วัฏจักรคาร์บอน คืออะไร มีความสำคัญอย่างไร และจำแนกได้เป็นกี่ระบบ

วัฏจักรคาร์บอน (Carbon Cycle)

คาร์บอนเป็นธาตุพื้นฐานในทุกสิ่งมีชีวิตที่อุบัติขึ้นบนโลกใบนี้ วัฏจักรคาร์บอน จึงเป็นส่วหนึ่งที่ช่วยขับเคลื่อนชีวิตให้สามารถดำรงอยู่ได้ และมีวิวัฒนาการมากมายอย่างเช่นทุกวันนี้

วัฏจักรคาร์บอน (Carbon Cycle) คือ การหมุนเวียนหรือการแลกเปลี่ยนธาตุคาร์บอน (Carbon) ในสถานะต่าง ๆ ระหว่างดิน หิน แหล่งน้ำ ชั้นบรรยากาศ และสิ่งมีชีวิต ซึ่งนับเป็นแหล่งกักเก็บคาร์บอน (Reservoir) ที่สำคัญของโลก

วัฏจักรคาร์บอนจึงหมายถึงการหมุนเวียนของธาตุและสารประกอบคาร์บอน ทั้งที่อยู่ในสถานะของแข็ง ของเหลว และก๊าซ และยังหมายถึงการเปลี่ยนถ่ายคาร์บอนระหว่างแหล่งกักเก็บต่าง ๆ ผ่านกระบวนการทางเคมีที่เกิดขึ้นจากสิ่งมีชีวิตและการเปลี่ยนแปลงของโลก เช่น กระบวนการสังเคราะห์แสงของพืช การย่อยสลายของจุลินทรีย์ หรือแม้แต่การเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลก เนื่องจากโลกเป็นระบบปิด (Closed System) สสารต่าง ๆ จึงไม่สามารถถ่ายเทออกสู่ภายนอกระบบได้ ดังนั้น ปริมาณของคาร์บอนทั้งหมดบนโลกจึงไม่เคยเปลี่ยนแปลงมาก่อน มีเพียงการหมุนเวียนและเปลี่ยนถ่ายของคาร์บอนในสถานะต่าง ๆ ระหว่างแหล่งกักเก็บที่สำคัญเหล่านี้เท่านั้น

การหมุนเวียนคาร์บอนในแหล่งกักที่สำคัญของโลก สามารถจำแนกออกเป็น 4 ระบบ ดังนี้

1. คาร์บอนในชั้นบรรยากาศ หมายถึง คาร์บอนในสถานะก๊าซ โดยเฉพาะก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (Carbon Dioxide) ที่นับเป็นหนึ่งในองค์ประกอบสำคัญของบรรยากาศโลก โดยก๊าซเหล่านี้ มาจาก 4 กระบวนการหลัก ได้แก่

  • กระบวนการหายใจของพืชและสัตว์ (Respiration) หมายถึง การนำก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มาใช้ในกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืช สาหร่าย แพลงก์ตอนและแบคทีเรียชนิดต่าง ๆ เพื่อผลิตน้ำตาลและอาหาร ก่อนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะถูกปลดปล่อยกลับออกสู่ชั้นบรรยากาศอีกครั้ง ผ่านกระบวนการหายใจของพืช สัตว์ และสิ่งมีชีวิต ซึ่งถึงแม้ว่าในชั้นบรรยากาศโลกจะมีก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์อยู่เพียงร้อยละ 0.04 แต่พืชทั้งหลายนำก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากบรรยากาศมาใช้มากถึงร้อยละ 25 ซึ่งปริมาณของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในระบบได้รับการชดเชยผ่านกระบวนการหายใจของสิ่งมีชีวิตทั้งหลายเหล่านี้

วัฏจักรคาร์บอน, คาร์บอน, การหมุนเวียนคาร์บอน, การเผาไหม้,

  • การย่อยสลายอินทรียวัตถุ (Decomposition) หมายถึง การปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ผ่านกระบวนการย่อยสลายสารประกอบคาร์บอนที่อยู่ในรูปของสารอินทรีย์ในสิ่งมีชีวิต เช่น คาร์โบไฮเดรต โปรตีน และไขมัน ผ่านลำดับการบริโภคหรือห่วงโซ่อาหารในระบบนิเวศ ก่อนซากสิ่งมีชีวิตจะถูกย่อยสลายโดยจุลินทรีย์ รา และแบคทีเรียชนิดต่าง ๆ
  • การเผาไหม้ (Combustion) หมายถึง การปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ผ่านกระบวนการเผ่าไหม้เชื้อเพลิงและสารอินทรีย์ต่าง ๆ เช่น ไม้ ถ่านหิน และน้ำมันดิบ ซึ่งเปลี่ยนคาร์บอนในสถานะของแข็งให้กลายเป็นก๊าซกลับสู่ชั้นบรรยากาศ ซึ่งการเผาไหม้เชื้อเพลิงเหล่านี้ในปัจจุบัน จากทั้งการขนส่ง การคมนาคม จากโรงงานและอุตสาหกรรมต่าง ๆ ได้ก่อให้เกิดการปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในปริมาณมหาศาลสู่ชั้นบรรยากาศโลก ซึ่งเป็นสาเหตุหนึ่งของการทำลายสมดุลทางธรรมชาติของวัฏจักรคาร์บอนที่คงอยู่มาเป็นเวลาหลายพันล้านปี

วัฏจักรคาร์บอน, คาร์บอน, การหมุนเวียนคาร์บอน, การเผาไหม้,

  • การเปลี่ยนแปลงชั้นเปลือกโลก (Movement of Tectonic Plates) หมายถึง การปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากการระเบิดของภูเขาไฟหรือการเคลื่อนที่ของแผ่นเปลือกโลก ซึ่งก่อให้เกิดการแยกตัวและรอยแตกในชั้นหินและชั้นดิน

วัฏจักรคาร์บอน, คาร์บอน, การหมุนเวียนคาร์บอน, การเผาไหม้,

2. คาร์บอนในแหล่งน้ำจืดและมหาสมุทร หมายถึง สารประกอบคาร์บอนในสถานะของเหลว หรือก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศ ซึ่งถูกชะล้างจากหยาดน้ำฟ้า (Preciptations) ก่อนละลายลงส่งแหล่งน้ำและมหาสมุทร เกิดเป็นกรดคาร์บอนิก (Carbonic Acid) ซึ่งสามารถทำปฏิกิริยากับแร่หินปูนหรือแคลเซียมคาร์บอเนต (Calcium Carbonate) ที่มีอยู่มากในน้ำทะเล ก่อให้เกิดสารประกอบคาร์บอเนตอื่น ๆ ที่พืชและสัตว์น้ำสามารถนำมาใช้ในกระบวนการต่าง ๆ โดยเฉพาะการนำไปใช้ในการสร้างโครงร่างแข็งหรือเปลือกของหอยชนิดต่าง ๆ

วัฏจักรคาร์บอน, คาร์บอน, การหมุนเวียนคาร์บอน, การเผาไหม้,

นอกจากนี้ มหาสมุทรยังดูดซับและกักเก็บคาร์บอนมากกว่าชั้นบรรยากาศโลกถึง 50 เท่า มหาสมุทรจึงเป็นแหล่งกักเก็บคาร์บอนที่สำคัญ ซึ่งช่วยรักษาสมดุลของวัฏจักรคาร์บอนมาอย่างยาวนาน

3. คาร์บอนในดิน หินแร่ และฟอสซิล หมายถึง การทับถมของคาร์บอนในรูปของสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ที่ถูกย่อยสลายกลายเป็นดิน หินและแร่ชนิดต่าง ๆ รวมไปถึงการเกิดเชื้อเพลิงฟอสซิล (Fossil Fuel) เช่น ถ่านหิน น้ำมันดิบ และก๊าซธรรมชาติ ซึ่งเป็นแหล่งสะสมของสารประกอบไฮโดรคาร์บอน (Hydrocarbon) ขนาดใหญ่ที่ก่อตัวขึ้นจากถูกทับถมภายใต้อุณหภูมิและแรงดันสูงเป็นระยะเวลาหลายพันปีใต้พื้นผิวโลก

4. คาร์บอนในสิ่งมีชีวิต หมายถึง คาร์บอนในรูปของสารอินทรีย์ที่ถูกตรึงผ่านกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืช และถูกนำไปใช้ในการสร้างเซลล์ร่างกาย รวมถึงสารอาหาร ซึ่งส่งผลให้คาร์บอนกลายเป็นหนึ่งในธาตุองค์ประกอบสำคัญของร่างกายและสิ่งมีชีวิต ไม่ว่าจะเป็นพืช สัตว์ มนุษย์ หรือสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว โดยคาร์บอนเหล่านี้ จะถูกส่งผ่านทางห่วงโซ่อาหารภายในระบบนิเวศ รวมถึงผ่านกระบวนการหายใจที่ปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์กลับสู่ชั้นบรรยากาศโลก

วัฏจักรคาร์บอนมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อสิ่งมีชีวิตบนโลก ซึ่งในธรรมชาติ ระบบการหมุนเวียนของคาร์บอนถูกสร้างมาอย่างสมดุล ปริมาณคาร์บอนที่ได้รับการปลดปล่อยออกมาตามธรรมชาติจากแหล่งกักเก็บ มักมีปริมาณไม่แตกต่างกันมากนักกับปริมาณของคาร์บอนที่ธรรมชาติดูดซับและนำมากักเก็บไว้

แต่ในปัจจุบัน มนุษย์ได้เข้ามาเป็นส่วนหนึ่งของการทำลายสมดุลของวัฏจักรคาร์บอนนี้ การเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลปริมาณมหาศาลในช่วงเวลาไม่กี่ร้อยปีที่ผ่านมา ทำให้ปริมาณคาร์บอนในชั้นบรรยากาศโลกเพิ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็วกว่าในอดีตหลายร้อยเท่า อีกทั้ง ยังก่อให้เกิดมลภาวะทางสิ่งแวดล้อมอีกมากมาย รวมไปถึงการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ (Climate Change) และภาวะโลกร้อน (Global Warming) อีกด้วย

สืบค้นและเรียบเรียง
คัดคณัฐ ชื่นวงศ์อรุณ


ข้อมูลอ้างอิง

National Oceanic and Atmospheric Administration – https://oceanservice.noaa.gov/facts/carbon-cycle.html
NASA Earth Observatory – https://earthobservatory.nasa.gov/features/CarbonCycle/page1.php
National Geographic Society – https://www.nationalgeographic.org/encyclopedia/carbon-cycle/
โรงเรียนเตรียมอุดมศึกษาพัฒนาการ สุราษฎร์ธานี – http://www.baw.in.th/sub/sci/161010201/chapter1/chapter1_carbon.htm


เรื่องอื่นๆ ที่น่าสนใจ : ความสัมพันธ์ของสิ่งมีชีวิต ในระบบนิเวศ

เรื่องแนะนำ

เด็กของมนุษย์นีแอนเดอร์ทัลเติบโตไม่ต่างจากเรา

โครงกระดูกอายุ 49,000 ปีก่อน แสดงให้เห็นว่ามนุษย์นีแอนเดอร์ทัลมีวัยเด็กที่ยาวนาน เพื่อช่วยให้สมองได้เติบโต เช่นเดียวกับมนุษย์โฮโมเซเปียนส์

ฮอร์โมนพืช (Plant Hormone)

ฮอร์โมนพืช (Plant Hormone) คือสารอินทรีย์ที่พืชสร้างขึ้นเองตามธรรมชาติในบริเวณอวัยวะหรือเนื้อเยื่อส่วนใดส่วนหนึ่งของต้นพืช ก่อนทำการเคลื่อนย้ายสารดังกล่าวไปยังเนื้อเยื่อเป้าหมาย เพื่อส่งสัญญาณในการเริ่มกระบวนการสร้าง ทำการควบคุม หรือเปลี่ยนแปลงส่วนต่างๆ ของพืช ทั้งด้านการเจริญเติบโตการงอกของเมล็ด การออกดอกออกผล และการผลัดใบ รวมไปถึงการยับยั้งการเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยาภายในต้นพืชนั้นๆ อีกด้วย ฮอร์โมนพืชมีอยู่ในพืชทุกชนิดทุกสายพันธุ์ในอาณาจักรพืช (Plant Kingdom) แม้แต่ในสาหร่ายหรือพืชโบราณต่างมีฮอร์โมนพืชทำหน้าที่เป็นตัวส่งสัญญาณ เพื่อควบคุมการเจริญเติบโตในด้านต่างๆ เช่นกัน ฮอร์โมนพืชแบ่งออกเป็น 5 กลุ่มด้วยกัน ได้แก่ ออกซิน (Auxin) เป็นฮอร์โมนพืชที่สร้างขึ้นจากกลุ่มเซลล์เนื้อเยื่อบริเวณยอดใบอ่อน ก่อนถูกลำเลียงไปยังเซลล์เป้าหมาย มีหน้าที่กระตุ้นเซลล์ของเนื้อเยื่อให้เกิดการขยายตัว ส่งผลให้พืชเจริญเติบโตสูงขึ้นเพิ่มขนาดใบและผล ออกซินยังมีผลต่อการยับยั้งการเจริญเติบโตของตาข้าง และช่วยป้องกันการหลุดร่วงของใบ ดอกและผล อีกทั้งยังส่งผลต่อการควบคุมการเคลื่อนไหว การตอบสนองต่อแสงและแรงโน้มถ่วงของพืชอีกด้วย ไซโทไคนิน (Cytokinin) เป็นสารกระตุ้นการแบ่งเซลล์และการเปลี่ยนแปลงของเซลล์ โดยเฉพาะในส่วนของลำต้นและราก ส่งเสริมการสร้างและการเจริญของตาข้าง การแผ่กิ่งก้านสาขา และการงอกของเมล็ด อีกทั้งยังช่วยป้องกันการสลายตัวของคลอโรฟิลล์ (Chlorophyll) ช่วยให้พืชผักผลไม้มีอายุยืนและสามารถรักษาความสดใหม่เอาไว้ได้ยาวนาน เอทิลีน (Ethylene) เป็นก๊าซที่เกิดขึ้นในกระบวนการเมแทบอลิซึม (Metabolism) ของพืชโดยส่วนมากเอทิลีนถูกสร้างขึ้นเมื่อพืชมีบาดแผลหรือเข้าสู่ภาวะร่วงโรย มีส่วนช่วยเร่งการสุกของผลไม้ กระตุ้นการออกดอก การผลัดใบตามฤดูกาล และการงอกของเมล็ดพืชบางชนิด รวมไปถึงการกระตุ้นการผลิตน้ำยาง และการเกิดรากฝอยและรากแขนงของพืชอีกด้วย กรดแอบไซซิก (Abscisic acid) เป็นสารที่ถูกสังเคราะห์ขึ้นได้ในทุกส่วนของต้นพืช […]

เกร็ดจากหนัง Black Panther อะไรเทียบเท่าได้กับไวเบรเนียม?

เกร็ดจากหนัง Black Panther อะไรเทียบเท่าได้กับไวเบรเนียม? เมื่อสัปดาห์ที่ผ่านมากระแสภาพยนตร์ Black Panther ฮีโร่เรื่องใหม่จากค่ายมาร์เวลมาแรงสุดๆ ภาพยนตร์เล่าเรื่องราวของประเทศวากานดาที่ปกครองโดยกษัตริย์นาม “ทีชัลลา” ซึ่งขึ้นครองราชย์หลังการสวรรคตของพระราชบิดา และใช้แร่ไวเบรเนียมสร้างเป็นชุดฮีโร่ไว้ใช้ในการต่อสู้ “วากานดา” เป็นประเทศสมมุติในโลกของการ์ตูนมาร์เวล ตั้งอยู่ในภูมิภาคแอฟริกาตะวันออก โดยผู้ชมสามารถเรียนรู้วัฒนธรรม ภาษา ตลอดจนองค์ประกอบอื่นๆ ของความเป็นแอฟริกาได้จากภาพยนตร์เรื่องนี้ที่นำเอาความโดดเด่นจากหลายภูมิภาคมาผสมรวมกัน แม้จะอยู่ในแอฟริกา แต่ประเทศวากานดานั้นร่ำรวยมหาศาลจากแร่ไวเบรเนียมที่มาพร้อมกับการตกของอุกกาบาตเมื่อราว 10,000 ปีก่อน ซึ่งนอกจากคุณสมบัติด้านความแข็งแรงแล้ว โลหะจากอวกาศนี้ยังสามารถดูดซับแรงสั่นสะเทือนได้อีกด้วย ชาววากานดาจึงนิยมนำไวเบรเนียมมาสร้างเป็นอาวุธและชุดเกราะ เช่นเดียวกับโล่ของกัปตันอเมริกา ฮีโร่อีกหนึ่งคนในจักรวาลมาร์เวล ที่ใช้อาวุธนี้ในการโจมตีและป้องกันกระสุน สำหรับในภาพยนตร์ Black Panther ไวเบรเนียมถูกใช้สำหรับทำชุด ซึ่งมีคุณสมบัติเฉพาะคือสามารถกันกระสุนได้ James Kakalios บล็อกเกอร์ผู้เขียนเกี่ยวกับฟิสิกส์ของซุปเปอร์ฮีโร่ ได้ให้รายละเอียดเกี่ยวกับแร่ธาตุชนิดหนึ่งบนโลก ที่อาจมีคุณสมบบัติพอเทียบเคียงกับไวเบรเนียมในโลกการ์ตูนได้ โดยตัวเขานั้นเป็นศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยมินนิโซตา ผู้ชื่นชอบการหาข้อเท็จจริงบนหลักการวิทยาศาสตร์ในโลกแฟนตาซี และแน่นอนว่า เจ้าแร่ดังกล่าวนี้ปัจจุบันก็เป็นที่รู้จักในวงกว้างแล้วเช่นกัน แกรฟีนคือรูปแบบหนึ่งของผลึกคาร์บอน ที่อะตอมมีรูปทรงแบบหกเหลี่ยม และเป็นสารที่มีความบางที่สุดเท่าที่มนุษย์จะสามารถผลิตได้ กล่าวคือมันมีความหนาเพียงแค่หนึ่งอะตอมเท่านั้น ทั้งยังมีคุณสมบัติยึดหยุ่นและแข็งแรงกว่าโลหะ วัสดุดังกล่าวนี้ถูกผลิตจากกราไฟท์ที่แยกพันธะทางเคมีออกมาแล้ว ส่วนใหญ่มาในรูปแบบผงและขณะนี้บรรดานักวิทยาศาสตร์กำลังพยายามทำมันให้ออกมาเป็นแผ่นคล้ายแผ่นพลาสติก ซึ่งหากสำเร็จล่ะก็ Les Johnson และ Joseph […]

การถ่ายทอดพลังงานในระบบนิเวศ (Energy Flow)

ในธรรมชาติ สิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดต่างมีบทบาทที่แตกต่างกันเพื่อก่อให้เกิด การถ่ายทอดพลังงานในระบบนิเวศ ในระบบนิเวศ (Ecosystem) การอาศัยอยู่ร่วมกันของสิ่งมีชีวิตหลากหลายชนิด ก่อให้เกิดความสัมพันธ์ที่แสนสลับซับซ้อน เกิดเป็นโครงสร้างสายใยอาหาร (Food Web) ขนาดใหญ่ที่เชื่อมต่อสิ่งมีชีวิตแต่ละชีวิตเข้ากับสิ่งแวดล้อม ผ่านลำดับขั้นของการบริโภคในห่วงโซ่อาหาร (Food Chain) ซึ่งทำให้เกิด การถ่ายทอดพลังงานในระบบนิเวศ (Energy Flows) และการหมุนเวียนของสสารต่าง ๆ (Nutrient Cycles) ลำดับขั้นของการบริโภค (Tropic Levels) ในระบบนิเวศ ผู้ผลิต (Producer) คือ สิ่งมีชีวิตที่สามารถสร้างอาหารเองได้ (Autotroph) เช่น พืช และสาหร่ายต่าง ๆ ผู้บริโภค (Consumer) คือ สิ่งมีชีวิตที่ไม่สามารถสร้างอาหารเองได้ (Heterotroph) เช่น ผู้บริโภคพืช (Herbivore) ผู้บริโภคสัตว์ (Carnivore) ผู้บริโภคทั้งพืชทั้งสัตว์ (Omnivore) และผู้บริโภคซากพืชซากสัตว์ (Detritivore) ผู้บริโภคลำดับที่ 1 (Primary Consumers) เช่น ตั๊กแตน […]