การหมุนเวียนของสารในระบบนิเวศ

        แร่ธาตุและสารต่างๆ ที่เป็นองค์ประกอบในระบบนิเวศเป็นสิ่งจำเป็นต่อการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิต เช่น ออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ ไนโตรเจน และน้ำ จะมีปริมาณค่อนข้างคงที่ เนื่องจากสิ่งมีชีวิตใช้สารเหล่านี้ในกระบวนการดำรงชีพ และมีการปล่อยสารดังกล่าวกลับคืนสู่ธรรมชาติหมุนเวียนอยู่เป็นวัฏจักร

        การหมุนเวียนน้ำในระบบนิเวศ      พื้นผิวโลกของเรามีส่วนที่เป็นแหล่งน้ำเป็นองค์ประกอบถึง 3 ส่วน ร่างกายของสิ่งมีชีวิตก็มีน้ำเป็นองค์ประกอบใหญ่ น้ำเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตอย่างยิ่งในระบบนิเวศ เป็นตัวกลางของกระบวนการต่างๆในสิ่งมีชีวิต นอกจากนี้ยังเป็นแหล่งที่อยู่อาศัยของสิ่งมีชีวิตหลากหลายชนิด น้ำเป็นทรัพยากรธรรมชาติที่หมุนเวียนอยู่ในระบบนิเวศดังแผนภาพ

        ถ้าพิจารณาจากแผนภาพ จะเห็นว่าน้ำหมุนเวียนอยู่ในระบบนิเวศได้โดยที่น้ำจากแหล่งน้ำต่างๆบนพื้นผิวโลกมีการระเหยกลายเป็นไอน้ำลอยตัวขึ้นสู่บรรยากาศ แล้วรวมตัวเป็นเมฆและควบแน่นเป็นน้ำฝนตกสู้พื้นผิวโลกอีกครั้ง สิ่งมีชีวิตทุกชนิดต้องการใช้น้ำในกระบวนการต่างๆ เพื่อการดำรงชีวิต พืชต้องการน้ำในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงและการเจริญเติบโต สัตว์ต้องการน้ำไปใช้ในกระบวนการต่างๆในเซลล์ มนุษย์ใช้น้ำทั้งในการอุปโภคบริโภค

น้ำจากกิจกรรมต่างๆ ของสิ่งมีชีวิตจะกลับสู่ธรรมชาติอีกเช่นกัน ได้แก่ กระบวนการหายใจ การขับถ่าย กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง การคายน้ำ กระบวนการเหล่านี้มีการปล่อยไอน้ำออกสู่บรรยากาศ แล้วรวมตัวควบแน่นเป็นฝนไหลลงสู่แหล่งน้ำ การใช้น้ำในกิจกรรมต่างๆของคน ก็มีการปล่อยน้ำกลับคืนสู่ธรรมชาติ น้ำจึงหมุนเวียนอยู่ในระบบนิเวศทำให้คน สัตว์ และพืชได้ใช้ในการดำรงชีพ

        การหมุนเวียนไนโตรเจนในระบบนิเวศ ธาตุไนโตรเจนเป็นส่วนประกอบหลักของอากาศที่ห่อหุ้มโลก สารประกอบไนโตรเจนจะมีอยู่ในดิน ในน้ำ สิ่งมีชีวิตทุกชนิดต้องการธาตุไนโตรเจนเพื่อสร้างโปรตีนสำหรับการเจริญเติบโต พืชไม่สามารถนำไนโตรเจนที่มีปริมาณมากในอากาศมาใช้ได้

        แต่พืชใช้ไนโตรเจนในรูปของสารประกอบ ได้แก่ เกลือแอมโมเนีย เกลือไนไตรต์ เกลือไนเตรต เพื่อนำไปสร้างสารประกอบต่างๆในเซลล์ ส่วนสัตว์ได้รับไนโตรเจนจากการกินอาหารที่ต่อเนื่องมาเป็นลำดับ ซึ่งจะมีการถ่ายทอดจากพืชมาตามห่วงโซ่อาหารและสารใยอาหาร

        กลุ่มสิ่งมีชีวิตพวกจุลินทรีย์หลายชนิดสามารถใช้ไนโตรเจนอิสระได้ เช่น แบคทีเรียไรโซเบียม ในปมรากพืชตระกูลถั่ว แบคทีเรียในดินบางชนิด และสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินบางชนิดสามารถตรึงไนโตรเจนจากอากาศ แล้งเปลี่ยนเป็นสารประกอบแอมโมเนีย ไนไตรต์ และไนเตรตที่ละลายน้ำได้ พืชจึงนำสารประกอบเหล่านี้ไปใช้ กระบวนการย่อยสลายซากสิ่งมีชีวิตของกลุ่มจุลินทรีย์ก็ได้สารประกอบไนโตรเจนที่พืชนำไปใช้ได้ด้วย ในขณะเดียวกันการย่อยสลายดังกล่าวก็จะได้ไนโตรเจนอิสระกลับคืนสู่บรรยากาศด้วย

        การขับถ่ายของสัตว์ ซึ่งสารขับถ่ายอยู่ในรูปสารประกอบไนโตรเจน คือ แอมโมเนีย ก็ทำให้มีไนโตรเจนกลับคืนสู่บรรยากาศเช่นกัน กิจกรรมของสิ่งมีชีวิตกลุ่มต่างๆ ทำให้ไนโตรเจนมีการหมุนเวียนถ่ายเทจากสิ่งแวดล้อมภายนอกเข้าสู่สิ่งมีชีวิตและออกสู่ธรรมชาติเป็นวัฏจักรดังแผนภาพ

       การหมุนเวียนคาร์บอนในระบบนิเวศ  ธาตุคาร์บอนเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของอินทรียสารในร่างกายสิ่งมีชีวิต เช่น คาร์โบไฮเดรต โปรตีน ไขมัน ฯลฯ และยังเป็นสารอนินทรีย์ที่มีอยู่ในระบบนิเวศ ในบรรยากาศมีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบในรูปของคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งเป็นสารที่จำเป็นในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช การหายใจของสิ่งมีชีวิตจะมีคาร์บอนไดออกไซด์ปลอยออกสู่บรรยากาศรวมทั้งกระบวนการย่อยสลายของกลุ่มผู้ย่อยสลายอินทรียสารก็มีคาร์บอนกลับคืนสู่บรรยากาศด้วย

 นอกจากนี้การสะสมของตะกอนอินทรีย์ใต้ผิวโลกเป็นเวลานาน ก็จะแปรสภาพเป็นพลังงานใหญ่ ในรูปของเสื้อเพลิงฟอสซิลต่างๆ ได้แก่ ถ่านหิน และปิโตรเลียม ฯลฯ ซึ่งเป็นแหล่งของธาตุคาร์บอนด้วย

        การหมุนเวียนธาตุคาร์บอน เริ่มด้วยแก๊ซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศที่ละลายในน้ำฝนทำให้ฝนมีสภาพเป็นกรดคาร์บอนิก ซึ่งเป็นกรดอ่อน ไหลผ่านซากอินทรีย์ ดิน ตลอดจนชั้นหินต่างๆ ทำให้เกิดการสลายของหิน และเกิดการเปลี่ยนแปลงเป็นแคลเซียมไบคาร์บอเนต สะสมอยู่ในแหล่งน้ำ พืชสามารถใช้น้ำได้ทันที ส่วนพืชบกจะได้รับคาร์บอนในรูปของคาร์บอนไดออกไซด์จากกรหายใจของพืช สัตว์ และจุลินทรีย์ จากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงต่างๆ ดังนั้นคาร์บอนจึงหมุนเวียนอยู่ในระบบนิเวศอย่างสมดุล ดังแผนภาพ

        ปัจจุบันคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศมีปริมาณเพิ่มขึ้นมากกว่าภาวะปกติตามธรรมชาติอย่างมาก เนื่องจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงในโรงงานอุตสาหกรรม การใช้ยวดยานพาหนะที่เพิ่มขึ้น การใช้สารเคมีบางอย่างที่เพิ่มคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศ ประกอบกับการลดปริมาณลงของต้นไม้และป่าไม้

ซึ่งเกินกว่าที่ธรรมชาติจะปรับสภาพให้สมดุลได้ทัน จึงเกิดปัญหามลภาวะทางอากาศตามมา

        ในระบบนิเวศยังมีแร่ธาตุอื่นๆ เช่น ซัลเฟอร์ และฟอสฟอรัส ซึ่งเป็นธาตุที่จำเป็นในการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตเช่นกัน ธาตุฟอสฟอรัสมีการหมุนเวียนในระบบนิเวศ ดังภาพ

        การหมุนเวียนสารในระบบนิเวศในธรรมชาติ ไม่ได้แยกจากกันโดยสิ้นเชิง เหมือนกับที่ได้กล่าวมาแล้ว แต่ธาตุต่างๆและสารประกอบจะถ่ายเทไหลเข้าและออกร่วมกันอยู่ภายในระบบนิเวศ

ดังตัวอย่างของการหมุนเวียนแร่ธาตุในระบบนิเวศป่าไม้แห่งหนึ่งที่นักนิเวศวิทยาได้ศึกษาได้ศึกษารวบรวมข้อมูล

        ระบบนิเวศป่าไม้เป็นระบบเปิด มีการเลื่อนตัวของแร่ธาตุต่างๆเข้าและออกจากระบบโดยส่วนใหญ่แร่ธาตุในดินจะไหลเข้าสู่ระบบ แร่ธาตุบางส่วนเข้ามาในระบบทางน้ำฝน ส่วนที่หมุนเวียนอยู่ภายในสิ่งมีชีวิตจะเริ่มต้นจากการที่พืชได้รับแร่ธาตุ ซึ่งพืชดูดเข้ามาทางรากและลำเลียงขึ้นไปบนเรือนยอดเพื่อการสังเคราะห์สาร แร่ธาตุดังกล่าวจะสะสมในใบและส่วนต่างๆ เมื่อกิ่งไม้และใบพืชหลุดร่วงลงมาสู่พื้นดิน ก็จะเน่าเปื่อยและถูกย่อยสลายโดยกลุ่มผู้ย่อยอินทรียสารทำให้แร่ธาตุที่สะสมในส่วนของพืชกลับคืนสู่ดินและสะสมอยู่ในดินเป็นปริมาณมาก ในที่สุดก็จะหมุนเวียนกลับไปยังพืชสู่เรือนยอดอีก ดังภาพ

        ดังนั้นระบบนิเวศป่า จึงมีความสำคัญมากในการหมุนเวียนสารต่างๆในธรรมชาติ เพื่อให้สิ่งมีชีวิตได้ใช้ในการดำรงชีพ หากมีการทำลายป่าไม้มากขึ้นก็เท่ากับทำลายการหมุนเวียนสาร ซึ่งมีผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตทุกชนิดในระบบนิเวศ สภาพทางกายภาพในระบบนิเวศนี้จะต้องมีการเปลี่ยนแปลง ระบบนิเวศนี้ก็จะถูกทำลายไป

        จากที่กล่าวมาแล้ว นักเรียนจะเห็นว่า ระบบนิเวศทุกชนิดในระบบนิเวศของสิ่งมีชีวิตเป็นโครงสร้างที่แสดงความสัมพันธ์ในแง่ของพลังงานที่มีอยู่ในโมเลกุลของอาหาร ระหว่างกลุ่มมีชีวิตที่เป็นผู้เป็นผู้ผลิต ผู้บริโภคพืช ผู้บริโภคสัตว์ ผู้ย่อยสลายอินทรียสาร และยังมีความสัมพันธ์ในแง่ของการหมุนเวียนสารระหว่างสิ่งมีชีวิตกับสิ่งแวดล้อมดังแผนภาพ

 

 
 
ระบบนิเวศ
ความสัมพันธ์ในระบบนิเวศ
การถ่ายทอดพลังงานในระบบนิเวศ