العلوم المائية

علم الأحياء المائية هو دراسة المسطحات المائية المختلفة التي تُشكّل كوكبنا، بما في ذلك المحيطات والمياه العذبة . ^{[ 1 ]} يدرس علماء الأحياء المائية حركة المياه ، وتركيبها الكيميائي، والكائنات المائية، والنظم البيئية المائية ، وحركة المواد داخل وخارج هذه النظم، واستخدام الإنسان للمياه، وغيرها. كما يدرسون العمليات الحالية والتاريخية، وتتراوح المسطحات المائية التي يدرسونها من مساحات صغيرة تُقاس بالملليمترات إلى محيطات شاسعة. علاوة على ذلك، يعمل علماء الأحياء المائية ضمن فرق متعددة التخصصات . فعلى سبيل المثال، قد يتعاون عالم فيزيائي متخصص في المحيطات مع عالم بيولوجي لفهم كيفية تأثير العمليات الفيزيائية، كالأعاصير المدارية والتيارات الساحبة ، على الكائنات الحية في المحيط الأطلسي . في المقابل، قد يتعاون الكيميائيون وعلماء الأحياء لدراسة كيفية تأثير التركيب الكيميائي لمسطح مائي معين على النباتات والحيوانات التي تعيش فيه. بإمكان علماء الأحياء المائية العمل على معالجة المشكلات العالمية مثل التغيرات المحيطية العالمية، والمشكلات المحلية، مثل محاولة فهم سبب تلوث إمدادات مياه الشرب في منطقة معينة. ^{[ 1 ]}

يوجد مجالان رئيسيان للدراسة يندرجان ضمن مجال العلوم المائية. وهما علم المحيطات وعلم البحيرات .

يشير علم المحيطات إلى دراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية للبيئات المحيطية. يدرس علماء المحيطات تاريخ المحيطات وحالتها الراهنة ومستقبلها. ^{[ 2 ]} كما يدرسون الحياة البحرية والنظم البيئية، ودوران المحيطات، وحركة الصفائح التكتونية ، وجيولوجيا قاع البحر، والخصائص الكيميائية والفيزيائية للمحيط .

علم المحيطات مجال متعدد التخصصات. فعلى سبيل المثال، يوجد علماء المحيطات البيولوجيون وعلماء الأحياء البحرية. يتخصص هؤلاء العلماء في الكائنات البحرية، ويدرسون كيفية نمو هذه الكائنات، وعلاقاتها المتبادلة، وكيفية تفاعلها وتكيفها مع بيئتها. غالبًا ما يستخدم علماء المحيطات البيولوجيون وعلماء الأحياء البحرية الملاحظات الميدانية ، والنماذج الحاسوبية ، والتجارب المخبرية ، أو التجارب الميدانية في أبحاثهم. وفي مجال علم المحيطات أيضًا، يوجد علماء المحيطات الكيميائيون وعلماء الكيمياء البحرية. يركز هؤلاء العلماء على تكوين مياه البحر، ويدرسون عملياتها ودوراتها، بالإضافة إلى كيفية تفاعلها كيميائيًا مع الغلاف الجوي وقاع البحر. ومن أمثلة مهام علماء المحيطات الكيميائيين وعلماء الكيمياء البحرية تحليل مكونات مياه البحر، واستكشاف تأثير الملوثات عليها، وتحليل تأثير العمليات الكيميائية على الحيوانات البحرية. إضافةً إلى ذلك، قد يستخدم عالم المحيطات الكيميائي الكيمياء لفهم كيفية تحريك تيارات المحيط لمياه البحر بشكل أفضل، وكيف يؤثر المحيط على المناخ. وقد يبحثون أيضاً عن موارد المحيط التي يمكن أن تكون مفيدة، مثل المنتجات التي لها خصائص طبية.

يشمل مجال علم المحيطات أيضًا علماء المحيطات الجيولوجيين وعلماء الجيولوجيا البحرية الذين يدرسون قاع المحيط وكيفية تشكل جباله وأخاديده ووديانه . يستخدم علماء المحيطات الجيولوجيون وعلماء الجيولوجيا البحرية أساليب أخذ العينات لدراسة تاريخ تمدد قاع البحر ، وحركة الصفائح التكتونية، ودوران المياه الحرارية الملحية ، والمناخ . بالإضافة إلى ذلك، يدرسون البراكين تحت سطح البحر ، وكذلك الوشاح (الجيولوجيا) ودوران المياه الحرارية . تساعدنا أبحاثهم على فهم أفضل للأحداث التي أدت إلى تكوين الأحواض المحيطية وكيفية تفاعل المحيط مع قاع البحر . أخيرًا، يندرج ضمن مجال علم المحيطات علماء المحيطات الفيزيائيون. يُعدّ علماء المحيطات الفيزيائيون خبراء في الظروف والعمليات الفيزيائية التي تحدث بشكل طبيعي في المحيط. وتشمل هذه الظروف والعمليات الأمواج والتيارات والدوامات والدوامات البحرية والمد والجزر وتآكل السواحل . كما يدرس علماء المحيطات الفيزيائيون مواضيع مثل انتقال الضوء والصوت عبر الماء وتأثيرات المحيط على الطقس والمناخ . جميع هذه المجالات مترابطة. ولكي ينجح عالم المحيطات في مجاله، يحتاج إلى فهم كافٍ للعلوم الأخرى ذات الصلة، ^{مثل علم} الأحياء والكيمياء والفيزياء . [ ³ ]

علم البحيرات هو دراسة البيئات المائية العذبة، مثل الأنهار والجداول والبحيرات والخزانات والمياه الجوفية والأهوار . يعمل علماء البحيرات على فهم مختلف العوامل الطبيعية والبشرية التي تؤثر على مسطحاتنا المائية الطبيعية، مثل المبيدات الحشرية ودرجة الحرارة والجريان السطحي والحياة المائية . على سبيل المثال ، قد يدرس عالم البحيرات تأثير المبيدات الحشرية على درجة حرارة بحيرة ما، أو قد يسعى إلى فهم سبب انخفاض أعداد نوع معين من الأسماك في نهر النيل .

لتعزيز فهمهم لما يدرسونه، يستخدم علماء البحيرات ثلاث تقنيات دراسية رئيسية. التقنية الأولى تتعلق بالملاحظات ، حيث يقوم علماء البحيرات برصد الظروف وصفياً، ويسجلون كيفية تغيرها بمرور الوقت. تُمكّنهم هذه الملاحظات من صياغة النظريات والفرضيات . أما التقنية الثانية فتتعلق بالتجريب، حيث يُجرون تجارب مضبوطة في ظروف مخبرية لتعميق فهمهم لتأثير التغيرات الفردية الصغيرة في النظام البيئي . وأخيراً، يضع علماء البحيرات تنبؤات . فبعد إجراء تجاربهم، يُمكنهم تطبيق ما تعلموه على البيانات المعروفة عن النظام البيئي الأوسع، ووضع تنبؤات حول البيئة الطبيعية .

يتضمن علم البحيرات مجالات دراسية أكثر تخصصًا. أحد هذه المجالات هو علم البيئة ، وتحديدًا بيئة الأنظمة المائية. يركز علم بيئة الأنظمة المائية على الكائنات الحية التي تعيش في بيئات المياه العذبة وكيفية تأثرها بالتغيرات في بيئتها. على سبيل المثال، يمكن لعالم بحيرات متخصص في علم البيئة دراسة كيفية تأثير التغيرات الكيميائية أو الحرارية في المسطحات المائية على نمو الكائنات الحية الجديدة، سواءً بتثبيطها أو دعمها . ومن الجوانب الأخرى التي قد يدرسها تأثير الأنواع غير المحلية على الكائنات المائية المحلية. يُجري معظم علماء البحيرات البيئيين دراساتهم في المختبرات، حيث يمكن اختبار فرضياتهم والتحقق منها والتحكم فيها. مجال آخر للدراسة ضمن علم البحيرات هو علم الأحياء. يدرس علماء البحيرات المتخصصون في علم الأحياء الكائنات المائية الحية الموجودة في بيئة مياه عذبة معينة. ويهدفون إلى فهم جوانب مختلفة من هذه الكائنات، مثل تاريخها ودورات حياتها وأعدادها. يدرس هؤلاء العلماء الكائنات الحية لدعم الإدارة السليمة للمسطحات المائية العذبة وأنظمتها البيئية. ^{[ 4 ]}

تحتوي معظم البيئات المائية على كلٍ من النباتات والحيوانات. النباتات المائية هي نباتات تنمو في الماء، ومن أمثلتها زنابق الماء ، ونباتات القلوب العائمة، ونباتات التعريش، والأعشاب البحرية، والعوالق النباتية. قد تكون النباتات المائية متجذرة في الطين، مثل زهرة اللوتس، أو قد تطفو على سطح الماء، مثل زهرة النيل . ^{[ 5 ]} توفر النباتات المائية الأكسجين والغذاء والمأوى للعديد من الحيوانات المائية. إضافةً إلى ذلك، توفر النباتات المائية للعديد من أنواع الحيوانات البحرية أماكن للتكاثر والحضانة واللجوء والبحث عن الطعام. ^{[ 6 ]}

تُعدّ الأعشاب البحرية ، على سبيل المثال، مصدرًا حيويًا للغذاء للأسماك التجارية والترفيهية. فهي تُثبّت الرواسب، وتُنتج المواد العضوية التي تحتاجها اللافقاريات المائية الصغيرة ، وتُضيف الأكسجين إلى الماء. كما تُشكّل العوالق النباتية فئةً مهمةً من النباتات المائية. وهي تُشبه النباتات البرية في حاجتها إلى الكلوروفيل وضوء الشمس للنمو. وتطفو معظم العوالق النباتية في الجزء العلوي من المحيط، حيث يخترق ضوء الشمس الماء. وهناك فئتان رئيسيتان من العوالق النباتية: السوطيات الدوارة والدياتومات. تمتلك السوطيات الدوارة ذيلًا يشبه السوط يُسمى السوط ، تستخدمه للتحرك في الماء، وتُغطّى أجسامها بأصداف مُعقّدة. أما الدياتومات ، فلها أصداف، لكنها مصنوعة من مادة مختلفة. وبدلًا من الاعتماد على الأسواط للتنقل في الماء، تستخدم الدياتومات تيارات المحيط . يوفر كلا النوعين من العوالق النباتية الغذاء لمجموعة متنوعة من الكائنات البحرية، مثل الروبيان والقواقع وقناديل البحر . ^{[ 7 ]}

تُساهم كلٌّ من الحيوانات والنباتات المائية في صحة بيئتنا وجودة حياة الإنسان. ويعتمد الإنسان على وظائفها البيئية للبقاء على قيد الحياة. يستخدم الإنسان المياه السطحية وسكانها لمعالجة نفاياته. ^{[ 8 ]} تُوفر لنا النباتات والحيوانات المائية ضرورياتٍ كالأدوية والغذاء والطاقة والمأوى والعديد من المواد الخام. اليوم، يُستخلص أكثر من 40% من الأدوية من النباتات والحيوانات المائية. ^{[ 8 ]} علاوةً على ذلك، تُعدّ الحياة البرية المائية مصدرًا هامًا للغذاء لكثير من الناس. ^{[ 8 ]} إضافةً إلى ذلك، تُعدّ الحياة البرية المائية مصدرًا كبيرًا للأكسجين الجوي، وتلعب دورًا هامًا في حماية الإنسان من الأمراض الجديدة والآفات والمفترسات ونقص الغذاء وتغير المناخ العالمي . ^{[ 8 ]}

الحيوانات المائية هي كائنات حية تقضي معظم حياتها تحت الماء. تشمل هذه الحيوانات القشريات والزواحف والرخويات والطيور المائية والحشرات المائية ، وحتى نجم البحر والمرجان . ^{[ 9 ]} تواجه الحيوانات المائية ، للأسف ، العديد من التهديدات، ومعظمها ناتج عن سلوكيات بشرية. يُعد الصيد الجائر أحد أبرز هذه التهديدات . وقد توصل العلماء إلى طريقة لإعادة إحياء أنواع الأسماك التي استنزفها الإنسان من خلال إنشاء مناطق بحرية محمية أو مناطق لتجديد الأسماك. ^{[ 10 ]} تُساعد هذه المناطق على حماية أنظمتها البيئية والمساهمة في استعادة وفرتها. ^{[ 11 ]} ومن التهديدات الأخرى التي تواجه الحيوانات المائية التلوث ، وخاصة التلوث الساحلي. ينتج هذا التلوث عن الزراعة الصناعية ، حيث تُؤدي هذه الممارسات الزراعية إلى إلقاء النيتروجين والفوسفور التفاعليين في الأنهار، والتي تنتقل بدورها إلى المحيط. وقد تسببت هذه المواد الكيميائية في ظهور ما يُعرف بـ "المناطق الميتة" ، وهي مناطق يقل فيها الأكسجين في الماء. علاوة على ذلك، يُعدّ تدمير الموائل تهديدًا خطيرًا آخر يواجه الحيوانات المائية . ويتجلى ذلك في إزالة غابات المانغروف لإنتاج الروبيان، وجرف سلاسل الجبال تحت الماء عبر الصيد بشباك الجر في أعماق البحار . ومن التهديدات الأخرى التي تواجهها الحيوانات المائية الاحتباس الحراري وتحمض المحيطات . فالاحتباس الحراري مسؤول عن موت الطحالب التي تُبقي المرجان حيًا، مما يُجبر الأنواع على الخروج من موائلها الطبيعية والهجرة إلى مناطق جديدة، ويتسبب في ارتفاع مستوى سطح البحر. أما تحمض المحيطات، فيؤدي إلى انخفاض درجة حموضتها. وتمنع مستويات الحموضة العالية في الماء الكائنات البحرية المُكلسة ، مثل المرجان، من تكوين أصدافها. ^{[ 10 ]}

على الرغم من قلة الأعياد الرسمية الحالية التي تُحتفى فيها بعلوم الأحياء المائية، فقد تم استحداث يوم جديد يُسمى اليوم العالمي للحيوانات المائية. أُنشئ هذا اليوم في 3 أبريل/نيسان 2020، بهدف التوعية بهذه الحيوانات التي غالبًا ما تُنسى. ^{[ 9 ]} بدأ هذا اليوم كمشروع مشترك بين مبادرة قانون الحيوانات المائية وعيادة قانون الحيوان في كلية الحقوق بجامعة لويس وكلارك، ضمن مركز دراسات قانون الحيوان. وإلى جانب التوعية بهذه الحيوانات، يهدف هذا اليوم إلى تعزيز تقديرنا وفهمنا لها. وبموجب هذا اليوم، لا يقتصر تعريف الحيوانات المائية على الأسماك فقط. ^{[ 9 ]}

شهدت الدراسات الحالية في علوم الأحياء المائية توسعاً هائلاً لتحديد المشكلات البيئية وممارسات التعافي الجديدة. وقد ساهمت العديد من الدراسات متعددة التخصصات في تعزيز فهم عوامل الإجهاد والتدخلات التي تؤثر على النظم المائية في جميع أنحاء العالم.

يُعدّ التلوث بالجسيمات البلاستيكية الدقيقة مصدر قلق بالغ. تنتشر هذه الجسيمات على نطاق واسع في النظم البيئية البحرية والمياه العذبة، وقد وُجد أنها تؤثر على طيف واسع من الكائنات المائية. وقد أظهرت الدراسات أن الجسيمات البلاستيكية الدقيقة تُغيّر سلوك التغذية ومعدلات النمو والصحة الإنجابية لدى مختلف الأنواع. إضافةً إلى ذلك، يمكن لهذه الجسيمات امتصاص وإطلاق مواد كيميائية سامة، مما يزيد من آثارها البيئية. ^{[ 12 ]}

تُعدّ مسألة أخرى بالغة الأهمية تأثير تضافر عوامل الضغط البيئية، مثل الاحتباس الحراري والتخثث وجريان المبيدات، على المجتمعات الميكروبية المائية. وقد أظهرت التجارب أن تراكم الأوليات، التي تؤدي أدوارًا رئيسية في دورة المغذيات واستقرار الشبكة الغذائية، يكون عرضةً بشكل خاص لهذه العوامل مجتمعةً. ويمكن أن تؤدي التأثيرات التراكمية إلى تغييرات في بنية المجتمع، وفقدان التنوع البيولوجي، واختلال وظائف النظام البيئي. ^{[ 13 ]}

فيما يتعلق بتدابير الترميم، فقد ثبت أن إعادة تأهيل الغطاء النباتي المائي نهج فعال لاستعادة النظام البيئي. وأظهرت الأبحاث التي أجريت في بحيرات كايزي بالصين أن استعادة الغطاء النباتي المائي أدت إلى تحسين جودة المياه وزيادة تنوع العوالق النباتية. ^{[ 14 ]}

أصبح النمذجة الرياضية ذات أهمية متزايدة في علوم الأحياء المائية. وباستخدام تقنيات استقرار أولام-هايرز-راسيس، طور الباحثون نماذج تحاكي تأثيرات الاحتباس الحراري على النظم البيئية المائية. وتوفر هذه النماذج تنبؤات حول كيفية تأثير التغيرات المناخية طويلة الأجل على التنوع البيولوجي والإنتاجية. ^{[ 15 ]}

في المناطق الساحلية، يتزايد استخدام الموائل الاصطناعية لإعادة تأهيل التنوع البيولوجي البحري ودعم مصائد الأسماك. توفر هياكل مثل الشعاب المرجانية الاصطناعية موائل للكائنات البحرية، ويمكن أن تساعد في تعويض فقدان الموائل الناجم عن التنمية الساحلية والصيد الجائر. وعند تصميمها وإدارتها بشكل سليم، يمكن للموائل الاصطناعية أن تعزز خدمات النظام البيئي وتدعم الاستدامة البيئية على المدى الطويل. ^{[ 16 ]}

علاوة على ذلك، يجري قياس صحة النظم البيئية المائية بشكل متزايد باستخدام نماذج جديدة تراعي احتياجات خدمات النظام البيئي. فبدلاً من الاقتصار على قياس النظم البيئية بناءً على المقاييس الفيزيائية أو البيولوجية، تحلل هذه الأساليب قدرة النظم البيئية على توفير خدمات مثل ترشيح المياه، والموائل، والترفيه. ويؤكد هذا التحول على السلامة الوظيفية للنظم البيئية، ويدعم ممارسات إدارة أكثر شمولية وتكيفًا. ^{[ 17 ]}

تعكس هذه الدراسات مجتمعة مستقبل العلوم المائية، التي تتقاطع بشكل متزايد مع علوم المناخ، وأبحاث التلوث، وإعادة التأهيل البيئي.

• نظم المعلومات الجغرافية والعلوم المائية
• المجلة الأمريكية لعلوم المياه