การหมุนเวียนของแร่ธาตุ
ในระบบนิเวศนั้น ปรากฏการณ์สำคัญอย่างหนึ่งเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อม ก็คือการหมุนเวียนของแร่ธาตุเป็นวัฏจักรจากสิ่งแวดล้อมเข้าสู่สิ่งแวดล้อมอีก เป็นเช่นนี้เรื่อย ๆ ไป วัฏจักรของแร่ธาตุต่าง ๆ ที่เป็นองค์ประกอบแก่นสารของสิ่งมีชีวิต เช่น
1.วัฏจักรของคาร์บอน คาร์บอนซึ่งอยู่ในบรรยากาศ มีโอกาสหมุนเวียนเข้าสู่สิ่งมีชีวิตได้ โดยการสังเคราะห์แสงของผู้ผลิตในรูปของคาร์บอนไดออกไซด์เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลง บางส่วนจะถูกสลายโดยผู้สลายทำให้คาร์บอนมีโอกาส ถูกปลดปล่อยสู่บรรยากาศในรูปของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ส่วนซากที่ไม่ถูกสลายเมื่อทับถมกันเป็นเวลานานก็จะกลายไปอยู่ในรูปของถ่านหิน น้ำมัน เป็นต้น แม้ว่าพืชบกจะมีบทบาทสำคัญในการตรึงคาร์บอนเอาไว้ในรูปของสารอินทรีย์ก็ตาม แหล่งควบคุมใหญ่ของปริมาณคาร์บอนก็ยังคงเป็นทะเลและมหาสมุทร
2.วัฏจักรของไนโตรเจน วัฏจักรของไนโตรเจนมีความซับซ้อนมาก แม้ว่าสิ่งมีชีวิตทั้งหลายจะอาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีไนโตรเจนอยู่ถึง 79% แต่มีสิ่งมีชีวิตเพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้น ที่สามารถใช้ได้โดยตรงในรูปของก๊าซ
3.วัฏจักรออกซิเจน การหมุนเวียนของออกซิเจนระหว่างสิ่งมีชีวิตกับสิ่งแวดล้อม ต้อง อาศัยขบวนการหายใจและการสังเคราะห์แสงร่วมกันความสมดุลของออกซิเจนในวัฏจักรจึงขึ้นอยู่กับขบวนการทั้งสองนี้เป็นสำคัญ
4.วัฏจักรกำมะถัน
5.วัฏจักรฟอสฟอรัส
6.วัฏจักรของน้ำ น้ำเป็นตัวอย่างของขบวนการต่าง ๆ ในสิ่งมีชีวิตรวมทั้งเป็นแหล่งให้ไฮโดรเจนที่สำคัญ น้ำที่ปรากฏในโลกจะอยู่ในสภาพและแหล่งต่าง ๆ กัน ทั้งน้ำจืด น้ำเค็ม น้ำในดินน้ำในอากาศในรูปของไอน้ำและน้ำแข็งที่ปกคลุมขั้วโลก ในจำนวนนี้มีการหมุนเวียนเป็นวัฏจักรโดยส่วนใหญ่เป็นการแลกเปลี่ยนระหว่างผิวโลก และบรรยากาศโดยการระเหยและการกลั่นตัวตกกลับสู่ผิวโลก
วัฏจักรคาร์บอน (The Carbon Cycle) การหมุนเวียนของคาร์บอนในระบบนิเวศ นับว่ามีความสำคัญสูงสิ่งมีชีวิต เนื่องจากสิ่งมีชีวิตทุกชนิด จะต้องมีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ คาร์บอนที่อยู่ในชั้นบรรยากาศจะอยู่ในรูปของคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ซึ่งมีอยู่ประมาณร้อยละ 0.003 ของอากาศ ทั้งหมด ซึ่งเป็นก๊าซอิสระ (Free gas)
คาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศได้มาจาก 2 กระบวนการ คือ
1) กระบวนการสังเคราะห์แสงของพืชทั้งในทะเลและบนบก
2) การดูดซับโดย ทะเล มหาสมุทร
คาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศ เมื่อถูกพืชใช้ในกระบวนการสังเคราะห์แสงโดยพืชจะทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจน เปลี่ยนเป็นแป้งและน้ำตาล และ ส่งผ่านธาตุอาหารเข้าสู่ระบบนิเวศตามห่วงโซ่อาหาร สัตว์เมื่อรับธาตุอาหารก็จะเผาผลาญอาหารและคืนคาร์บอนไดออกไซด์ออกสู่อากาศในรูปของ กระบวนการหายใจ (respiration)
นอกจากการเผาไหม้พลังงานฟอสซิล (fossil energy) เช่น การขนส่ง และโรงงานอุตสาหกรรม ฯลฯ ที่ทำให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ในชั้นบรรยากาศแล้ว ในกระบวนการระเบิดของภูเขาไฟ (volcano process) ก็ทำให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สู่อากาศเช่นกัน โดยปกติแล้ว วัฏจักรคาร์บอน กระบวนการเก็บธาตุคาร์บอนไปสู่แหล่งธาตุเก็บกัก (Storage pool) จะมีน้อยกว่าการแพร่ธาตุคาร์บอนไปสู่แหล่งพร้อมสู่ กระบวนการ (active pool) อยู่แล้ว ทำให้เกิดปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มมากขึ้นในชั้นบรรยากาศ ประกอบกับหลังการปฏิวัติ อุตสาหกรรม มนุษยชาติได้ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลมากขึ้น และลดพื้นที่ป่าไม้ลง จึงทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศ อันทำให้เกิด ปัญหาฝนกรด (acid rain) และปัญหาปฏิกิริยาเรือนกระจก (greenhouse effect) ขึ้นในโลก
ไนโตรเจนเป็นแก๊สที่พบมากในบรรยากาศของโลกประมาณ 78% และยังเป็นองค์ประกอบสำคัญของชีวโมเลกุล เช่น โปรตีน พอร์ฟีริน กรดนิวคลีอิก การหมุนเวียนของไนโตรเจนในบรรยากาศ และสิ่งมีชีวิตในวัฏจักรไนโตรเจนมีความสำคัญเนื่องจากเป็นกระบวนการ ที่เปลี่ยนแปลงโมเลกุลของไนโตรเจนไปเป็นโมเลกุลอื่นที่เหมาะสมกับสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ สามารถนำโมเลกุลเหล่านั้นนำไปใช้ได้ ทำไมจึงเกิดการเปลี่ยนแปลงโมเลกุลได้ เนื่องจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน นั่นเอง แสดงดังสมการ
เราจะพบว่าในสมการที่เกิดขึ้นมาจากกระบวนการเปลี่ยนแปลงโมเลกุลของ ไนโตรเจนที่ปรากฏในวัฏจักรไนโตรเจนโดยปกติ ไนโตรเจนจะเป็นโมเลกุลที่ยึดกันด้วยพันธะสาม จึงทำให้ไนโตรเจนไม่ทำปฏิกิริยาง่ายๆ กับโมเลกุลอื่น แต่ทำไมในสิ่งมีชีวิตจึงสามารถนำไนโตรเจนไปใช้ได้ ซึ่งจะมีความเกี่ยวข้องกับอะไร บ้างเราจะมารู้กัน แต่ก่อนอื่นเราจะมาสังเกตดูว่าในวัฏจักรไนโตรเจนมีกระบวนการเปลี่ยนแปลงอย่างไรบ้าง แสดงดังรูปที่1
วัฏจักรไนโตรเจน
กระบวนการที่สำคัญในวัฏจักรไนโตรเจน
1. fertilizer สารอาหารที่ เติมลงไปในดินเพื่อเพิ่มการเจริญเติบโตของพืช
2. volatilization แอมโมเนีย หรือ ยูเรีย สามารถเปลี่ยนไปเป็นแอมโมเนียซึ่งเป็นแก๊สที่ปลดปล่อยไปในอากาศ
3. animal wastes สิ่งปฏิกูลที่มาจากสัตว์ซึ่งเติมลงไปในดิน และเพิ่มสารอาหารให้แก่ผลผลิต
4. organic matter ซากพืชซากสัตว์ ที่อยู่ในดิน
5. immobilization ธาตุอนินทรีย์ เช่น ไนโตรเจน หรือ ฟอสฟอรัส ถูกใช้โดยสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กและเปลี่ยนไปเป็นสารอินทรีย์
6. nitrification แอมโมเนียถูกเปลี่ยนไปเป็นไนเตรต โดยแบคทีเรียในดิน
7. biological fixation หรือ nitrogen fixation พืชตระกูลถั่ว สามารถตรึงไนโตรเจนเนื่องจากมีแบคทีเรีย อาศัยอยู่ในปมรากถั่ว แบคทีเรียได้รับอาหารในรูปคาร์โบไฮเดรตจากพืช ในทางกลับกัน แบคทีเรียใช้ไนโตรเจน เปลี่ยนไปให้อยู่ในรูปสารอินทรีย์ ซึ่งพืชสามารถใช้ได้
8. mineralization การปล่อยสารอาหารอย่างช้าๆ จากสิ่งมีชีวิต
9. denitrification ไนเตรต ถูกเปลี่ยนไปในรูปแก๊สไนโตรเจน , ไนตรัสออกไซด์ , ไนตริกออกไซด์โดยแบคทีเรียในดิน เมื่อดินเปียก
10. crop uptake and removal การสูญหายของสารอาหารจากระบบเมื่อเก็บเกี่ยวผลผลิตออกจากพื้นที่เพาะปลูก
nitrification เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน จากแอมโมเนียที่ถูกใช้โดยแบคทีเรียไปเป็น ไนไตรท์ (NO2-) หรือไนเตรต (NO3-) พืชและแบคทีเรียสามารถกำจัดทั้งสองตัวได้โดย เอนไซม์ไนไตรท์ หรือ ไนเตรต รีดักเตส แอมโมเนียจะเปลี่ยนรูปไปเป็นกรดอะมิโนโดยพืชนั่นเอง สัตว์ก็จะกินพืชเพื่อเป็นแหล่งของโปรตีน เมื่อสิ่งมีชีวิตตายโปรตีนเหล่านั้นก็จะกลับมาเป็นแอมโมเนียในดิน การเกิดสมดุลระหว่าง การตรึงไนโตรเจนและไนโตรเจนในบรรยากาศโดยแบคทีเรียซึ่งเปลี่ยน nitrate ไปเป็น nitrogen ภายใต้สภาวะไร้ออกซิเจนของแบคทีเรีย ซึ่งเรียกว่า กระบวนการ denitrification
โมเลกุลที่เกิดขึ้นในวัฏจักรไนโตรเจน
1.N2
ไนโตรเจนที่อยู่ในรูปแก๊ส
2.NH3
แอมโมเนียที่อยู่ในรูปแก๊สเกิดจากสิ่งมีชีวิต เช่น สิ่งปฏิกูล หรือบริเวณผิวหน้าของปุ๋ย
3.N0
ไนตริกออกไซด์พบอยู่ในบรรยากาศซึ่งได้มาจากกระบวนการ denitrification ท่อไอเสีย และ กระบวนการอุตสาหกรรม
4.NH4
แอมโมเนียมไออน อยู่ในดินสามารถดูดซึมโดยพืช แอมโมเนียมไอออนส่วนใหญ่พร้อมที่จะเปลี่ยนไปเป็นไนเตรต
5.N20
ไนตรัสออกไซด์ อยู่ในรูปของแก๊สพบอยู่ในบรรยากาศ ซึ่งได้มาจากกระบวนการ denitrification ท่อไอเสีย และกระบวนการอุตสาหกรรม
6.NO3-
ไนเตรต ไม่ได้อยู่ในดิน แต่สามารถถูกดูดซึมได้ด้วยพืช หรือ ย้ายจากดินไปในส่วนของราก
หน้าที่ของไนโตรเจน
สารประกอบไนโตรเจนที่พบในเนื้อเยื่อของพืชมีทั้งที่เพิ่งดูดเข้าไปและยังไม่เปลี่ยนแปลงกับอินทรียสารซึ่งมีการสังเคราะห์ขึ้นใหม่จากไนเตรท แอมโมเนียและยูเรียที่พืชดูดได้ อินทรียสารที่มีไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบอาจแบ่งได้เป็น 6 กลุ่ม คือ
1. โปรตีน (proteins) ประกอบด้วยกรดอะมิโน (amino acids) ชนิดต่าง ๆ ต่อเรียงกันอย่างมีแบบแผน ตั้งแต่ 50 ถึง 100 หน่วย โดยกรดอะมิโนเหล่านั้นเชื่อมกันด้วยพันธะเพปไทด์ (peptide bond) โปรตีนมีหน้าที่สำคัญมากในเซลล์โดยเป็นองค์ประกอบในโครงสร้างของ
(ก) ไซโทพลาซึม
(ข) เยื่อ (เป็นทั้งโครงสร้างและพาหะในการเคลื่อนย้ายสารผ่านเยื่อ
(ค) เอนไซม์ ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาชีวเคมีจึงมีบทบาทเกี่ยวข้องกับเมแทบอลิซึมอย่างกว้างขวาง
2. กรดอะมิโน มีไนโตรเจนอยู่ที่หมู่อะมิโน (amino group) กรดอะมิโนเป็นหน่วยในโครงสร้าง (building blocks) ของโปรตีน โดยต่อเรียงกันอย่างมีแบบแผน นอกเหนือจากกรดอะมิโนที่เป็นโครงสร้างของโปรตีนแล้ว ยังมีอีกมากที่อยู่อย่างอิสระในเซลล์ สัดส่วนของกรดอะมิโนแต่ละอย่าง กรดอะมิโนอิสระกับกรดอะมิโนในโครงสร้างของสารต่าง ๆ เป็นลักษณะเฉพาะของพืชแต่ละชนิด
3. ฮอร์โมนพืช ฮอร์โมนที่พืชสังเคราะห์ขึ้นเองและมีไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบ คือ ออกซิน (auxins) กับไซโทไคนิน (cytokinins) กรดอินโดลแอซิติก (indole-3-acetic acid, IAA) เป็นออกซินที่พืชสังเคราะห์ได้จากกรดอะมิโนชื่อทริปโตเฟน (tryptophane) บทบาทที่สำคัญของ IAA ต่อการเจริญเติบโตของพืช ได้แก่ กระตุ้นการแบ่งเซลล์ เร่งการขยายขนาดเซลล์ ควบคุมการแตกราก ยับยั้งการเจริญของตาข้าง ป้องกันการร่วงของใบ กิ่งและผล ไซโทไคนินเป็นฮอร์โมนพืชที่ส่งเสริมการแบ่งเซลล์ การขยายขนาดเซลล์ ส่งเสริมการสร้างและการเจริญของตา ช่วยในการงอกของเมล็ด ส่งเสริมการสร้างโปรตีน ชลอความเสื่อมตามอายุ (senescence) ซึ่งองค์ประกอบทางเคมี คือ 6-(4-hydroxy-3-methyl-trans-2-butenylamido)Purine สำหรับไซโทไคนินที่พบในพืชต่าง ๆ ล้วนเป็นอนุพันธ์ของ isopentenyl adenine
4. กรดนิวคลิอิก (nucleic acids) มีอยู่ 2 ชนิด คือ ribo nucleic acid (RNA) ทำหน้าที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์โปรตีน และ deoxyribo nucleic acids (DNA) ทำหน้าที่เป็นศูนย์ข้อมูลทางพันธุกรรม
5. สารประกอบไนโตรเจนอื่น ๆ เช่น อะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (adenosine triphosphate, ATP) โคเอนไซม์ (Co-enzymes) เช่น NAD (nicotinamide adenine dinucleotide) และNADP (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)
6. สารประกอบไนโตรเจนที่พืชสะสมไว้ (reserves) หรือทำหน้าที่ป้องกัน (protective compounds) เช่น แอลคาลอยด์ (alkaloids) ตัวอย่างของแอลคาลอยด์ที่รู้จักกันอย่างกว้างขวาง คือ นิโคติน (nicotine) จากใบยาสูบ และมอร์ฟีน (morphine) จากฝิ่น
วัฏจักรฟอสฟอรัส (Phosphorus cycle) มีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตเป็นอย่างมากฟอสเฟตเป็นส่วนประกอบกรดนิวคลีอิก สารพลังงานสูง สารประกอบฟอสเฟตของโปรตีน(Phosphoprotein) สารประกอบฟอสเฟตของลิบีด (Phospholipid) นอกจากนี้แคลเซี่ยมฟอสเฟต
เป็นส่วนประกอบส่วนใหญ่ของกระดูกและฟัน ปุ๋ยฟอสเฟตเป็นปุ๋ยที่สำคัญและมีความจำเป็นใน
การเจริญเติบโตของพืชเป็นอย่างมาก การหมุนเวียนของฟอสเฟตเกิดขึ้นโดยที่ฟอสเฟตที่ละลายน้ำ
ได้ จะถูกพืชนำไปใช้และสร้างเป็นโปรโตปลาสซึมในพืช เมื่อสัตว์กินพืช ฟอสเฟตก็ถูกถ่ายทอด
จากพืชเข้าสู่สัตว์ เมื่อพืชและสัตว์ตาย แบคทีเรียจะสลายสารประกอบฟอสเฟตในพืชและสัตว์ให้
เป็นสารฟอสเฟตที่ละลายน้ำได้อีก ฟอสเฟตบางส่วนจะถูกเปลี่ยนไปเป็นหินฟอสเฟต ซึ่งจะถูกกัด
เซาะและสลายตัวออกมาเป็นฟอสเฟตที่ละลายน้ำได้อีก
แสดงวัฎจักรของฟอสฟอรัส
วัฏจักรซัลเฟอร์ (The sulphur cycle) ซัลเฟอร์เป็นส่วนประกอบของโปรตีนบางชนิดในสิ่งมีชีวิต ซัลเฟอร์สามารถมีวัฏจักรหมุนเวียนได้ทั้งวัฏจักร ของก๊าซ (gaseous cycle)และวัฏจักรของตะกอน (sedimentary cycle) แหล่งซัลเฟอร์ที่กว้างใหญ่ คือ เปลือกโลกในรูปของแร่ธาตุ เช่น ไฟไรต์ (Pyrite : iron II sulphide) ยิปซั่ม (calcium sulphate)
เมื่อสิ่งมีชีวิตตายลง ตะกอนที่ทับถม มีซัลเฟอร์เป็นองค์ประกอบหนึ่ง เช่น ซัลเฟอร์เป็นองค์ประกอบที่สำคัญของถ่านหิน น้ำมัน เมื่อเกิดการเผา ไหม้ ก็จะเกิดการกระจายของซัลเฟอร์ออกสู่บรรยากาศ ซัลเฟอร์ออกไซด์ ก็มีผลต่อการเจริญเติบโตของพืช ซึ่งลำเลียงซัลเฟอร์เข้าสู่ห่วงโซ่อาหารต่อไป อนึ่งซัลเฟอร์เมื่อรวมตัวกับฝน ทำให้ฝนมีฤทธิ์เป็นกรด (acid rain) เกิดการชะล้างสลายตัวสู่ดิน และสู่ทะเลในรูปตะกอน เป็นวัฏจักรในที่สุด แหล่งของ ซัลเฟอร์โดยธรรมชาติอีกแหล่งหนึ่ง คือ จากการระเบิดของภูเขาไฟ จะทำให้เกิดก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ได้เช่นกัน
https://www.school.net.th/library/snet6/envi1/ecosystem/b5.htm
