العمليات الفيزيائية والبيولوجية في المحيطات

نظراً لكثافة مياه البحر الأعلى (1030  كجم/م³ ⁾ مقارنةً بالهواء (1.2  كجم/م³ ⁾ ، فإن القوة التي تؤثر بها نفس السرعة على الكائن الحي في المحيط تكون أقوى بـ 827 مرة. وعندما تتلاطم الأمواج على الشاطئ، قد تصل القوة المؤثرة على الكائنات الحية الساحلية إلى عدة أطنان.

يشكل الماء المحيط، وينتج بيئة سائلة عالية الكثافة، ويؤثر بشكل كبير على الكائنات الحية في المحيط.

1. يُنتج ماء البحر قوة الطفو، مما يوفر الدعم للنباتات والحيوانات. ولهذا السبب، يمكن أن تكون الكائنات الحية في المحيطات ضخمة كالحوت الأزرق والنباتات المائية الكبيرة. كما أن كثافة الكائنات البحرية وصلابتها منخفضة نسبيًا مقارنةً بالكائنات البرية. تسمح البيئة المائية للكائنات الحية بأن تكون لينة وشفافة وكبيرة الحجم. وتُعدّ الشفافية وسيلة ناجحة لتجنب الافتراس. ^{[ 1 ]}

1. يُمكن لمياه البحر أن تمنع الجفاف رغم أنها أكثر ملوحة من المياه العذبة. بالنسبة للكائنات البحرية، على عكس النباتات والحيوانات البرية، لا يُمثل الماء مشكلة على الإطلاق.
2. يحمل ماء البحر الأكسجين والمغذيات إلى الكائنات البحرية، مما يسمح لها بالعيش كعوالق أو ككائنات مستقرة. وتتدفق المعادن والأكسجين الذائب مع التيارات المائية. وتستطيع النباتات والحيوانات البحرية امتصاص ما تحتاجه بسهولة لحياتها اليومية، مما يجعلها كائنات بطيئة الحركة.
3. تُزيل مياه البحر الفضلات من الحيوانات والنباتات، وهي أنقى مما نتصور. وبفضل ضخامة المحيطات، تكاد الفضلات التي تُنتجها الكائنات البحرية، وحتى الأنشطة البشرية، لا تُلوث مياه البحر. ولا تُعد هذه الفضلات مجرد "نفايات"، بل مصدرًا غذائيًا هامًا أيضًا، إذ تُعيد البكتيريا تمعدن المواد العضوية وتدويرها إلى السلسلة الغذائية الرئيسية في المحيط.
4. تنقل مياه البحر الكائنات الحية، مما يسهل عملية التقاط الغذاء وتخصيبه. وتستخدم العديد من الكائنات الحية القاعية المستقرة لوامسها لاصطياد العوالق الغذائية.

يمكن وصف تدفق الماء بأنه انسيابي أو مضطرب. ^{[ 2 ]} يتميز التدفق الانسيابي بحركة سلسة: حيث تتبع الجسيمات المتجاورة التي يحملها هذا التدفق مسارات متشابهة. أما التدفق المضطرب فيسيطر عليه الدوران والدوامات والدوامات المائية والعشوائية الظاهرية. في هذا النوع من التدفق، قد تجد الجسيمات التي كانت متجاورة في لحظة ما نفسها متباعدة على نطاق واسع لاحقًا.

عدد رينولدز هو نسبة قوى القصور الذاتي إلى قوى اللزوجة. مع ازدياد حجم الكائن الحي وقوة التيار، تسود قوى القصور الذاتي في النهاية، ويصبح التدفق مضطربًا (عدد رينولدز كبير). ومع انخفاض الحجم والقوة، تسود قوى اللزوجة في النهاية، ويصبح التدفق انسيابيًا (عدد رينولدز صغير).

بيولوجيًا، ثمة فرق جوهري بين العوالق والسباحيات. فالعوالق هي مجموعة من الكائنات الحية الخاملة نسبيًا التي تطفو أو تنجرف مع التيارات المائية، مثل الطحالب والبكتيريا الدقيقة، والبيض واليرقات الصغيرة للكائنات البحرية، والبروتوزوا وغيرها من المفترسات الدقيقة. أما السباحيات فهي مجموعة من الكائنات الحية النشطة التي تسبح بحرية وتتحرك بمعزل عن التيارات المائية، مثل الروبيان والأسماك الصغيرة وأسماك القرش.

كقاعدة عامة، العوالق صغيرة الحجم، وإذا سبحت، فإنها تفعل ذلك عند أرقام رينولدز منخفضة بيولوجيًا (من 0.001 إلى 10)، حيث يسود سلوك لزوجة الماء وتكون التدفقات العكسية هي السائدة. أما السابحات، فهي أكبر حجمًا وتسبح عند أرقام رينولدز عالية بيولوجيًا (من 10³ ^إلى 10⁹ ⁾ ، حيث تسود التدفقات القصور الذاتي وتتلاشى الدوامات بسهولة. تبدأ العديد من الكائنات الحية، مثل قناديل البحر ومعظم الأسماك، حياتها كيرقات وأفراد صغيرة أخرى من مجتمع العوالق، تسبح عند أرقام رينولدز منخفضة، لكنها تصبح سابحات عندما تكبر بما يكفي للسباحة عند أرقام رينولدز عالية.

ينص مبدأ برنولي على أنه بالنسبة للتدفق غير اللزج (عديم الاحتكاك)، تحدث زيادة في سرعة السائل بالتزامن مع انخفاض في الضغط أو انخفاض في طاقة الوضع للسائل. ^{[ 3 ]}

من نتائج مبدأ برنولي أن التيار الأبطأ حركةً يكون ضغطه أعلى. يُستخدَم هذا المبدأ، على سبيل المثال، من قِبَل بعض الكائنات القاعية التي تتغذى بالترشيح . تحفر هذه الكائنات حفرًا تشبه الأنابيب على شكل حرف U، حيث يكون أحد طرفيها أعلى من الآخر. وبسبب مقاومة القاع، عندما يتدفق الماء فوق القاع، تكون سرعة السائل في فتحة الأنبوب السفلية أقل، وبالتالي يكون الضغط أعلى من الضغط في فتحة الأنبوب العلوية. يستطيع الكائن القاعي الذي يتغذى بالترشيح الاختباء داخل الأنبوب، حيث يدفع فرق الضغط بين طرفي الأنبوب الماء والجسيمات العالقة عبره.

تستغل الأشكال الجسدية للعديد من الكائنات القاعية مبدأ برنولي ليس فقط لتقليل الاحتكاك والسحب ولكن أيضًا لخلق قوة رفع عندما تتحرك عبر التيار.

المقاومة هي ميل الجسم للتحرك في اتجاه التدفق. وتعتمد شدة المقاومة على سرعة التيار، وشكل الجسم وحجمه، وكثافة السائل. وتُعدّ المقاومة عملية تبديدية ينتج عنها عادةً توليد حرارة.

في مياه البحر، يمكن تقسيم السحب إلى شكلين مختلفين: احتكاك الجلد وسحب الضغط.

1. الاحتكاك الجلدي: كما هو الحال مع قوى الاحتكاك الأخرى، ينتج الاحتكاك الجلدي عن الحركة النسبية بين سطح الكائن الحي وبيئته السائلة. في ظروف انخفاض عدد رينولدز، حيث تسود قوى اللزوجة، يكون الاحتكاك الجلدي واضحًا وأكثر أهمية، على الرغم من وجوده أيضًا في ظروف ارتفاع عدد رينولدز.
2. مقاومة الضغط: تنتج مقاومة الضغط عن فرق الضغط أمام الكائن الحي وخلفه. ومن الجدير بالذكر أن الشكل الذي يتمتع بأقل معامل لمقاومة الضغط هو نصف الكرة المجوف الموجه في اتجاه تدفق السائل. في البيئة المحيطية، تتميز النباتات والحيوانات المستقرة بأجسام لينة ومرنة لتقليل تأثيرات مقاومة الضغط.

إلى جانب كونها ناعمة ومرنة، تمتلك الكائنات الحية طرقًا أخرى لتقليل مقاومة الهواء.

• جلد ناعم: تمتلك الدلافين طبقات رقيقة تشبه قطرات الدمع في جلدها، تحبس بعض الماء، مما يسمح للماء بالتدفق فوق الماء المحبوس. يتميز الجلد بنعومته وملمسه الرقيق، ويتجدد كل ساعتين. ^{[ 4 ]} وهذا يساعد الدلافين على السباحة في مياه البحر بسرعة عالية.
• جلد القرش: سطح جلد القرش مغطى بـ"أسنان" صغيرة أو حراشف جلدية . يختلف شكل وموضع هذه الحراشف عبر جسم القرش، مما يغير تدفق الماء بطريقة تقلل من مقاومة الماء. ^{[ 5 ]}
• جلد سمكة الباراكودا: تمتلك سمكة الباراكودا مئات القنوات الجلدية التي تجبر تدفق السوائل على اتباع الأنابيب المتوازية وتصبح انسيابية. وهذا الترتيب يقلل من مقاومة الماء.