परिसंस्था (Ecosystem), अन्नसाखळी (Food Chain), अन्नजाळे व लिंडमनचा १०% ऊर्जेचा नियम (Ecology & Energy Flow)

१. परिस्थितीकी व परिसंस्था (Ecology & Ecosystem)

परिस्थितीकी (Ecology): सजीव आणि त्यांचे सभोवतालचे भौतिक व जैविक पर्यावरण यांच्यातील परस्परसंबंधांचा अभ्यास करणाऱ्या विज्ञान शाखेला 'परिस्थितीकी' (Ecology) म्हणतात. हा शब्द सर्वप्रथम जर्मन जीवशास्त्रज्ञ अर्न्स्ट हेकेल (Ernst Haeckel) यांनी १८६६ मध्ये ग्रीक शब्द 'Oikos' (घर/राहण्याचे ठिकाण) आणि 'Logos' (अभ्यास) यावरून मांडला.

परिसंस्था (Ecosystem): एका विशिष्ट भौगोलिक क्षेत्रात राहणारे सर्व सजीव (जैविक घटक) आणि तेथील अजैविक घटक (माती, हवा, पाणी, तापमान) यांच्यातील आंतरक्रियांमधून तयार होणाऱ्या स्वयंपूर्ण नैसर्गिक कार्यात्मक एककाला 'परिसंस्था' म्हणतात. 'इकोसिस्टम' (Ecosystem) ही संज्ञा सर्वप्रथम ब्रिटिश पर्यावरणशास्त्रज्ञ ए. जी. टॅन्सले (A.G. Tansley) यांनी १९३५ मध्ये मांडली.

परिसंस्थेचे मुख्य घटक (Components of Ecosystem)

• अजैविक घटक (Abiotic Components):
  • भौतिक घटक: सूर्यप्रकाश, तापमान, आर्द्रता, हवा, पर्जन्य, भू-उंची व वारा. (सूर्यप्रकाश हा पृथ्वीवरील सर्व परिसंस्थांचा प्राथमिक ऊर्जा स्त्रोत आहे).
  • अकार्बनिक घटक: पाणी, ऑक्सिजन ($O_2$), कार्बन डायऑक्साइड ($CO_2$), नायट्रोजन, खनिजे (कॅल्शियम, पोटॅशियम, फॉस्फरस).
  • सेंद्रिय घटक: कर्बोदके, प्रथिने, स्निग्ध पदार्थ, ह्युमस (मृत घटकांचे विघटन होऊन तयार झालेले घटक).
• जैविक घटक (Biotic Components):
  • १. उत्पादक (Producers / Autotrophs - स्वयंपोषी): सूर्यप्रकाशाचा वापर करून प्रकाशसंश्लेषण (Photosynthesis) प्रक्रियेद्वारे स्वतःचे अन्न स्वतः तयार करणाऱ्या हिरव्या वनस्पती, नील-हरित शैवाल (Cyanobacteria) आणि फायटोप्लँक्टन (जलचर सूक्ष्म वनस्पती).
  • २. भक्षक (Consumers / Heterotrophs - परपोषी): अन्नासाठी उत्पादकांवर किंवा इतर प्राण्यांवर अवलंबून असणारे सजीव:
    • प्राथमिक भक्षक (Primary Consumers - शाकाहारी / Herbivores): थेट वनस्पती खाणारे प्राणी (उदा. हरीण, ससा, गाय, नाकतोडा, झूप्लँक्टन).
    • दुय्यम भक्षक (Secondary Consumers - मांसाहारी / Carnivores): शाकाहारी प्राण्यांना खाणारे (उदा. बेडूक, कोल्हा, लहान मासे).
    • सर्वोच्च / तृतीयक भक्षक (Tertiary / Apex Consumers): इतर मांसाहारी प्राण्यांची शिकार करणारे (उदा. वाघ, सिंह, गरुड, शार्क). यांना निसर्गात नैसर्गिक शत्रू नसतात.
    • उभयाहारी (Omnivores): वनस्पती व प्राणी दोन्ही खाणारे (उदा. मनुष्य, अस्वल, कावळा, झुरळ).
  • ३. विघटक (Decomposers / Saprotrophs - मृतोपजीवी): मृत सेंद्रिय घटकांचे आणि विष्ठेचे विघटन करून त्यातील पोषकद्रव्ये पुन्हा मातीत आणि वातावरणात मुक्त करणारे जीवाणू (Bacteria) आणि बुरशी (Fungi). यांना 'निसर्गाचे स्वच्छतादूत' किंवा 'पुनर्चक्रणकर्ते' (Recyclers) म्हणतात.

२. अन्नसाखळी व अन्नजाळे (Food Chain & Food Web)

अ. अन्नसाखळी (Food Chain)

परिसंस्थेत एका सजीवाकडून दुसऱ्या सजीवाकडे अन्नाच्या आणि ऊर्जेच्या स्वरूपात होणाऱ्या एका रेषीय संक्रमणाला 'अन्नसाखळी' म्हणतात. अन्नसाखळीतील प्रत्येक पायरीला पोषण पातळी (Trophic Level) म्हणतात.

• प्रथम पोषण पातळी ($T_1$): उत्पादक (हिरवे गवत / झाडे)
• द्वितीय पोषण पातळी ($T_2$): प्राथमिक भक्षक (नाकतोडा / शाकाहारी)
• तृतीय पोषण पातळी ($T_3$): दुय्यम भक्षक (बेडूक / मांसाहारी)
• चतुर्थ पोषण पातळी ($T_4$): तृतीयक भक्षक (साप)
• पंचम पोषण पातळी ($T_5$): सर्वोच्च भक्षक (गरुड / मोर)

अन्नसाखळीचे मुख्य दोन प्रकार:

1. चराई अन्नसाखळी (Grazing Food Chain): ही साखळी जिवंत उत्पादकांपासून (हिरव्या वनस्पती) सुरू होते आणि शाकाहारी प्राण्यांमार्फत मांसाहारी प्राण्यांकडे जाते. उदा. गवत → ससा → लांडगा → वाघ. भूचर आणि जलीय दोन्ही परिसंस्थांमध्ये ही प्रमुख असते.
2. कुकुजक / मृतोपजीवी अन्नसाखळी (Detritus Food Chain): ही साखळी मृत सेंद्रिय पदार्थांपासून (कुजलेली पाने, मृत प्राणी) सुरू होते. यामध्ये गांडूळ, सूक्ष्मजीव, कीटक मृतद्रव्ये खातात आणि त्यांना लहान पक्षी खातात. उदा. मृत सेंद्रिय कचरा → गांडूळ → कोंबडी → मनुष्य / ससाणा. जंगलातील परिसंस्थेत ऊर्जेचा मोठा भाग या साखळीतून वाहतो.

ब. अन्नजाळे (Food Web)

नैसर्गिक परिसंस्थेमध्ये कोणतीही अन्नसाखळी स्वतंत्र आणि एकरेषीय नसते. एकाच प्रजातीचा जीव अनेक वेगवेगळ्या अन्नसाखळ्यांचा भाग असतो. अनेक अन्नसाखळ्या एकमेकांत गुंफल्या जाऊन तयार होणाऱ्या गुंतागुंतीच्या जाळ्याला अन्नजाळे (Food Web) म्हणतात. अन्नजाळ्यामुळे परिसंस्थेची स्थिरता (Ecosystem Stability) वाढते; कारण एखाद्या भक्षकाला अन्नाचा एक पर्याय नष्ट झाला तर दुसरा पर्याय उपलब्ध असतो.

३. ऊर्जेचे वहन व लिंडमनचा १०% नियम (Lindeman's 10% Energy Flow Rule)

परिसंस्थेतील ऊर्जेचा मुख्य स्त्रोत सूर्य आहे. परंतु वनस्पती सूर्यप्रकाशातील फक्त १ ते २% प्रकाशसंश्लेषणात्मक कार्यक्षम ऊर्जा (Photosynthetically Active Radiation - PAR) अन्नाच्या रासायनिक ऊर्जेत रूपांतरित करू शकतात.

रेमंड लिंडमन (Raymond Lindeman - 1942): लिंडमन यांनी मांडलेल्या १० टक्के नियमानुसार, एका पोषण पातळीवरून पुढील पोषण पातळीवर जाताना फक्त १०% ऊर्जा संचित होते आणि हस्तांतरित होते. उर्वरित ९०% ऊर्जा सजीवांच्या दैनंदिन श्वसन, चयापचय, हालचाली आणि उष्णतेच्या स्वरूपात वातावरणात नष्ट (Dissipate) होते.

• उत्पादक ($T_1$): १०,००० किलोकॅलरी (kcal)
• प्राथमिक भक्षक ($T_2$): १,००० kcal (१०,००० चा १०%)
• दुय्यम भक्षक ($T_3$): १०० kcal (१,००० चा १०%)
• तृतीयक भक्षक ($T_4$): १० kcal (१०० चा १०%)
• सर्वोच्च भक्षक ($T_5$): १ kcal (१० चा १०%)

महत्त्वाचा निष्कर्ष: पोषण पातळी जसजशी उंचावते, तसतशी उपलब्ध ऊर्जेचे प्रमाण झपाट्याने घटते. यामुळेच अन्नसाखळीमध्ये साधारणपणे ४ ते ५ पेक्षा जास्त पोषण पातळ्या असणे अशक्य असते. तसेच, परिसंस्थेतील ऊर्जेचा प्रवाह हा नेहमी एकदिशीय (Unidirectional) असतो (सूर्याकडून उत्पादक आणि भक्षकांकडे; ऊर्जा कधीही उलट दिशेने वाहत नाही).

४. पारिस्थितिकीय मनोरे (Ecological Pyramids)

पारिस्थितिकीय मनोऱ्यांची संकल्पना सर्वप्रथम चार्ल्स एल्टन (Charles Elton) यांनी १९२७ मध्ये मांडली, म्हणून त्यांना 'एल्टोनियन मनोरे' (Eltonian Pyramids) देखील म्हणतात. पोषण पातळीनुसार सजीवांचे प्रमाण दर्शवणारे तीन मुख्य मनोरे असतात:

५. जैवरासायनिक चक्रे (Biogeochemical Cycles)

परिसंस्थेत ऊर्जा एकदिशीय वाहते, परंतु पोषकद्रव्ये (Nutrients) चक्रीय स्वरूपात फिरत राहतात. सजीव आणि अजैविक वातावरण यांच्यातील मूलद्रव्यांच्या चक्रीय प्रवाहाला 'जैवरासायनिक चक्र' म्हणतात.

• १. वायू चक्रे (Gaseous Cycles): पोषकद्रव्यांचा मुख्य साठा वातावरणात किंवा समुद्रात असतो (उदा. नायट्रोजन, कार्बन, ऑक्सिजन चक्र). ही चक्रे जलद गतीने चालतात.
  • नायट्रोजन चक्र (Nitrogen Cycle): वातावरणातील ७८% नायट्रोजन सजीव थेट वापरू शकत नाहीत. त्याचे स्थिरीकरण आवश्यक असते:
    • नायट्रोजन स्थिरीकरण (Nitrogen Fixation): रायझोबियम (Rhizobium - द्विदल वनस्पतींच्या मुळांवरील गाठीत), अ‍ॅझोटोबॅक्टर (Azotobacter - मुक्तजीवी मातीत), अ‍ॅनाबिना (Anabaena) हे वातावरणातील नायट्रोजनचे अमोनियामध्ये रुपांतर करतात. विजेच्या चमकेमुळेही नैसर्गिक स्थिरीकरण होते.
    • नायट्रिफिकेशन (Nitrification): अमोनियाचे रूपांतर प्रथम नायट्राइटमध्ये ($NO_2^-$) नायट्रोसोमोनास (Nitrosomonas) जीवाणू करतात, आणि नंतर नायट्राइटचे नायट्रेटमध्ये ($NO_3^-$) नायट्रोबॅक्टर (Nitrobacter) जीवाणू करतात. वनस्पती नायट्रोजन प्रामुख्याने नायट्रेटच्या स्वरूपात शोषून घेतात.
    • अमोनिफिकेशन (Ammonification): मृत सजीवांतील प्रथिनांचे अमोनियात रूपांतर.
    • डिनायट्रिफिकेशन (Denitrification): नायट्रेटचे रूपांतर पुन्हा मुक्त नायट्रोजन वायूमध्ये करून वातावरणात पाठवणे (उदा. स्यूडोमोनास - Pseudomonas जीवाणू).
  • कार्बन चक्र (Carbon Cycle): प्रकाशसंश्लेषणाद्वारे हवेतील $CO_2$ सजीवांत येतो आणि श्वसन, ज्वलन, सूक्ष्मजीवांचे विघटन यांद्वारे पुन्हा वातावरणात जातो.
• २. अवसादन चक्रे (Sedimentary Cycles): पोषकद्रव्यांचा मुख्य साठा भूकवच, खडक व गाळामध्ये असतो (उदा. फॉस्फरस चक्र, गंधक/सल्फर चक्र). ही चक्रे अतिशय मंद गतीने चालतात. फॉस्फरस चक्रामध्ये वायू अवस्था आढळत नाही!

६. बायोअ‍ॅक्युम्युलेशन व बायोमॅग्निफिकेशन (Bioaccumulation & Biomagnification)

• बायोअ‍ॅक्युम्युलेशन (Bioaccumulation - जैवसंचयन): एखाद्या सजीवाच्या शरीरात विघटनास कठीण असणारे विषारी रासायनिक घटक (उदा. कीटकनाशके, जड धातू) बाहेर टाकण्याच्या वेगापेक्षा शोषून घेण्याचा वेग जास्त असल्याने शरीरात साचून राहणे.
• बायोमॅग्निफिकेशन (Biomagnification - जैवविशालन): अन्नसाखळीच्या एका पोषण पातळीकडून पुढील पोषण पातळीकडे जाताना अविघटनशील विषारी पदार्थांची (उदा. DDT, पारा, शिसे) संहती (Concentration) उत्तरोत्तर वाढत जाणे.
  • उदा. पाण्यात DDT ०.०००००३ ppm → फायटोप्लँक्टन ०.०४ ppm → लहान मासे ०.५ ppm → मोठे मासे २ ppm → मासे खाणारे पक्षी (ससाणा/गरुड) २५ ppm!
  • यामुळे पक्षांच्या अंड्यांचे कवच पातळ होऊन अंडी अकाली फुटतात आणि त्यांची संख्या वेगाने घटते.

७. पोलीस भरती व सरळसेवा विशेष महत्त्वाचे वन-लायनर्स

८. MPSC मागील वर्षांचे प्रश्न व सविस्तर विश्लेषण (PYQ)