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

การเติบโตของ ประชากรมนุษย์

ประชากรมนุษย์ กำลังอยู่ในช่วงที่ต้องเผชิญกับความท้าทายหลายอย่างในการดำรงเผ่าพันธุ์ ทั้งเรื่องการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ โรคระบาด และภัยธรรมชาติที่รุนแรงขึ้น ในการศึกษาเรื่องประชากรเป็นหนึ่งในศาสตร์ที่ช่วยให้เราสามารถเตรียมแผนรับมือกับสิ่งเหล่านั้นได้  ประชากรโลก (World Population) หมายถึง จำนวน ประชากรมนุษย์ ทั้งหมดที่ยังดำรงชีวิตอยู่บนโลก ณ ช่วงเวลาใดเวลาหนึ่ง ซึ่งในปัจจุบัน ประชากรโลกมีจำนวนรวมกันทั้งหมดอยู่ที่ราว 7.8 พันล้านคน กระจายตัวอยู่ตามภูมิภาคต่าง ๆ ของโลก ในการศึกษาประชากรหรือ “ประชากรศาสตร์” (Demography) รูปแบบการเติบโตของประชากรมนุษย์นั้นไม่แตกต่างไปจากสิ่งมีชีวิตชนิดอื่น ๆ ในระบบนิเวศมากนัก ตามอัตราการเกิด-ตาย อัตราการอพยพเข้า-ออก รวมถึงปัจจัยที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิตซึ่งมีอยู่อย่างจำกัด (Carrying Capacity) ทั้งปริมาณอาหาร พื้นที่อยู่อาศัย และข้อจำกัดทางสภาพแวดล้อมต่าง ๆ ประชากรโลกในอดีต ในยุคสมัยที่มนุษย์ยังดำรงชีวิตอยู่ด้วยการกินพืชและล่าสัตว์เฉกเช่นสัตว์ผู้ล่าทั้งหลายในระบบนิเวศ เมื่อหลายหมื่นปีก่อน โลกมีจำนวนประชากรมนุษย์อยู่เพียง 5 ล้านคน ถึงแม้ในเวลาต่อมา มนุษย์จะหันมาริเริ่มทำการเพาะปลูก รู้จักเตรียมพื้นที่สำหรับการเกษตรและเลี้ยงสัตว์ รวมถึงการประดิษฐ์เครื่องไม้เครื่องมือต่าง ๆ ที่ปรับเปลี่ยนรูปแบบการดำเนินชีวิตของมนุษย์ครั้งใหญ่ ประชากรเกิดใหม่ยังนับว่ามีจำนวนไม่แตกต่างจากผู้เสียชีวิตมากนัก ทำให้หญิงสาวในยุคดังกล่าว ส่วนใหญ่อาจมีบุตรมากถึง 6 หรือ 7 […]

เพื่อรับมือ โควิด-19 เราต้องเชื่อมั่นในวิทยาศาสตร์

นักวิจัยพยายามทำความเข้าใจเชื้อไวรัสโคโรนาอย่างกระท่อนกระแท่น วิทยาศาสตร์เป็นเช่นนี้เสมอมา การได้เห็นอาจทำให้รู้สึกไม่สบายใจ แต่นี่เป็นหนทางเดียวในการเอาชนะการระบาดใหญ่ทั่วโลกครั้งนี้ ถ้าจะมีแก่นเรื่องสักอย่างร้อยเรียงอยู่ในหนังสือและสารคดีที่ฉันเขียนตลอด 40 ปีที่ผ่านมา ก็คงจะเป็นความหลงใหลในสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เรียนรู้เกี่ยวกับร่างกายมนุษย์ อาชีพที่อธิบายงานวิจัยด้านชีวเวชศาสตร์มายาวนานส่งผลให้ฉันเคารพในกระบวนการทางวิทยาศาสตร์อย่างลึกซึ้ง แม้บางครั้งวิทยาศาสตร์จะผิดพลาดและต้องแก้ไขตนเอง ฉันก็ยังเชื่อว่าในที่สุดแล้ววิทยาศาสตร์จะช่วยให้เราเข้าใจโลกได้ชัดเจนขึ้น และเรียนรู้ที่จะก้าวหน้าต่อไป ดังนั้นเมื่อนักวิทยาศาสตร์เร่งศึกษาเชื้อไวรัสโคโรนาซึ่งไม่เคยพบมาก่อนนี้เป็นครั้งแรก ฉันเตรียมตัวปฏิบัติตามคำแนะนำของพวกเขาในเรื่องการป้องกันตนเอง โดยตั้งอยู่บนสมมุติฐานที่ว่า ไวรัสส่วนใหญ่แพร่ทางละอองฝอย (droplet) จากการไอและจามที่ตกค้างอยู่บนพื้นผิวต่างๆ ฉันเช็ดพื้นเคาน์เตอร์อย่างว่านอนสอนง่าย หลีกเลี่ยงการสัมผัสใบหน้า และล้างมือจนเพชรเม็ดเล็กจ้อยบนแหวนแต่งงานเปล่งประกายสุกใสอย่างไม่เคยเป็นมาก่อน จากนั้น ประมาณสองสัปดาห์ครึ่งหลังจากนิวยอร์ก เมืองของฉัน เข้าสู่การล็อกดาวน์ นักวิทยาศาสตร์เปลี่ยนคำแนะนำที่ต่างไปจากเดิมเป็นทุกคนควรสวมหน้ากากอนามัย แย้งกับคำแนะนำในตอนแรกที่ว่า หากไม่ใช่เจ้าหน้าที่สาธารณสุขก็ไม่มีความจำเป็นต้องสวมหน้ากาก การทบทวนคำแนะนำนี้ตั้งอยู่บนสมมุติฐานใหม่ว่า เชื้อไวรัสโคโรนาแพร่ทางอากาศเป็นส่วนใหญ่ ฉันยอมรับว่า การเปลี่ยนคำแนะนำเรื่องการสวมหน้ากากทำให้ฉันรู้สึกกลัว ไม่ใช่เป็นเพราะคำแนะนำใหม่นั้นเอง แต่เพราะระหว่างที่นักวิทยาศาสตร์ศึกษาโรคนี้ พวกเขาก็คิดหาคำแนะนำไปด้วย จู่ๆคำแถลงอย่างจริงจังที่สุดจากผู้เชี่ยวชาญระดับหัวกะทิของโลกกลับฟังดูดีกว่าการคาดเดาอย่างมีหลักการและมาจากความตั้งใจดีเพียงเล็กน้อย ไม่ต้องสงสัยเลยว่า ความท้าทายนี้ใหญ่หลวงและไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน [อย่างน้อยก็ในชั่วรุ่นเรา] เชื้อไวรัสโคโรนาที่ชื่อ ซาร์ส-โควี-2 (SARS-CoV-2) รวมความสามารถในการแพร่กระจายและความรุนแรงถึงขั้นเสียชีวิต จนกลายเป็นส่วนผสมที่ทารุณโหดร้ายซึ่งแอนโทนี เฟาชี ผู้อำนวยการสถาบันภูมิแพ้และโรคติดต่อแห่งชาติของสหรัฐฯ เรียกว่า “ฝันร้ายที่สุด” ของเขา เพราะประการแรก เมื่อมันปรากฏขึ้น ไม่มีใครในโลกมีภูมิคุ้มกัน ประการที่สอง มันล่องลอยในอากาศและทำให้ทางเดินหายใจส่วนบนเกิดภาวะติดเชื้อ นั่นหมายความว่าเชื้อจะถูกพ่นกลับสู่อากาศอย่างง่ายดาย […]

เสือชีตาห์คงศีรษะได้อย่างไรขณะวิ่งด้วยความเร็ว?

เสือชีตาห์ คงศีรษะได้อย่างไรขณะวิ่งด้วยความเร็ว? เป็นที่รู้กันดีว่า เสือชีตาห์ คือจ้าวแห่งความเร็ว แต่นอกเหนือจากรูปร่างเพรียวลม กล้ามเนื้ออันแข็งแรงแล้ว ยังมีบางสิ่งบางอย่างที่สำคัญอีกซึ่งร่างกายของมันต้องการอย่างมากเมื่อต้องวิ่งด้วยความเร็ว ผลการศึกษาใหม่ที่เผยแพร่เมื่อวันที่ 2 กุมภาพันธ์ 2018 ในวารสาร Scientific Reports แสดงให้เห็นว่าหูชั้นในของเสือชีตาห์นั้นมีส่วนช่วยให้การล่าเหยื่อของมันมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น และการวิจัยครั้งนี้ยังเป็นครั้งแรกที่ทีมวิจัยทำการวิเคราะห์หูชั้นในของสัตว์ในวงศ์แมวใหญ่   ว่าด้วยเรื่องหู หากคุณมองภาพสโลวโมชั่นของเสือชีตาห์ขณะกำลังวิ่ง จะเห็นได้ว่ามันสามารถคงหัวของมันให้นิ่งอยู่ได้ ซึ่งช่วยให้ดวงตาของมันจับจ้องไปที่เหยื่ออย่างไม่ให้คลาดสายตาระหว่างการล่า เพื่อที่จะเรียนรู้เกี่ยวกับโครงสร้างของกระดูกเสือชีตาห์ว่ามีส่วนช่วยในเรื่องนี้อย่างไร Camille Grohe มุ่งเป้าไปที่การศึกษาหูชั้นใน หูชั้นในเป็นอวัยวะสำคัญที่ช่วยรักษาสมดุลของร่างกาย มันประกอบไปด้วยช่องว่างที่บรรจุของเหลวและเซลล์ขนที่ทำหน้าที่เป็นเซนเซอร์รับการเคลื่อนไหวของศีรษะ ด้วยภาพถ่ายความละเอียดสูง Grohe และทีมงานของเขาสแกนกระโหลกศีรษะจำนวน 21 กระโหลก ในจำนวนนี้บางกระโหลกเป็นของสัตว์สายพันธุ์อื่นในวงศ์แมวใหญ่ มีจำนวน 7 กระโหลกที่เป็นของเสือชีตาห์ นอกจากนั้นพวกเขายังสแกนกระโหลกศีรษะของเสือชีตาห์ที่สูญพันธุ์ไปแล้วในอดีตด้วย เพื่อหาดูว่าหูชั้นในของพวกมันมีวิวัฒนาการอย่างไร ผลการตรวจสอบพวกเขาพบว่าหูชั้นในของเสือชีตาห์ไม่ได้เหมือนกับสัตว์อื่นๆ ในวงศ์แมวใหญ่ ด้วยระบบการรักษาสมดุลที่มีขนาดใหญ่ของมัน และช่องภายในหูที่ยาวกว่าส่งผลให้ความสามารถในการคงศีรษะและดวงตาของมันให้อยู่นิ่งมีมากกว่าเสืออื่นๆ “กายวิภาคภายในหูของมันสะท้อนให้เห็นถึงการตอบสนองของร่างกายต่อการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่มากขึ้น” John Flynn ผู้ร่วมการวิจัยกล่าว ในระหว่างการแถลงข่าวผลการค้นพบ โดยที่สำคัญก็คือลักษณะเหล่านี้ไม่ถูกพบในเสือชีตาห์ที่สูญพันธุ์ไปแล้ว นั่นหมายความว่าความพิเศษนี้เพิ่งจะถูกพัฒนาขึ้นไม่นาน ในฐานะของสัตว์บกที่มีความรวดเร็วมากที่สุดในโลก ร่างกายของมันถูกสร้างเพื่อการวิ่งอย่างแท้จริง ด้วยน้ำหนักที่เบา กระดูกสันหลังที่ยาวและมีความยึดหยุ่น เอื้อให้มันสามารถทำความเร็วจาก […]

เหตุใดนิวตันจึงเชื่อว่า ดาวหางเป็นเหตุของน้ำท่วมโลก

แม้จะมีน้ำบนโลกและมีฝนตกลงมาทั้งวันทั้งคืนสี่สิบเก้าวัน ก็ยังไม่เพียงพอที่จะทำให้เกิดน้ำท่วมครั้งใหญ่ได้ ฉะนั้นแล้วต้องมีคำอธิบายทางวิทยาศาสตร์อื่นๆสำหรับเรื่องราวอุทกภัยครั้งยิ่งใหญ่นี้