การถ่ายทอดพลังงานและวัฎจักรสารในระบบนิเวศ

การถ่ายทอดพลังงาน
                การถ่ายทอดพลังงานในสิ่งมีชีวิต สิ่งมีชีวิตในระบบนิเวศมีความสัมพันธ์ในลักษณะของการกินต่อกันเป็นทอดๆ ซึ่งทำให้เกิดการถ่ายทอดพลังงานในสิ่งมีชีวิตในรูปแบบของโซ่อาหาร (food chain) และสายใยอาหาร (food web) 
                พลังงานการถ่ายทอดไปตามลำดับขั้นการกิน ทำให้เกิดธาตุอาหารนำไปใช้ในการสร้างเนื้อเยื่อหรือสังเคราะห์สารในการทำกิจกรรมต่างๆ ของร่างกาย 

                โซ่อาหาร (food chain) 

                โซ่อาหารเป็นความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งชีวิตชนิดต่างๆ ในลักษณะการกินกันเป็นทอดๆ การถ่ายทอดพลังงานในโซ่อาหาร เขียนแทนด้วยหัวลูกศรชี้ไปที่สิ่งมีชีวิตที่เป็น ผู้กินแสดงทิศทางการถ่ายทอดพลังงาน และสารอาหารตามลำดับ 

                รูปแบบของโซอาหาร จำแนกได้เป็น 3 ประเภทใหญ่ 

                1. โซ่อาหารแบบผู้ล่า (grazing food chain) พลังงานหรือสารอาหารถ่ายทอด จากผู้ผลิตผ่านไปยังผู้บริโภคลำดับต่างๆ   จนถึงผู้บริโภคลำดับสุดท้าย

                2. โซ่อาหารแบบดีไทรทัส (detritus food chaian) พลังงานหรือ สารอาหารถ่ายทอดจากการสลายซากพืชซากสัตว์ ของผู้สลายสารอินทรีย์ผ่านต่อไปยังผู้บริโภคลำดับต่างๆ
                3. โซ่อาหารแบบปรสิต (parasitic food chain) พลังงานหรือสารอาหารถ่ายทอดจากผู้ถูกอาศัยให้กับปรสิต

อันราการถ่ายทอดพลังงานในโซ่อาหาร
                การถ่ายทอดพลังงานในรูปเนื้อเยื่อจากสิ่งมีชีวิต ตามลำดับขั้นอาหารขั้นหนึ่งไปยังขั้นถัดไปเป็นไปตามกฎ  10  เปอร์เซ็นต์  กล่าวว่า  ปริมาณพลังศักย์ที่สะสมในเนื้อเยื่อสิ่งมีชีวิตลำดับ ขั้นอาหารขั้นสูงจะมีน้อยกว่าปริมาณพลังงาน ศักย์ที่สะสมในเนื้อเยื่อสิ่งมีชีวิตลำดับขั้นอาหารชั้นต่ำกว่าที่อยู่ถัดลงมาอยู่  10  เท่า

   พีระมิดทางนิเวศวิทยา

พีระมิดนิเวศวิทยา เป็นการแสดงความสัมพันธ์ลำดับขั้นของโซ่อาหารในรูปแบบของพีระมิด จำแนกได้ 3 แบบ คือ 
               1. พีระมิดจำนวน (pyramid of numbers)
                แสดงลำดับจำนวนของสิ่งมีชีวิตในระบบนิเวศนั้นๆ จากผู้ผลิตมายังผู้บริโภคมีหน่วยเป็นจำนวนต่อตารางเมตร ดังภาพ 

              2.  พีระมิดมวลชีวภาพ (pyramid of biomass)                
                แสดงมวลชีวภาพหรือเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดในรูปของน้ำหนักแห้งมีหน่วยเป็นกรัมต่อตารางเมตร ดังภาพ

 

              3. พีระมิดพลังงาน (pyramid of enery) 
              แสดงค่าพลังงานในชีวิตแต่ละชนิดมีหน่วยเป็นกิโลแคลอรีต่อตารางเมตรต่อปี ดังภาพ

                สายใยอาหาร (food web) 
               สายใยอาหารเป็นความสัมพันธ์ของโซ่อาหารหลายโซ่อาหารในระบบนิเวศที่มีความสัมพันธ์กันซับซ้อน เนื่องจากในธรรมชาติสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งมิได้เป็นอาหารของผู้บริโภคชนิดใดชนิดหนึ่งโดยเฉพาะ และผู้บริโภคแต่ละชนิดยังกินอาหารได้หลายอย่างทำให้การถ่ายทอดพลังงานมีความซับซ้อน สายใยอาหารยิ่งซับซ้อน แสดงว่าระบบนิเวศมีความสมดุลมาก ดังตัวอย่าง

 วัฎจักรสารในระบบนิเวศ

   แร่ธาตุและสารต่างๆ ในระบบนิเวศเป็นสิ่งจำเป็นในการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิต เช่น คาร์บอน ไฮโดรเจน ไนโตรเจน และฟอสฟอรัส เป็นต้น สารเหล่านี้ล้วนเป็นองค์ประกอบของโมเลกุลที่สำคัญในเซลล์สิ่งมีชีวิต เช่น ลิพิด โปรตีน คาร์โบไฮเดรต และกรดนิวคลีอิค ซึ่งธาตุที่เป็นองค์ประกอบหลักเหล่านี้มีการหมุนเวียนผ่านโซ่อาหารเป็นวัฏจักร เรียกว่า วัฏจักรสาร เช่น วัฏจักรน้ำ วัฏจักรคาร์บอน วัฏจักรไนโตรเจน และวัฏจักรกำมะถัน เป็นต้น ซึ่งโดยปกติแล้วสารดังกล่าวจะมีปริมาณค่อนข้างคงที่และสมดุลในธรรมชาติ เนื่องจากมีการหมุนเวียนสารกลับมาใช้ใหม่ได้โดยกระบวนต่างๆ แล้วมีการปลดปล่อยสารกลับคืนสู่ธรรมชาติวนเวียนกันเช่นนี้เป็นวัฏจักร 

              วัฏจักรน้ำ 
              ความสำคัญ น้ำเป็นสิ่งจำเป็นต่อสิ่งมีชีวิตทุกชนิดในระบบนิเวศ เป็นตัวกลางสำคัญของกระบวนการต่างๆ ในสิ่งมีชีวิตและยังเป็นสิ่งที่อยู่อาศัยของสิ่งมีชีวิต วัฎจักรน้ำในระบบนิเวศมี 2 รูปแบบ คือ การหมุนเวียนโดยไม่ผ่านสิ่งมีชีวิตกับการหมุนเวียนโดยผ่านสิ่งมีชีวิตดังแผนภาพ 

ภาพแสดงวัฏจักรน้ำ

              จากแผนภาพแสดง การหมุนเวียนของน้ำโดยไม่ผ่านสิ่งมีชีวิตจะเริ่มจากน้ำตามแหล่งน้ำธรรมชาติทั่วไป เช่น แม่น้ำ ลำคลอง ทะเล ได้รับความร้อนจากดวงอาทิตย์เกิดการระเหยเป็นไอน้ำ ลอยตัวขึ้นสู่บรรยากาศ และจับตัวรวมกลุ่มกันเป็นก้อนเมฆ เมื่อกระทบความเย็นก็จะควบแน่นกลั่นตัวเป็นหยดน้ำ ตกลงมาเป็นฝนคืนสู่สิ่งแวดล้อมต่อไป 
              ส่วนการหมุนเวียนน้ำโดยผ่านสิ่งมีชีวิต ขับออกจากร่างกายในรูปของไอน้ำ เช่น ลมหายใจของสัตว์ การคายน้ำของพืช หรือเป็นของเหลว เช่น สิ่งที่ขับถ่ายเป็นปัสสาวะ จนระเหยปะปนไปกับน้ำที่ระเหย จากแหล่งน้ำขึ้นไปเป็นเมฆ และตกลงมาเป็นฝนคืนกลับให้พืชและสัตว์นำไปใช้ประโยชน์ในกิจกรรมต่างๆ   ของชีวิตได้ใหม่ต่อไป 

              วัฏจักรคาร์บอน 
              ความสำคัญ คาร์บอน (C) เป็นแร่ธาตุสำคัญในการสังเคราะห์อินทรีย์สารหลายชนิด ของสิ่งมีชีวิต เช่น คาร์โบไฮเดรต โปรตีน ลิพิด เป็นต้น คาร์บอนเป็นองค์ประกอบของคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ที่ใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช 
              การหมุนเวียนคาร์บอนผ่านสิ่งมีชีวิต วัฏจักรคาร์บอนมีการหมุนเวียน คาร์บอนในรูปของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ทั้งในบรรยากาศและในน้ำซึ่ง CO2 ได้จากการเน่าเปื่อยของซากพืชซากสัตว์ การหายใจของพืชและสัตว์ การเผาไหม้ของเชื้อเพลิงฟอสซิล (น้ำมัน แก๊ส ถ่านหิน) และแคลเซียม คาร์บอนเน็ต (CaCO3) ที่เป็นตะกอนอยู่ในน้ำ 

ภาพแสดงวัฏจักรคาร์บอน

              จากแผนภาพแสดงการหมุนเวียนคาร์บอน เริ่มจากเมื่อพืชและผู้ผลิตอื่นๆ ดูด CO2 ไปใช้ในการสังเคราะห์ด้วยแสง สร้างอินทรีย์สารคาร์โบไฮเดรต สะสมไว้ในเนื้อเยื่อและมีการถ่ายทอดพลังงานไปสู่ผู้บริโภคและสิ่งมีชีวิตอื่นในโซ่อาหารเมื่อสิ่งมีชีวิตตายลง จะถูกสลายโดยผู้ย่อยสลาย ทำให้คาร์บอนปล่อยคืนสู่บรรยากาศในรูปของ CO2 ส่วนซากที่ไม่ถูกย่อยสลาย เมื่อทับถมกันเป็นเวลานานก็จะกลาย ไปอยู่ในรูปของถ่านหิน น้ำมัน อยู่ใต้พื้นโลก ดังแผนภาพ

              วัฏจักรไนโตรเจน 
              ความสำคัญ ไนโตรเจน (N) เป็นแร่ธาตุหลักสำคัญที่สิ่งมีชีวิตใช้เพื่อการสังเคราะห์อินทรีย์จำพวกโปรตีนในร่างกาย ซึ่งสัตว์ได้รับไนโตรเจนจากการกินกันเป็นทอดๆ ตามโซ่อาหาร และพืชใช้ไนโตรเจนในรูปสารประกอบเกลือแอมโมเนียม เกลือไนไตรท์ และเกลือไนเตรต เพื่อนำไปสร้างสารประกอบต่างๆ ภายในเซลล์ได้อีก 

           การหมุนเวียนไนโตรเจนผ่านสิ่งมีชีวิต               วัฏจักรไนโตรเจนส่วนใหญ่เกิดขึ้นโดยจุลินทรีย์ ทำให้มีการเปลี่ยนแปลง สารประกอบไนโตรเจนจากสารหนึ่งไปเป็น อีกสารหนึ่งต่อเนื่องกันหลายกระบวนการดังนี
             • การตรึงไนโตรเจน (nitrogen fixation) เป็นกระบวนการตรึงไนโตรเจนจากอากาศมาสร้างสารประกอบไนเตรต (NO3) ในดินโดยจุลินทรีย์ที่อยู่ร่วมกับสิ่งมีชีวิตอื่นแบบพึ่งพา เช่น แบคทีเรียไรโซเบียมที่อยู่ในปมรากถั่ว ราไมคอไรซาที่เซลล์รากพืชชั้นสูง นอกจากนี้การตรึงไนโตรเจนยังเกิดขึ้นในธรรมชาติจากปรากฏการณ์ฟ้าฝ่าได้อีกด้วย 
             • แอมโมนิฟิเคชัน (ammonification) เป็นกระบวนการที่จุลินทรีย์ในดิน เปลี่ยนแปลงจากกรดอะมิโน และโปรตีนจากซากพืชซากสัตว์เป็น แก๊สแอมโมเนีย (NH3) หรือสารประกอบแอมโมเนียม (NH4+) โดยจุลินทรีย์แอมโมนิไฟอิงแบคทีเรีย 
             • ไนตริฟิเคชัน (nitrification) เป็นกระบวนการเปลี่ยนเกลือแอมโมเนียมเป็น ไนไตรท์และไนเตรต โดยจุลินทรีย์ไนตริไฟอิงแบคทีเรีย เช่น ไนโตรโซโมแนส ไนโตรเบกเตอร์               
             • ดีไนตริฟิเคชัน (denitrification) เป็นกระบวนการเปลี่ยนไนเตรตกลับเป็นแก๊สไนโตรเจนในอากาศ โดยจุลินทรีย์ดีไนตรีไฟอิงแบคทีเรีย ดังแผนภาพ 

ภาพแสดงวัฏจักรไนโตรเจน

           จากแผนภาพแสดง การหมุนเวียนไนโตรเจนเริ่มจากพืชดูดไนโตรเจนจากดิน ในรูปสารประกอบพวกเกลือไนไตรท์ เกลือไนเตรต หรือเกลือแอมโมเนียมไปสร้างสารประกอบ เช่น โปรตีนเมื่อสัตว์กินพืชก็จะได้รับสารประกอบไนโตรเจนเข้าสู่ร่างกาย สัตว์จะนำสารเหล่านี้ไปสร้างเป็นเนื้อเยื่อของร่างกาย บางส่วนนำไปสลายเพื่อให้พลังงาน การใช้สารประกอบไนโตรเจนจะมีของเสียเกิดขึ้นในรูปของแอมโมเนีย สัตว์กำจัดออกจากร่างกายทางปัสสาวะซึ่งจะอยู่ในรูปยูเรียและกรดยูริก ทำให้ไนโตรเจนคืนกลับสู่ธรรมชาติ การตายของสิ่งมีชีวิตทำให้สารประกอบไนโตรเจนในสิ่งมีชีวิตที่ถูกจุลินทรีย์ย่อยสลายคืนสู่ธรรมชาติ เช่นกัน และพืชก็จะรับ สารประกอบไนโตรเจนกลับไปหมุนเวียนต่อไปอีก อาจมีบางส่วนคืนกลับสู่บรรยากาศในรูปของไนโตรเจนอิสระได้ด้วย 

           วัฏจักรกำมะถัน
           ความสำคัญ กำมะถัน (S) เป็นธาตุที่เป็นสารประกอบของโปรตีนในพืชและสัตว์โดยเป็นส่วนประกอบของกรดอะมิโนที่จำเป็น แร่ธาตุกำมะถันเป็นแหล่งสะสมในดินในน้ำ ซึ่งอยู่ในรูปร่างสารประกอบซัลเฟต (SO42) และอยู่ในรูปของแก๊สซัลเฟอไดออกไซด์ (SO2) ไฮโดรเจนซัลไฟล์ (H2S) 

ภาพแสดงวัฏจักรกำมะถัน

           จากแผนภาพแสดงการหมุนเวียนกำมะถันเริ่มจากพืชดูดกำมะถันมาใช้ในรูปสารประกอบซัลเฟตที่มาจากตะกอนดิน การทำเหมืองแร่ เพื่อนำไปสร้างกรดอะมิโนและถ่ายทอดสู่ผู้บริโภคตามโซ่อาหาร เมื่อพืชและสัตว์ตายลง แบคทีเรียย่อยสลายกรดอะมิโน เป็นแก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์สู่บรรยากาศ 
           เมื่อถูกกับฝนหรือไอน้ำจะตกสู่พื้นดินพื้นน้ำในรูปกรดกำมะถันหรือฝนกรด และเมื่อซากพืชซากสัตว์ตายทับถมอยู่นานนับล้านปีจะ กลายเป็นถ่านหินและน้ำมันไว้เป็นเชื้อเพลิง เมื่อมีการเผาไหม้ จะปล่อยแก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์สู่บรรยากาศ หรือบางส่วนสะสมอยู่ในดิน 

           วัฏจักรฟอสฟอรัส 

           ความสำคัญ ฟอสฟอรัส (P) เป็นธาตุที่จำเป็นสำหรับเซลล์ทุกชนิด เนื่องจากเป็นส่วนประกอบของกรดนิวคลีอิค เช่น กรดดีออกซิไรโบนิวคลีอิค (deoxyribo nuolei acid) หรือ DNA ซึ่งเป็นสารพันธุกรรม และเป็นส่วนประกอบของสารพลังงานสูง เช่น ATP (adenosinetriphosphate) ในสัตว์มีกระดูกสันหลังยังเป็นส่วนประกอบสำคัญของกระดูกและฟัน 
           การหมุนเวียนฟอสฟอรัสผ่านสิ่งมีชีวิต วัฏจักรฟอสฟอรัสไม่มีการหมุนเวียน ผ่านบรรยากาศเนื่องจาก ไม่มีสารประกอบฟอสฟอรัส ในสถานะแก๊ส ฟอสฟอรัสส่วนใหญ่จะถูกชะล้างไปกับน้ำจากพื้นดินสู่ทะเลมหาสมุทร จนเป็นตะกอนกลายเป็นหินฟอสเฟตทับถมอยู่ ธาตุฟอสฟอรัสในดิน ส่วนใหญ่อยู่ในรูปที่ละลายน้ำยาก และฟอสเฟตที่ละลายน้ำได้ก็มักจับแร่ธาตุอื่นในดิน ดังแผนภาพ 

วัฏจักรฟอสฟอรัส

          จากแผนภาพแสดงการหมุนเวียนฟอสฟอรัส เริ่มจากสารฟอสฟอรัสในรูปของสารประกอบอินทรีย์ คือ ฟอสเฟตไอออน ที่สลายจากหินแร่ ในดินและละลายอยู่ในน้ำ ในดินพืชจะนำไปใช้สร้างสารอินทรีย์ ซึ่งถูกถ่ายทอดไปสู่สัตว์ในโซ่อาหาร เช่นเดียวกับสารอื่นๆ ขับถ่ายและปัสสาวะออกมาเมื่อพืชและสัตว์ตายลง จุลินทรีย์จะย่อยสารอินทรีย์ฟอสเฟตในซากพืชซากสัตว์ เป็นสารอนินทรีย์ที่พืชนำไปใช้ได้อีก 

ทรัพยากรธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม

1.2 ที่ไม่สามารถสร้างเสริมหรือทดแทนได้หรือใช้ระยะเวลาในการทดแทนขึ้นใหม่ต้องใช้ระยะเวลาที่ยาวนาน เช่น แร่ธาตุ น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ เป็นต้น