Chương 2 KHÁI NIỆM VÀ VAI TRÒ CỦA ĐA DẠNG SINH HỌC 2.1. Khái niệm chung về đa dạng sinh học 2.1.1. Các định nghĩa và ví dụ Theo định nghĩa của Quỹ Quốc tế về Bảo tồn Thiên nhiên (World Wildlife Fund) thì đa dạng sinh học là “sự phồn thịnh của cuộc sống trên trái đất, là hàng triệu loài động vật, thực vật và vi sinh vật, là những nguồn gen của chúng và là các hệ sinh thái phức tạp cùng tồn tại trong môi trường sống”. Như thế, đa dạng sinh học cần phải được xem xét ở ba mức độ. Đa dạng sinh học ở mức độ loài bao gồm tất cả sinh vật trên trái đất từ vi khuẩn đến các loài động vật, thực vật và nấm. Ở mức nhỏ hơn, đa dạng sinh học bao gồm sự khác biệt về gen giữa các loài, khác biệt về gen giữa các quần thể cách ly nhau về địa lý cũng như khác biệt giữa các cá thể cùng chung sống trong một quần thể. Đa dạng sinh học cũng bao gồm sự khác biệt trong các quần xã sinh học nơi các loài đang sinh sống, các hệ sinh thái trong đó các quần xã tồn tại và cả sự khác biệt của các mối tương tác giữa chúng với nhau. Sự khác biệt giữa đa dạng sinh học ở 3 mức độ khác nhau được thể hiện qua bảng 1.1. Bảng 1.1. Các mức độ đa dạng sinh học Đa dạng loài Đa dạng di truyền Đa dạng sinh thái Giới (Kingdom) Quần thể (Population) Sinh đới (Biome) Ngành (Phyla) Cá thể (Individual) Vùng sinh thái (Bioregion) Lớp (Class) Nhiễm sắc thể (Chromosome) Cảnh quan (Landscape) Bộ (Order) Gene Hệ sinh thái (Ecosystem) Họ (Family) Nucleotide Nơi ở (Habitat) Giống (Genera) Tổ sinh thái (Niche) Loài (Species) (Nguồn:Peter J.Bryant. Biodiversity and conservation) 5 2.1.2. Các nội dung của đa dạng sinh học 2.1.2.1. Đa dạng loài Đa dạng loài bao gồm tất cả loài trên trái đất. Mỗi loài thường được xác định theo một trong hai cách. Thứ nhất, một loài được xác định là một nhóm các cá thể có những đặc tính hình thái, sinh lý, sinh hoá đặc trưng khác biệt với những nhóm cá thể khác (định nghĩa về hình thái của loài). Thêm vào đó, sự khác biệt về DNA cũng được sử dụng để phân biệt những loài có đặc điểm hình thái bên ngoài gần như giống hệt nhau (loài đồng hình), như các loài vi khuẩn. Thứ hai là một loài có thể được phân biệt như là một nhóm cá thể có thể giao phối giữa chúng với nhau để sinh sản thế hệ con cái hữu thụ và không thể giao phối sinh sản với các cá thể của các nhóm khác (định nghĩa về sinh học của loài). Định nghĩa về hình thái của loài thường được các nhà sinh học hay các nhà phân loại học, sử dụng để định loại, đặt tên khoa học cho những mẫu vật là những loài mới. Định nghĩa về sinh học của loài là định nghĩa thường được các nhà sinh học di truyền sử dụng do đây là cơ sở trong mối liên hệ về gen hơn là các đặc điểm về cấu tạo hình thái khác. Tuy nhiên, trong thực tế, định nghĩa sinh học của loài là khó sử dụng bởi vì nó đòi hỏi những kiến thức về các cá thể thực sự có khả năng trong việc giao phối với nhau, những thông tin như vậy thường không phải lúc nào cũng có sẵn. Do vậy, trong thực tế các nhà sinh học thực hành thường mô tả các loài này bằng các đặc điểm hình thái cho đến khi loài đó được các nhà phân loại đặt tên La tinh. Hiện nay, có khoảng 1,7 triệu loài đã được mô tả. Ít nhất là hai lần số đó còn chưa mô tả, chủ yếu là côn trùng và các nhóm chân khớp khác trong vùng nhiệt đới (Bảng 1.2). Bảng 1.2. Tổng số các loài đã được mô tả Nhóm Số loài mô tả Nguồn Vi khuẩn và tảo lam 4.760 Nấm 46.938 Tảo 26.900 Rêu 17.000 WCMC. 1998 Hạt trần 980 IUCN. 1997 Hạt kín 258.000 IUCN. 1997 6 Động vật nguyên sinh 35.000 Bọt biển (Thân lỗ) 5.000 Ruột khoang 9.000 Giun tròn và giun dẹp 24.000 Giáp xác 40.000 Côn trùng 950.000 IUCN. 1997 Các nhóm Chân khớp và các nhóm động vật không xương sống khác 130.000 Thân mềm 70.000 Da gai 6.100 Cá 28.100 Lưỡng cư 5.578 Bò sát 8.134 Chim 9.932 Thú 4.842 1. 680.264 Kiến thức của chúng ta về số lượng loài là chưa chính xác do nhiều loài khó thấy còn chưa được phân loại học chú ý. Ví dụ như ve bét, giun tròn và nấm sống trong đất và các loài côn trùng sống trong rừng nhiệt đới có kích thước rất nhỏ và khó nghiên cứu. Các loài này có thể lên tới hàng trăm ngàn thậm chí triệu loài. Các loài vi khuẩn cũng được biết rất ít. Chỉ có khoảng 4000 loài vi khuẩn được các nhà vi sinh vật biết đến do những khó khăn trong việc nuôi cấy và định loại. Việc lấy mẫu khó khăn đã cản trở chúng ta nghiên cứu tìm hiểu về số lượng các loài trong đại dương. Đại dương có lẽ là nơi có tính đa dạng lớn nhất. Một ngành động vật mới, ngành Loricefera lần đầu tiên phát hiện vào năm 1983 nhờ vào các mẫu vật thu được ở đáy biển sâu và không nghi ngờ gì là sẽ có nhiều loài hơn nữa sẽ được phát hiện. Các quần xã sinh vật mới sẽ còn được khám phá thường các quần xã này nằm trong các vùng hẻo lánh nơi mà con người khó tới gần được. 7 Các kỹ thuật thăm dò chuyên biệt, đặc biệt ở các vùng biển sâu và các vùng trời các rừng nhiệt đới đã khám phá ra các cấu trúc quần xã khác thường. Các quần xã động vật khác nhau, đặc biệt là côn trùng, thích ứng cuộc sống dưới tán lá tầng cao của rừng rậm nhiệt đới, hiếm khi chúng thích nghi được với điều kiện sống ở trên mặt đất. Một vùng rừng mưa miền núi hẻo lánh nằm giữa Việt Nam và Lào vừa mới được các nhà sinh học khảo sát trong thời gian gần đây. Tại đây họ đã phát hiện được một số loài thú mới cho khoa học đó là Mang lớn (Megamuntiacus vuquangensis), Sao La (Pseudoryx nghetinhensis), Mang Trường Sơn (Muntiacus truongsonensis) và Mang lá (Muntiacus rooseveltorum). Trên phạm vi toàn thế giới còn cần rất nhiều nổ lực để có thể hoàn thiện được danh mục đầy đủ các loài. Mỗi năm các nhà phân loại trên thế giới mô tả được khoảng 11.000 loài, và như vậy, để có thể mô tả hết các loài trên thế giới (ước tính 10 đến 30 triệu loài) dự kiến phải tốn từ 750 năm đến 2.570 năm, trong khi đó có nhiều loài đã bị tuyệt chủng trước khi chúng được mô tả và đặt tên. 2.1.2.2. Đa dạng di truyền Đa dạng di truyền bao gồm các thành phần các mã di truyền cấu trúc nên cơ thể sinh vật (nucleotides, genes, chromosomes) và sự sai khác về di truyền giữa các cá thể trong một quần thể và giữa các quần thể với nhau. 8 Hình 2: Đa dạng di truyền của loài Keo má trắng Platycercus eximius (ở Úc) thể hiện qua màu sắc và đốm thân. Sơ đồ còn chỉ ra các vùng phân bố của chúng (Nguồn: Richard B Primack). Đa dạng di truyền trong nội bộ loài thường là kết quả của tập tính sinh sản của các cá thể trong quần thể. Một quần thể là một nhóm các cá thể giao phối với nhau và sản sinh ra con cái hữu thụ. Một loài có thể có một hay vài quần thể khác nhau. Một quần thể có thể chỉ gồm một số ít cá thể hay có thể có hàng triệu cá thể. Các cá thể trong một quần thể thường rất khác nhau về mặt di truyền. Sự đa dạng về bộ gen có được do các cá thể có các gen khác nhau, gen là một đơn vị di truyền cùng với những nhiễm sắc thể được đặc trưng bởi những protein đặc biệt. Các dạng khác nhau của gen được gọi là allen và những sự khác biệt nảy sinh qua đột biến, là những sự thay đổi xảy ra trong DNA, đơn vị cấu thành nhiễm sắc thể của cá thể. Sự khác biệt của các allen trong gen có thể ảnh hưởng đến sự phát triển và sinh lý của các cá thể một cách khác nhau. 9 Sự sai khác di truyền tăng lên khi con cái nhận được đầy đủ tổ hợp gen và nhiễm sắc thể của bố mẹ trong quá trình tái tổ hợp gen xảy ra trong quá trình sinh sản hữu tính. Gen được trao đổi giữa các nhiễm sắc thể trong quá trình giảm phân và tổ hợp mới được tạo thành khi nhiễm sắc thể từ bố mẹ kết hợp để tạo nên một tổ hợp thống nhất cho con cái. Tổng số các sắp xếp của gen và allen trong quần thể được coi là quỹ gen (gene pool), trong khi một tổ hợp nào đấy của gen và allen trong bất kỳ cá thể nào thì được gọi là kiểu di truyền (genotype). Kiểu hình (phenotype) của một cá thể nói lên các đặc điểm về hình thái, sinh lý, sinh hoá là kết quả của biểu hiện kiểu gen trong một môi trường nhất định. Sai khác di truyền cho phép các cá thể thích ứng với những thay đổi của môi trường. Nhìn chung, các loài quí hiếm phân bố hẹp ít có sự đa dạng di truyền hơn các loài có phân bố rộng và kết quả là chúng dễ bị tuyệt chủng hơn khi điều kiện môi trường thay đổi. 2.1.2.3. Đa dạng quần xã và hệ sinh thái Đa dạng về hệ sinh thái là thước đo sự phong phú về sinh cảnh, nơi ở, tổ sinh thái và các hệ sinh thái ở các cấp độ khác nhau. Sự đa dạng này được phản ảnh quan trọng nhất bởi sự đa dạng về sinh cảnh, các quần xã sinh vật và các quá trình sinh thái trong sinh quyển. Chẳng hạn như sự phân bố của các loài sinh vật theo không gian khác nhau, nghĩa là đặc trưng cho từng sinh cảnh khác nhau. Rừng nhiệt đới thường xanh đã phân thành nhiều tầng và các thuỷ vực cũng phân thành các tầng nước khác nhau về thuỷ lý, thuỷ hoá để sử dụng tối ưu năng lượng của hệ sinh thái và tạo cho tính đa dạng sinh học càng cao. Môi trường vật lý, đặc biệt là vòng tuần hoàn năm của nhiệt độ và lượng mưa, ảnh hưởng đến cấu trúc và đặc điểm của quần xã sinh vật, quyết định địa điểm đó sẽ là rừng, đồng cỏ, sa mạc hay đất ngập nước. Quần xã sinh vật cũng có thể biến đổi tính chất vật lý của hệ sinh thái. Ví dụ, trong một hệ sinh thái trên cạn, tốc độ gió, độ ẩm, nhiệt độ và tính chất đất đai có thể bị ảnh hưởng do cây cối và các động vật sống tại đó. Trong một quần xã sinh vật, mỗi loài sử dụng một nhóm tài nguyên nhất định, tạo thành tổ sinh thái của loài đó. Tổ sinh thái cho một loài thực vật có thể bao gồm loại đất mà loài đó sống, lượng ánh sáng mặt trời và độ ẩm mà loài đó cần, kiểu hệ thống thụ phấn và cơ chế phát tán của hạt, Tổ sinh thái của một loài động vật có thể bao gồm kiểu nơi sinh 10 Nguồn: Botanical society of America sống của loài, biên độ nhiệt độ mà loài đó có thể sống được, các loại thức ăn và lượng nước mà chúng cần, Bất cứ thành phần nào của tổ sinh thái đều là nguồn tài nguyên có giới hạn và do đó có ảnh hưởng đến giới hạn kích thước của quần thể. Các hệ sinh thái trong sinh quyển tồn tại ở hai môi trường có sự khác biệt về các đặc tính lý hoá và sinh học. Đó là môi trường trên cạn và môi trường dưới nước. Các hệ sinh thái trên cạn được đặc trưng bởi các quần hệ thực vật, chiếm sinh khối lớn và gắn liền với khí hậu địa phương, do đó tên của quần xã cảnh quan vùng địa lý gọi là khu sinh học (biome), thường là tên của quần hệ thực vật ở đấy. Khu sinh học là một hệ sinh thái lớn, đặc trưng bởi kiểu khí hậu đặc thù, bao gồm các loài động vật sống trong quần hệ thực vật, thích ứng tốt với môi trường tự nhiên. Nhìn chung trên lục địa đã hình thành các biom chính như sau: Đài nguyên hay đồng rêu (Tundra) Đồng rêu bao quanh bắc cực và vành đai phần bắc của lục địa Âu Á, Bắc Mỹ, chiếm khoảng 20% diện tích trái đất. Đây là một vùng nhiều đầm lầy giá lạnh, băng tuyết với nhiều đụn rêu rãi rác. Mùa đông dài khắc nghiệt, mùa hè ngắn. Số loài thực vật rất ít, chủ yếu là rêu, địa y và cỏ bông lau, phong lùn và liễu miền cực. Động vật đặc trưng là hươu tuần lộc, hươu kéo xe, thỏ, có sói Bắc cực, gấu trắng Bắc cực, chim cánh cụt,…Nhiều loài chim sống thành từng bầy lớn, chúng di cư xuống vùng vĩ độ thấp để tránh rét mùa đông. 11 Nguồn: Botanical society of America Rừng mưa nhiệt đới (Tropical rain forests) Xuất hiện ở vùng gần xích đạo. Khí hậu luôn ấm (từ 20 đến 25 0 C) lượng mưa dồi dào (ít nhất 1900 mm/năm). Rừng mưa là một biome có độ giàu có nhất, cả về độ đa dạng và tổng sinh khối. Rừng mưa nhiệt đới có cấu trúc phức tạp, với nhiều cấp độ của đời sống. Hơn một nửa các dạng sống trên cạn xuất hiện trong biom này. Trong khi nhiều động vật sống trên mặt đất, thì hầu hết các động vật rừng mưa nhiệt đới có đời sống trên các cây gỗ. Các động vật đó trải qua toàn bộ đời sống của chúng trên tán rừng. Các loại côn trùng ở các rừng mưa nhiệt đới rất phong phú và phần lớn trong số chúng là chưa được xác định. Mối là đặc trưng cho sự phân hủy của chu trình dinh dưỡng của gỗ. Chim có xu hướng màu sắc sáng, thường tạo cho chúng tìm kiếm thức ăn như các loài sâu ngoại lai. Bò sát và lưỡng thê xuất hiện nhiều. Khỉ hầu (Lemurs), Cu li (sloths), và khỉ (monkeys) ăn các loài trái cây trong rừng mưa nhiệt đới. Nhóm loài ăn thịt lớn nhất là nhóm mèo. Sự xâm chiếm và phá hủy nơi ở đang là nguy cơ cho các loài động vật, thực vật ở đây. Một vài rừng nhiệt đới ở Ấn Độ, Đông Nam Á, Tây Phi, Trung và Nam Mỹ có tính mùa và các cây ở đó rụng lá vào mùa khô. 12 Rừng ôn đới (temperate forests) Sinh cảnh rừng ôn đới xuất hiện ở miền đông của Bắc Mỹ, Đông Á, và nhiều nước Châu Âu. Lượng mưa nhiều từ 750-1500 mm. Sự phát triển theo mùa được xác định rõ ràng giữa 140 đến 300 ngày. Các loài thực vật ưu thế bao gồm sồi, thích, và những cây gỗ lớn lá rụng khác. Cây gỗ của rừng lá rụng có tán lá rộng, trong đó chúng rụng đi vào mùa thu và mọc trở lại vào mùa xuân. Mật độ tán lá cho phép sự phát triển tốt cho các tầng cây bụi ở bên dưới, một tầng cây thảo, và sau đó thường được bao phủ bởi rêu và dương xỉ. Sự sắp xếp bên dưới này đã cung cấp nhiều nơi ở cho nhiều loại côn trùng và chim. Các rừng lá rụng ngoài ra còn chứa nhiều thành phần của họ gậm nhấm, trong đó chúng cấp thức ăn cho linh miêu, chó sói, và cáo (foxes). Ngoài ra vùng này là nơi ở của nai và gấu đen. Mùa Đông ở đây không lạnh như ở rừng phương bắc, vì vậy mà nhiều loài bò sát và lưỡng thê có khả năng sống sót. 13 . nhau. Sự khác biệt giữa đa dạng sinh học ở 3 mức độ khác nhau được thể hiện qua bảng 1.1. Bảng 1.1. Các mức độ đa dạng sinh học Đa dạng loài Đa dạng di truyền Đa dạng sinh thái Giới (Kingdom). (Habitat) Giống (Genera) Tổ sinh thái (Niche) Loài (Species) (Nguồn:Peter J.Bryant. Biodiversity and conservation) 5 2. 1 .2. Các nội dung của đa dạng sinh học 2. 1 .2. 1. Đa dạng loài Đa dạng loài bao gồm. Chương 2 KHÁI NIỆM VÀ VAI TRÒ CỦA ĐA DẠNG SINH HỌC 2. 1. Khái niệm chung về đa dạng sinh học 2. 1.1. Các định nghĩa và ví dụ Theo định nghĩa của Quỹ