ชุดที่ 2 โซ่อาหารและสายใยอาหาร

ความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิตในระบบนิเวศ

                  สิ่งมีชีวิตหลายชนิดอาศัยอยู่รวมกันเป็นกลุ่มของสิ่งมีชีวิตและมีความสัมพันธ์เกี่ยวข้องกัน ทั้งในลักษณะพึ่งพาอาศัยกันในรูปแบบต่างๆ เช่น การเอื้อประโยชน์ต่อกัน การแก่งแย่งแข่งขันกัน เป็นศัตรูต่อกันและที่สำคัญที่สุด คือเป็นอาหารซึ่งกันและกัน ทำให้เกิดการถ่ายทอดพลังงานแก่กันในระบบนิเวศ โดยผ่านการกินกันเป็นทอดๆ ตามลำดับเรียกว่า โซ่อาหาร (food chain)   โซ่อาหารอาจจะสัมพันธ์กันอย่างสลับซับซ้อนในรูปของสายใยอาหาร (food web)

        สายใยอาหาร หรือวัฏจักรอาหารนั้นจะบรรยายความสัมพันธ์แบบการกินกันในชุมชนนิเวศวิทยา นักนิเวศวิทยาสามารถรวบรวมรูปแบบชีวิตทุกชนิดอย่างกว้างขวางเป็นหนึ่งในสองหมวดหมู่ที่เรียกว่า ระดับหรือลำดับขั้นการกินอาหาร ได้แก่ 

1) ออโตทรอพ (Autotroph) คือ สิ่งมีชีวิตที่สามารถสร้างอาหารเองได้ โดยทำการผลิตอาหารขึ้นมาจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เป็นแหล่งคาร์บอน และแสงหรือสารอนินทรีย์อื่นๆ เป็นแหล่งพลังงาน สิ่งมีชีวิตประเภทออโตทรอพถูกจัดให้เป็นผู้ผลิตในห่วงโซ่อาหาร

สีเขียวจากต้นเฟิร์นบ่งบอกว่าต้นเฟิร์นมีคลอโรฟิลล์ซึ่งเป็นตัวที่ใช้ในการสังเคราะห์แสง จึงทำให้มันเป็นออโตทรอพ 

ภาพประกอบ ต้นเฟิร์น

2) เฮเทโรทรอพ (Heterotroph) คือ สิ่งมีชีวิตที่ต้องการอินทรียสารจากสิ่งมีชีวิตอื่นๆ เป็นแหล่งคาร์บอนเพื่อใช้ในการเจริญเติบโตและการซ่อมแซมส่วนที่สึกหรอ เฮเทโรทรอพ หรือเรียกกันว่าผู้บริโภคในห่วงโซ่อาหาร เป็นสิ่งมีชีวิตที่ไม่สามารถสร้างอาหารเองได้

สิ่งมีชีวิตจำพวกเฮเทโรทรอพนั้นไม่สามารถสร้างอาหารเองได้ ดังที่กล่าวข้างต้น นั่นคือ ความไม่สามารถในการสังเคราะห์อินทรียสารที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลักจากแหล่งอนินทรียสารในสิ่งแวดล้อมได้ (ดังเช่นการที่สัตว์ไม่สามารถสังเคราะห์แสงได้ ต่างจากพืชที่สามารถทำได้) และจึงต้องอาศัยแหล่งอาหารที่มาจากสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ทั้งออโตทรอพ และเฮเทโรทรอพ

โดยสรุปคือ เฮเทโรทรอพคือบรรดาสิ่งมีชีวิตที่สร้างอาหารเองไม่ได้ จึงต้องหาอาหารเอง ไม่ว่าจะเป็นจากการบริโภคสิ่งมีชีวิตอื่น (ซึ่งยังแบ่งได้อีกเป็นสิ่งมีชีวิตกินพืช และสิ่งมีชีวิตกินเนื้อ) หรือจากการดูดสารอาหารจากสิ่งมีชีวิตอื่น (เช่นพยาธิ และพืชกาฝาก ซึ่งถือเป็นสิ่งมีชีวิตจำพวกปรสิต) นั่นเอง

ซึ่งเราสามารถแบ่งอย่างง่ายได้ ดังนี้

ออโตทรอพ (Autotroph)

1.ผู้ผลิต (producer)  เป็นสิ่งมีชีวิตที่สามารถสร้างอาหารได้ จำพวก

พืชที่มีสารสีในการสังเคราะห์แสง เช่น แพลงตอนพืช แบคทีเรียบางชนิดที่สังเคราะห์แสงได้ พืชทุกชนิด สิ่งมีชีวิตเหล่านี้โดยเฉพาะพืชใบเขียว สร้างอาหาร โดยกลไกจากการสังเคราะห์แสง ผลผลิตที่ได้จากกระบวนการสังเคราะห์แสงนี้ คือ คาร์โบไฮเดรต จะเป็นสารอาหารที่ให้พลังงานแก่สิ่งมีชีวิตอื่นที่ได้รับเข้าไปในรูปของอาหาร และก๊าซออกซิเจนจากปฏิกิริยานี้จะเป็นก๊าซที่คายออกทางปากใบของพืชแล้วแพร่ไปในบรรยากาศ ซึ่งมีประโยชน์ทั้งต่อมนุษย์และระบบนิเวศในหลายกรณี

ภาพประกอบ ต้นแอปเปิ้ล

เฮเทโรทรอพ (Heterotroph)

1. ผู้บริโภค (consumer) เป็นสิ่งมีชีวิตที่ไม่สามารถสร้างอาหารได้เอง ต้องได้รับอาหารโดยกินผู้ผลิต เช่น แพลงตอนสัตว์ สัตว์ต่าง ๆ ทั้งช้าง ม้า วัว ควาย หมี นก ผีเสื้อ ฯลฯ เนื่องจากสิ่งมีชีวิตที่เป็นผู้บริโภคนี้มีจำนวนมากและแต่ละชนิดก็มีลักษณะการบริโภคที่แตกต่างกัน ดังนั้นเราจึงสามารถแบ่งผู้บริโภคออกเป็นกลุ่ม ๆ โดยยึดชนิดของอาหารที่กินเป็นเกณฑ์ ซึ่งจำแนกผู้บริโภคได้เป็น 4 กลุ่ม คือ 

ภาพประกอบ ลูกวัว

1.1 ผู้บริโภคพืช (herbivore) เช่น ช้าง ม้า วัว ควาย

ภาพประกอบ งู

1.2 ผู้บริโภคสัตว์ (carnivore) เช่น เสือ สิงโต งู เหยี่ยว

ภาพประกอบ นกหัวขวาน

1.3 ผู้บริโภคทั้งพืชและสัตว์(Omnivore) เช่น นกบางชนิดที่กินทั้งแมลงและเมล็ดพืชได้แก่ นกหัวขวาน นกกระทาทุ่ง

ภาพประกอบ ไส้เดือน

1.4 ผู้บริโภคซากพืชซากสัตว์ (scavenger) เช่น ไส้เดือนดิน กิ้งกือ ปลวก นกแร้ง

2. ผู้ย่อยสลาย (decomposer) เป็นสิ่งมีชีวิตที่ดำรงชีวิตและได้พลังงานมาใช้ด้วยการย่อยสลายซากพืชซากสัตว์สารแล้วดูดซึมเข้าสู่ร่างกาย ได้แก่ เห็ด รา และ แบคทีเรียชนิดต่างๆ ซึ่งมีอยู่ทั่วไปทั้งในน้ำ อากาศและ ดิน ผู้ย่อยสลายจะทำให้พืชและสัตว์ที่ตายแล้วเกิดการเน่าเปื่อยสลายเป็นสารที่จำเป็นต่อการเจริญเติบโตของพืช ดังนั้นถ้าไม่มีผู้ย่อยสลาย พืชและสัตว์ที่ตายแล้วจะไม่มีการเน่าเปื่อย แต่จะทับถมดินก็จะเสื่อมสภาพลงไปเรื่อยๆเพราะไม่มีแร่ธาตุเพิ่มจากเดิม 

ภาพประกอบ ขนมปังขึ้นรา

โซ่อาหาร

           ห่วงโซ่อาหาร (Food Chain)

                   หมายถึง ความสัมพันธ์ของสิ่งมีชีวิตในเรื่องของการกินต่อกันเป็นทอด ๆจากผู้ผลิตสู่ผู้บริโภค ทำให้มีการถ่ายทอดพลังงานในอาหารต่อเนื่องเป็นลำดับจากการกินต่อกัน

                  ถ้าการกินกันเป็นทอดๆ มาเขียนแผนภาพเริ่มต้นจาก ต้นข้าวโพด ซึ่งเป็นพืชสีเขียวสามารถสร้างอาหารเองได้โดยใช้พลังงานแสง จึงจัดให้ต้นข้าวโพดซึ่งเป็นพืชสีเขียวเป็น ผู้ผลิต ตั๊กแตนและกบเป็นสัตว์ไม่สามารถสร้างอาหารเองได้ จึงกินพืชหรือสัตว์อื่นเป็นอาหาร เรียกว่า ผู้บริโภค เมื่อตั๊กแตนกินข้าวโพดพลังงานในข้าวโพดจะถูกถ่ายทอดไปยังตั๊กแตน และจะถูกถ่ายทอดต่อไปยังกบ งู จนถึงตะกวด

พืชจึงเป็น ผู้ผลิต และเป็นสิ่งมีชีวิตอันดับแรกในการถ่ายทอดพลังงานแบบโซ่อาหาร สำหรับสัตว์เป็นสิ่งมีชีวิตที่ไม่สามารถสร้างอาหารเองได้ จำเป็นต้องได้รับพลังงานจากการบริโภคสิ่งมีชีวิตอื่นเป็นอาหารสัตว์จึงถือว่าเป็น ผู้บริโภค 

ซึ่งแบ่งออกได้เป็น
ผู้บริโภคลำดับที่หนึ่ง หมายถึง สัตว์ที่กินผู้ผลิต

ผู้บริโภคลำดับที่สอง หมายถึง สัตว์ที่กินผู้บริโภคลำดับที่หนึ่ง

ผู้บริโภคลำดับสูงสุด หมายถึง สัตว์ที่อยู่ปลายสุดของโซ่อาหาร ซึ่งไม่มีสิ่งมีชีวิตใดมากินต่อเรียกว่า ผู้บริโภคลำดับสุดท้าย

ตัวอย่าง เช่น

        จากแผนภาพ จะสังเกตเห็นว่า การกินต่อกันเป็นทอด ๆ ในห่วงโซ่อาหารนี้ เริ่มต้นที่ ต้นข้าว  ตามด้วยตั๊กแตนมากินใบของต้นข้าว   กบมากินตั๊กแตน  และ เหยี่ยวมากินกบ  ซึ่งจากลำดับขั้นในการกินต่อกันนี้ สามารถอธิบายได้ว่า

        ต้นข้าว นับเป็นผู้ผลิตในห่วงโซ่อาหารนี้ เนื่องจากต้นข้าว เป็นพืชซึ่งสามารถสร้างอาหารได้เองโดยใช้กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง

        ตั๊กแตน นับเป็นผู้บริโภคลำดับที่ 1 เนื่องจาก ตั๊กแตนเป็นสัตว์ลำดับแรกที่บริโภคข้าวซึ่งเป็นผู้ผลิต

        กบ นับเป็นผู้บริโภคลำดับที่ 2 เนื่องจาก กบจับตั๊กแตนกินเป็นอาหาร หลังจากที่ตั๊กแตนกินต้นข้าวไปแล้ว

        เหยี่ยว เป็นผู้บริโภคลำดับสุดท้าย เนื่องจาก เหยี่ยวจับกบกินเป็นอาหาร และในโซ่อาหารนี้ไม่มีสัตว์อื่นมาจับเหยี่ยวกินอีกทอดหนึ่ง

สายใยอาหาร

                สายใยอาหาร (Food Web)

        ในแหล่งที่อยู่หนึ่งอาจมีโซ่อาหารหลายโซ่ สิ่งมีชีวิตบางชนิดอาจเป็นอาหารของสิ่งมีชีวิตหลายชนิดและบางชนิดกินสิ่งมีชีวิตอื่นเป็นอาหารได้หลายชนิด จึงเกิดความสัมพันธ์ของโซ่อาหารที่ซับซ้อนกันหลาย ๆ โซ่ เรียกว่า สายใยอาหาร

แผนภาพสายใยอาหาร

        สายใยอาหารของกลุ่มมีชีวิตใดที่มีความซับซ้อนมาก แสดงว่าผู้บริโภคลำดับที่ 2 และลำดับที่ 3 มีทางเลือกในการกินอาหารได้หลากหลาย มีผลทำให้กลุ่มสิ่งมีชีวิตนั้นมีความมั่นคงในการดำรงชีวิตมากตามไปด้วย

        สายใยอาหารเป็นตัวแทนระบบนิเวศจริงที่จำกัด เพราะจำเป็นต้องจัดรวบรวมสปีชีส์ทั้งหลายเข้าเป็นสปีชีส์ตามลำดับการกิน ซึ่งเป็นหมู่ทำหน้าที่ของสปีชีส์ซึ่งมีผู้ล่าและเหยื่ออย่างเดียวกันในสายใยอาหาร นักนิเวศวิทยาใช้การทำให้เข้าใจง่ายนี้ในแบบจำลองเชิงปริมาณ หรือเชิงคณิตศาสตร์ ของไดมานิกส์ระดับการกิน ด้วยการใช้แบบจำลองเหล่านี้ นักนิเวศวิทยาสามารถวัดและทดสอบรูปแบบทั่วไปในโครงสร้างของเครือข่ายสายใยอาหารแท้จริงได้ นักนิเวศวิทยาได้ระบุคุณสมบัติไม่สุ่มในโครงสร้างภูมิลักษณ์ของสายใยอาหาร ตัวอย่างที่ตีพิมพ์ซึ่งใช้ในการวิเคราะห์อภิมานมีคุณภาพกับการละเลยหลากหลาย อย่างไรก็ดี จำนวนการศึกษาเชิงประจักษ์เกี่ยวกับสายใยชุมชนนั้นกำลังปรากฏขึ้น และการกระทำทางคณิตศาสตร์ต่อสายใยอาหารโดยใช้ทฤษฎีเครือข่ายมีรูปแบบพิสูจน์ได้ร่วมกันทั้งหมด ตัวอย่างเช่น กฎสเกลลิง ทำนายความสัมพันธ์ระหว่างทอพอโลยีของความเชื่อมโยงผู้ล่า-เหยื่อในสายใยอาหารและความอุดมของสปีชีส์

การถ่ายทอดพลังงานในห่วงโซ่อาหาร

                การถ่ายทอดพลังงาน 

         การถ่ายทอดพลังงานในห่วงโซ่อาหารอาจแสดงในในลักษณะของสามเหลี่ยมพีระมิดของสิ่งมีชีวิต (ecological pyramid) แบ่งได้ 3 ประเภทตามหน่วยที่ใช้วัดปริมาณของลำดับขั้นในการกิน

1. พีระมิดจำนวนของสิ่งมีชีวิต (pyramid of number)

         แสดงจำนวนสิ่งมีชีวิตเป็นหน่วยตัวต่อพื้นที่ โดยทั่วไปพีระมิดจะมีฐานกว้างซึ่งหมายถึง มีจำนวนผู้ผลิตมากที่สุด และจำนวนผู้บริโภคลำดับต่างๆ ลดลงมา  

ภาพแสดง พีระมิดจำนวนสิ่งมีชีวิต

         แต่การวัดปริมาณพลังงานโดยวิธีนี้อาจมีความคลาดเคลื่อนได้เนื่องจากสิ่งมีชีวิตไม่ว่าจะเป็นเซลล์เดียวหรือหลายเซลล์ ขนาดเล็กหรือขนาดใหญ่ เช่น ไส้เดือน จะนับเป็นหนึ่งเหมือนกันหมด แต่ความเป็นจริงนั้นในแง่ปริมาณพลังงานที่ได้รับหรืออาหารที่ผู้บริโภคได้รับจะมากกว่าหลายเท่า ดังนั้นจึงมีการพัฒนารูปแบบในรูปของปิรามิดมวลของสิ่งมีชีวิต 

2.พีระมิดมวลของสิ่งมีชีวิต (pyramid of mass)

         โดยพีระมิดนี้แสดงปริมาณของสิ่งมีชีวิตในแต่ละลำดับขั้นของการกินโดยใช้มวลรวมของน้ำหนักแห้ง (dry weight) ของสิ่งมีชีวิตต่อพื้นที่แทนการนับจำนวน พีระมิดแบบนี้มีความแม่นยำมากกว่าแบบที่ 1 แต่ในความเป็นจริงจำนวนหรือมวลของสิ่งมีชีวิตมีการเปลี่ยนแปลงตามช่วงเวลา เช่น ตามฤดูกาลหรือ ตามอัตราการเจริญเติบโต ปัจจัยเหล่านี้ จึงเป็นตัวแปรที่สำคัญ  

ภาพแสดง พีระมิดมวลของสิ่งมีชีวิต

         อย่างไรก็ดีถึงแม้มวลที่มากขึ้นเช่นต้นไม้ใหญ่ จะผลิตเป็นสารอาหารของผู้บริโภคได้มาก แต่ก็ยังน้อยกว่าที่ผู้บริโภคได้จากสิ่งมีชีวิตเล็กๆ เช่น สาหร่ายหรือแพลงก์ตอน ทั้งๆที่มวล หรือปริมาณของสาหร่ายหรือแพลงก์ตอนน้อยกว่ามาก ดังนั้นจึงมีการพัฒนาแนวความคิดในการแก้ปัญหานี้ โดยในการเสนอรูปของพีระมิดพลังงาน (pyramid of energy)

3. พีระมิดพลังงาน ( pyramid of energy)

         เป็นพีระมิดแสดงปริมาณพลังงานของแต่ละลำดับชั้นของการกินซึ่งจะมีค่าลดลงตามลำดับขั้นของการโภค จากลำดับที่ 1 ไป 2 ไป 3 และ 4 ดังแสดงในรูป

ภาพแสดง พีระมิดพลังงาน

         ในระบบนิเวศ ทั้งสสารและแร่ธาตุต่างๆ จะถูกหมุนเวียนกันไปภายใต้เวลาที่เหมาะสม และมีความสมดุล ซึ่งกันและกันวนเวียนกันเป็นวัฏจักรที่เรียกว่า วัฏจักรของสสาร (matter cycling) ซึ่งเปรียบเสมือนกลไกสำคัญ ที่เชื่อมโยงระหว่างสสารและพลังงานจากธรรมชาติสู่สิ่งมีชีวิตแล้วถ่ายทอดพลังงานในรูปแบบของการกินต่อกันเป็นทอดๆ ผลสุดท้ายวัฎจักรจะสลายในขั้นตอนท้ายสุดโดยผู้ย่อยสลายกลับคืนสู่ธรรมชาติ วัฏจักรของสสารที่มีความสำคัญต่อสมดุลของระบบนิเวศ ได้แก่ วัฎจักรของน้ำ วัฎจักรของไนโตรเจน วัฎจักรของคาร์บอนและ วัฎจักรของฟอสฟอรัส