สิ่งมีชีวิตไม่ว่าจะเป็นพืช สัตว์ หรือมนุษย์ ล้วนมีบทบาทหน้าที่แตกต่างกันไป และต้องอาศัยพึ่งพา ซึ่งกันและกัน พืชทำหน้าที่เป็นผู้ผลิต โดยนำธาตุอาหารต่างๆ จากดิน และอากาศ รวมทั้งพลังงาน จากดวงอาทิตย์มาสร้างเป็นสารประกอบที่เรียกว่า เนื้อเยื่อ ซึ่งได้กดิน และถ้าใบ ราก ดอก และผล นั่นเอง
มนุษย์และสัตว์ได้รับธาตุอาหารและพลังงานที่พืชได้ปรุงแต่งในรูปสารประกอบต่างๆ ที่เรียกว่า อาหาร เพื่อนำมาสร้างเป็นเนื้อเยื่อของส่วนต่างๆ ของร่างกาย เช่น กล้ามเนื้อ ผิวหนัง แขน ขา กระดูก เป็นต้น มนุษย์กินทั้งพืชและสัตว์เป็นอาหาร ส่วนสัตว์บางชนิดก็กินสัตว์ด้วยกันเป็นอาหาร และสัตว์บางชนิด ก็กินทั้งพืชและสัตว์เป็นอาหารเช่นเดียวกับมนุษย์
เมื่อสัตว์และมนุษย์ตายลงหรือปล่อยของเสียออกมาสู่สิ่งแวดล้อม ในลักษณะซากพืช ซากสัตว์ และ จากมนุษย์ รวมทั้งของเสียต่างๆ สิ่งเหล่านี้จะกลับสู่ผิวโลกทั้งที่อยู่ในดิน ในน้ำ และในอากาศ ในลักษณะออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ เถ้าถ่าน กระดูก ขยะ ธาตุอาหารให้พืชนำกลับไปใช้เพื่อสร้างเนื้อเยื่อต่อไป และสิ่งปฏิกูล ในที่สุดของเสียเหล่านี้จะเป็นจะเห็นได้ว่าสิ่งมีชีวิตทุกชนิดเป็นส่วนหนึ่งของสิ่งแวดล้อม มีบทบาทหน้าที่ต่อสภาพแวดล้อม แตกต่างกันออกไป และในที่สุดสิ่งมีชีวิตทุกชนิดก็จะต้องกลับคืนสู่สภาพแวดล้อมเพื่อให้พืชนำมาใช้อีก ต่อไป

กฎของธรรมชาติ

สิ่งมีชีวิตที่ดำรงชีวิตอยู่ในโลกนี้จะต้องอาศัยธาตุชนิดต่างๆ มาประกอบกันโดยมีพลังงานก่อให้เกิดการเคลื่อนไหว หรือปฏิกิริยาต่างๆ ขึ้น การที่เราสามารถเคลื่อนไหวแขน ขา หรือส่วนต่างๆ ของร่างกายได้ ก็เพราะอาศัยพลังงานที่ร่างกายได้รับจากอาหาร และร่างกายสามารถเจริญเติบโตได้ ก็เพราะได้รับธาตุ อาหารที่ต้องการจากอาหาร น้ำ และอากาศ สิ่งที่เกิดขึ้นเหล่านี้ล้วนต้องอยู่ภายใต้กฎของธรรมชาติ ดังนี้

1. พลังงานได้จากธรรมชาติเท่านั้น ดวงอาทิตย์เป็นต้นกำเนิดพลังงานที่สำคัญที่สุดของพลังงานที่ใช้กันอยู่บนโลก ไม่ว่าจะเป็นพลังงานในอาหาร น้ำมัน ถ่านหิน ล้วนเป็นพลังงานที่มีต้นกำเนิดมาจาก พลังงานของดวงอาทิตย์ทั้งสิ้น มนุษย์ไม่สามารถ สร้างพลังงานขึ้นมาเองได้ แต่มนุษย์สามารถ เปลี่ยนแปลงพลังงานจากรูปหนึ่งไปเป็นอีกรูปหนึ่งได้ เช่น เปลี่ยนพลังงานน้ำมันให้เป็นพลังงานที่ ทำให้รถแล่นไปได้ แต่ถ้าน้ำมันหมด รถก็ไม่สามารถ แล่นไปได้ เราสามารถเดินไปโรงเรียนได้โดยอาศัย พลังงานจากอาหารที่รับประทานเข้าไป ถ้าร่างกาย ขาดอาหารเราก็ไม่สามารถเดินหรือเคลื่อนไหวได้ ดังนั้นพลังงานที่ร่างกายมนุษย์ได้รับหรือพลังงาน ที่เกิดจากเทคโนโลยี เช่น พลังงานไฟฟ้า พลังงาน นิวเคลียร์ ล้วนเป็นพลังงานที่ได้มาจากธรรมชาติทั้งสิ้น

2. สารอาหารได้จากธรรมชาติเท่านั้น อาหารหรือธาตุอาหารของพืช ของสัตว์ หรือของมนุษย์ จะได้มาจากธรรมชาติเท่านั้น และพืชเท่านั้นที่เป็นผู้สร้างอาหาร ดังนั้นสัตว์หรือมนุษย์จึงเป็น ผู้รับสารอาหารที่พืชเป็นผู้สร้างขึ้นมา และมนุษย์เป็นเพียงผู้ที่นำสารอาหารที่พืช และสัตว์สร้างมาใช้ เพื่อให้ดำรงชีวิตอยู่ได้

การดำรงชีวิตของมนุษย์ทั้งในอดีต ปัจจุบัน และอนาคต ก็ยังต้องอาศัยพลังงาน และธาตุอาหาร จากธรรมชาติอยู่ตลอดไป ดังนั้นธรรมชาติจึงเป็นแหล่งที่ให้ปัจจัยที่สำคัญที่สุดของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด และธรรมชาติก็มีการควบคุมการเปลี่ยนแปลงไปตามระบบของธรรมชาติซึ่งเราเรียกว่า ระบบนิเวศ (Ecosystem)

ระบบนิเวศ

ธรรมชาติมีโลกเป็นระบบใหญ่ที่มีดิน น้ำ อากาศ พืช สัตว์ และมนุษย์เป็นระบบย่อย ที่มาประกอบกันเป็นระบบใหญ่ เรียกว่า “โลก” ระบบย่อยต่างๆ เหล่านี้ก็ต้องอาศัยเกี่ยวข้องเชื่อมโยง ซึ่งกันและกัน เช่น พืชก็ต้องอาศัยน้ำ อากาศ และดิน ในการเจริญเติบโต สัตว์ ก็ต้องอาศัยน้ำ อากาศ และพืช เพื่อให้สามารถดำรงชีวิตอยู่ได้ ดินก็ต้องอาศัยธาตุจากซากของสิ่งมีชีวิต อากาศ น้ำ จึงจะมี ความอุดมสมบูรณ์พอที่จะเจริญเติบโตอยู่ได้ และมนุษย์เองก็ต้องอาศัยพืช สัตว์ น้ำ อากาศ ในการดำรงชีวิตเช่นกัน

ดังนั้นสิ่งต่างๆ ที่มีอยู่ในโลกจึงต้องมีการพึ่งพาอาศัยซึ่งกันและกัน เรียกว่า ระบบนิเวศ หมายถึง ระบบที่มีความสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน ระหว่างสิ่งมีชีวิตด้วยกัน และระหว่างสิ่งมีชีวิตกับสิ่งไม่มีชีวิต ในแหล่งที่อยู่ ซึ่งทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนสสาร และพลังงานเป็นวัฏจักร อาจสรุปความหมายของ ระบบนิเวศได้ดังนี้

ประเภทของระบบนิเวศ

โลกมีอาณาเขตกว้างขวางมาก นับเป็นระบบนิเวศที่ใหญ่ที่สุดเรียกว่า ชีวาลัย (Biosphere หรือ Ecosphere) ประกอบด้วยระบบนิเวศย่อยๆ เป็นจำนวนมาก เราอาจแบ่งระบบนิเวศได้หลายๆ กลุ่ม เช่น แบ่งเป็น 3 ประเภท โดยใช้เกณฑ์ความแตกต่างของลักษณะภูมิอากาศ และลักษณะทางธรณีวิทยา คือแบ่งเป็น ระบบนิเวศทางธรรมชาติ ระบบนิเวศเมือง-อุตสาหกรรม และระบบนิเวศเกษตรแต่ในหน่วยนี้จะแบ่งระบบนิเวศเป็นประเภทใหญ่ๆ เพียง 2 ประเภท คือ ระบบนิเวศบกและระบบนิเวศน้ำ ระบบนิเวศบนบก และในน้ำยังแบ่งเป็นระบบนิเวศย่อยๆ อีกดังนี้

1. ระบบนิเวศบก หมายถึง ระบบนิเวศของพื้นผิวโลกที่ไม่มีน้ำปกคลุม และแบ่งเป็นระบบนิเวศ ย่อยๆ ตามลักษณะภูมิประเทศ และชนิดของพืชที่พบในบริเวณนั้นๆ คือ

1.1 ระบบนิเวศป่าไม้

1.2 ระบบนิเวศทะเลทราย

1.3 ระบบนิเวศทุ่งน้ำแข็ง 2 ระบบนิเวศน้ำ

2. ระบบนิเวศน้ำ เป็นระบบนิเวศที่มีบริเวณกว้างขวางมากเพราะโลกของเรามีพื้นน้ำเป็นทะเล และมหาสมุทรถึง 3 ใน 4 ส่วนของพื้นโลก ระบบนิเวศน้ำยังแบ่งออกเป็น 3 ระบบตามระดับความเค็ม คือ

2.1 ระบบนิเวศน้ำจืด

2.2 ระบบนิเวศน้ำกร่อย

2.3 ระบบนิเวศน้ำทะเล

ระบบนิเวศทั้ง 2 ประเภทจะมีองค์ประกอบที่แตกต่างกัน ซึ่งจะมีผลต่อชนิด และลักษณะของ สิ่งมีชีวิตภายในระบบให้มีความแตกต่างกันด้วย

องค์ประกอบของระบบนิเวศ

ระบบนิเวศทั้ง 2 ประเภทจะมีองค์ประกอบที่แตกต่างกัน ซึ่งจะมีผลต่อชนิด และลักษณะของ สิ่งมีชีวิตภายในระบบให้มีความแตกต่างกันด้วยระบบนิเวศทุกระบบจะมีโครงสร้างที่กำหนดโดยชนิดและจำนวนของสิ่งมีชีวิตเฉพาะอย่าง ที่อยู่ในระบบนั้น องค์ประกอบของระบบนิเวศมี 2 ส่วน ดังนี้

1 สิ่งไม่มีชีวิต (Abiotic Components) สิ่งไม่มีชีวิตที่เป็นองค์ประกอบของระบบนิเวศได้แก่

1.1 พลังงาน ระบบนิเวศทุกระบบจะได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์ และพลังงานนี้จะช่วยให้เกิดบรรยากาศ ทำให้สารต่างๆ เกิดปฏิกิริยา และทำให้พืชมีชีวิต และพลังงานที่มีอยู่ในพืชนั้นก็จะถูกสร้าง และมนุษย์จะนำไปใช้ต่อไป

1.2 องค์ประกอบทางกายภาพ ได้แก่ อุณหภูมิ แสงสว่าง ลม ความชื้น ฝน องค์ประกอบ ทางกายภาพนี้จะเกิดขึ้นเมื่อแสงแดดทำปฏิกิริยากับสารชนิดต่างๆ ที่มีอยู่บนผิวโลก

1.3 องค์ประกอบทางเคมี เป็นสิ่งที่จำเป็นต่อระบบนิเวศมาก และจะถูกสิ่งมีชีวิตนำไปใช้ อย่างไม่มีที่สิ้นสุด ได้แก่ สารที่เป็นสารประกอบอนินทรีย์ เช่น น้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ ออกซิเจน ไนโตรเจน และสารประกอบอินทรีย์ เช่น โปรตีน คาร์โบไฮเดรต วิตามิน

2 สิ่งมีชีวิต (Biotic Components) ในระบบนิเวศ ประกอบด้วย

2.1 ผู้ผลิต (Producer) ได้แก่ พืชทุกชนิด และแบคทีเรียชนิดที่สามารถสังเคราะห์แสงได้ โดยใช้พลังงานจากดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นกระบวนการที่เปลี่ยนสารที่เป็นอนินทรียวัตถุ เช่น น้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และสารอนินทรีย์พวกแร่ธาตุต่างๆ ให้เป็นสารพวกอินทรียวัตถุที่พืชและ สิ่งมีชีวิตอื่นๆ สามารถนำไปใช้สร้างเนื้อเยื่อหรือองค์ประกอบของร่างกาย

2.2 ผู้บริโภค (Consumer) ผู้บริโภคที่สำคัญ ได้แก่ มนุษย์ และสัตว์ทั่วไป ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิต ที่ไม่สามารถสร้างธาตุอาหาร หรือสารประกอบที่เป็นอินทรียวัตถุได้เองโดยตรง ต้องอาศัยอาหาร ที่เป็นอินทรียวัตถุจากพืชและสัตว์อีกต่อหนึ่ง ผู้บริโภคแบ่งออกเป็น 3 ประเภท คือ

> พวกกินพืช (Herbivores) ผู้บริโภคที่กินพืชเป็นอาหาร ได้แก่ วาฬ กวาง โค กระบือ ตั๊กแตน เป็นต้น

> พวกกินสัตว์ (Carnivores) ผู้บริโภคที่กินสัตว์เป็นอาหาร ได้แก่ กบ นก งู เสือ เป็นต้น

> พวกกินทั้งพืชและสัตว์ (Omnivores หรือ Top Carnivores) ผู้บริโภคที่กินทั้งพืช และสัตว์เป็นอาหาร ได้แก่ หมู ไก่ แมว สุนัข และมนุษย์ เป็นต้น

2.3 ผู้ย่อยสลาย (Decomposer) ได้แก่ สิ่งมีชีวิตเล็กๆ เช่น แบคทีเรีย เห็ด รา และ โปรโตซัวบางชนิด ซึ่งจะทำหน้าที่ย่อยสลายส่วนต่างๆ ของพืช และสัตว์ที่ตายแล้วให้อยู่ในรูปของ สารประกอบที่ผู้ผลิตหรือพืชจะนำไปใช้ประโยชน์ได้ต่อไป ผู้ย่อยสลายนับได้ว่ามีความสำคัญต่อ ระบบนิเวศมาก เพราะทำให้ธาตุอาหารถูกนำกลับไปใช้ได้ใหม่ หรือมีหมุนเวียนอยู่ภายในระบบนิเวศ อย่างต่อเนื่องเป็นวัฏจักร

กฎของพลังงาน

การเปลี่ยนแปลงพลังงานในลักษณะต่างๆ จะเป็นไปตามกฎของพลังงานหรือที่เรียกว่า กฎของ อุณหพลศาสตร์ ดังนี้

1. กฎแห่งการอนุรักษ์พลังงาน กล่าวว่า พลังงานไม่อาจถูกสร้างขึ้นได้ นอกจากจะเปลี่ยน จากพลังงานในรูปหนึ่งไปเป็นพลังงานอีกรูปหนึ่งเท่านั้น เช่น การที่เรามีแรงยกวัตถุต่างๆ ขึ้นได้นั้น ก็เนื่องมาจากเรามีพลังงานซึ่งได้รับจากอาหาร และพลังงานที่มีอยู่ในอาหารนั้น ซึ่งเป็นพลังงานที่ เปลี่ยนแปลงมาจากพลังงานจากดวงอาทิตย์นั่นเอง

2. กฎแห่งการสูญเสียพลังงาน กล่าวว่า ในการเปลี่ยนแปลงรูปของพลังงานนั้นพลังงานส่วนหนึ่ง จะสูญเสียไปให้แก่สิ่งแวดล้อม ดังนั้นเมื่อพลังงานถูกเปลี่ยนไปหลายๆ ขั้นก็ยิ่งทำให้พลังงานมีปริมาณ น้อยลงไปทุกที เช่น การเปลี่ยนแปลงพลังงานจากแสงอาทิตย์ที่ส่องมายังพืชในปริมาณ 1,000 แคลอรีนั้น ประมาณ 990 แคลอรี จะสูญเสียไปให้แก่สิ่งแวดล้อม พลังงานเพียง 10 แคลอรีเท่านั้น ที่จะถูกนำไปใช้ หรือเก็บไว้ในเนื้อเยื่อของพืช ในปริมาณพลังงาน 10 แคลอรีที่พืชได้รับนี้ ถ้ามีสัตว์หรือมนุษย์นำไปใช้ต่อ ก็จะได้รับพลังงานที่จะนำไปใช้ให้เกิดประโยชน์ได้เพียง 1 แคลอรีเท่านั้น ส่วนอีก 9 แคลอรีสูญเสียไป ให้แก่สิ่งแวดล้อม นั่นคือการเปลี่ยนแปลงพลังงาน หรือการสูญเสียรูปพลังงานดังกล่าว จะทำให้เกิดการ สูญเสียพลังงานไปให้แก่สิ่งแวดล้อมถึงร้อยละ 99

กระบวนการพลังงานในสิ่งมีชีวิต

การเปลี่ยนแปลงพลังงานในสิ่งมีชีวิตที่สำคัญมีอยู่ 2 กระบวนการด้วยกัน คือ การสังเคราะห์ ด้วยแสง และการหายใจ กระบวนการทั้งสองนี้เป็นการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต ที่ทำให้สิ่งมีชีวิตสามารถดำรงอยู่ได้

1. กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นเมื่อแสงจากดวงอาทิตย์ ถูกดูดซึมไว้โดยคลอโรฟิลล์ในพืชสีเขียว แล้วพลังงานแสงจากดวงอาทิตย์จะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานเคมี เก็บไว้ในรูปโมเลกุลของน้ำตาล เช่น กลูโคส ซึ่งพืชจะได้ใช้น้ำตาลเหล่านี้ไปสังเคราะห์ สร้างเป็นคาร์โบไฮเดรต เช่น ซูโครส แป้ง และเซลลูโลสต่อไป

2. กระบวนการหายใจ เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นในเซลล์ที่มีชีวิตทั้งหมดของพืชและสัตว์ โดย สิ่งมีชีวิตหายใจเอาออกซิเจนเข้าไปทำปฏิกิริยากับสารอาหาร เช่น กลูโคส ทำให้ได้คาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำเป็นผลผลิต พร้อมกับพลังงานที่ถูกเก็บไว้ในโมเลกุลของกลูโคสจะถูกปลดปล่อยออกสู่ระบบนิเวศ

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง และกระบวนการหายใจเป็นกระบวนการที่ทำให้เกิดปฏิกิริยา เคมีต่างๆ แตกต่างกันออกไปมากมาย เป็นกระบวนการที่เกื้อกูลกันในระบบนิเวศ กล่าวคือ การสังเคราะห์ ด้วยแสงให้ออกซิเจนแก่ระบบนิเวศ และออกซิเจนที่เกิดขึ้นนี้ก็จะถูกนำไปใช้ในกระบวนการหายใจ ส่วนคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดจากกระบวนการหายใจก็จะถูกนำไปใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง

การใช้พลังงานในระบบนิเวศ

ในทางนิเวศวิทยาเรียกพืชซึ่งเป็นผู้ผลิตอาหารชั้นต้นให้กับระบบนิเวศว่าเป็น ผู้รับ-ส่งพลังงานชั้นที่ 1 พวกสัตว์ที่กินพืชเป็นอาหารเป็นผู้รับ-ส่งพลังงานขั้นที่ 2 และพวกที่กินสัตว์เป็นอาหารเป็นผู้รับ-ส่งพลังงาน ชั้นที่ 3 ดังนั้นระดับการรับ-ส่งพลังงานก็คือ ชั้นในการรับพลังงานจากดวงอาทิตย์ที่เกิดจากการรับเอา อาหารต่อๆ กันไปของสิ่งมีชีวิตในระบบนิเวศนั่นเอง แต่อย่างไรก็ตาม การนับระดับการรับ-ส่งพลังงานนั้นจะต้องพิจารณาว่าพลังงานถูกส่งผ่านไปในสิ่งมีชีวิตอย่างไรมาประกอบด้วยระดับในการรับ-ส่งพลังงานของระบบนิเวศอาจไม่เหมือนกัน เช่น ต้นข้าวที่อยู่ในทุ่งนา นับเป็น ผู้รับ-ส่งพลังงานชั้นที่ 1 มนุษย์นำข้าวไปกินเป็นอาหาร ดังนั้นมนุษย์จึงเป็นผู้รับ-ส่งพลังงานชั้นที่ 2 แต่ถ้าวัวกินข้าวในทุ่งนานั้น วัวจะเป็นผู้รับ-ส่งพลังงานขั้นที่ 2 เมื่อมนุษย์นำวัวไปฆ่า และนำเนื้อมา เป็นอาหาร มนุษย์ก็จะเป็นผู้รับ-ส่งพลังงานชั้นที่ 3

ประสิทธิภาพของระบบนิเวศ จากกฎของพลังงานที่ว่า พลังงานย่อมสูญเสียไปในระหว่างการ เปลี่ยนแปลงพลังงาน ถ้านำมาอธิบายถึงการรับ-ส่งพลังงานในระดับต่างๆ เพียงร้อยละ 10 ของพลังงานทั้งหมดที่มีอยู่ในระดับหนึ่งเท่านั้นจะถูกส่งต่อ จะพบว่า พลังงานอาหาร และเก็บไว้ในระดับต่อไป นั่นคือประมาณร้อยละ 90 ของพลังงานในอาหารจะสูญไปในรูปของความร้อนให้แก่สิ่งแวดล้อม

ความสำคัญของพลังงานต่อระบบนิเวศ

สิ่งที่ควรจะต้องมีความเข้าใจและจดจำไว้เสมอเกี่ยวกับพลังงาน คือ

1. สิ่งมีชีวิตเริ่มต้นขึ้นด้วยการเริ่มมีแสงจากดวงอาทิตย์

2. สารประกอบที่เป็นอาหาร หรืออินทรียวัตถุทุกชนิดเกิดขึ้นได้เนื่องจากมีแสงจากดวงอาทิตย์และมีพืชสีเขียว

3. ถ้าห่วงโซ่อาหาร หรือระดับการส่งถ่ายพลังงานในระบบนิเวศมีระดับน้อยลงเท่าไร พลังงานใช้ในระบบนิเวศก็จะสูญหาย และลดน้อยลงได้เท่านั้น ที่

4. พลังงานแสงจากดวงอาทิตย์ที่ส่งไปถึงพืชนั้น จะถูกพืชนำไปใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเพียงร้อยละ 0.2 เท่านั้น นั่นคือร้อยละ 99.8 ของพลังงานจากดวงอาทิตย์ที่ส่งมายังพืชจะสูญหายไป

5. พลังงานแสงจากดวงอาทิตย์ที่พืชนำไปใช้เปลี่ยนเป็น พลังงานจากน้ำมัน พลังงานเคมี จะมีปริมาณมากกว่า และพลังงานจากนิวเคลียร์ที่มนุษย์ใช้อยู่บนพื้นโลกถึง 400 เท่าในเวลา 1 ปี