การถ่ายทอดพลังงานและการหมุนเวียนสารในระบบนิเวศ

การถ่ายทอดพลังงานในสิ่งมีชีวิต

     สิ่งมีชีวิตในระบบนิเวศ แบ่งตามหน้าที่ออกได้เป็น 3 กลุ่ม คือ ผู้ผลิต ผู้บริโภค และผู้สลายสารอินทรีย์สิ่งมีชีวิตเหล่านี้มีความสัมพันธ์ในระบบนิเวศในลักษณะของการกินต่อกันเป็นทอดๆ ในรูปของ โซ่อาหาร (food chain) และ สายใยอาหาร (food web) การกินต่อกันเป็นทอดๆ นี้ทำให้เกิด การถ่ายทอดพลังงานในสิ่งมีชีวิต (energy flow)

      ในระบบนิเวศนอกจากมีโซ่อาหารที่เริ่มต้นจากผู้ผลิตผ่านไปยังผู้บริโภคแล้วนั้น  พบว่ายังมีโซ่อาหารอีกประเภทหนึ่งที่เริ่มจากการย่อยสลายซากพืชและสัตว์ของผู้สลายสารอินทรีย์  แล้วผ่านต่อไปยังผู้บริโภคลำดับต่างๆ  เรียกโซ่อาหารและสายใยอาหารสารอินทรีย์ประเภทนี้ว่า  โซ่อาหารดีไทรทัสและสายใยอาหารดีไทรทัส  (detritus  food  chain  and  detritus  food  web)  หรือ  โซ่อาหารแซโพรไฟติกและสายใยอาหารแซไพรไฟติก (saprophyfic  food  chain  and  saprophytic  food  web)  

     สามารถเขียนความสัมพันธ์แต่ละลำดับขั้นได้ในรูปแบบของพีระมิดเรียกว่า  พีระมิดทางนิเวศวิทยา (ecological  pyramid)  ซึ่งจำแนกออกได้เป็น 3 แบบ

          1)  พีระมิดจำนวน (pyramid  of  numbers)

               ใช้จำนวนของสิ่งมีชีวิตในระบบนิเวศนั้นๆ  มาเขียนเรียงลำดับโดยผู้ผลิตอยู่บริเวณฐาน  ผู้บริโภคลำดับต่างๆก็จะเรียงลำดับต่อขึ้นไป  มีหน่วยเป็นจำนวนต่อตารางเมตร

          2) พีระมิดมวลชีวภาพ (pyramid  of  biomass)

               ใช้มวลชีวภาพ  หรือเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดในรูปของน้ำหนักแห้งหน่วยเป็นกรัมต่อตารางเมตร ในการสร้างพีระมิด 

           3) พีระมิดพลังงาน  (pyramid  of  energy)

               เป็นพีระมิดที่แสดงค่าพลังงานในสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีหน่วยเป็นกิโลแคลอรีต่อตารางเมตรต่อปี พลังงานที่สิ่งมีชีวิตแต่ละลำดับขั้นในระบบนิเวศได้รับนั้นจะไม่เท่ากัน  ตามหลักของลินด์แมนกล่าวไว้ว่า พลังงานที่ได้รับจากผู้ผลิตทุกๆ  100  ส่วน  จะมีเพียง 10 ส่วนเท่านั้นที่ผู้บริโภคนำไปใช้ในการดำรงชีวิตและการเจริญเติบโต  และพลังงานในผู้บริโภคแต่ละลำดับทุกๆ 100 ส่วนก็จะถูกนำไปใช้แค่ 10 ส่วนเช่นกัน เรียกว่า  กฎสิบเปอร์เซ็นต์  (Law of ten percent) 

วัฏจักรสารในระบบนิเวศ

     1) วัฏจักรคาร์บอน

          สิ่งมีชีวิตทุกชนิดต้องการธาตุคาร์บอน (C)  เพราะเป็นธาตุหลักในสารประกอบอินทรีย์ทุกชนิด คาร์บอนหมุนเวียนระหว่างสิ่งมีชีวิตและสิ่งไม่มีชีวิตในรูปของคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศซึ่งมีอยู่ประมาณร้อยละ  0.04  และในน้ำซึ่งอยู่ในรูปของคาร์บอนไดออกไซด์อิสระ หรือรูปของไบคาร์บอเนต คาร์บอนที่อยู่ในอากาศจะอยู่ในรูปของคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 ) โดยคาร์บอนไดออกไซด์ จะถูกพืชนำไปสร้างเป็นสารอาหาร  โดยกระบวนการสังเคราะห์แสง ซึ่งจะถูกถ่ายทอดไปยังสัตว์โดยการกิน

          ในที่สุดทั้งพืชและสัตว์จะปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ออกสู่บรรยากาศด้วยการหายใจและบางส่วนที่ยังคงอยู่ในรูปของเนื้อเยื่อพืชและสัตว์  จะมีการหมุนเวียนกลับสู่บรรยากาศใหม่หลังจากพืชและสัตว์ตายและมีการย่อยสลายเกิดขึ้น  นอกจากนี้บางส่วนที่ไม่ย่อยสลายก็ทับถมกันเป็นเวลานาน กลายเป็นถ่านหิน น้ำมันและก๊าซ เมื่อมนุษย์นำมาใช้เกิดการเผาไหม้ก็จะได้คาร์บอนไดออกไซด์คืนสู่บรรยากาศ  นอกจากนี้ยังได้จากการระเบิดของภูเขาไฟเป็นครั้งคราวอีกด้วย

     2) วัฏจักรไนโตรเจน

          ธาตุไนโตรเจนเป็นธาตุที่จำเป็นในการสร้างโปรโตปลาสซึม ของสิ่งมีชีวิต  โดยจะเป็นส่วนประกอบหลักของโปรตีน ในบรรยากาศมีก๊าซไนโตรเจน  ประมาณร้อยละ  78    แต่สิ่งมีชีวิตไม่สามารถนำมาใช้ได้โดยตรง  แต่จะใช้ได้เมื่ออยู่ในสภาพของสารประกอบ  แอมโมเนีย  ไนไตรท์และไนเตรท  ไนโตรเจนในบรรยากาศ  จึงต้องเปลี่ยนรูปให้อยู่ในสภาพที่สิ่งมีชีวิต ส่วนใหญ่จะใช้ได้วัฏจักรนี้จึงประกอบด้วยขบวนการตรึงไนโตรเจน ขบวนการสร้างแอมโมเนีย ขบวนการสร้างไนเตรต และขบวนการสร้างไนโตรเจน ขบวนการเหล่านี้จะต้องอาศัยแบคทีเรีย จุลินทรีย์อื่นๆ จำนวนมาก จึงทำให้เกิดสมดุลของวัฏจักรไนโตรเจน นอกจากจะถูกตรึง  โดยสิ่งมีชีวิตแล้ว ไนโตรเจนในบรรยากาศ ยังถูกตรึงจากธรรมชาติอีกด้วย เป็นต้นว่าเมื่อเกิดฟ้าแลบขึ้นมา  ไนโตรเจนในท้องฟ้าจะเปลี่ยนแปลงทางเคมี  ฟิสิกส์  ก่อให้เกิดสารประกอบไนเตรดขึ้นมา  จากนั้นจะถูกน้ำฝนชะพาลงสู่พื้นดินต่อไป

    3) วัฏจักรฟอสฟอรัส

        ฟอสฟอรัส  เป็นธาตุที่จำเป็นต่อการดำรงชีพของสิ่งมีชีวิต เพราะเป็นองค์ประกอบของ DNA,  RNA  และ  ATP   ฟอสฟอรัสเป็นธาตุที่อยู่ในธรรมชาติน้อยมาก  และเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยา  เช่น  แผ่นดินไหว  ภูเขาไฟระเบิด  ด้วยเหตุนี้ฟอสฟอรัสจึงถูกใช้หมุนเวียนอยู่ระหว่างสิ่งมีชีวิตและไม่มีชีวิตในปริมาณที่จำกัด  ดังนั้นฟอสฟอรัส  จึงเป็นปัจจัยที่จำกัดจำนวนสิ่งมีชีวิตในระบบนิเวศหลายชนิด

          ฟอสฟอรัสส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของหินฟอสเฟตหรือแร่ฟอสเฟต  เมื่อถูกกัดกร่อนโดยน้ำและกระแสลมปะปนอยู่ในดิน  แล้วถูกน้ำชะล้างให้อยู่ในรูปที่ละลายน้ำได้  ซึ่งพืชสามารถนำไปใช้และ   ถ่ายทอดไปในระบบนิเวศตามห่วงโซ่อาหาร  เมื่อตายลงก็จะถูกย่อยสลายด้วยพอสฟาไทซึ่งแบคทีเรีย  (Phosphatizing Bacteria)  ให้อยู่ในรูปที่ละลายน้ำได้  ส่วนนี้นอกจากพืชนำไปใช้โดยตรงแล้ว  ยังถูกกระบวนการชะล้างพัดพาลงสู่ทะเล  มหาสมุทรปะปนอยู่ในดินตะกอนทั้งทะเลลึกและตื้น  และถูกสิ่งมีชีวิตเล็ก ๆ ในทะเลนำมาใช้ถ่ายทอดไปตามห่วงโซ่อาหารจนถึงปลาขนาดใหญ่และนกทะเล  เมื่อสัตว์พวกนี้ตายลงเกิดการสะสมเป็นแหล่งสะสมชนิดกัวโน  (Guano)  ซึ่งเกิดจากการสะสมตัวของมูลนกและกระดูกนกเช่นเดียวมูลค้างคาว  ธาตุไนโตรเจนที่เกิดร่วมอยู่ด้วยในมูลสัตว์เหล่านี้ละลายน้ำได้ดีมากจึงถูกพัดพาไปหมด คงเหลือไว้แต่ธาตุฟอสฟอรัสที่สลายตัวยาก  นำมาใช้ไม่ได้  จากนั้นจะเริ่มวัฏจักรใหม่อีก

     4) วัฏจักรกัมมะถัน

          กำมะถันเป็นธาตุที่สำคัญในการเจริญเติบโตและเมตาโบลิซัม ของสิ่งมีชีวิตดังนั่นถ้าขาดกำมะถันจะไม่สามารถมีชีวิตอยู่ได้  กำมะถันที่พบในธรรมชาติจะอยู่ในสภาพของแร่ธาตุและในสภาพของสารประกอบหลายชนิด เช่น  ไฮโดรเจนซัลไฟด์  (H2S)   และซัลเฟต (SO42-)

          สารประกอบอินทรีย์ในพืชและสัตว์จะถูกย่อยสลายเป็นไฮโดรเจนซัลไฟต์  โดยปฏิกิริยาของแบคทีเรียและถูกเปลี่ยนต่อจนกลายเป็นซัลเฟต  ซึ่งพืชจะนำกลับไปใช้ได้กำมะถันในซากของพืชและสัตว์บางส่วนจะถูกสะสมและถูกตรึงไว้ในถ่านหิน  และน้ำมันปิโตรเลียม  เมื่อมีการนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงเกิดการเผาไหม้ ได้ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2)  เมื่อก๊าซนี้อยู่ในบรรยากาศจะรวมตัวกับละอองน้ำตกลงมาเป็นเม็ดฝนของกรดกำมะถันหรือกรดซัลฟิวริก (H2SO4)     ซึ่งจะกัดและทำให้   สิ่งก่อสร้างต่าง ๆ สึกกร่อนและเป็นอันตรายต่อการหายใจของคน