة. كانت هذه مهمة مستحيلة في البرية، لأن الفضلات صغيرة جدًا ومن المستحيل تحديد نوع الحيوانات التي أنتجت الفضلات، أو نوع الأوراق الميتة التي أكلتها تلك الحيوانات. لذلك، ابتكرنا نوعًا جديدًا خاصًا من التجارب: مصنع الفضلات. بدأنا بالتجول في غابات ومراعي مختلفة في الأراضي المنخفضة الاسكتلندية، حيث جمعنا آلاف الكائنات التربوية من ستة أنواع، بما في ذلك ثلاثة أنواع من الديدان الألفية، ونوعين من الحشرات القشرية، ونوع واحد من الرخويات. كما جمعنا أوراق ميتة من ستة أنواع من الأشجار المعروفة بتحللها بسرعات مختلفة: البلوط، والزان، والبندق، والقيقب، والكستناء، والليمون (انظر الشكل 2). أعدنا جميع العينات إلى المختبر، وباستخدام صناديق بلاستيكية، قمنا بدمج كل نوع من الحيوانات مع كل نوع من الأوراق الميتة. في المجموع، كان لدينا 36 تركيبة من الأوراق/الحيوانات. ثم سمحنا للحيوانات بالتغذي، وجمعنا فضلاتها مرتين في الأسبوع لمدة شهر. كانت هذه الفضلات متنوعة جدًا: اختلفت في اللون حسب الأوراق الميتة التي تم تناولها، وتنوعت في الشكل حسب نوع الحيوان (انظر الشكل 2). بعد خطوة جمع الفضلات، قمنا بقياس سرعة تحلل هذه الفضلات مقارنة بالأوراق الميتة السليمة. أردنا قياس ذلك في ظروف يمكن للباحثين الآخرين في جميع أنحاء العالم تكرارها للتحقق من نتائجنا أو لمقارنة اكتشافاتنا باستخدام أنواع مختلفة من الحيوانات أو الأوراق. لتحقيق ذلك، أنشأنا أنظمة تربوية صغيرة صناعية في المختبر. ملأنا جرارًا صغيرة بالتربة من حقل محلي ووضعنا كمية صغيرة من الفضلات أو الأوراق الميتة على سطح هذه التربة، مفصولة عن سطح التربة بشبكة رقيقة. سمحت لنا الشبكة باسترداد قطع الفضلات أو الأوراق الميتة المتبقية بسهولة، لكنها لا تزال تسمح للكائنات الدقيقة من التربة بالتحرك خلالها وتحلل الفضلات أو الأوراق الميتة. وضعنا الجرار في غرفة مظلمة ودافئة ورطبة لمدة 6 أشهر. كل أسبوع، أضفنا الماء إلى الجرار للحفاظ على رطوبة التربة في المستوى الأمثل للكائنات الدقيقة. بعد 6 أشهر، استعدنا الفضلات والأوراق الميتة المتبقية. قمنا بتجفيفها، ووزنها، ومقارنة كتلة العينات مع كتلها الأصلية، لمعرفة مقدار الأوراق والفضلات التي تم تحللها بواسطة الكائنات الدقيقة خلال تلك الأشهر الستة.
ماذا وجدنا؟
أدت تجاربنا إلى اكتشافين مثيرين للاهتمام. أولاً، بالنسبة لجميع أنواع الحيوانات التي درسناها، وجدنا أن الفضلات تتحلل بمعدل أسرع بنسبة 38% في المتوسط مقارنة بالأوراق الميتة (انظر الشكل 3). كانت هذه النتائج متسقة للغاية، على الرغم من أن الرخويات والديدان الألفية والحشرات القشرية هي أنواع مختلفة تمامًا. نعتقد أن الفضلات تتحلل بشكل أسرع لأن الحيوانات تحول الأوراق الميتة الكبيرة إلى آلاف القطع الصغيرة، مما يسهل على الكائنات الدقيقة النمو والتحلل.
اكتشافنا الثاني المهم كان أن زيادة سرعة التحلل لم تكن متساوية لجميع أنواع الأوراق الميتة. عندما كانت الحيوانات تأكل الأوراق الميتة التي يسهل على الكائنات الدقيقة تحللها، كانت فضلاتها لا تتحلل بشكل أسرع بكثير من الأوراق الميتة نفسها. ومع ذلك، عندما كانت الحيوانات تأكل الأوراق الميتة التي يصعب على الكائنات الدقيقة تحللها، كانت فضلاتها تتحلل بشكل أسرع بكثير من الأوراق غير المأكولة. بسبب ذلك، تختفي الفروق الكبيرة في سرعة التحلل بين أنواع الأوراق الميتة المختلفة تقريبًا بمجرد أن تؤكل الأوراق بواسطة الحيوانات وتحول إلى فضلات.
تساهم الحيوانات التربة في دورة الحياة
باختصار، من خلال تحويل الأوراق الميتة إلى فضلات، تسرع الحيوانات التربة عملية التحلل التي تقوم بها الميكروبات. وهذا هو السبب وراء عدم رؤية الأوراق الميتة تتراكم على سطح التربة، خاصةً تحت النباتات ذات الأوراق التي تتحلل ببطء. الأهم من ذلك، أن تحويل الأوراق الميتة إلى فضلات يساعد الحيوانات التربة على إعادة الكربون الموجود في الأوراق إلى الغلاف الجوي كأكسيد الكربون، ويساعد أيضًا على إرجاع العناصر الغذائية إلى التربة، حيث يمكن استخدام هذه المواد الحيوية مرة أخرى من قبل النباتات. لذا، تسهم الحيوانات التربة في الحفاظ على التوازن الحيوي بين عملية التمثيل الضوئي والتحلل، مما يدعم النباتات، وبالتالي يدعم كل أشكال الحياة على الأرض.
المصطلحات
التمثيل الضوئي
العملية التي من خلالها تلتقط النباتات الطاقة من ضوء الشمس باستخدام أوراقها لتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى سكريات.
إنزيم
بروتينات يمكنها تكسير الجزيئات الكبيرة والمعقدة إلى جزيئات أصغر وأبسط.
الميكروبات
كائنات حية صغيرة، غير مرئية للعين المجردة، مثل البكتيريا أو الفطريات. تُعرف أيضًا بـ “الميكروبات الدقيقة”.
الفضلات
(fee-seez): بقايا الطعام المأكول التي لا يتم هضمها من قبل الحيوانات. بمعنى آخر، فضلات.
المراجع
[1] Sagi, N., Grünzweig, J. M., and Hawlena, D. 2019. Burrowing detritivores regulate nutrient cycling in a desert ecosystem. Proc. R. Soc. B Biol. Sci. 286:20191647. doi: 10.1098/rspb.2019.1647
[2] David, J. F., and Gillon, D. 2002. Annual feeding rate of the millipede Glomeris marginata on holm oak (Quercus ilex) leaf litter under Mediterranean conditions. Pedobiologia. 46:42–52. doi: 10.1078/0031-4056-00112
[3] Coulis, M., Hättenschwiler, S., Coq, S., and David, J. F. 2016. Leaf litter consumption by macroarthropods and burial of their faeces enhance decomposition in a mediterranean ecosystem. Ecosystems. 19:1104–15. doi: 10.1007/s10021-016-9990-1
[4] Cárcamo, H. A., Abe, T. A., Prescott, C. E., Holl, F. B., and Chanway, C. P. 2000. Influence of millipedes on litter decomposition, N mineralization, and microbial communities in a coastal forest in British Columbia, Canada. Can. J. For. Res. 30:817–26. doi: 10.1139/x00-014
[5] Joly, F-. X., Coq, S., Coulis, M., David, J.- F., Hättenschwiler, S., Mueller, C. W., et al. 2020. Detritivore conversion of litter into faeces accelerates organic matter turnover. Commun. Biol. 3:660. doi: 10.1038/s42003-020-01392-4
**إدارة التحرير: ريمي بيوغنون **
**الموجه العلمي: ماريا سغوفيا-ساليسيدو **
تناقض المصالح: يعلن المؤلفون أن البحث تم إجراؤه في غياب أي علاقات تجارية أو مالية يمكن تفسيرها كتناقض محتمل في المصالح.
الاستشهاد: جولي، ف.-إكس.، كوك، س.، كوليس، م.، ديفيد، ج.-ف.، هاتنشويلر، س.، مويلر، ك. و.، وآخرون. 2020. تحويل المتغذيات على الفتات إلى فضلات يُسرع من دوران المادة العضوية. التواصل البيولوجي 3:660. doi: 10.1038/s42003-020-01392-4
**حقوق النشر **© 2022 جولي وسوبكي: هذه مقالة مفتوحة الوصول موزعة وفقًا لشروط رخصة المشاع الإبداعي للاستخدام المنسوب (CC BY). يُسمح بالاستخدام أو التوزيع أو إعادة الإنتاج في منتديات أخرى، بشرط أن يتم الإشارة إلى المؤلفين الأصليين ومالكي حقوق الطبع والنشر وأن يتم الاستشهاد بالمنشور الأصلي في هذه المجلة، وفقًا للممارسات الأكاديمية المعتمدة. لا يُسمح بأي استخدام أو توزيع أو إعادة إنتاج لا يتوافق مع هذه الشروط.
المؤلفون
فرانسوا-كزافييه جولي
فرانسوا-كزافييه جولي هو عالم تربة فرنسي يعمل في جامعة فيينا، في النمسا. يركز بحثه على فهم كيف تساهم كائنات التربة في تحلل النباتات الميتة، وكيف يمكن أن يتغير هذا العملية بسبب التغيرات العالمية، مثل فقدان التنوع البيولوجي وتغير المناخ. joly.fx@gmail.com
ينس-أرن سوبكي
ينس-أرن سوبكي هو عالم بيئي أنظمة في جامعة ستيرلنغ، ويهتم بتفاعلات النباتات والتربة والبيئة. يحاول الإجابة على أسئلة حول كيفية استقرار الكربون المستخرج من الغلاف الجوي بواسطة النباتات في التربة، لتقليل تركيزات في الغلاف الجوي CO2.
المراجعين الشباب
**خوان دييغو , العمر: 15 **
مرحبًا، اسمي خوان دييغو، وقد أتممت 15 عامًا للتو. أنا من الإكوادور لكنني نشأت في الولايات المتحدة. لدي العديد من الهوايات. أكثر ما أحب القيام به هو لعب ألعاب الفيديو لأنها تتيح لي اللعب مع أصدقائي الآن بعد أن أغلقت بسبب الجائحة. أحب الحيوانات والطبيعة. لذلك، كجزء من مشروع مدرسي، أعمل حاليًا على كتاب ملصقات صغير عن الأنواع المهددة بالانقراض في الإكوادور.
المترجمون
**رغد سلمان محمد **
رغد س. محمد هي باحثة بارزة في مجال بيولوجيا النبات، وتعمل حاليًا كباحثة علمية رئيسية في وزارة التعليم العالي والبحث العلمي في بغداد، العراق. حاصلة على درجة الدكتوراه في التكنولوجيا الحيوية للنبات والتربة، وتعد من الشخصيات الرائدة في الزراعة المستدامة، خصوبة التربة، وجودة المياه. قدمت رغد إسهامات مهمة في مجالات التكنولوجيا الحيوية، علم الخلايا، علم الوراثة، والنباتات المعدلة وراثيًا، حيث نشرت أكثر من 148 بحثًا، وحصلت على 303 استشهادات، بواقع h-index: 8. تركز أبحاثها الحالية على التراكم الحيوي والمعالجة النباتية للملوثات المشعة والمعادن الثقيلة باستخدام نباتات مثل ، وتسعى لتطوير تقنيات لتحسين نوعية التربة والمياه Cynodon dactylon.
التمويل
تُقدِّر فريق ترجمة التنوع البيولوجي في التربة دعم المركز الألماني للبحوث التكاملية في التنوع البيولوجي في (iDiv) هاله-يينا-لايبزيغ، الممول من قبل المؤسسة الألمانية للبحث العلمي (DFG FZT 118 202548816).
CITATION (TRANSLATION)
This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC-BY 4.0). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.Recommended citation format: Joly & Subke (2025) Bizarre role of soil animals on the recycling of dead leaves (Arabic translation: Raghad Salman Mohammed). Translating Soil Biodiversity & Front. Young Minds. Originally published in 2022, doi: 10.1038/s42003-020-01392-4
Figures
الشكل 1: (A–C) أمثلة على حيوانات التربة التي تأكل الأوراق الميتة وتحولها إلى فضلات. (D) مثال على الأوراق الميتة التي يمكن لهذه الحيوانات أن تأكلها. (E) أمثلة على فضلات الحيوانات التي تأكل الأوراق الميتة. (F) تتكون فضلات الحيوانات آكلة الأوراق من العديد من جزيئات الأوراق الصغيرة.
الشكل 2: فضلات تم جمعها من ستة أنواع مختلفة من الحيوانات التربة التي كانت تتغذى على ستة أنواع مختلفة من الأوراق الميتة. الفضلات مرسومة بالحجم الحقيقي، لكن الأوراق والحيوانات ليست بالحجم الحقيقي. يمكن ملاحظة أن لون الفضلات يعتمد على الأوراق الميتة التي تم تناولها، حيث يكون اللون فاتحًا عندما تأكل الحيوانات أوراق الزان ولونًا داكنًا عندما تأكل أوراق الليمون. في المقابل، يعتمد شكل الفضلات على نوع الحيوان، حيث تكون الفضلات بيضاوية الشكل بالنسبة لدودة الألفية، ومستطيلة الشكل بالنسبة للصرصور الخشبي، وأسطوانية الشكل بالنسبة للبزاقات (حقوق الصورة: تم التعديل من [5]).
الشكل 3: من خلال تحويل الأوراق الميتة إلى فضلات، تؤثر حيوانات التربة على سرعة تحلل الأوراق الميتة. في المتوسط، تحللت فضلات حيوانات التربة أسرع بنسبة 38% من الأوراق الميتة السليمة. تعتمد هذه الظاهرة على نوع الأوراق الميتة. عندما كانت الحيوانات تأكل أوراقًا ميتة سهلة التحلل من قبل الميكروبات (الموضحة باللون الأصفر الفاتح)، لم تتحلل فضلاتها أسرع بكثير من الأوراق الميتة. ومع ذلك، عندما كانت تأكل أوراقًا ميتة يصعب على الميكروبات تحللها (الموضحة باللون البني الداكن)، تحللت شظايا الأوراق الناتجة في الفضلات بسرعة أكبر بكثير.