परिसंस्थेतील ऊर्जाप्रवाह

परिसंस्थेतील सजीव एकमेकांवर अन्नासाठी अवलंबून असतात. या अवलंबित्वतून अन्नसाखळी आणि अन्नजाळे तयार होते.

अन्नसाखळी (Food Chain)

• व्याख्या: परिसंस्थेतील सजीवांमध्ये अन्न आणि ऊर्जा यांच्या संक्रमणाचा क्रम म्हणजे अन्नसाखळी.
• प्रत्येक अन्नसाखळीची सुरुवात उत्पादकांपासून होते.
• उत्पादक: प्रकाशसंश्लेषण क्रियेद्वारे स्वतःचे अन्न स्वतः तयार करणारे सजीव (उदा. वनस्पती, शैवाल).
• भक्षक: अन्नासाठी इतरांवर अवलंबून असणारे सजीव.
• प्राथमिक भक्षक (शाकाहारी): उत्पादकांना खाणारे (उदा. नाकतोडा, खार, हत्ती).
• द्वितीयक भक्षक (मांसाहारी): प्राथमिक भक्षकांना खाणारे (उदा. बेडूक, घुबड, कोल्हा).
• तृतीयक भक्षक (मांसाहारी): द्वितीयक भक्षकांना खाणारे (उदा. साप, गरुड).
• सर्वोच्च भक्षक: इतर कोणत्याही प्राण्यांकडून न खाल्ले जाणारे भक्षक (उदा. वाघ, सिंह). हे शाकाहारी व मांसाहारी प्राण्यांना खातात.
• उभयाहारी (मिश्राहारी): वनस्पती आणि प्राणी दोन्ही खाणारे (उदा. माणूस, अस्वल).
• विघटक: मृत सजीवांचे विघटन करून पोषकद्रव्ये वातावरणात परत सोडणारे (उदा. जिवाणू, बुरशी).
• कड्यांची संख्या: प्रत्येक साखळीत साधारणपणे चार ते पाच कड्या असतात.

अन्नजाळे (Food Web)

• व्याख्या: एखाद्या परिसंस्थेतील अनेक अन्नसाखळ्या एकमेकांशी जोडल्या जाऊन तयार होणारे गुंतागुंतीचे जाळे म्हणजे अन्नजाळे.
• गुंतागुंत: एकाच सजीवाला अनेक सजीव खाऊ शकतात आणि एक सजीव अनेक प्रकारचे अन्न खाऊ शकतो, यामुळे अन्नसाखळ्या एकमेकांत गुंततात.
• उदा. कीटक अनेक वनस्पतींची पाने खातो, पण तोच कीटक बेडूक, पाल, पक्षी यांचे भक्ष्य असतो.
• महत्त्व: अन्नजाळे परिसंस्थेतील संतुलन राखण्यास मदत करते. जर एखाद्या अन्नसाखळीतील एक घटक कमी झाला, तर इतर अन्नसाखळ्यांमधून पर्यायी अन्न उपलब्ध होते, ज्यामुळे परिसंस्थेचे स्थैर्य टिकून राहते.

अन्नसाखळीतील पोषण पद्धतीनुसार सजीवांचे वर्गीकरण:

1. स्वयंपोषी (उत्पादक): स्वतःचे अन्न स्वतः तयार करणारे (उदा. वनस्पती).
2. परपोषी (भक्षक): अन्नासाठी इतरांवर अवलंबून असणारे.
3. मृतोपजीवी: मृत सजीवांवर जगणारे (उदा. काही बुरशी, जिवाणू).
4. विघटक: मृत सजीवांचे विघटन करणारे (उदा. सूक्ष्मजीव, बुरशी).

परिसंस्थेतील ऊर्जाप्रवाह हा एकेरी (unidirectional) असतो आणि तो पोषण पातळीनुसार कमी होत जातो.

पोषण पातळी (Trophic Level)

• व्याख्या: अन्नसाखळीतील प्रत्येक स्तराला पोषण पातळी म्हणतात. ही अन्न मिळवण्याचा स्तर दर्शवते.
• ऊर्जेचे प्रमाण: अन्नसाखळीत अन्नघटक व ऊर्जेचे प्रमाण निम्नस्तरावरील उत्पादकापासून उच्चस्तरावरील भक्षकांपर्यंत टप्प्याटप्प्याने घटत जाते.
• लिंडमनचा 10% ऊर्जा नियम: 1942 मध्ये लिंडमन या शास्त्रज्ञाने अन्नसाखळीतील ऊर्जा वहनाचा अभ्यास केला. या नियमानुसार, एका पोषण पातळीतून दुसऱ्या पोषण पातळीत फक्त 10% ऊर्जा संक्रमित होते, तर उर्वरित 90% ऊर्जा उष्णतेच्या स्वरूपात नष्ट होते किंवा चयापचय क्रियांमध्ये वापरली जाते.

पारिस्थितिकीय मनोरा (Ecological Pyramid)

• संकल्पना: चार्ल्स एल्टन या ब्रिटिश शास्त्रज्ञाने 1927 मध्ये ही संकल्पना मांडली, म्हणून याला एल्टॉनिअन मनोरा असेही म्हणतात.
• स्वरूप: हा मनोरा प्रत्येक स्तरावरील ऊर्जा संक्रमण, सजीवांची संख्या किंवा जैववस्तुमान दर्शवतो.
• ऊर्जेचा मनोरा (Pyramid of Energy):
• हा मनोरा नेहमी सरळ असतो (उलटा नसतो).
• उत्पादक स्तरावर सर्वाधिक ऊर्जा असते आणि ती वरच्या पोषण पातळीकडे जाताना कमी होत जाते.
• उदा. 10000 kcal ऊर्जा उत्पादकांमध्ये असल्यास, प्राथमिक भक्षकांकडे 1000 kcal, द्वितीयक भक्षकांकडे 100 kcal आणि तृतीयक भक्षकांकडे 10 kcal ऊर्जा पोहोचते.
• सजीवांच्या संख्येचा मनोरा (Pyramid of Number):
• सामान्यतः हा मनोरा सरळ असतो, म्हणजे उत्पादकांची संख्या सर्वाधिक असते आणि उच्च भक्षकांची संख्या कमी असते.
• काही अपवादात्मक परिस्थितीत (उदा. एका मोठ्या झाडावर अनेक पक्षी) हा उलटा असू शकतो.
• जैववस्तुमानाचा मनोरा (Pyramid of Biomass):
• सामान्यतः हा मनोरा सरळ असतो, म्हणजे उत्पादकांचे जैववस्तुमान सर्वाधिक असते.
• जलीय परिसंस्थेत (उदा. प्लँक्टन) हा मनोरा उलटा असू शकतो, कारण उत्पादकांचे जैववस्तुमान कमी असते.

ऊर्जा संक्रमणाची प्रक्रिया

1. सूर्य: परिसंस्थेतील ऊर्जेचा मुख्य स्रोत सूर्य आहे.
2. उत्पादक: हरित वनस्पती सौर ऊर्जेपैकी काही ऊर्जा अन्नाच्या स्वरूपात साठवतात (प्रकाशसंश्लेषण).
3. भक्षक: ही ऊर्जा एका पोषण पातळीकडून दुसऱ्या पोषण पातळीकडे संक्रमित होते.
4. विघटक: सर्वोच्च भक्षक मृत पावल्यानंतर, त्यांच्या मृत शरीराचे विघटन करणाऱ्या विघटकांना (बुरशी, सूक्ष्मजीव) ती ऊर्जा उपलब्ध होते.
5. ऊर्जेचा अपव्यय: प्रत्येक ऊर्जा संक्रमणादरम्यान, काही ऊर्जा उष्णतेच्या स्वरूपात बाहेर टाकली जाते आणि ती सूर्याकडे परत जात नाही. म्हणूनच ऊर्जेचा प्रवाह एकेरी वाहतूक मानला जातो.

भारतीय परिस्थितीकी व पर्यावरण संस्था (Indian Institute of Ecology and Environment), दिल्ली:

• स्थापना: 1980 साली.
• कार्य: संशोधन, प्रशिक्षण व परिसंवाद आयोजित करणे.
• प्रकाशित ग्रंथ: International Encyclopedia of Ecology and Environment.

परिसंस्थेतील पोषकद्रव्यांचा प्रवाह चक्रीय स्वरूपाचा असतो, याला जैव-भू-रासायनिक चक्र म्हणतात.

व्याख्या

• सजीवांच्या वाढीस आवश्यक असणाऱ्या पोषकद्रव्यांचे अजैविक घटकांकडून जैविक घटकांकडे आणि जैविक घटकांकडून अजैविक घटकांकडे होणारे चक्रीय स्वरूपातील वहन म्हणजे जैव-भू-रासायनिक चक्र.
• हे चक्र शिलावरण, वातावरण, जलावरण आणि जीवावरण यांच्या माध्यमातून अविरत चालू असते.
• या प्रक्रियेत जैविक, भूस्तरीय आणि रासायनिक पोषकद्रव्यांचे चक्रीभवन गुंतागुंतीचे असते आणि ते परिसंस्थेतील ऊर्जावहनाच्या पातळीवर अवलंबून असते.

जैव-भू-रासायनिक चक्राचे प्रकार

1. वायुचक्र (Gaseous Cycle):

• संचयन: मुख्य अजैविक वायुरूप पोषकद्रव्यांचे संचयन पृथ्वीच्या वातावरणात आढळते.
• उदाहरणे: नायट्रोजन, ऑक्सिजन, कार्बन डायऑक्साइड, बाष्प.
• वेग: वायुचक्र वेगाने घडते. उदा. CO2 जमा झाल्यास वाऱ्याबरोबर लगेच विसरण होते किंवा वनस्पतींकडून शोषण केले जाते.

1. अवसादन (भू) चक्र (Sedimentary Cycle):

• संचयन: मुख्य अजैविक पोषकद्रव्यांचे संचयन पृथ्वीवरील मृदा, अवसाद व अवसादी खडकांत आढळते.
• उदाहरणे: आयर्न (लोह), कॅल्शिअम, फॉस्फरस, जमिनीतील इतर घटक.
• वेग: अवसादन चक्र हळू घडते.

चक्रांचे महत्त्व

• या चक्रांमुळे सजीवांना आवश्यक पोषकद्रव्ये सतत उपलब्ध होतात.
• हवामानातील बदल आणि मानवी क्रिया (उदा. प्रदूषण, जंगलतोड) या चक्रांची गती, तीव्रता व संतुलन यांवर गंभीर परिणाम करतात. त्यामुळे या चक्रांच्या अभ्यासावर विशेष भर दिला जात आहे.

टीप: वायुचक्र आणि अवसादन चक्र ही दोन्ही चक्रे एकमेकांपासून पूर्णपणे वेगळी करता येत नाहीत. उदा. नायट्रोजन वायूरूपात वातावरणात आढळतो, तर नायट्रोजन ऑक्साईड या संयुगांच्या स्वरूपात मृदेत व अवसादात आढळतो. त्याचप्रमाणे, कार्बन अजैविक स्वरूपात भूकवचातील दगडी कोळसा, ग्रॅनाईट, हिरा व चुनखडकामध्ये आढळतो, तर वातावरणात CO2 वायूरूपात आढळतो.

कार्बनचे वातावरणातून सजीवांकडे व सजीवांच्या मृत्यूनंतर पुन्हा वातावरणाकडे होणारे अभिसरण व पुनर्चक्रीकरण म्हणजे कार्बन चक्र.

कार्बन चक्रातील प्रमुख प्रक्रिया

1. प्रकाशसंश्लेषण (Photosynthesis):

• हिरव्या वनस्पती वातावरणातील CO2 चा उपयोग करून सूर्यप्रकाशाच्या साहाय्याने कर्बोदके, प्रथिने व मेद यांसारखे कार्बनी पदार्थ तयार करतात.
• प्रक्रिया: \(6 CO_2 + 12 H_2O \xrightarrow{\text{सूर्यप्रकाश, हरितद्रव्य}} C_6H_{12}O_6 + 6 H_2O + 6 O_2\)
• यामुळे वातावरणातील कार्बन सजीवांमध्ये येतो.

1. श्वसन (Respiration):

• वनस्पती आणि प्राणी श्वसन क्रियेद्वारे कार्बनी पदार्थांचे विघटन करून ऊर्जा मिळवतात आणि CO2 वातावरणात सोडतात.
• प्रक्रिया: \(C_6H_{12}O_6 + 6 O_2 \xrightarrow{\text{तंतूतूकणिका}} 6 CO_2 + 6 H_2O + \text{ऊर्जा}\)

1. अन्नसाखळीतील वहन: वनस्पतींकडून जैविक कार्बन शाकाहारी प्राण्यांकडे, शाकाहारी प्राण्यांकडून मांसाहारी प्राण्यांकडे आणि मांसाहारी प्राण्यांकडून सर्वोच्च भक्षक प्राण्यांकडे संक्रमित होतो.
2. विघटन (Decomposition):

• सजीवांच्या मृत्यूनंतर, जिवाणू व बुरशी यांसारख्या विघटकांकडून त्यांच्या शरीराचे अपघटन होते.
• या प्रक्रियेत CO2 वायू पुन्हा मुक्त होऊन वातावरणात मिसळतो.

1. अजैविक प्रक्रिया: जीवाश्म इंधनाचे ज्वलन, लाकडाचे ज्वलन, वणवे आणि ज्वालामुखी उद्रेक यांसारख्या नैसर्गिक व मानवी क्रियांमुळे CO2 वायू वातावरणात मिसळतो.

कार्बन चक्राचे महत्त्व

• हे चक्र वातावरणातील कार्बन डायऑक्साइडचे प्रमाण नियंत्रित करते.
• वनस्पतींमुळे वातावरणातील ऑक्सिजन व CO2 वायू यांचा समतोल राखला जातो.
• कार्बनचे पृथ्वीवरील प्रमाण स्थिर असले तरी, मानवी क्रियांमुळे (उदा. जीवाश्म इंधनाचे ज्वलन) वातावरणातील CO2 चे प्रमाण वाढले आहे, ज्यामुळे जागतिक तापमानवाढ होत आहे.

जीवावरणातील ऑक्सिजनचे अभिसरण व त्याचा पुनर्वापर म्हणजे ऑक्सिजन चक्र.

ऑक्सिजनची उपलब्धता

• पृथ्वीवरील वातावरणात सुमारे 21% ऑक्सिजन आढळतो.
• जलावरण आणि शिलावरण अशा तीनही आवरणांमध्ये ऑक्सिजन असतो.
• या चक्रात जैविक व अजैविक असे दोन्ही घटक समाविष्ट असतात.

ऑक्सिजन चक्रातील प्रमुख प्रक्रिया

1. ऑक्सिजनची निर्मिती: मुख्यत्वे प्रकाशसंश्लेषण क्रियेत ऑक्सिजनची निर्मिती होते.
2. ऑक्सिजनचा वापर: श्वसन, ज्वलन, विघटन, गंजणे (ऑक्सिडेशन) यांसारख्या क्रियांमध्ये ऑक्सिजन वापरला जातो.

• श्वसन: अनेक सजीव (ऑक्सिजीवी) श्वसनासाठी ऑक्सिजन वापरतात. ज्यांना ऑक्सिजनची आवश्यकता नसते, त्यांना विनाऑक्सिजीवी म्हणतात.
• ज्वलन: इंधने जळण्यासाठी ऑक्सिजन आवश्यक असतो.
• विघटन: मृत सजीवांच्या विघटनासाठी काही सूक्ष्मजीव ऑक्सिजन वापरतात.
• गंजणे: धातूंना गंज चढण्यासाठी ऑक्सिजनची आवश्यकता असते.

ऑक्सिजनचे विविध स्वरूप

• ऑक्सिजन अतिशय क्रियाशील असल्याने तो अनेक मूलद्रव्यांशी व संयुगांशी संयोग करतो.
• रेण्वीय ऑक्सिजन (O2), पाणी (H2O), कार्बन डायऑक्साइड (CO2) व असेंद्रिय संयुगे अशा विविध स्वरूपात ऑक्सिजन आढळतो, त्यामुळे जीवावरणातील ऑक्सिजन चक्र गुंतागुंतीचे असते.

ऑक्सिजनचे महत्त्व

• कर्बोदके, प्रथिने व मेद यांच्या निर्मितीसाठी ऑक्सिजन महत्त्वाचा असतो.
• विविध रासायनिक प्रक्रिया आणि चयापचय क्रियांमध्ये ऑक्सिजनचा वापर केला जातो.
• ओझोन (O3) ची निर्मिती ऑक्सिजनपासूनच वातावरणीय क्रिया-प्रक्रियांद्वारे होत असते. ओझोन थर पृथ्वीवरील सजीवांचे हानिकारक अतिनील किरणांपासून संरक्षण करतो.

निसर्गातील जैविक आणि अजैविक प्रक्रियांतून नायट्रोजन वायूचे वेगवेगळ्या संयुगांत घडून येणारे अभिसरण व पुनर्चक्रीकरण म्हणजे नायट्रोजन चक्र.

नायट्रोजनची उपलब्धता व महत्त्व

• वातावरणात नायट्रोजन हा वायू सर्वाधिक प्रमाणात (सुमारे 78%) आढळतो.
• प्रथिने आणि न्यूक्लिक आम्ले (DNA, RNA) यांचा नायट्रोजन हा एक महत्त्वाचा घटक आहे, त्यामुळे सर्व सजीवांना नायट्रोजनची आवश्यकता असते.
• इतर अनेक मूलद्रव्यांच्या तुलनेत नायट्रोजन निष्क्रिय आहे आणि तो सहजासहजी इतर मूलद्रव्यांबरोबर संयोग करत नाही.
• बहुतेक सजीवांना मुक्त स्थितीतील नायट्रोजन (N2) थेट वापरता येत नाही. तो वापरण्यायोग्य स्वरूपात रूपांतरित होणे आवश्यक असते.

नायट्रोजन चक्रातील प्रमुख प्रक्रिया

1. नायट्रोजनचे स्थिरीकरण (Nitrogen Fixation):

• वातावरणातील नायट्रोजनचे रूपांतर नायट्रेट (NO3-) व नायट्राइट (NO2-) मध्ये होणे.
• प्रकार: वातावरणीय (विजा चमकल्याने), औद्योगिक (कारखान्यांमध्ये), जैविक (सूक्ष्मजीवांद्वारे).
• जैविक स्थिरीकरण: रायझोबियम (शेंगावर्गीय वनस्पतींच्या मुळांवरील गाठीत), अझोटोबॅक्टर (स्वतंत्रपणे मातीत), सायनोबॅक्टेरिया (उदा. नॉस्टॉक, ॲनाबेना) यांसारखे सूक्ष्मजीव नायट्रोजनचे स्थिरीकरण करतात.

1. अमोनीकरण (Ammonification):

• सजीवांचे अवशेष (मृतदेह), उत्सर्जित पदार्थ यांचे विघटन होऊन अमोनिया (NH3) किंवा अमोनियम आयन (NH4+) मुक्त होणे.
• हे विघटन जिवाणू आणि बुरशी करतात.

1. नायट्रीकरण (Nitrification):

• अमोनियाचे रूपांतर नायट्राइटमध्ये (नायट्रोसोमोनास जिवाणूंद्वारे) आणि नंतर नायट्राइटचे रूपांतर नायट्रेटमध्ये (नायट्रोबॅक्टर जिवाणूंद्वारे) होणे.
• नायट्रेट हे वनस्पतींसाठी नायट्रोजनचे मुख्य उपलब्ध स्वरूप आहे.

1. विनायट्रीकरण (Denitrification):

• नायट्रोजनयुक्त संयुगांचे (नायट्रेट, नायट्राइट) रूपांतर पुन्हा नायट्रोजन वायूत (N2) होणे.
• स्यूडोमोनास (Pseudomonas) यांसारखे जिवाणू ही प्रक्रिया करतात आणि नायट्रोजन वातावरणात परत जातो.

नायट्रोजन चक्राचे महत्त्व

• सजीवांना प्रथिने आणि न्यूक्लिक आम्लांच्या निर्मितीसाठी आवश्यक नायट्रोजन उपलब्ध करून देते.
• निसर्गचक्राचे सातत्य राखण्यासाठी नायट्रोजनची आवश्यकता असते.