2.4.4.1. Định nghĩa
HST là tổ hợp của một quần xó sinh vật với mụi trường vật lý xung quanh nơi mà quần xó đú tồn tại. Trong đú cỏc sinh vật, mụi trường tương tỏc với nhau để tạo nờn chu trỡnh vật chất và sự chuyển húa của năng lượng. Núi cỏch khỏc HST bao gồm cỏc sinh vật sống và cỏc điều kiện tự nhiờn (mụi trường vật lý) như ỏnh sỏng, nước, nhiệt độ, khụng khớ,... ở đõy cỏc yếu tố trong HST luụn tỏc động qua lại lẫn nhau và xảy ra quỏ trỡnh trao đổi năng lượng, vật chất và thụng tin. Cú thể minh họa hệ sinh thỏi bằng cụng thức toỏn học như sau:
Một hệ thống cú thể được xỏc định như một tập hợp cỏc đối tượng, hoặc cỏc thuộc tớnh như kớch cỡ, hỡnh dạng, được liờn kết với nhau bằng nhiều mối tương tỏc. Trong hệ sinh thỏi, tớnh hệ thống được thể hiện chủ yếu là mối quan hệ tương hỗ giữa sinh vật với mụi trường. Cú hai loại hệ thống cơ bản:
Quần xó
sinh vật + Hệ sinh thỏi
Năng lượng Mặt Trời Mụi trường
- Hệ thống kớn trong đú vật chất, năng lượng và thụng tin chỉ trao đổi trong ranh giới của hệ thống.
- Hệ thống hở: Là hệ thống mà trong đú năng lượng, vật chất và thụng tin trao
đổi qua ranh giới của hệ thống. Vật chất, năng lượng và thụng tin đi vào được gọi là dũng vào (input), đi ra được gọi là dũng ra (output) và dũng vật chất, năng lượng, thụng tin trao đổi giữa cỏc thành phần trong hệ thống gọi là dũng nội lưu (inner flow). Trừ vũ trụ ra thỡ tất cả cỏc hệ thống tự nhiờn bao gồm tất cả cỏc hệ sinh thỏi đều là những hệ thống hở.
Hệ sinh thỏi luụn là một hệ thống hở và tự điều chỉnh, bởi vỡ trong quỏ trỡnh tồn tại và phỏt triển, hệ sinh thỏi thường xuyờn phải tiếp nhận vật chất, năng lượng, thụng tin và cả những sức ộp, cỳ xốc (stress) từ mụi trường. Điều này làm cho hệ sinh thỏi khỏc biệt với cỏc hệ thống vật chất khỏc cú trong tự nhiờn và tạo cho hệ sinh thỏi cú hai tớnh chất đặc thự, đú là:
- Tớnh chất tự cõn bằng (Homestasis) nghĩa là khả năng hệ sinh thỏi phản khỏng lại cỏc thay đổi và giữ được trạng thỏi cõn bằng.
- Năng lực chịu tải (Carrying capicity), nghĩa là khả năng của cỏc hệ sinh thỏi cú thể gỏnh chịu những sức ộp, những cỳ xốc trong những điều kiện khú khăn nhất.
* Độ lớn của HST: Cỏc HST cú quy mụ lớn nhỏ khỏc nhau; cú HST nhỏ (bể nuụi cỏ), HST vừa (hồ nước hay 1 thảm thực vật rừng), HST lớn (đại dương). Tập hợp tất cả cỏc HST trờn bề mặt trỏi đõt là 1 HST khổng lồ là sinh thỏi quyển (sinh quyển). Ranh giới HST trong tự nhiờn khụng rừ ràng, ngoại trừ một số trường hợp như cỏc đảo, hồ nước hoặc cỏnh rừng trờn vựng đồng bằng.
Trong hệ sinh thỏi vật chất, năng lượng và thụng tin đi vào được gọi là dũng vào (input), đi ra được gọi là dũng ra (outout), dũng vật chất, năng lượng, thụng tin trao đổi giữa cỏc thành phần trong hệ được gọi là dũng nội lưu.
* Tớnh phản hồi: HST luụn là một hệ thống hở và tự điều chỉnh, bởi vỡ trong quỏ trỡnh tồn tại và phỏt triển HST thường xuyờn tiếp nhận vật chất, năng lượng, thụng tin và cả những sức ộp, cỳ sốc (stress) từ mụi trường. Do vậy, HST cú khả năng tự cõn bằng, nghĩa là khả năng HST phản khỏng lại cỏc thay đổi và giữ được trạng thỏi cõn bằng. Ngoài ra HST cũn cú khả năng chịu tải, nghĩa là khả năng của HST gỏnh chịu những sức ộp, những cỳ sốc trong những điều kiện khú khăn nhất.
Tuy nhiờn tớnh phản hồi của HST cũng chỉ ở mội giới hạn nhất định, nếu quỏ giới hạn đú, vượt quỏ sức chịu đựng của hệ, hệ sẽ khụng tự điều chỉnh được và cuối cựng bị suy thoỏi và hủy diệt.
2.4.4.2. Cấu trỳc của HST
Sinh thỏi học hiện đại phải nghiờn cứu cấu trỳc và chức năng của những HST 4 chiều (hỡnh 13)
Hỡnh 13. Cấu trỳc của một hệ sinh thỏi
Theo hỡnh 13 thỡ bộ phận trung tõm là dũng năng lượng và chu trỡnh thức ăn, qua bộ phận này thực hiện mọi chức năng của hệ.
Một hệ sinh thỏi điển hỡnh được cấu trỳc bởi cỏc thành phần sau đõy: - Sinh vật sản xuất (Producer)
- Sinh vật tiờu thụ (Consumer) - Sinh vật phõn huỷ (Decomposer)
- Cỏc chất hữu cơ (Prụtờin, lipit, gluxit, vitamin, enzym, hoocmon,...) - Cỏc chất vụ cơ (CO2, O2, H2O, cỏc chất dinh dưỡng khoỏng).
- Cỏc yếu tố khớ hậu (nhiệt độ, ỏnh sỏng, độ ẩm, giỏng thuỷ,...)
Thực chất, 3 thành phần đầu chớnh là quần xó sinh vật, cũn 3 thành phần sau là mụi trường vật lý mà quần xó đú sử dụng để tồn tại và phỏt triển.
Ở đõy, năng lượng Mặt Trời thụng qua quang hợp ở cõy xanh và một số giới hạn nấm và vi khuẩn là những sinh vật tự dưỡng hay sinh vật sản xuất. Chỳng đó chuyển hoỏ những phần tử vụ cơ như CO2, H2O thành cỏc dạng vật chất hoỏ học (những đại phõn tử hữu cơ đặc trưng cho chất sống). Chớnh năng lượng Mặt Trời, bằng quang hợp đó liờn kết cỏc phõn tử nhỏ vụ cơ thành những phõn tử hữu cơ lớn, phức tạp. Nhờ hoạt động quang hợp và ở phạm vi nhỏ là hoỏ tổng hợp của sinh vật sản xuất mà nguồn
thức ăn được tạo thành để nuụi sống trước hết cho sinh vật sản xuất, sau đú là những sinh vật khỏc, kể cả con người.
2.4.4.3. Cỏc mối quan hệ giữa cỏc quần thể sinh vật
Trong sinh quyển, mối quan hệ giữa cỏc loài là rất đa dạng và được thể hiện qua cỏc mối quan hệ sau:
a. Quan hệ giữa động vật và thực vật:
Thực vật cú vai trũ rất quan trọng trong đời sống động vật: Là nguồn cung cấp thức ăn cho động vật ăn thực vật, là nơi ở hoặc nơi sinh đẻ của một số loài động vật. Tuy nhiờn, nhiều loài nấm lại là những tỏc nhõn gõy bệnh đối với động vật. Ngược lại, thực vật trong mối quan hệ với động vật đó hỡnh thành những thớch nghi tương ứng như sự tự vệ (vỏ cõy dày, cành, lỏ cú gai, nhựa đắng và độc). Động vật giỳp cho sự thụ phấn, thỳ ăn quả giỳp cho sự phỏn tỏn. Nhiều loài động vật chuyờn ăn sõu bọ gõy hại thực vật.
b. Quan hệ cạnh tranh:
Quan hệ cạnh tranh khỏc loài được thể hiện rất rừ nột, khi cỏc loài khỏc nhau cú cựng nhu cầu thức ăn, nơi ở. Những loài sinh vật càng cú quan hệ sinh thỏi gần nhau (cú nhu cầu sinh thỏi càng giống nhau) thỡ giữa chỳng cú quan hệ cạnh tranh càng gay gắt. Nhiều nhà sinh thỏi học cho rằng, quan hệ cạnh tranh đúng vai trũ chủ yếu trong mối quan hệ của cỏc loài trong quần xó.
c. Quan hệ ký sinh - vật chủ:
Là quan hệ trong đú loài này (vật ký sinh) sống nhờ vào mụ hoặc thức ăn được tiờu hoỏ của loài khỏc (vật chủ). Vật ký sinh cú thể là nấm, vi khuẩn, động vật nguyờn sinh, giun trũn, sỏn lỏ, bột, sõu bọ. Vật chủ cú thể là thực vật, giỏp xỏc, chõn đều, nhện, cỏc loài động vật cú xương sống trong đú cú người.
Trong một số trường hợp, nếu vật kớ sinh trờn lỏ vật chủ song chỉ với một số lượng vừa phải, nú sẽ kớch thớch quỏ trỡnh tăng trưởng của cõy vật chủ, làm lợi cho cõy. Điều này giống với quan hệ sinh vật ăn thịt con mồi, mặt khỏc vật chủ và vật ký sinh đều cú những thớch nghi nhất định, hoặc tăng cường khả năng ký sinh, hoặc tăng cường đặc tớnh miễn dịch của vật chủ.
d. Quan hệ cảm nhiễm:
Quan hệ ức chế cảm nhiễm là quan hệ giữa cỏc loài sinh vật, trong đú loài này ức chế sự phỏt triển hoặc sự sinh sản của loài khỏc bằng cỏch tiết vào mụi trường những chất độc. Rễ của nhiều loài thực vật tiết ra những hợp chất khỏc nhau mà người ta
thường gọi là phytụnxit. Vớ dụ: Tảo giỏp Gonyaulax gõy ra hiện tượng "nước đỏ" bằng cỏch tiết ra những chất hoà tan cú thể gõy ra tử vong cho một số lớn loài động vật trờn bề mặt khỏ rộng.
e. Quan hệ cộng sinh:
Quan hệ cộng sinh là quan hệ hợp tỏc giữa 2 loài sinh vật trong đú cả 2 bờn đều cú lợi, song mỗi bờn chỉ cú thể sống, phỏt triển và sinh sản được dựa vào sự hợp tỏc của bờn kia. Quan hệ cộng sinh phổ biến ở nhiều loài sinh vật.
h. Quan hệ hợp tỏc:
Cũng giống như quan hệ cộng sinh song 2 loài khụng nhất thiết phải thường xuyờn sống chung với nhau: Khi sống tỏch riờng chỳng vẫn tồn tại được. Vớ dụ: Quan hệ hợp tỏc giữa chim sỏo và trõu, sự hợp tỏc này giỳp cho mỗi bờn bảo vệ cú hiệu quả hơn trước kẻ thự.
Ở thực vật cú hiệu quả bầu rễ (Rhizosphere): Là hiệu quả hệ rễ của một thực vật bậc cao lờn hệ vi sinh vật sống xung quanh hệ rễ. Những chất tiết của hệ rễ làm hệ vi sinh ở xung quang phỏt triển phong phỳ hơn.
i. Quan hệ hội sinh:
Quan hệ hội sinh là quan hệ giữa 2 loài sinh vật nhưng chỉ một bờn cú lợi, cũn bờn kia khụng cú lợi và cũng khụng cú hại gỡ.
Vớ dụ: Cõy biểu sinh như địa y sử dụng cành cõy làm giỏ thể, hoặc nhiều loài động vật khụng xương sống và sõu bọ sống nhờ trong tổ kiến mối (hiện tượng ở gửi) hoặc cỏ bỏm vào rựa để được phỏt tỏn đi xa (hiện tượng phỏt tỏn nhờ).
k. Sự cựng phỏt triển:
Đụi khi hai loài khỏc nhau phỏt triển một quần hợp thõn thiện sao cho cựng với thời gian quỏ trỡnh tiến hoỏ của mỗi loài đều được tỏc động tốt. Sự cựng tiến hoỏ là sự sự tiến hoỏ phụ thuộc lẫn nhau của 2 hoặc nhiều loài được diễn ra nhờ tỏc động tương hỗ của chỳng. Những thực vật ra hoa và những động vật thụ phấn của chỳng là 1 vớ dụ điển hỡnh về sự cựng phỏt triển. Bởi thực vật cú rễ ăn sõu xuống đất, chỳng thiếu tớnh cơ động trong khi động vật lại cú khi thụ phấn. Ong, bướm và một số cụn trựng thường mang phấn hoa đực từ cõy này đến cõy khỏc và như vậy, thực tế là làm cho thực vật cú tớnh cơ động.
Trong quỏ trỡnh hàng triệu năm cỏc quần hợp này đó phỏt triển, những cõy cú hoa phỏt triển nhiều cỏch để lụi cuốn cỏc động vật thụ phấn. Một trong những mún quà đối với động vật là thức ăn - mật hoa và phấn hoa. Cỏc cõy thường sản xuất một loại thức
ăn đặc thự cho mỗi loài động vật thụ phấn. Mật hoa được ong thụ phấn, thường chứa từ 30% - 35% đường, một nồng độ mà ong rất cần để tạo mật. Những con ong sẽ khụng đến những hoa cú nồng độ đường trong mật hoa thấp hơn. Nhiều thực vật cũng phỏt triển nhiều phương thức khỏc để gõy hấp dẫn đối với cỏc động vật thụ phấn, nhất là về màu sắc và hương thơm. Những động vật thụ phấn khỏc nhau tiếp nhận màu sắc khỏc nhau. Cụn trựng ưa thớch bước súng từ màu xanh da trời và vàng của phổ ỏnh sỏng nhỡn thấy được phỏt ra từ Mặt Trời và khụng chấp nhận màu đỏ.
Hương thơm cũng là một phương thức cú hiệu quả để lụi kộo động vật thụ phấn. Cụn trựng phỏt triển tốt giỏc quan mựi vị. Nhiều loài hoa được cụn trựng thụ phấn cú hương thơm rất mạnh.
CHƯƠNG 3. CÁC NGUYấN Lí SINH THÁI HỌC ỨNG DỤNG TRONG KHOA HỌC MễI TRƯỜNG 3.1. Sự sống và sự tiến húa của sinh vật
Theo cỏc tư liệu khoa học được biết hiện nay trờn TĐ là nơi duy nhất cú sự sống phỏt triển cao và con người. Sự hỡnh thành và phỏt triển TĐ liờn quan chặt chẽ với quỏ trỡnh hỡnh thành TĐ núi riờng và toàn bộ Thỏi Dương hệ và cũng như vũ trụ núi chung. Sự hỡnh thành và phỏt triển sự sống trờn TĐ cú thể minh họa theo sơ đồ:
Thời điểm (cỏc HT) triệu năm
Hiện tượng địa chất và sự sống Đặc điểm
của giai đoạn
Khớ quyển Thủy quyển Thạch quyển
15.000 Vụ nổ lớn trong vũ trụ (big bang). Hỡnh thàh cỏc tinh võn mặt trời. Tiến húa vật lý 4.800 Hỡnh thành dải ngõn hà 4.600 Hỡnh thành Thỏi Dương hệ Hỡnh thành Trỏi đất Xuất hiện khớ CH4, NH3 4.400 Hỡnh thành cỏc đại dương
Xuất hiện cỏc tế bào sống đơn sơ
Tiến húa sinh học 3.500 Xuất hiện O2 do quang hợp Quang hợp và dinh dưỡng dựng Oxy. 2.000 Hỡnh thành khớ quyển chứ O2, CO2, N
1.000 Xuất hiện cơ thể
sống ở dạng đơn bào
6000 Xuất hiện cỏc đa
bào, nhuyễn thể và sõu bọ
phỏt triển thực vật cạn thực vật 400 Động vật biển 60 Động vật phỏt triển trờn mặt đất 3,5 Cỏ voi, cỏ heo trở
lại đại dương
2,0 Xuất hiện vượn
người.
Xuất hiện người nguyờn thủy
Xuất hiện người.
Sự sống cú 5 đặc thự cơ bản sau:
- Khả năng tỏi sinh – tạo ra cỏc vật thể giống mỡnh
- Khả năng trao đổi chất – tiếp nhận, phõn giải và tổng hợp vật chất mới và nguồnnăng lượng cần thiết cho vật sống. năng lượng cần thiết cho vật sống.
- Khả năng tăng trưởng theo thời gian
- Khả năng thớc nghi để phự hợp với điều kiện mụi trường sống- Sự tiến húa của cỏc cỏ thể và quẩn thể sinh vật. - Sự tiến húa của cỏc cỏ thể và quẩn thể sinh vật.
Sự tiến húa của sinh vật được hỡnh thành theo 2 cơ chế như sau:
- Biến dị di truyền là sự xuất hiện cỏc cỏ thể với gen di truyền mới trong quần thể sinhvật dưới tỏc động của cỏc hiện tượng tự nhiờn và nhõn tạo trong mụi trường. vật dưới tỏc động của cỏc hiện tượng tự nhiờn và nhõn tạo trong mụi trường.
- Chọn lọc tự nhiờn của mụi trường tạo ra điều kiện cho sự phỏt triển chiếm ưu thế củacỏ thể gen mới. cỏ thể gen mới.
Trong bất cứ thời điểm nào, cỏc quần thể sinh vật đều cú những cỏ thể với gen mới xuất hiện. Nếu cỏ thể gen mới cú những ưu thế phỏt triển hơn cỏ thể gen cũ thỡ theo thời gian chỳng sẽ dần thay đổi dần cỏ thể gen cũ. Ngược lại, cỏ thể gen mới sẽ bị mụi trường tiờu diệt.
Theo mức độ tến húa sinh vật trờn TĐ cú thể chia thành 5 giới:
- Giới đơn bào (Monera) xuất hiện khoảng 3 tỷ năm trước đõy như: tảo lam, vi khuẩn,. - Giới đơn bào (Protista) như lỵ amip
- Giới nấm, men, mốc cú chức năng phõn hủy xỏc chết, biến chỳng thành cỏc chất dinh dưỡng.
- Giới thực vật cú khả năng tổng hợp chất hữu cơ từ ỏnh sỏng mặt trời và cỏc chất vụ cơ tớch lũy trong năng lượng mặt trời.
- Giới động vật cú chức năng tiờu thụ năng lượng sinh khối và khả năng tự di chuyển trong mụi trường.
3.2. Những vấn đề chung về sinh thỏi học
Sinh thỏi học là khoa học cơ sở cho cụng tỏc quản lý tài nguyờn thiờn nhiờn và bảo vệ mụi trường. Sinh thỏi học bao gồm:
* Sinh thỏi học cỏ thể: là việc nghiờn cứu mối quan hệ của một số cỏ thể của
loài đối với mụi trường, mà chủ yếu là về phương diện hỡnh thỏi, tỡm hiểu phương thức sống của động vật và thực vật như: kớch thước, nơi ăn ở, chỳng ăn cỏi gỡ và làm mồi cho con gỡ, cũng như phản ứng sinh lý của chỳng với những điều kiện mụi trường hoặc những đặc điểm riờng biệt của chỳng.
* Sinh thỏi học quầng thể: là nghiờn cứu về cấu trỳc và sự biến động số lượng
của nhúm cỏ thể thuộc một loài nhất định cựng sống chung với nhau ở một vựng lónh thổ theo một sinh cảnh địa lý. Quần thể cú cấu trỳc (tỷ lệ đực/cỏi; thành phần cỏc lứa tuổi,...) thớch ứng với điều kiện mụi trường ở một vựng nào đú. Sinh thỏi học quần thể cũng nghiờn cứu mối quan hệ sinh thỏi giữa cỏc cỏ thể trong nội bộ quần thể (sự tương trợ, sự đấu tranh,..), sự biến động về số lượng của cỏc cỏ thể trong quần thể dưới tỏc động của điều kiện mụi trường, tỡm ra nguyờn nhõn của sự biến động đú và đõy là một trong cỏc nội dung quan trọng của di truyền học.
* Sinh thỏi học quần xó: là nghiờn cứu mối quan hệ sinh thỏi giữa cỏc cỏ thể