Energy, Environment, Microbiology and Immunity

حقل القمح يحبس ضوء الشمس، ويثبت الكربون، ويغذي سلسلة غذائية — ويفقد الطاقة في كل خطوة. تتبع هذه الوحدة الطاقة من الفوتون إلى النظام البيئي، ثم تنتقل إلى أصغر المشاركين: الميكروبات التي تعيد التدوير، والمسببات المرضية التي تأخذ، والجهاز المناعي الذي يدافع. WBI14 هو أيضًا ورقة الاختبار الأكثر احتياجاً للحسابات بعد وحدة 1: توقع حسابات الإنتاجية الصافية، وثوابت النمو، ومؤشرات التنوع، وحسابات وقت الوفاة.

WBI14 الطاقة، البيئة، علم الأحياء الدقيقة والمناعة هي الوحدة الأولى في الامتحان الداخلي IA2: 1 ساعة 30 دقيقة، 90 علامة، إلزامية بالكامل. تقاسم الموضوع 5 (تدفق الطاقة والنظم البيئية والبيئة) والموضوع 6 (علم الأحياء الدقيقة والمناعة وعلم الجنائية).

التفاعل الكلي: $6\mathrm{CO_2} + 6\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\mathrm{O_2}$، مدعوم بطاقة الضوء. في أغشية الثيلاكويد، تقوم التفاعلات المعتمدة على الضوء بتفكيك الماء (إطلاق O₂ و H⁺)، وتفسفرة ADP ضوئيًا، وتختزل NADP. في الستروما، تحدث التفاعلات غير المعتمدة على الضوء (دورة كالفن) تثبيت ثاني أكسيد الكربون على ريبولوز ثنائي الفوسفات بواسطة Rubisco، واختزال المنتجات باستخدام ATP وNADP المختزل من المرحلة الأولى، وإنتاج GALP — بعضها للجلوكوز، ومعظمها لإعادة تكوين RuBP.

الهيكل يتوافق مع الوظيفة: الثايلاكويدات مرصوصة لامتصاص مساحة أكبر؛ الستروما مليء بالإنزيمات للدورة.

الأصباغ والأطوال الطيفية

تمتص الكلوروفيل أ و ب الضوء الأحمر والأزرق؛ وتوسّع الكاروتينات النطاق وتوفر الحماية. يُظهر الطيف الامتصاصي ما تمتصه كل صبغة؛ بينما يُظهر الطيف الفعّال معدل البناء الضوئي الذي يحفّزه كل طول موجي — ويتوافقهما دليل على أن هذه الأصباغ تقوم بالعمل. تفصل الكروماتوغرافيا الأصباغ حسب الذوبانية؛ $\mathrm{Rf} = \text{distance moved by pigment} / \text{distance moved by solvent}$.

العوامل المحدِّدة: شدة الضوء، تركيز CO₂، ودرجة الحرارة. تُرفع الصوبة الزجاجية العامل الأضعف من الثلاثة — وتجيب إجابات الامتحانات عن أي عامل وما السبب.

الإنتاجية الأولية الإجمالية (GPP) هي الطاقة المُثبَّتة عبر البناء الضوئي لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمن (kJ m⁻² yr⁻¹). تنفق النباتات جزءاً كبيراً منها في تنفسها الخاص؛ والباقي هو الإنتاجية الأولية الصافية:

ينتقل نحو 10 % فقط من الطاقة عند كل مستوى غذائي للأعلى — ويضيع في التنفس كحرارة، والإخراج غير المهضم، والتبرّز، وأجزاء لم تُؤكل أبداً. ولهذا نادراً ما تتجاوز السلاسل الغذائية أربعة أو خمسة مستويات، ونادراً ما تكون المفترسات العليا.

تحقق محلول. يثبت أرض عشبية 45 000 kJ m⁻² yr⁻¹، وتنفسها 19 000. NPP $= 26\,000$ kJ m⁻² yr⁻¹. تحافظ الأبقار التي تأكل هذا العشب على نحو 10 %: 2 600 kJ m⁻² yr⁻¹. يحفظ البشر الذين يأكلون الأبقار 260 — وهو الحساب الطاقي وراء عبارة "الأكل من مستوى أدنى في السلسلة يغذي عدداً أكبر من الناس".

أربع تعريفات بدقة: الموطئ (أين)، السكان (أفراد نوع واحد)، المجتمع الحيوي (جميع السكان)، النظام البيئي (مجتمع حيوي + بيئة). العوامل اللاحيوية (الضوء، الماء، درجة الحرارة، الحموضة) والعوامل الحيوية (التنافس، الافتراس، الأمراض) تحدد من يعيش أين وبأي كثافة — مجتمعةً تُشكّل الموقع ekological niche.

يدور المفترس والفريسة بتأخير: ترتفع الأرانب، يليها الثعلب القطبي، تنخفض الأرانب، تجوع الثعالب — وتأخير قدره ربع دورة تقريباً.

التتابع يبدأ عندما تستوطن أنواع رائدة أرضاً عارية؛ كل مرحلة تُغيّر التربة والمناخ الدقيق، مما يمكّن المرحلة التالية، حتى يستقر المجتمع الختامي. يُقاس الكثافة باستخدام مربعات المسح والمسارات (عينات عشوائية للتقديرات، ومنهجية على طول تدرج) ومحاكاة Capture-mark-recapture للحيوانات ($N \approx \text{first catch} \times \text{second catch} / \text{marked recaptures}$).

تأتي الأدلة من سجلات درجات الحرارة المباشرة، وعينات الجليد (الهواء المحبوس الذي يعطي CO₂ القديمة)، وأطواق الأشجار (علم تحديد عمر الأشجار) وطبقات حبوب اللقاح في الخث. التأثير الاحتباسي المعزَّز: الإشعاع طويل الموجة الخارج يُمتص بواسطة CO₂ والميثان وأكسيد النيتروز ويُعاد انبعاثه لأسفل. تختلف الغازات — فالميثان قوي لكنه قصير العمر؛ CO₂ يدوم قروناً؛ وأكسيد النيتروز يجمع الاثنين — لذا تقارن السياسات إمكانية الاحترار العالمي بالمدة الحياتية.

استخلاص اتجاه خارج نطاق بياناته هو حكم وليس حقيقة: اذكر الافتراض (استمرار الاتجاه) وضعفه. الآثار المدروسة سابقاً: انتقال أنماط الهطول ومدى توزيع الأنواع، و— بالنسبة لهذا المقرر تحديداً — تأثير درجة الحرارة على معدلات الإنزيمات في الكائنات متغيرة الحرارة والأنظمة البيئية الكاملة.

تحقق محلول. إمكانية احترار الميثان تساوي نحو 28× قدرة CO₂ لكل كيلوجرام، لكنه يدوم ~12 سنوات مقابل قرون. تسرب مئة طن من الميثان له أهمية 28× تسرب مئة طن من CO₂ خلال هذا العقد، لكنه يتلاشى بينما يستمر CO₂ — وهو حساب "إمكانية الاحترار مقابل الحمل التراكمي".

التطور هو تغيير في تردد الأليلات. يحتاج إلى تباين (طفرة، انقسام منصف) وفلتر: الاختيار الاتجاهي يُزيح المتوسط عندما يتغير البيئة؛ الاchoose التثبيتي يقص الطرف المتطرف في بيئة مستقرة. التغيير العشوائي يغيّر الترددات بالصدفة في populations الصغيرة؛ وتدفق الجينات (الهجرة) يعيد خلطها.

التنوع يتطلب العزلة: خارجية الموقع (حاجز فيزيائي — تعني موطن مختلف) أو داخلية الموقع (عزل تكاثر في نفس المكان — سلوكي، زمني أو جيني). تتباعد المجموعات المعزولة حتى لا تتمكن من التزاوج معًا.

تحمّل التقنيات المعقمة وتحمي المزرعة: حرر الحلقة إلى الاحمرار، حرر عنق الزجاجة، ارفع الأغطية لفترة وجيزة، أغلق الصفائح بشريط، واطلبها عند 25 درجة مئوية (لا تطلبها عند درجة حرارة الجسم حتى لا تتكاثر الممرضات البشرية). قِس النمو بعدد الخلايا المباشر (باستخدام العدادة)، أو العكارة في المرق، أو العدود الصالحة بالتخفيف (عدد المستعمرات × معامل التخفيف).

منحنى النمو: الاستقرار (تركيب الإنزيمات)، اللوغاريتمي (الضعف الأسّي)، الثابت (الموت = الانقسام)، الموت. ثابت الضعف:

تحقق محلول. من $2\times10^4$ إلى $1.6\times10^7$ خلية في 5 ساعة: الفرق اللوغاريتمي $= 2.903$؛ $k = 2.903/(0.301\times5) = 1.93$ أجيال في الساعة — وقت ضعف حوالي 31 دقيقة.

البكتيريا: الجدار الخلوي، البلازميدات، الريبوسومات، الحمض النووي الدائري، وبعضها له كبسولة وسوط. الفيروسات: حمض نووي (DNA أو RNA) في محفظة، وبعضها له غلاف — بدون عضيات، وبدون استقلاب خاص بها؛ تستغل خلايا العائل. الميكوبكتيريوم التدرجي يصيب الرئتين، ويبقى داخل الخلايا البلعمية؛ فيروس نقص المناعة البشرية يدمر خلايا T المساعدة، مما يؤدي إلى انهيار الجهاز المناعي وإعادة تنشيط السل — وهو المرض الكلاسيكي الذي يُعرّف الإيدز.

الحواجز تأتي أولاً: الجلد، المخاط والهدبات، حمض المعدة، الليزوزيم في الدموع، وسلسلة التجلط التي تغلق الجروح.

غير محددة: الالتهاب (توسع الأوعية وتسرب السائل لجلب البلعميات)، البلعمة، الإنترفيرون. محددة — تُحفزها المستضدات:

• السائلة: خلايا B الفاعلة → خلايا بلازمية → أجسام مضادة؛ خلايا B الذاكرة تبقى للاستجابة الثانوية الأسرع والأقوى.
• خلوية: خلايا T المساعدة تنسق، خلايا T القاتلة تدمر الخلايا المصابة، خلايا T الذاكرة تستمر.

الجسم المضاد عبارة عن أربع سلاعات بولي ببتيد (اثنتان ثقيلة واثنان خفيفتان) مع منطقة متغيرة تشكل موقع ارتباط واحد محدد — الشكل الذي يتناسب مع مستضد واحد. ينقسم المناعة إلى طريقتين: نشط (أجسام مضادة خاصة بك — عدوى طبيعية أو تطعيم) مقابل سلبي (أجسام مضادة مُعطاة — الأم للطفل، مصل مضاد)؛ طبيعي ضد اصطناعي في كل منهما. يعمل التطعيم على مستوى المجتمعات أيضًا (مناعة القطيع) — لكن الممرضات تتطور عائدةً: سباق التطور.

تحقق محلول. جرعة اللقاح الثانية تنتج مستويات أجسام مضادة أعلى十倍 من الأولى وفي غضون أيام بدلاً من أسابيع: الاختيار الشوكلي يعثر على خلايا B الذاكرة، والتي تنقسم بسرعة إلى خلايا بلازمية — الاستجابة الثانوية التي بناها الاستجابة الأولية.

المضادات الحيوية المثبطة للنمو البكتيري توقف نمو البكتيريا؛ المطهرة للبكتيريا تقتلها. تنشأ المقاومة عن طريق الطفرات وتنتشر عبر الانتقاء كلما قُتل الحساس وتم حفظ المقاوم — إكمال الجرعة وتجنب الاستخدام غير الضروري كلاهما يبطئها. تزدهر العدوى المكتسبة في المستشفيات حيث يلتقي المرضى المعرضون للخطر والأجهزة الغاشمة والسلالات المقاومة؛ النظافة اليدوية والإجراءات المعقمة وعزل الناقلين يكسر السلسلة.

المحللات يعيدون تدوير الكربون والنيتروجين — نظام النفايات في النظام البيئي. تفاعل البوليميراز المتسلسل يدور دورات التسخين (95 درجة مئوية)، ترتبط البادئات (50–60 درجة مئوية)، والتوسيع (72 درجة مئوية)، مضاعفة الحمض النووي المستهدف في كل دورة: $n$ دورات تعطي $2^n$ نسخ. الكهرباء الهلامية تسحب شظايا الحمض النووي ذات الشحنة السالبة عبر الهلام — الشظايا القصيرة تسافر أبعد. التنميط لمواقع الشرائط يحدد الأفراد (يكفي اختلاف عدد المواقع بين أشخاص غير مرتبطين) ويقيس القرابة (الشرائط المشتركة).

وقت الوفاة يضيقه أربع ساعات: درجة حرارة الجسم (تنخفض ~1 درجة مئوية لكل ساعة، معدّلة بالحجم والملابس والهواء)، الصلب الميتي (يظهر ثم يزول)، درجة التحلل، وتتابع الحشرات على الجثة — وصول كل مرحلة يختم الوقت الفاصل.

تحقق محلول. جثة عُثر عليها عند 22 درجة مئوية كحرارة جوهرية في غرفة درجة حرارتها 15 درجة مئوية: $(37-22)/(1\ ^\circ\text{C per hour}) \approx 15$ ساعات — لكن حدد الافتراضات (هواء ساكن، بنية جسم متوسطة) قبل الوثوق به.

1. اذكر نواتج التفاعلات المعتمدة على الضوء التي يستخدمها دورة كالفن.
2. يثبت محصول 60 000 كيلو جول م⁻² سنة⁻¹، ويتنفس الكائنات الحية 20 000. احسب الإنتاجية الأولية الصافية NPP والطاقة التي تصل إلى المستوى الغذائي الثالث بنقل 10 % في كل مرحلة.
3. اشرح لماذا يُعد الطيف الفعلي دليلاً على أن الكلوروفيل يقوم بعملية البناء الضوئي.
4. فرّق بين الانتخاب الاتجاهي والاستقراري مع ذكر مثال واحد لكل منهما.
5. قدم سببين لندرة تجاوز السلسلة الغذائية خمسة مستويات غذائية.
6. تنمو ثقافة من $5\times10^3$ إلى $4\times10^6$ خلال 6 ساعات. احسب k ووقت التضاعف.
7. اشرح لماذا ترفع جرعة اللقاح الثانية عيار الأجسام المضادة بشكل أسرع بكثير من الأولى.
8. بيّن الفرق بين المبيدات البكتيرية المثبطة للنمو والمبيدات البكتيرية القاتلة، ولماذا يهم هذا التمييز للمريض ذي المناعة الضعيفة.
9. ثلاث دورات PCR من قالب مزدوج الشريط: كم عدد النسخ؟
10. درجة حرارة جسم المركز هي 30 °C. قدّر الوقت منذ الوفاة وفق الافتراضات القياسية وسمّ عاملاً واحداً سيؤدي إلى تمديد الفترة الحقيقية.

الإجابات: 1 ATP وNADP المختزل؛ 2 NPP $= 40\,000$؛ المستوى الثالث $= 400\,\text{kJ m}^{-2}\text{yr}^{-1}$ (10 % من 4 000)؛ 3 الأطوال الموجية التي يمتصها الكلوروفيل أفضل هي تلك التي تقود عملية البناء الضوئي بكفاءة؛ 4 الاتجاهي — مقاومة المضادات الحيوية تحرك المتوسط؛ الاستقرائي — أوزان الولادة البشرية؛ 5 تُفقَد الطاقة في كل مرحلة للتنفس/الحرارة/الإخراج، لذا يتبقى القليل منها؛ كما تفقد المنتجون التنفس قبل النقل الأول؛ 6 فرق اللوغاريتم 2.903، $k = 2.903/(0.301\times6) = 1.61$ ساعة⁻¹، التضاعف ≈ 37 دقيقة؛ 7 خلايا B الذاكرة تستمر؛ التعرض الثاني يختار المستنسخات التي تنقسم بسرعة لتصبح خلايا بلازمية — الاستجابة الثانوية؛ 8 المثبط للنمو يوقف النمو (يجب على جهاز المناعة التنظيف)، القاتل يقتل مباشرة — نظام مناعي ضعيف يحتاج دعمًا قاتلًا للبكتيريا؛ 9 $2^3 = 8$ نسخة؛ 10 $(37-30)/1 = 7$ ساعات؛ الملابس الثقيلة أو الغرفة الدافئة تبطئ البرودة، لذا يكون الوقت الحقيقي أطول.