ในบทเรียนนี้ คุณจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับ
วัฏจักรสารอาหารหมายถึงการเคลื่อนย้ายและการแลกเปลี่ยนสารอินทรีย์และอนินทรีย์กลับคืนสู่การผลิตสิ่งมีชีวิต กระบวนการนี้ควบคุมโดยวิถีใยอาหารซึ่งย่อยสลายอินทรียวัตถุให้เป็นสารอาหารอนินทรีย์ วัฏจักรธาตุอาหารเกิดขึ้นภายในระบบนิเวศ
วัฏจักรธาตุอาหารในธรรมชาติเรียกว่าวัฏจักรชีวภาพเนื่องจากองค์ประกอบเคลื่อนที่เป็นวัฏจักรจากสิ่งแวดล้อมไปสู่สิ่งมีชีวิตและกลับสู่สิ่งแวดล้อม
ระบบนิเวศแสดงให้เห็นการรีไซเคิลแบบวงปิด ซึ่งความต้องการสารอาหารที่เพิ่มให้กับการเติบโตของสิ่งมีชีวิตต่อหน่วยพื้นที่นั้นมีมากกว่าอุปทานในระบบนั้น มีความแตกต่างในระดับภูมิภาคและเชิงพื้นที่ในการเติบโตและอัตราการแลกเปลี่ยนของวัสดุ ซึ่งระบบนิเวศบางแห่งสามารถเป็นหนี้ธาตุอาหาร (อ่างน้ำ) และบางแห่งจะมีอุปทานเพิ่มเติม (แหล่งที่มา) ความแตกต่างเหล่านี้เกิดจากประวัติศาสตร์ทางธรณีวิทยาและภูมิประเทศ
ในใยอาหาร วงหรือวัฏจักรถูกกำหนดให้เป็นลำดับโดยตรงของการเชื่อมโยงตั้งแต่หนึ่งรายการขึ้นไปและสิ้นสุดที่สายพันธุ์เดียวกัน ตัวอย่างเช่น ในมหาสมุทร แบคทีเรียถูกใช้โดยโปรโตซัว เช่น heterotrophic microflagellates ซึ่งจากนั้น ciliates ก็ใช้ประโยชน์ได้ กิจกรรมการแทะเล็มนี้ตามมาด้วยการขับถ่ายของสารที่แบคทีเรียใช้แล้วเพื่อให้การทำงานของระบบเป็นวงจรปิด
การย่อยเซลลูโลสด้วยเอนไซม์เป็นตัวอย่างของการรีไซเคิลเชิงนิเวศ เซลลูโลสซึ่งเป็นหนึ่งในสารประกอบอินทรีย์ที่มีมากที่สุดในโลกคือพอลิแซ็กคาไรด์หลักในพืชที่สร้างผนังเซลล์ เอนไซม์ที่ย่อยสลายเซลลูโลสมีส่วนร่วมในการรีไซเคิลทางนิเวศวิทยาของวัสดุจากพืชธรรมชาติ ระบบนิเวศที่แตกต่างกันอาจมีอัตราการรีไซเคิลขยะที่แตกต่างกัน
องค์ประกอบทางเคมีจะถูกนำกลับมาใช้ใหม่อย่างต่อเนื่องหลังจากใช้ดังนี้:
ทุกองค์ประกอบมีวัฏจักรของสารอาหาร และทุกวัฏจักรมีทางเดินที่ไม่ซ้ำกันซึ่งรวมถึงอ่างเก็บน้ำ สระแลกเปลี่ยน และเวลาที่อยู่อาศัย
อ่างเก็บน้ำ – ภูมิภาคที่องค์ประกอบมีความเข้มข้นสูงสุดและถูกกักเก็บและเก็บไว้เป็นระยะเวลาหนึ่ง ตัวอย่างเช่น ถ่านหินหรือเชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นแหล่งกักเก็บคาร์บอน
แลกเปลี่ยนพูล – เมื่อองค์ประกอบถูกเก็บไว้ในช่วงเวลาสั้น ๆ ตัวอย่างเช่น พืชและสัตว์ใช้องค์ประกอบเหล่านี้ในระบบชั่วคราวและปล่อยกลับคืนสู่สิ่งแวดล้อม
เวลาถิ่นที่อยู่ – ระยะเวลาที่องค์ประกอบอยู่ในสถานที่
พลังงานไหลผ่านระบบนิเวศของโลกเป็นทิศทาง โดยปกติแล้วจะเข้ามาในรูปของแสงแดดและพลังงานออกมาในรูปของความร้อน อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบทางเคมีที่ประกอบเป็นสิ่งมีชีวิตนั้นแตกต่างกัน: พวกมันถูกนำกลับมาใช้ใหม่
คาร์บอนไดออกไซด์และมีเทนเป็นตัวอย่างของสารประกอบคาร์บอนที่หมุนเวียนอยู่ในบรรยากาศและส่งผลต่อสภาพอากาศโลก ผ่านกระบวนการสังเคราะห์แสงและการหายใจ คาร์บอนยังถูกหมุนเวียนระหว่างสิ่งมีชีวิตกับส่วนประกอบที่ไม่มีชีวิตของระบบนิเวศ
วัฏจักรคาร์บอน 'เร็ว' คือการเคลื่อนที่ของคาร์บอนผ่านส่วนประกอบทางชีวภาพในสิ่งแวดล้อม พืชและสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ที่สามารถสังเคราะห์แสงได้ รับคาร์บอนไดออกไซด์จากสิ่งแวดล้อม และใช้เพื่อสร้างสารชีวภาพ พืช สัตว์ และตัวย่อยสลาย เช่น แบคทีเรียและเชื้อรา ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สู่บรรยากาศด้วยการหายใจ
การเคลื่อนที่ของคาร์บอนผ่านองค์ประกอบที่ไม่มีชีวิตในสิ่งแวดล้อม เช่น หิน ดิน และมหาสมุทร ทำให้เกิดวัฏจักรคาร์บอนที่ช้า การเคลื่อนตัวของคาร์บอนผ่านองค์ประกอบที่ไม่มีชีวิตเหล่านี้อาจใช้เวลานานถึง 200 ล้านปี
เนื่องจากสิ่งมีชีวิตเช่นแบคทีเรียตรึงไนโตรเจนใช้ไนโตรเจนในการสังเคราะห์โมเลกุลทางชีววิทยาที่จำเป็นสำหรับการอยู่รอด ไนโตรเจนในบรรยากาศจะต้องถูกแปลงเป็นแอมโมเนียก่อนโดยแบคทีเรียตรึงไนโตรเจนในสภาพแวดล้อมทางน้ำและในดิน แอมโมเนียจะถูกแปลงเป็นไนไตรต์และไนเตรตโดยแบคทีเรีย พืชได้ไนโตรเจนจากดินโดยการดูดซับแอมโมเนียม (NH4-) และไนเตรตผ่านรากของพวกมัน จากนั้นใช้ไนเตรตและแอมโมเนียมในการผลิตสารประกอบอินทรีย์ สัตว์กินพืชจึงได้รับไนโตรเจนในสารประกอบอินทรีย์ ไนโตรเจนในรูปแบบอินทรีย์จะถูกส่งต่อไปยังห่วงโซ่อาหารเมื่อสัตว์อื่นกินสัตว์เหล่านี้ ตัวย่อยสลายจะนำแอมโมเนียกลับคืนสู่ดินโดยการย่อยสลายของเสียที่เป็นของแข็งและวัตถุที่ตายหรือเน่าเปื่อย แบคทีเรียไนตริไฟริ่งจะเปลี่ยนแอมโมเนียเป็นไนไตรต์และไนเตรต แบคทีเรียดีไนตริไฟดิ้งจะเปลี่ยนไนไตรท์และไนเตรตเป็นไนโตรเจน ปล่อยไนโตรเจนกลับคืนสู่บรรยากาศ
ฟอสฟอรัสเป็นสารอาหารที่จำเป็นสำหรับการเจริญเติบโตของพืชและสัตว์เช่นกัน มีบทบาทสำคัญในการพัฒนาเซลล์และเป็นองค์ประกอบสำคัญของโมเลกุลที่เก็บพลังงาน เช่น อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (DNA) และไขมัน
หินเมื่อสัมผัสกับน้ำฝนจะปล่อยไอออนฟอสเฟตและแร่ธาตุอื่นๆ เมื่อเวลาผ่านไป ฟอสเฟตอนินทรีย์นี้จะกระจายไปในดินและน้ำ จากนั้นพืชจะดูดซับฟอสเฟตอนินทรีย์จากดิน และพืชเหล่านี้ก็อาจถูกสัตว์กินเข้าไป จากนั้นฟอสเฟตจะถูกรวมเข้ากับโมเลกุลอินทรีย์ เช่น ดีเอ็นเอ และเมื่อพืชหรือสัตว์ตายและสลายตัว ฟอสเฟตอินทรีย์ก็จะกลับคืนสู่ดิน แบคทีเรียในดินจะย่อยสลายอินทรียวัตถุให้อยู่ในรูปของฟอสเฟตที่พืชสามารถดูดซึมได้ นอกจากนี้ยังเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการทำให้เป็นแร่ ฟอสฟอรัสในดินสามารถไปอยู่ในแหล่งน้ำและมหาสมุทร และสามารถรวมเข้ากับตะกอนได้เมื่อเวลาผ่านไป
กำมะถันเป็นของแข็งในรูปแบบธรรมชาติและอยู่ในรูปแบบนี้ มันถูก จำกัด ไว้ที่วัฏจักรตะกอน สามารถขนส่งได้โดยกระบวนการทางกายภาพ เช่น ลม การกัดเซาะของน้ำ และเหตุการณ์ทางธรณีวิทยา เช่น ภูเขาไฟระเบิด นอกจากนี้ยังสามารถขนส่งโดยมหาสมุทรและสู่ชั้นบรรยากาศ พื้นดิน และกลับสู่มหาสมุทรผ่านสารประกอบต่างๆ เช่น ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ กรดซัลฟิวริก เกลือของซัลเฟต หรือกำมะถันอินทรีย์โดยสายฝนและแม่น้ำ
ทั้งพืชและสัตว์มีบทบาทในการหมุนเวียนออกซิเจนผ่านชั้นบรรยากาศ ดังที่คุณทราบ ออกซิเจนมีความสำคัญต่อสัตว์หลายชนิด รวมทั้งมนุษย์ด้วย เราหายใจเอาออกซิเจนเข้าไป และร่างกายของเราใช้มันสร้างพลังงานระหว่างกระบวนการที่เรียกว่าการหายใจระดับเซลล์ กระบวนการนี้ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นของเสียซึ่งเป็นสิ่งที่เราหายใจออก พืชดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งพวกมันสร้างอาหารและออกซิเจน ออกซิเจนถูกปล่อยออกมา และวัฏจักรเริ่มต้นอีกครั้ง
เกณฑ์ที่สำคัญที่สุดสำหรับชีวิตคือน้ำ เช่นเดียวกับวัฏจักรคาร์บอน วัฏจักรของน้ำเป็นกระบวนการเคลื่อนย้ายน้ำระหว่างสิ่งมีชีวิต โลก และชั้นบรรยากาศ น้ำระเหยออกจากแหล่งน้ำบนโลก เช่น ทะเลสาบ แม่น้ำ และมหาสมุทร ไอน้ำควบแน่นในเมฆและก่อตัวเป็นหยาดน้ำที่ส่งกลับคืนสู่พื้นโลก บนโลก น้ำบางส่วนจะกลับสู่ทะเลสาบและมหาสมุทรที่มีต้นกำเนิดมาจากน้ำ และบางส่วนก็ซึมลงสู่พื้นดิน ก่อตัวเป็นน้ำบาดาล สิ่งมีชีวิตเช่นพืชและสัตว์กินน้ำ น้ำระเหยอีกครั้ง เป็นวัฏจักรต่อไป
นักวิทยาศาสตร์บางคนโต้แย้งว่าระบบนิเวศสามารถรีไซเคิลได้อย่างสมบูรณ์ การรีไซเคิลอย่างสมบูรณ์หมายความว่าวัสดุเหลือใช้ 100% สามารถสร้างใหม่ได้โดยไม่มีกำหนด นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ โต้แย้งแนวคิดนี้ โดยอ้างว่าการรีไซเคิลแบบสมบูรณ์นั้นเป็นไปไม่ได้สำหรับขยะทางเทคโนโลยี
การรีไซเคิลเชิงนิเวศน์เป็นเรื่องธรรมดามากในการทำเกษตรอินทรีย์ ฟาร์มออร์แกนิกที่ดำเนินการรีไซเคิลระบบนิเวศสนับสนุนสายพันธุ์ต่างๆ มากขึ้น จึงมีโครงสร้างใยอาหารที่แตกต่างกัน โมเดลเกษตรกรรมรีไซเคิลเชิงนิเวศน์ยึดถือหลักการด้านล่าง:
1. การเปลี่ยนแปลงของสสารจากรูปแบบหนึ่งไปสู่อีกรูปแบบหนึ่ง – วัฏจักรธาตุอาหารช่วยให้สามารถเปลี่ยนสสารให้อยู่ในรูปแบบเฉพาะที่แตกต่างกัน ซึ่งช่วยให้สามารถใช้ธาตุนั้นในสิ่งมีชีวิตต่างๆ ได้
2. การถ่ายโอนองค์ประกอบจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง – วัฏจักรสารอาหารช่วยให้สามารถถ่ายโอนองค์ประกอบจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ ธาตุบางชนิดมีความเข้มข้นสูงในบริเวณที่สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ไม่สามารถเข้าถึงได้ เช่น ไนโตรเจนในบรรยากาศ วัฏจักรธาตุอาหารช่วยให้ธาตุเหล่านี้สามารถถ่ายโอนไปยังตำแหน่งที่สามารถเข้าถึงได้มากขึ้น เช่น ดิน
3. การทำงานของระบบนิเวศ – วัฏจักรสารอาหารช่วยการทำงานของระบบนิเวศ ระบบนิเวศซึ่งต้องการสภาวะสมดุลเพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง จะฟื้นคืนสู่สภาวะสมดุลผ่านวัฏจักรของสารอาหาร
4. การจัดเก็บองค์ประกอบ – วัฏจักรสารอาหารอำนวยความสะดวกในการจัดเก็บองค์ประกอบ องค์ประกอบที่ขนส่งผ่านวัฏจักรสารอาหารจะถูกเก็บไว้ในแหล่งกักเก็บตามธรรมชาติและถูกปล่อยสู่สิ่งมีชีวิตในปริมาณเล็กน้อยที่บริโภคได้
5. เชื่อมโยงสิ่งมีชีวิต สิ่งมีชีวิตและไม่มีชีวิต – วัฏจักรสารอาหารเชื่อมโยงสิ่งมีชีวิตกับสิ่งมีชีวิต สิ่งมีชีวิตกับสิ่งมีชีวิตที่ไม่มีชีวิต และสิ่งมีชีวิตที่ไม่มีชีวิตกับสิ่งมีชีวิตที่ไม่มีชีวิต นี่เป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากสิ่งมีชีวิตทั้งหมดต้องพึ่งพาอาศัยกันและมีความสำคัญต่อการอยู่รอดของสิ่งมีชีวิต สิ่งมีชีวิตเหล่านี้เชื่อมโยงกันโดยการไหลของสารอาหารซึ่งถูกออกแบบโดยวัฏจักรของสารอาหาร
6. ควบคุมการไหลของสาร – วัฏจักรสารอาหารควบคุมการไหลของสาร เมื่อวัฏจักรของสารอาหารผ่านทรงกลมที่แตกต่างกัน การไหลขององค์ประกอบจะถูกควบคุมเนื่องจากแต่ละทรงกลมมีตัวกลางเฉพาะและอัตราที่การไหลขององค์ประกอบถูกกำหนดโดยความหนืดและความหนาแน่นของตัวกลาง ดังนั้นองค์ประกอบในวัฏจักรสารอาหารจะไหลในอัตราที่แตกต่างกันภายในวัฏจักรและสิ่งนี้จะควบคุมการไหลขององค์ประกอบในวัฏจักรเหล่านั้น
