การถ่ายทอดพลังงานและการหมุนเวียนวัฏจักรสารในระบบนิเวศ
การถ่ายทอดพลังงาน
ในระบบนิเวศมีความสัมพันธ์ในลักษณะของการกินต่อกันเป็นทอดๆ เพื่อการ การถ่ายทอดพลังงานในสิ่งมีชีวิต (Trophic niche) ของสิ่งมีชีวิต สามารถแบ่งออกเป็น 2 ลักษณะใหญ่ๆ คือ
- โซ่อาหาร (food chain)
- สายใยอาหาร (food web)
1. โซ่อาหาร (food chain)
กระบวนการถ่ายทอดพลังงานโดยการกินอาหารจากสิ่งมีชีวิตระดับหนึ่งไปยังสิ่งมีชีวิตอีกระดับหนึ่งเป็นแนว หรือทิศทางเดียวกัน สามารถจำแนกได้ 4 ประเภท
- โซ่อาหารแบบผู้ล่า (grazing food chain) จากผู้ผลิตผ่านไปยังผู้บริโภคลำดับต่างๆจนถึงผู้บริโภคลำดับสุดท้าย จึงประกอบด้วยผู้ล่าและเหยื่อ
- โซ่อาหารแบบดีไทรทัส (detritus food chain) ถ่ายทอดจากการสลายซากพืชซากสัตว์ ของผู้สลายสารอินทรีย์ผ่านต่อไปยังผู้บริโภคลำดับต่างๆ
- โซ่อาหารแบบปรสิต (parasitic food chain) พลังงานหรือสารอาหารถ่ายทอดจากผู้ถูกอาศัยให้กับปรสิต
- ห่วงโซ่อาหารแบบผสม (Mixed chain) การถ่ายทอดพลังงานระหว่างสิ่งมีชีวิตหลายๆประเภท ซึ่งอาจจะมีทั้งผู้ล่า และแบบปรสิต
อัตราการถ่ายทอดพลังงานในโซ่อาหาร ลำดับขั้นอาหารขั้นหนึ่งไปยังขั้นถัดไปเป็นไปตามกฎ 10 เปอร์เซ็นต์ แบ่งได้ 3 ประเภทตามหน่วยที่ใช้วัดปริมาณของลำดับขั้นในการกิน
- พีระมิดจำนวน แสดงจำนวนสิ่งมีชีวิตเป็นหน่วยต่อพื้นที่ ฐานใหญ่แสดงว่ามีจำนวนมากหน่วยเป็นจำนวนต่อตารางเมตร มีความคลาดเคลื่อนได้ เพราะนับทั้งหมดไม่ว่าเซลล์เล็กหรือใหญ่เป็นหนึ่งทั้งหมด แต่แง่ของปริมาณพลังงานต่างกัน
- พีระมิดมวลชีวภาพ แสดงการกินโดยใช้มวลรวมของน้ำหนักแห้งต่อพื้นที่ หน่วยเป็นกรัมต่อตารางเมตร มีความคลาดเคลื่อนแต่แม่นยำกว่าแบบจำนวน เพราะมีการเปลี่ยนแปลงตามช่วงเวลา หรือช่วยฤดูกาล
- พีระมิดพลังงาน แสดงค่าพลังงานในชีวิตแต่ละชนิดมีหน่วยเป็นกิโลแคลอรีต่อตารางเมตรต่อปี
2. สายใยอาหาร (food web) ห่วงโซ่อาหารที่ซับซ้อนหลายๆชุด ต่อเนื่องกัน เกิดความสัมพันธ์ในการถ่ายทอดพลังงานอย่างซับซ้อน เนื่องจากในธรรมชาติสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งมิได้เป็นอาหารของผู้บริโภคชนิดใดชนิดหนึ่งโดยเฉพาะ และผู้บริโภคแต่ละชนิดยังกินอาหารได้หลายอย่าง
การหมุนเวียนวัฏจักรสารในระบบนิเวศ
การเปลี่ยนแปลงของสารหนึ่งไปอีกสารหนึ่ง เป็นสิ่งจำเป็นในการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิต เช่น คาร์บอน ไฮโดรเจน ไนโตรเจน ฟอสฟอรัส จะถูกหมุนเวียนกันไปภายใต้เวลาที่เหมาะสมและมีความสมดุลซึ่งกันเป็นวัฏจักรที่เรียกว่า วัฏจักรของสสาร (matter cycling) วัฏจักรของสสารที่มีความสำคัญต่อสมดุลของระบบนิเวศ ได้แก่ วัฏจักรของน้ำ วัฏจักรของไนโตรเจน วัฏจักรของคาร์บอน และวัฏจักรของฟอสฟอรัส
- วัฏจักรของน้ำ วัฎจักรน้ำในระบบนิเวศมี 2 รูปแบบ คือ การหมุนเวียนแบบไม่ผ่านสิ่งมีชีวิตกับการหมุนเวียนแบบผ่านสิ่งมีชีวิต โดยขึ้นอยู่กับปัจจัยที่ส่งผลให้เกิดกวัฎจักรของน้ำคือ
- ความร้อนจากดวงอาทิตย์ ทำให้แหล่งน้ำต่าง ๆ เกิดการระเหยน้ำเป็นไอน้ำขึ้นสู่บรรยากาศ
- กระแสลม ช่วยทำให้น้ำระเหยกลายเป็นไอ
- มนุษย์และสัตว์ ขับถ่ายของเสียออกมาในรูปของเหงื่อ ปัสสาวะ และลมหายใจออกกลายเป็นไอน้ำสู่บรรยากาศ
- พืช รากต้นไม้มีความสามารถในการดูดน้ำจากดินไปเก็บไว้ในส่วนต่าง ๆ แล้วคายน้ำสู่บรรยากาศ ไอจะเกิดการควบแน่นและรวมกันเป็นเมฆและตกลงมาเป็นฝน
- วัฏจักรคาร์บอน ธาตุคาร์บอนเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของอินทรีย์สารในร่างกายของสิ่งมีชีวิต เช่น คาร์โบไฮเดรต โปรตีน ไขมัน เป็นต้น และยังเป็นสารอนินทรีย์ที่มีอยู่ในระบบนิเวศ โดยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จากอากาศถูกนำเข้าสู่สิ่งมีชีวิต หรือออกจากสิ่งมีชีวิตคืนสู่บรรยากาศ เมื่อผ่านกระบวนสังเคราะห์แสง จะเกิดการเปลี่ยนรูปเป็นสารอินทรีย์และถูกถ่ายทอดไปยังผู้บริโภคในระบบต่างๆได้
3. วัฏจักรไนโตรเจน ไนโตรเจนเป็นแร่ธาตุหลักสำคัญที่สิ่งมีชีวิตใช้เพื่อการสังเคราะห์อินทรีย์จำพวกโปรตีนในร่างกาย โดยทั่วไปก๊าซไนโตรเจนจะพบประมาณร้อยละ 78 แต่สิ่งมีชีวิตไม่สามารถนำมาใช้ได้โดนตรงจึงต้องมีการเปลี่ยนสภาพ- ในพืชรูปแบบสารประกอบเกลือแอมโมเนียม เกลือไนไตรท์ และเกลือไนเตรต
- สัตว์ได้รับจากการกินอาหารที่ต่อเนื่องมาเป็นลำดับตามห่วงโซ่และสายใยอาหาร และขับถ่ายแอมโนเนีย ให้ไนโตรเจนกลับสู่บรรยากาศ
รวมทั้งอาศัยแบคทีเรีย จุลินทรีย์ อื่น ๆ ในการตรึงไนโตรเจน (Nitrogen Fixation) เพื่อใช้ในการสร้างสารต่างๆ ดังนี้ ขบวนการสร้างแอมโมเนีย(Ammonification)ขบวนการสร้างไนเตรด (Nitrification) และขบวนการสร้างไนโตรเจน (Denitrification) เช่นแบคทีเรียในปมรากพืชตระกูลถั่ว
4.วัฏจักรฟอสฟอรัส เป็นองค์ประกอบของ DNA, RNA และ ATP เป็นธาตุที่พบในธรรมชาติน้อย สามารถขึ้นได้จากการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยาต่างๆ ได้เช่น แผ่นดินไหว ภูเขาไฟระเบิด ส่วนใหญ่พบอยู่ในรูปของหินฟอสเฟตหรือแร่ ละลายน้ำยาก จับแร่ธาตุอื่นในดินเมื่อถูกกัดกร่อน และกระแสลมจะมีการสะสมในดิน แล้วถูกชะล้าง ไม่มีการหมุนเวียน ผ่านบรรยากาศเนื่องจาก ไม่มีสารประกอบฟอสฟอรัส ในสถานะแก๊ส เมื่อพืช แพลงตอนพืชหรือ สัตว์ในทะเล นำฟอสฟอรัสในดินหรือละลายอยู่ในน้ำไปใช้ จะเกิดถ่ายทอดไปในระบบนิเวศตามห่วงโซ่อาหาร รวมไปถึงการขับถ่ายต่างๆ เมื่อพืชและสัตว์ตาย จะถูกย่อยสลายอินทรีย์ฟอสเฟตในซาก เป็นสารอนินทรีย์ พืชก็จะสามารถนำไปใช้ได้ต่อไป