บทที่ 21 ระบบนิเวศ 21.4

 การถ่ายทอดพลังงานและการหมุนเวียนในระบบนิเวศ  

 

คำถาม   

ผู้ผลิต ผู้บริโภค และผู้สลายสารอินทรีย์ในโซ่อาหารมีความสัมพันธ์กันอย่างไร

 

          การถ่ายทอดพลังงานและการหมุนเวียนสารในระบบนิเวศมีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตในระบบนิเวศเป็นอย่างมาก   เพราะสารต่างๆ ในระบบนิเวศไม่มีการสูญหายแต่มีการหมุนเวียนนำมาใช้ใหม่ในสิ่งมีชีวิตเกิดเป็นวัฏจักรทำให้ระบบนิเวศเกิดความสมดุลทางธรรมชาติ นักเรียนทราบหรือไม่ว่าการถ่ายทอดพลังงานและการหมุนเวียนสารในระบบนิเวศเกิดขึ้นได้อย่างไร

รู้หรือเปล่า ?  

การกินกันเป็นทอดๆ ในโซ่อาหารของสิ่งมีชีวิต   มีลักษณะเป็นลำดับขั้นของการกิน เช่น จากผู้ผลิตไปสู่ผู้บริโภคลำดับที่ 1 ไปสู่ผู้บริโภคลำดับที่ 2 และจากผู้บริโภคลำดับที่ 2 ไปสู่ผู้บริโภคลำดับที่ 3 เรียกลักษณะการกินเป็นทอดๆ นี้ว่า ลำดับขั้นการกินอาหาร  (trophic level

 

21.4.1 การถ่ายทอดพลังงานในสิ่งชีวิต   

           ดังที่นักเรียนทราบแล้วว่าสิ่งมีชีวิตในระบบนิเวศ แบ่งตามหน้าที่ออกได้เป็น 3 กลุ่ม คือ ผู้ผลิต ผู้บริโภค และผู้สลายสารอินทรีย์สิ่งมีชีวิตเหล่านี้มีความสัมพันธ์ในระบบนิเวศในลักษณะของการกินต่อกันเป็นทอดๆ ในรูปของ โซ่อาหาร (food chain) และ สายใยอาหาร (food web) การกินต่อกันเป็นทอดๆ นี้ทำให้เกิด การถ่ายทอดพลังงานในสิ่งมีชีวิต (energy flow)

   

ภาพที่ 21-36 โซ่อาหาร

 -   การถ่ายทอดพลังงานในโซ่อาหาร   หรือสายใยอาหารมีความสำคัญอย่างไร
-   นักเรียนคิดว่าถ้ามีสารพิษปนเปื้อนอยู่ในผู้ผลิต สารพิษจะถูกถ่ายทอดไปสู่ผู้บริโภคได้หรือไม่ อย่างไร
-   จากหลักการถ่ายทอดพลังงานในโซ่อาหาร   นักเรียนจะนำไปประยุกต์ใช้ในการรักษาคุณภาพของสิ่งแวดล้อมได้อย่างไร
           ในธรรมชาติการกินต่อกันเป็นทอดๆ ของสิ่งมีชีวิต พบว่ามีความสัมพันธ์เชื่อมโยงกันซับซ้อน   ไม่ได้เป็นลักษณะของโซ่อาหารเดี่ยวๆ เรียกโซ่อาหารที่มีความซับซ้อนนี้ว่า สายใยอาหาร ซึ่งนักเรียนจะศึกษารายละเอียดได้จากกิจกรรมต่อไปนี้          

 กิจกรรมที่ 21.3 โซ่อาหารและสายใยอาหาร   
1.   ให้นักเรียนพิจารณาภาพสายใยอาหารในระบบนิเวศแห่งหนึ่ง ดังต่อไปนี้

   

-   จากภาพสายใยอาหาร   นักเรียนสามารถแยกออกเป็นโซ่อาหารได้ทั้งหมดกี่โซ่ อะไรบ้าง

2.   ให้นักเรียนเขียนความสัมพันธ์ในรูปแบบของโซ่อาหารและสายใยอาหารในระบบนิเวศบนบก และระบบนิเวศในน้ำในท้องถิ่น โดยใช้ข้อมูลที่นักเรียนได้ศึกษาในกิจกรรมที่ 21.1
3.   นักเรียนแต่ละกลุ่มนำเสนอโซ่อาหารและสายใยอาหาร   แล้วร่วมกันอภิปรายในประเด็นต่อไปนี้
           3.1   โซ่อาหารหรือสายใยอาหารระบบนิเวศบนบก และระบบนิเวศในน้ำในท้องถิ่น มีความซับซ้อนหรือไม่ เพราะเหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น
           3.2   จากความสัมพันธ์ในรูปโซ่อาหารที่นักเรียนสำรวจได้บ่งบอกถึงสภาพของระบบนิเวศในท้องถิ่นได้อย่างไร   มีสิ่งใดที่ควรปรับปรุง แก้ไข หรือไม่
           ในระบบนิเวศนอกจากมีโซ่อาหารที่เริ่มต้นจากผู้ผลิตผ่านไปยังผู้บริโภคแล้วนั้น  พบว่ายังมีโซ่อาหารอีกประเภทหนึ่งที่เริ่มจากการย่อยสลายซากพืชและสัตว์ของผู้สลายสารอินทรีย์  แล้วผ่านต่อไปยังผู้บริโภคลำดับต่างๆ  เรียกโซ่อาหารและสายใยอาหารสารอินทรีย์ประเภทนี้ว่า  โซ่อาหารดีไทรทัสและสายใยอาหารดีไทรทัส  (detritus  food  chain  and  detritus  food  web)  หรือ  โซ่อาหารแซโพรไฟติกและสายใยอาหารแซไพรไฟติก  (saprophyfic  food  chain  and  saprophytic  food  web)  ดังภาพที่ 21-37


ภาพที่ 21-37  แผนภาพสายใยอาหารแบบดีไทรทัส  หรือ  แซโพรไฟติก

            จากกิจกรรมที่ 21.3  จะเห็นได้ว่าโซ่อาหารแต่ละสายมีชนิดและปริมาณของสิ่งมีชีวิตแต่ละลำดับขั้นของการกินมากน้อยต่างกัน  สามารถเขียนความสัมพันธ์แต่ละลำดับขั้นได้ในรูปแบบของพีระมิดเรียกว่า  พีระมิดทางนิเวศวิทยา  (ecological  pyramid)  ซึ่งจำแนกออกได้เป็น 3 แบบ  คือ

           พีระมิดจำนวน (pyramid  of  numbers)
           ใช้จำนวนของสิ่งมีชีวิตในระบบนิเวศนั้นๆ  มาเขียนเรียงลำดับโดยผู้ผลิตอยู่บริเวณฐาน  ผู้บริโภคลำดับต่างๆก็จะเรียงลำดับต่อขึ้นไป  มีหน่วยเป็นจำนวนต่อตารางเมตร ดังภาพที่ 21-38

 

   ภาพที่ 21-38 พีระมิดจำนวน

 

           พีระมิดมวลชีวภาพ (pyramid  of  biomass)

           ใช้มวลชีวภาพ  หรือเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดในรูปของน้ำหนักแห้งหน่วยเป็นกรัมต่อตารางเมตร  ในการสร้างพีระมิด  ดังภาพที่  21-39

 

ภาพที่  21-39  พีระมิดมวลชีวภาพ

            พีระมิดพลังงาน  (pyramid  of  energy)

           เป็นพีระมิดที่แสดงค่าพลังงานในสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดมีหน่วยเป็นกิโลแคลอรีต่อตารางเมตรต่อปี  ดังภาพที่ 21-40


ภาพที่ 21-40  พีระมิดพลังงาน

 -  พีระมิดของระบบนิเวศแบบใดบ้าง  ที่บางครั้งพบว่ากลับหัว  โดยมียอดแหลมอยู่ด้านล่าง  เพราะเหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น

           การกินอาหารของผู้บริโภคตามลำดับขั้นในโซ่อาหาร  ก่อให้เกิดการถ่ายทอดสารและพลังงานในระบบนิเวศ  นักเรียนทราบหรือไม่ว่าพลังงานที่สิ่งมีชีวิตในแต่ละลำดับขั้นได้รับนั้นเท่ากันหรือไม่
            พลังงานที่สิ่งมีชีวิตแต่ละลำดับขั้นในระบบนิเวศได้รับนั้นจะไม่เท่ากัน  ตามหลักของลินด์แมนกล่าวไว้ว่า  พลังงานที่ได้รับจากผู้ผลิตทุกๆ  100  ส่วน  จะมีเพียง 10 ส่วนเท่านั้นที่ผู้บริโภคนำไปใช้ในการดำรงชีวิตและการเจริญเติบโต  และพลังงานในผู้บริโภคแต่ละลำดับทุกๆ 100 ส่วนก็จะถูกนำไปใช้แค่ 10 ส่วนเช่นกันเรียกว่า  กฎสิบเปอร์เซ็นต์  (Law of ten percent)  ดังแสดงในภาพที่ 21-41

 

ภาพที่ 21-41  การถ่ายทอดพลังงานในโซ่อาหารตามหลักการของลินด์แมน

-  จากภาพพลังงานอีก 90 ส่วน  ในแต่ละลำดับขั้นของผู้บริโภคสูญหายไปไหน

เชื่อมโยงกับคณิตศาสตร์

         ถ้าในโซ่อาหารแห่งหนึ่งมีลำดับขั้นตอนการกินอาหาร 4 ลำดับ  คือ

         ผักคะน้า --หนอน  -->  ไก่  --> คน

        ถ้าคำนวณพลังงานในการถ่ายทอดในโซ่อาหารนี้เป็นแคลอรี  โดยมีพลังงานเริ่มแรกในผู้ผลิตคือผักคะน้าเท่ากับ 2,400  แคลอรี  ดังนั้นสิ่งมีชีวิตในลำดับถัดไปจะได้รับพลังงานกี่แคลอรี

  21.4.2  วัฏจักรสารในระบบนิเวศ  

           แร่ธาตุและสารต่างๆ  ในระบบนิเวศเป็นสิ่งจำเป็นในการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิต  เช่น  คาร์บอน  ไฮโดรเจน  ออกซิเจน  ไนโตรเจน  และฟอสฟอรัส  เป็นต้น  สารต่างๆ  เหล่านี้ล้วนเป็นองค์ประกอบของโมเลกุลที่สำคัญในเซลล์สิ่งมีชีวิต  เรียกว่า  ชีวโมเลกุล  (biomolecules) เช่น ลิพิด  โปรตีน คาร์โบไฮเดรต  และกรดนิวคลีอิก  ธาตุที่เป็นองค์ประกอบหลักเหล่านี้มีการหมุนเวียนผ่านโซ่อาหารเป็นวัฏจักรเรียกว่า  วัฏจักรสาร (material  cycle)  เช่น  วัฏจักรน้ำ  วักจักรคาร์บอน  วัฏจักรไนโตรเจน  วัฏจักรฟอสฟอรัส  และวัฏจักรกำมะถัน  เป็นต้น

           -  ธาตุที่เป็นองค์ประกอบของชีวโมเลกุลนั้นมีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตอย่างไร  เพราะเหตุใด

           -  การหมุนเวียนสารและการถ่ายทอดพลังงานในระบบนิเวศเหมือนหรือแตกต่างกันอย่างไร

           -  สิ่งมีชีวิตได้รับแร่ธาตุและสารอาหารต่างๆ  โดยวิธีการใดบ้าง

            ดังที่นักเรียนทราบมาแล้วว่า  น้ำมีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตทุกชนิด  ปริมาณความชื้นในแต่ละแห่งเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดระบบนิเวศชนิดต่างๆ  บนพื้นดินอีกด้วย  น้ำที่ใช้กันอยู่ทุกวันนี้มีการหมุนเวียนเป็นวัฏจักรเช่นเดียวกัน  เรียกว่า  วัฏจักรน้ำ   (water  cycle)  ซึ่งนักเรียนได้ศึกษารายละเอียดมาแล้วในระดับมัธยมศึกษาตอนต้น

           -  การหมุนเวียนของน้ำเกิดจากระบวนการต่างๆที่สำคัญ  ได้แก่กระบวนการใดบ้าง

           -  วัฏจักรน้ำที่เกิดโดยผ่านกระบวนการในสิ่งมีชีวิตได้แก่กระบวนการใดบ้าง  และเกี่ยวข้องสัมพันธ์กับกระบวนการที่ไม่ผ่านสิ่งมีชีวิตอย่างไร

เชื่อมโยง กับธรณีวิทยา   

       ซากสิ่งมีชีวิตที่ทับถมในสภาพขาดออกซิเจนจะกลายเป็น เชื้อเพลิงฟอสซิล  (fossil  fuel)  ได้แก่  แก๊สธรรมชาติ  ถ่านหิน  และน้ำมัน  เมื่อนำเชื้อเพลิงฟอสซิลเหล่านี้มาใช้เป็นเชื้อเพลิงพบว่า  จะทำให้เกิดแก๊สคาร์บอนไดออกไซต์กลับคืนสู่บรรยากาศ

 วัฏจักรคาร์บอน
           คาร์บอน  (C)  เป็นธาตุสำคัญของสารประกอบในร่างกายของสิ่งมีชีวิต  เช่น คาร์โบไฮเดรต  ลิพิด  โปรตีน  ฯลฯ  และยังเป็นองค์ประกอบของสารอนินทรีย์อื่นๆ  ที่มีอยู่ในระบบนิเวศเช่น  แก๊สคาร์บอนไดออกไซต์ในบรรยากาศ  คาร์บอนเป็นธาตุที่มีการหมุนเวียนอยู่ในระบบนิเวศเป็นวัฏจักรเช่นเดียวกัน  เรียกว่า  วัฏจักรคาร์บอน (carbon  cycle)  ดังภาพที่ 21-42

 


ภาพที่ 21-42  วักจักรคาร์บอน

-  วัฏจักรคาร์บอนที่เกิดโดยผ่านกระบวนการในสิ่งมีชีวิตได้แก่กระบวนการใดบ้าง
-  วัฏจักรคาร์บอนที่เกิดโดยผ่านกระบวนการอื่นๆ  ในชีวิตประจำวันได้แก่อะไรบ้าง
-  อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างการหมุนเวียนคาร์บอนกับการดำรงชีวิตของพืชและสัตว์
- วัฏจักรคาร์บอนเกิดการเสียสมดุลได้อย่างไร  และมีผลกระทบต่อสภาพแวดล้อมอย่างไรบ้าง

 วัฏจักรไนโตรเจน

เชื่อมโยงกับเคมี

           ไนเตรตอาจเกิดขึ้นได้จากการเกิดฟ้าผ่า  กระแสไฟฟ้าในอากาศทำให้ไนโตรเจนรวมกับออกซิเจนกลายเป็น  ไนโตรเจนออกไซด์ (NO)  เมื่ออยู่ในอากาศนานๆ  ไนโตรเจนออกไซด์จะรวมกับออกซิเจนกลายเป็น ไนโตรเจนไดออกไซด์  (NO2)  ซึ่งอาจรวมกับไอน้ำในบรรยากาศเกิดเป็นกรดไนตริกขึ้น  เมื่อทำปฏิกิริยากับไอออนบวกในดินจะเกิดเกลือไนเตรตพืชจึงนำไปใช้ได้

           ไนโตรเจนเป็นธาตุสำคัญเพราะเป็นองค์ประกอบของโปรตีนในสิ่งมีชีวิต  และพืชยังใช้ไนโตรเจนในรูปของสารประกอบเกลือแอมโมเนียม  เกลือไนไตรท์   และเกลือไนเตรต  เพื่อนำไปสร้างสารประกอบต่างๆภายในเซลล์ได้อีก  แหล่งสะสมที่สำคัญคือ  แก๊สไนโตรเจนในบรรยากาศซึ่งมีประมาณร้อยละ 78  ของแก๊สทั้งหมดที่มีอยู่ในอากาศ  ไนโตรเจนมีการหมุนเวียนเป็นวัฏจักร  เรียกว่า  วัฏจักรไนโตรเจน (nitrogen  cycle)  วัฏจักรไนโตรเจนประกอบด้วยกระบวนการที่สำคัญคือ  การเปลี่ยนสารประกอบไนโตรเจนเป็นแอมโมเนีย  (ammonification)  และ  การเปลี่ยนเกลือแอมโมเนียมเป็นไนไตรท์และไนเตรต (nitrification)  และ  การเปลี่ยนไนเตรตกลับเป็นแก๊สไนโตรเจนในบรรยากาศ (denitrification)  ดังภาพที่ 21-43

 


ภาพที่ 21-43  วัฏจักรไนโตรเจน

 จากภาพกระบวนการต่างๆที่สำคัญของวัฏจักรไนโตรเจนเกี่ยวข้องสัมพันธ์กันอย่างไร
-  ถ้าขาดไนโตรเจนแล้วจะมีผลอย่างไรต่อระบบนิเวศ
 -  ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ  เช่น  ฟ้าผ่า  เกี่ยวข้องกับวัฏจักรไนโตรเจนอย่างไร

รู้หรือเปล่า ?

     ไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบของ กรดอะมิโน  กรดนิวคลีอิก  (DNA  และ  RNA)  วิตามินและคลอโรฟิลล์ ถ้าพืชขาดไนโตรเจน  จะทำให้ใบแก่มีสีเหลืองซีด  เรียกว่า  chlorosis  เนื่องจากมีคลอโรฟิลล์น้อยหรือไม่มีเลย

 วัฏจักรฟอสฟอรัส

                  ฟอสฟอรัสเป็นธาตุที่จำเป็นสำหรับเซลล์ทุกชนิด  เนื่องจากเป็นส่วนประกอบของกรดนิวคลีอิก  เช่น กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก(deoxyribonucleic  acid  หรือ  ดีเอ็นเอ  DNA)  ซึ่งเป็นสารพันธุกรรมและเป็นส่วนประกอบของสารพลังงานสูง  เช่น  ATP (adenosine  triphosphate)  นอกจากนี้ฟอสฟอรัสยังเป็นส่วนประกอบสำคัญของกระดูกและฟันในสัตว์มีกระดูกสันหลัง  ฟอสฟอรัสก็เป็นอีกธาตุหนึ่งทีมีการหมุนเวียนอยู่ในระบบนิเวศเป็นวัฏจักร  เรียกว่า  วัฏจักรฟอสฟอรัส (phosphorus  cycle)  ดังภาพที่ 21-44

 


ภาพที่ 21-44  วัฏจักรฟอสฟอรัส

-  จากภาพแหล่งของฟอสฟอรัสที่สำคัญได้มาจากที่ใดบ้าง
-  วัฏจักรฟอสฟอรัสหมุนเวียนผ่านกระบวนการของสิ่งมีชีวิตอย่างไร
-  สารประกอบของฟอสฟอรัสในผู้บริโภค  กลายมาเป็นสารประกอบฟอสฟอรัสในน้ำได้อย่างไร

เชื่อมโยงกับธรณีวิทยา   

           บ่อน้ำพุร้อน  เป็นทรัพยากรธรรมชาติอีกแหล่งหนึ่งที่เป็นแหล่งกำเนิดของธาตุกำมะถัน  เช่น บ่อน้ำพุร้อนที่อำเภอฝาง จังหวัดเชียงใหม่

  วัฏจักรกำมะถัน

           กำมะถัน  คือธาตุที่เป็นองค์ประกอบสำคัญของโปรตีนในพืชและสัตว์  โดยเฉพาะอย่างยิ่งกรดอะมิโนที่จำเป็น  เช่น  เมไทโอนีน  ซีสเตอีน  ทริปโตเฟน  ธาตุกำมะถันจะเกี่ยวข้องทั้งในกระบวนการของสิ่งมีชีวิตและสิ่งไม่มีชีวิต  และหมุนเวียนกันเป็นวัฏจักรเช่นเดียวกันเรียกว่า  วัฏจักรกำมะถัน   


ภาพที่ 21-45  วัฏจักรกำมะถัน

 -  ธาตุกำมะถันมีการหมุนเวียนผ่านในกระบวนการสิ่งมีชีวิตอย่างไร
-  แหล่งกำเนิดของกำมะถันได้มาจากที่ใดบ้าง
-  ธาตุกำมะถันที่อยู่ในรูปของแก๊สมีบทบาทที่สำคัญอย่างไรต่อระบบนิเวศ  และก่อให้เกิดผลกระทบต่อระบบนิเวศอย่างไรบ้าง

 21.5  การเปลี่ยนแปลงแทนที่ของระบบนิเวศ  

คำถามนำ

    หลังจากเกิดภัยธรรมชาติทำลายระบบนิเวศที่มีอยู่เดิม  นักเรียนคิดว่าระบบนิเวศแห่งนี้จะฟื้นคืนสภาพได้หรือไม่  และกลุ่มสิ่งมีชีวิตจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างไร

           ในสภาพแวดล้อมหนึ่งๆ  พบว่าเมื่อกาลเวลาผ่านไปอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของกลุ่มสิ่งมีชีวิตเกิดขึ้น  กลุ่มสิ่งมีชีวิตเดิมที่เคยพบอาจสูญหายไปกลายเป็นอีกกลุ่มหนึ่งขึ้นมาแทนที่  เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า  การเปลี่ยนแปลงแทนที่ของระบบนิเวศ  (ecological  succession)  ในหัวข้อนี้นักเรียนจะได้ศึกษาขั้นตอนของการเปลี่ยนแปลงแทนที่ของกลุ่มสิ่งมีชีวิตชนิดหนึ่งว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร  จากการทำกิจกรรมที่ 21.4

กิจกรรมที่ 21.4  การเปลี่ยนแปลงแทนที่ของกลุ่มจุลินทรีย์
วัสดุอุปกรณ์
           1.  ฟางข้าว  จอก  แหน  ผักตบชวา  หรือหญ้า  อย่างใดอย่างหนึ่งประมาณ 1 กำมือ
           2.  บีกเกอร์ขนาด  500 cm3
           3.  ชุดตะเกียงแอลกอฮอล์  พร้อมขาตั้งและที่กั้นลม
           4.  แท่งแก้วคนสาร
           5.  น้ำสะอาด  250 cm3
           6.  น้ำจากคู  บึง  หรือบ่อ  หรือจากแหล่งน้ำธรรมชาติ  100 cm3
           7.  ผ้าขาวบางพร้อมยางวง           
           8.  กล้องจุลทรรศน์
           9.  สไลด์และกระจกปิดสไลด์
           10.  หลอดหยด

วิธีการทดลอง
           1.  นำวัสดุ  เช่นฟางข้างแห้ง  จอก  ผักตบชวา  หรือหญ้า  อย่างใดอย่างหนึ่งมาตัดเป็นชิ้นเล็กใส่ลงในบีกเกอร์ประมาณ 1 ใน 5 ส่วน
           2.  เติมน้ำสะอาดลงในบีกเกอร์ที่มีวัสดุในข้อ 1 ให้น้ำท่วมวัสดุนั้น
           3.  นำบีกเกอร์ไปต้มบนชุดตะเกียงแอลกอฮอล์  จนน้ำเดือดประมาณ 15 นาที  แล้วทิ้งไว้ให้เย็น
           4.  ใช้หลอดหยดดูดน้ำต้มจากข้อ 3 หยดบนสไลด์แล้วปิดด้วยกระจกปิดสไลด์  นำมาส่องดูสิ่งมีชีวิตด้วยกล้องจุลทรรศน์บันทึกผลจากนั้นนำบีกเกอร์ในข้อ 3 ตั้งทิ้งไว้  1  คืน
           5.  เติมน้ำจาก คู  บึง  หรือบ่อ  ปริมาตร  100 cm3 ลงในบีกเกอร์น้ำต้มจากข้อ 3  แล้วผิดด้วยผ้าขาวบาง
           6.  นำน้ำจากบีกเกอร์ในข้อ 5 มาส่องดูสิ่งมีชีวิตด้วยกล้องจุลทรรศน์ทุกวันจนครบ 1 สัปดาห์  สังเกตการณ์เปลี่ยนแปลงของกลุ่มสิ่งมีชีวิตที่เกิดขึ้น     บันทึกผล
 -  จากการทดลองนี้นักเรียนสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงแทนที่เกิดขึ้นอย่างไร
 -  กลุ่มสิ่งมีชีวิตที่พบมีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นเป็นระยะๆ  หรือไม่  อย่างไร
 -  เพราะเหตุใดจึงเกิดการเปลี่ยนแปลงแทนที่เกิดขึ้นจากการทดลองนี้
           จากกิจกรรมที่ 21.4  จะเห็นปรากฏการการเปลี่ยนแปลงแทนที่เกิดขึ้นจากกลุ่มจุลินทรีย์  ที่นักเรียนสามารถศึกษาได้ในห้องปฏิบัติการ  ในช่วงระยะเวลาสั้นๆ  ซึ่งโดยธรรมชาติแล้วการเปลี่ยนแปลงแทนที่ที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมธรรมชาตินั้น  มักจะใช้ระยะเวลานาน  โดยเมื่อระบบนิเวศหนึ่งๆ ถูกรบกวนหรือถูกทำลายไปจนเสียสมดุลก็จะเกิดการเปลี่ยนแปลงแทนที่ของกลุ่มสิ่งมีชีวิตใหม่ขึ้นมา  ซึ่งการเปลี่ยนแปลงแทนที่ในสภาพแวดล้อมธรรมชาตินี้จะมี 2 ลักษณะคือ 

           1.  การเปลี่ยนแปลงแทนที่แบบปฐมภูมิ (primary  succession)  เป็นการเปลี่ยนแปลงแทนที่ที่เริ่มจากบริเวณที่ปราศจากสิ่งมีชีวิตมาก่อน  เช่น  การเปลี่ยนแปลงแทนที่ที่เกิดขึ้นบนก้อนหินหือหน้าดินที่ถูกเปิดขึ้นใหม่ในการตัดช่องเขาทำถนน  จนกระทั่งเกิดสิ่งมีชีวิตพวกมอส  และไลเคนขึ้นมาเป็นกลุ่มแรก    เมื่อสิ่งมีชีวิตกลุ่มแรกตายไปก็จะทับถม  กลายเป็นชั้นบางๆของดินเกิดขึ้น  จากนั้นก็เริ่มเป็นกลุ่มสิ่งมีชีวิตกลุ่มที่ 2  เช่น  หญ้าหรือพวกวัชพืชป่าเกิดขึ้นแทนที่  เมื่อกลุ่มสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ตายไปก็จะทับถมเป็นชั้นดินที่หนาขึ้นเรื่อยๆ  และความอุดมสมบูรณ์ของรุธาตุในดินก็เริ่มมีมากขึ้นจนทำให้เกิดสิ่งมีชีวิตกลุ่มแล้วกลุ่มเล่าขึ้นมาแทนที่ อาทิ  ไม้ล้มลุก  ไม้พุ่ม  จนกระทั่งในที่สุดเกิดเป็นสังคมพืช  ซึ่งประกอบด้วยกลุ่มพืชชนิดต่างๆ  เกิดขึ้นเป็นลำดับกลายเป็น  สังคมสมบูรณ์  (climax  community)  และมีความสมดุล  โดยปกติพบว่าการเปลี่ยนแปลงแทนที่แบบปฐมภูมินี้จะใช้เวลานานมากว่าจะถึงสภาวะสมดุล  อย่างน้อยเป็นเวลาหลายสิบปีขึ้นไป
           นอกจากนี้การเปลี่ยนแปลงแทนที่แบบปฐมภูมิอาจเกิดขึ้นในรูปแบบของการเปลี่ยนแปลงจากสภาพแวดล้อมหนึ่งไปเป็นอีกสภาพแวดล้อมหนึ่ง  ดังเช่น  การเปลี่ยนแปลงแทนที่แบบปฐมภูมิในสระน้ำจนกระทั่งกลายเป็นพื้นดินในที่สุด  ดังภาพที่ 21-46


ภาพที่ 21-46  การเปลี่ยนแปลงแทนที่แบบปฐมภูมิในสระน้ำ

-  ในท้องถิ่นของนักเรียนมีตัวอย่างของการเปลี่ยนแปลงแทนที่ของสิ่งมีชีวิตบริเวณใดบ้าง  และกระบวนการเปลี่ยนแปลงนั้นเป็นอย่างไร
 -  การเปลี่ยนแปลงแทนที่นอกจากเกิดขึ้นในสระน้ำแล้วยังมีบริเวณอื่นใดอีกบ้าง  ให้นักเรียนยกตัวอย่างและบอกถึงกระบวนการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว

2.  การเปลี่ยนแปลงแทนที่แบบทุติยภูมิ  (secondary succession)  เป็นการเปลี่ยนแปลงแทนที่ที่เกิดขึ้นจากกลุ่มสิ่งมีชีวิตเดิมถูกทำลายไป  แต่ยังคงมีสิ่งมีชีวิตบางชนิดและสารอินทรีย์ที่สิ่งมีชีวิตต้องการเหลืออยู่  เช่น  การเปลี่ยนแปลงแทนที่ในบริเวณที่ถูกไฟไหม้บริเวณที่เคยหักล้างถางพงเพื่อทำไร่แล้วปล่อยให้รกร้างภายหลัง  หรือ  ป่าที่ถูกตัดโค่น  เป็นต้น  ดังภาพที่  21-47

   ก.  ในช่วงปีแรก  พื้นที่ในไร่ยังคงมีซากของต้นข้าวโพดหลงเหลืออยู่


 

 

 

 

 

 

    ข. ในช่วงปีที่ 2 พบว่ามีต้นหญ้ารุกรานเข้ามาในพื้นที่  และขึ้นกระจายไปทั่ว


 

 

 

                       

      ค.  ในช่วงปีที่ 3  ต้นหญ้าเจริญเติบโตสมบูรณ์  และมีพวกต้นแห้ว 
           กระเทียมขึ้นแซมอยู่ในไร่


 

 

     ง.  ในช่วงปีที่ 10 มีไม้พุ่มและไม้ยืนต้นเกิดขึ้น


 

 

 

 

 

                       

      จ. หลังจาก 20 ปีไปแล้ว  พบว่าไม้ยืนต้นเริ่มเจริญเติบโตสมบูรณ์ 
           และมีพืชชนิด
อื่นๆเกิดขึ้นด้วย

 

 

ภาพที่  21-47  การเปลี่ยนแปลงแทนที่แบบทุติยภูมิในพื้นที่ที่เคยทำไร่ข้าวโพด


           สังคมของสิ่งมีชีวิตในสภาวะสมดุลนี้จะรักษาสภาพเช่นนี้ไว้เป็นเวลายาวนานจนกว่าจะเกิดเหตุการณ์ทำลายสมดุลของสิ่งมีชีวิต  เช่น  พายุรุนแรง  แผ่นดินไหว  ไฟป่า  การถางป่า  และโค่นต้นไม้  หลังจากนี้ถ้าปล่อยทิ้งไว้ไม่มีการรบกวนธรรมชาติ  หรือเกิดการทำลายซ้ำอีกก็จะมีการเปลี่ยนแปลงแทนที่แบบทุติยุภูมิ  กระบวนการเปลี่ยนแปลงแทนที่จะเกิดขึ้นต่อเนื่องจนกระทั่งถึงขั้นสุดท้ายของกลุ่มสิ่งมีชีวิต  การเปลี่ยนแปลงแทนที่แบบทุติยภูมิใช้เวลาน้อยกว่าแบบปฐมภูมิ  เนื่องจากดินและสารอินทรีย์ที่พืชต้องการมีพร้อมอยู่แล้วจึงเกิดการเปลี่ยนแปลงแทนที่ได้ทันที

 กิจกรรมที่ 21.5  การเปลี่ยนแปลงแทนที่ในระบบนิเวศ  
วัสดุอุปกรณ์
           1.  อ่างดิน  ถังซีเมนต์กลม  กระบะไม้ หรือุปกรณ์คล้ายกันที่หาได้ในท้องถิ่นของนักเรียน
           2.  คู่มือจำแนกสิ่งมีชีวิต
           3.  แว่นขยายหรือกล้องจุลทรรศน์
           4.  สไลด์และกระจกปิดสไลด์
วิธีการทดลอง 
           1.  จำลองระบบนิเวศที่นักเรียนต้องการจะศึกษาเช่น 
           ระบบนิเวศในน้ำ  นำน้ำจากแหล่งธรรมชิตมาใส่ในภาชนะที่เตรียมไว้  แล้วนำมาวางไว้กลางแจ้ง  (อาจจะต้องใส่ดินจากริมบ่อด้วย)
           ระบบนิเวศบนบก  นำกระบะไม้ใส่ดินและเศษใบไม้แห้งลงไปข้างบน  รดน้ำวันละครั้ง  หรือวันเว้นวัน  โดยวางไว้กลางแจ้ง
           2.  ระบบนิเวศจำลองทั้ง 2 แบบนี้  ให้ตั้งทิ้งไว้ประมาณ 1 เดือน  หรือมากกว่านั้น  และหมั่นคอยตรวจดูเป็นระยะๆ
           3.  ตรวจสอบสิ่งมีชีวิตในระบบนิเวศจำลองว่ามีสิ่งมีชีวิตใดเกิดขึ้นบ้าง  และสังเกตสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงไป
           4.  บันทึกผลการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้น
หมายเหตุ  นักเรียนควรทำกิจกรรมนี้ก่อนล่วงหน้าประมาณ 1 เดือน   

            ในแต่ละระบบนิเวศ  ถึงแม้ว่าจะมีกลุ่มสิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆอยู่ร่วมกันอย่างสมดุล  แต่ก็อาจมีการเปลี่ยนแปลงแทนที่เกิดขึ้นได้  โดยถ้าหากสภาพแวดล้อมในระบบนั้นๆทั้งทางกายภาพและชีวภาพมีการเปลี่ยนแปลงไปจนทำให้ชนิด  ปริมาณ  สัดส่วน และการกระจายของสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่ในพื้นที่นั้นๆ  เปลี่ยนแปลงไป  และมีผลทำให้ระบบนิเวศนั้นเสียสมดุล  จนยากที่จะฟื้นฟูให้กลับมามีสภาพคงเดิม  ดังนั้นในการที่จะรักษาความสมดุลของระบบนิเวศนั้นไว้  จำเป็นจะต้องมีความรู้ ความเข้าใจอย่างถูกต้อง  ซึ่งนักเรียนจะได้ศึกษารายละเอียดในบทต่อไป

กิจกรรมท้ายบทที่ 21

1.  สภาพทางกายภาพของแหล่งน้ำที่ดีควรมีลักษณะอย่างไร
2.  เพราะเหตุใดจึงพบพืชอยู่ที่ผิวน้ำมากว่าที่ระดับความลึก 20 เซนติเมตร
3.  ระบบนิเวศในน้ำมีความสำคัญต่อมนุษย์อย่างไร
4.  วัฏจักรในระบบนิเวศแบ่งออกเป็นกี่แบบ  อะไรบ้าง
5.  ต้นไม้ใหญ่ 1 ต้น  ช่วยให้เกิดการหมุนเวียนสารได้กี่ชนิด  อะไรบ้าง  อธิบายและแสดงวิธีการเกิดการหมุนเวียนสารให้เห็นด้วย
6.  ความสัมพันธ์แบบภาวะมีการย่อยสลายมีผลดี  หรือผลเสียต่อระบบนิเวศอย่างไร
7.  ถ้าปะการังถูกทำลายจะส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตในทะเลและต่อมนุษย์อย่างไร
 8.  การใช้สารเคมีปราบศัตรูพืชพวกหนอนและแมลง  จะเกิดผลกระทบต่อระบบนิเวศอย่างไร  ควรใช้หรือไม่
9.  ไนโตรเจนในอากาศเปลี่ยนเป็นปุ๋ยไนเตรตในดินด้วยวิธีใดบ้าง
10.  ถ้าสภาพความเป็นกรด- เบสของน้ำและดินเปลี่ยนแปลง  จะก่อให้เกิดผลกระทบต่อระบบนิเวศนั้นอย่างไร
11.  ปัจจัยใดบ้างที่เป็นตัวกำหนดชนิดของป่าไม้แต่ละประเภท
12.  ให้นักเรียนอธิบายความสัมพันธ์ของจุลินทรีย์ในทางเดินอาหารกับสัตว์กินพืช  พร้อมทั้งยกตัวอย่าง