a. Theo Jacobs và Sadler(
2.4.1. Sinh quyển và sinh khố
Cỏc khỏi niệm hiện đại về sinh quyển đĩ xuất hiện trong cỏc cụng trỡnh của nhà tự nhiờn vĩ đại người Phỏp J.B.Lamac vào đầu thế kỷ XIX. Năm 1875, nhà Địa chất nổi tiếng người Aùo E.Zins (1831-1914) đĩ tỏch sinh quyển thành 1 quyển độc lập của Trỏi đất. Học thuyết về sinh quyển (biosphere) được nhà Địa húa người Nga V.N.Vernatxki đưa ra năm 1926. Theo học thuyết này, sinh quyển là tồn bộ dạng vật chất sống tồn tại ở bờn trong, bờn trờn và phớa trờn Trỏi đất hoặc là lớp vỏ sống của Trỏi đất, một hệ thống động vụ cựng phức tạp với số lượng lớn cỏc yếu tố ngẫu nhiờn và nhiều quỏ trỡnh mang đặc điểm xỏc suất. Đõy là một hệ thống động và rất phức tạp. Nhờ hoạt động của cỏc HST mà năng lượng ỏnh sỏng Mặt trời đĩ bị biến đổi cơ bản để tạo thành vật chất hữu cơ trờn Trỏi đất. Sự sống trờn bề mặt Trỏi đất được phỏt triển nhờ sự tổng hợp cỏc mối quan hệ tương hổ giữa cỏc sinh vật với MT tạo thành dũng liờn tục trong quỏ trỡnh trao đổi vật chất và năng lượng. Như vậy, trong sự hỡnh thành sinh quyến cú sự tham gia tớch cực của cỏc yếu tố bờn ngồi như năng lượng Mặt trời, sự nõng lờn và hạ xuống của vỏ Trỏi đất, cỏc quỏ trỡnh tạo nỳi, băng hà,...Cỏc cơ chế xỏc định tớnh thống nhất và tồn diện của sinh quyển là sự di chuyển và tiến húa của thế giới sinh vật; vũng tuần hồn sinh địa húa của cỏc nguyờn tố húa học; vũng tuần hồn nước tự nhiờn. Sinh quyển tồn tại trờn Trỏi đất trong mối cõn bằng động với cỏc hệ tự nhiờn khỏc.Với sự xuất hiện và phỏt triển mạnh mẽ của lồi người, bờn trờn sinh quyển hỡnh thành một quyển đặc biệt là Trớ tuệ quyển (Noosphere).
2.4.2. Hệ sinh thỏi
Hệ sinh thỏi (HST) là tập hợp của quần xĩ sinh vật và sinh cảnh. Quần xĩ và sinh cảnh là hai thành phần của một khối thống nhất tạo thành một hệ thống tương đối ổn định, bền vững. Cú thể minh họa bằng cụng thức sau:
+ + =
Sinh quyển được duy trỡ và phỏt triển trong những hệ thống tỏc động tương hỗ giữa sinh vật và MT vụ sinh xung quanh, như một thực thể khỏch quan, xỏc định trong khụng gian và thời gian, được gọi là HST.
Theo độ lớn, HST cú thể chia thành: HST nhỏ (bể nuụi cỏ), HST vừa (một thảm rừng, một hồ chưa nước), HST lớn (đại dương). Tập hợp tất cả cỏc HST trờn bề mặt Trỏi đất thành một HST khổng lồ là sinh thỏi quyển(sinh quyển).
Quần xĩ Sinh vật Mụi trường xung quanh Nănglượng Mặt trời Hệ sinh thỏi
Trong HST, tồn tại hai thành phần : vụ sinh (abiotic) như nước, khụng khớ,... và sinh vật ( biotic). Giữa 2 thành phần trờn luụn cú sự trao đổi chất, năng lượng và thụng tin. Sinh vật trong HST được chia làm 3 loại chủ yếu:
• Sinh vật sản xuất, thụng thường là tảo hoặc thực vật, cú chức năng tổng hợp chất hữu cơ từ vật chất vụ sinh dưới tỏc động của ỏnh sỏng Mặt Trời.
• Sinh vật tiờu thụ, gồm cỏc loại động vật ở nhiều bậc khỏc nhau. Bậc 1 là động vật ăn thực vật. Bậc 2 là động vật ăn thịt,...
• Sinh vật phõn hủy gồm cỏc vi khuẩn, nấm, phõn bố ở khắp mọi nơi, cú chức năng chớnh là phõn hủy xỏc chết sinh vật, chuyển chỳng thành cỏc thành phần dinh dưỡng cho thực vật.
Trong HST liờn tục xảy ra quỏ trỡnh tổng hợp và phõn hủy vật chất hữu cơ và năng lượng. Cỏc HST đều cú nhu cầu về nguồn năng lượng bờn ngồi, nhất là ỏnh sỏng mặt trời để hoạt động. Những yếu tố vụ cơ cần thiết cho đời sống của sinh vật đều được sử dụng và tỏi sử dụng theo chu trỡnh trong HST.
2.4.3. Cỏc chu trỡnh sinh địa húa
Thực vật tổng hợp hydratcacbon trực tiếp từ khớ oxit cacbon, nước, cỏc khoỏng chất tan trong đất và nước để tạo ra cỏc tế bào của mỡnh. Động vật ăn cỏ sử dụng cỏc chất hữu cơ do thực vật tổng hợp. Động vật ăn thịt sử dụng động vật ăn cỏ làm thức ăn.Tất cả thức ăn thừa, xỏc chết của động vật được vi khuẩn và nấm phõn hủy thành cỏc hợp chất đơn giản làm chất dinh dưỡng cho thực vật. Cỏc chất dinh dưỡng theo chu trỡnh tuần hồn trờn chuyển vận từ đất, nước, khụng khớ, đỏ và cỏc cơ thể sống nhờ nguồn năng lượng được cung cấp từ Mặt Trời.
Trong thành phần của tế bào sống cú mặt hầu hết cỏc nguyờn tố húa học quan trọng của sinh quyển. Hàm lượng của cỏc nguyờn tố húa học chứa trong cỏc tế bào sống sắp xếp theo trật tự từ cao xuống thấp như sau: C-H-O-N-P-C-Cl-Cu-Fe-Mg-K-Na-S-Al- B-Br-Cr-Co-F-Ga-I-Mn-Mo-Se-Si-Sn-Ti-V-Zn. Nồng độ của cỏc nguyờn tố trờn trong cỏc lồi sinh vật thay đổi và phụ thuộc vào từng loại và đặc điểm MT sống của cỏc cỏ thể.
Chu trỡnh dinh dưỡng của nguyờn tố húa học tham gia vào thành phần của cỏc cơ thể sống cú thể trỡnh bày dưới dạng sơ đồ sau:
1. Chu trỡnh nước.
Nước là thành phần quan trọng cần thiết cho sự sống và cơ thể sống của sinh vật. Nước tồn tại trờn Trỏi đất ở 3 dạng: rắn, lỏng và hơi tựy thuộc vào nhiệt độ của bề mặt Trỏi đất. Ở trong biển và đại dương, nước chiếm 97,5%. Nước vận chuyển trong cỏc quyển, hũa tan và mang theo nhiều cỏc chất dinh dưỡng khoỏng và một số chất khỏc rất cần thiết cho sinh vật.
Nước từ bề mặt đại dương, ao, hồ,… nhờ NLMT, bốc hơi vào khớ quyển, ở đú hơi nước ngưng tụ rồi rơi xuống bề mặt Trỏi đất. Nước chu chuyển trờn phạm vi tồn cầu, tạo nờn cỏc cõn bằng nước và tham gia vào sự điều hũa khớ hậu.
2. Chu trỡnh cacbon.
Protờin, cacbon hydrat và nhiều phõn tử chứa cacbon khỏc rất cần thiết cho cơ thể sống. Cacbon chứa ở dạng khớ CO2 hũa tan như cacbonat (CO2-
3 ) và bicacbonat(HCO- 3) trong đỏ vụi. Thực vật hấp thụ CO2 trong quỏ trỡnh quang hợp và chuyển húa thành những hợp chất hữu cơ trong sinh vật sản xuất. (xem hỡnh 2.5)
Hỡnh 2.9: Chu trỡnh dinh dưỡng của Cacbon
Bảng 2.6: Cacbon trong sinh quyển (tỷ tấn)(Bolin et al, 1979)
- Khớ quyển - Nước đại dương - Trong trầm tớch - Cơ thể sinh vật - Nhiờn liệu húa thạch + Tổng cacbon hữu cơ + Tổng cacbon vụ cơ 692 35.000 >10.000.000 3.432 (đang sống 529 và chết 1840) > 5.000 8.432 10.035.692 3. Chu trỡnh nitơ.
Khớ nitơ chiếm 78% thể tớch khớ quyển mà phần lớn động thực vật khụng sử dụng được. Nếu nitơ biến đổi hũa tan trong nước dưới dạng hợp chất chứa NO-
3 thỡ được rễ Khớ quyển Động vật Thực vật Nước Đỏ Đất Đốt nhiờn liệu Sinh vật đất Trầm tớch Sinh vật nước
cõy hấp thụ như là một phần của chu trỡnh nitơ. Thực vật biến đổi NO-
3 thành phõn tử chứa nitơ như protein, axit nucleic cần thiết cho sự sống. Khi động vật và thực vật chết, vi sinh vật phõn hủy cỏc phõn tử N2 thành khớ NH3 và cỏc muối chứa ion NH+
4.
Hỡnh 2.10: Chu trỡnh dinh dưỡng của Nitơ
4. Chu trỡnh photpho.
P là thành phần quan trọng của chất nguyờn sinh. Hàm lượng photpho trong cơ thể thường lớn hơn so với mụi trường bờn ngồi. Vỡ vậy, photpho trở thành nhõn tố sinh thỏi vừa mang tớnh giới hạn, vừa mang tớnh chất điều chỉnh. Trong tự nhiờn, photpho cú nhiều trong cỏc loại đỏ, đặc biệt là apatit.
Quỏ trỡnh phong húa đỏ và khoỏng húa cỏc hợp chất hữu cơ, photpho được giải phúng ra và tạo thành cỏc muối của axit photphoric được cỏc rễ cõy hấp thụ. Một số lớn photpho đi theo chu trỡnh nước vào đại dương và làm giàu cho nước mặn, làm thức ăn cho sinh vật phự du và phõn tỏn vào cỏc chuỗi thức ăn.
2.4.4. Quang hợp và hụ hấp
Từ khi Trỏi đất được hỡnh thành thỡ quỏ trỡnh tổng hợp và phõn hủy cỏc chất bằng con đường húa học cũng diễn ra, quỏ trỡnh này gọi là “Vũng tuần hồn địa chất”. vào thời kỳ tiền Cambri, những sinh vật đơn bào đầu tiờn đĩ xuất hiện và song song với vũng đại tuần hồn địa chất là sự ra đời của “Vũng tuần hồn sinh học”. Sinh quyển ra đời và tiến húa dưới ảnh hưởng của 2 nhúm yếu tố:
- Yếu tố bờn ngồi: điều kiện MT thay đổi, cỏc biến cố thiờn nhiờn và biến đổi địa lý. Khớ quyển Thực vật và động vật Sinh vật đất Nước Đỏ Nụng nghiệp Cụng nghiệp và giao thụng Sinh vật nước Trầm tớch
- Yếu tố bờn trong: sự thay đổi của cỏc thành phần sinh vật bờn trong cỏc HST.
Bằng con đường chọn lọc tự nhiờn và đột biến trong điều kiện MT thay đổi, nhiều lũa bị mất đi, nhiều lồi lại phỏt triển. Dần dần thực vật quang hợp xuất hiện, đỏnh dấu bước ngoặt quan trọng trờn Trỏi đất về phương diện biến đổi vật chất. Mối quan hệ giữa 2 vũng tuần hồn trờn được minh họa theo hỡnh sau:
Hỡnh 2.11: Quan hệ giữa vũng đại tuần hồn địa chất và vũng tiểu tuần hồn sinh học
Quang hợp và hụ hấp là 2 khớa cạnh của quỏ trỡnh chuyển húa năng lượng bờn trong sinh vật và sinh quyển.
Nước ngầm Biển - Đại Mưa O2 CO2 Bay hơi Bốc hơi sinh học Năng lượng thải
do hụ hấp Năng lượng mặt trời Chất dinh dưỡng và nước Đất Đỏ Rửa trụi Chuyển vận nước
Năng lượng địa chất
Dũng năng lượng Dũng vật chất
Giới hạn của vũng đại tuần hồn địa chất
Giới hạn của vũng tiểu tuần hồn sinh vật học
Dũng đến bức xạ súng ngắn
Dũng đi bức xạ súng dài
Quang hợp là tổ hợp phức tạp cỏc phản ứng khỏc nhau về bản chất.Trong quỏ trỡnh này xảy ra sự tỏi tạo cỏc mối liờn kết trong cỏc phần tử CO2 và H2O, từ cỏc mối liờn kết cũ kiểu cacbon - oxy và hydro - oxy, xuất hiện một kiểu liờn kết húa học mới cacbon - hydro và cacbon - cacbon ;
Kết quả cỏc biến đổi trờn, xuất hiện phõn tử cacbon nguồn tớch lũy năng lượng trong tế bào.
Phương trỡnh tổng quỏt quỏ trỡnh quang hợp cú thể biểu diễn như sau:
Ánh sỏng Mặt Trời
6 CO2 + 6 H2O --- C6H12O6+ 674 kcal/mol
Chu trỡnh tuần hồn năng lượng trong sinh quyển bởi quang hợp và hụ hấp được trỡnh bày trong hỡnh sau:
Tạo ra 170 tấn C Than, dầu, khớ đốt, Hụ hấp, lờn men
4000 tỷ tấn hữu cơ than bựn phõn hủy
120 tỷ tấn oxy
Hỡnh 2.12: Dũng năng lượng trong sinh quyển
Năng lượng ban đầu 1. Phúng xạ
2. Mặt trời
25.1020kcal
Quang hợp Tớch lũy dạng húa thạch Oxy húa cỏc hữu
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, Trỏi đất là nơi duy nhất cú sự sống phỏt triển cao và con người. Sự hỡnh thành và phỏt triển sự sống trờn Trỏi đất liờn quan chặt chẽ với quỏ trỡnh hỡnh thành Trỏi đất núi riờng và tồn bộ Thỏi Dương hệ và cũng như vũ trụ núi chung. Bảng 3.1, minh họa cho sự sống trờn Trỏi đất
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 nguồn năng lượng cần thiết cho vật sống
• Khả năng tăng trưởng theo thời gian
• Khả năng thớch nghi để phự hợp với điều kiện MT sống
• Sự tiến húa của cỏc cỏ thể và quần thể sinh vật.
Sự tiến húa của sinh vật được hỡnh thành theo 2 cơ chế: Biến dị di truyền và chọn lọc tự nhiờn.
Theo mức độ tiến húa sinh vật trờn Trỏi đất 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 như nấm, men, mốc cú chức năng phõn hủy xỏc chết, biến chỳng thành chất dinh dưỡng.
- Giới thực vật cú khả năng tổng hợp chất hữu cơ từ ỏnh sỏng mặt trời và cỏc chất chất vụ cơ, tớch lũy 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.
Bảng 3.1: Sự hỡnh thành và phỏt triển vật chất và sự sống trờn Trỏi đất
Thời điểm (cỏch HT) triệu năm
Hiện tượng địa chất và sự sống
Khớ quyển Thủy quyển Thạch quyển
Đặc điểm của giai đoạn
15.000 - Vụ nổ lớn trong vũ trụ (big bang) - Hỡnh thành cỏc tinh võn
4.800 - Hỡnh thành ngõn hà 4.600 - Hỡnh thành Thỏi dương hệ
- Hỡnh thành Trỏi đất
- Xuất hiện khớ quyển CH4, NH3
Tiến húa vật lý
4.400 -Hỡnh thành cỏc đại dương
-Xuất hiện cỏc tế bào sống đơn sơ 3.500 Xuất hiện oxy
do quang hợp 2.000 Hỡnh thành khớ
quyển chứa O2,CO2,N
1.000 Xuất hiện cơ
thể sống dạng đơn bào
600 Xuất hiện cỏc đa bào, nhuyễn thể, sõu bọ
450 Xuất hiện &
phỏt triển thực vật cạn 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
Tiến húa sinh học Quang hợp và dinh dưỡng dựng oxy Xuất hiện thực vật Xuất hiện người 3.2. Cấu trỳc sự sống trờn Trỏi đất
Cỏc sinh vật trờn Trỏi đất liờn quan chặt chẽ với nhau, gắn bú với nhau trong một hệ thống phức tạp và nhiều bậc. Mức độ cao nhất là sinh quyển sinh đới Hệ sinh thỏi quần xĩ quần thể sinh vật cỏ thể sinh vật.
Sinh quyển đuợc chia thành những vựng đặc thự về khớ hậu, hệ động thực vật và kiểu đất gọi là sinh đới. Mỗi kiểu sinh đới cú diện tớch rộng hàng triệu km2.
Trờn Trỏi đất cú khoảng 12 sinh đới (biom). Khụng gian của cỏc sinh đới được xỏc định bởi nhiệt độ, lượng mưa và sự phong phỳ cỏc lồi động thực vật.Trong mỗi sinh đới, tồn tại cỏc hệ sinh thỏi ổn định tương tỏc phức tạp với nhau.
Đặc điểm chủ yếu của cỏc sinh đới trờn Trỏi đất như sau:
• Sinh đới tundra (đồng rờu vựng cực) cú cỏc đặc điểm sau: - Phõn bố ở vựng cực thuộc Bắc cực và Nam cực
- Nhiệt độ sinh đới thường lạnh quanh năm
- Thực vật nghốo nàn, gồm rờu, địa y và cõy bụi thấp hỗn hợp
- Động vật nghốo nàn gồm cỏo xanh, hươu, tuần lộc, hươu kộo xe, chim cỏnh cụt, gấu trắng, chim vĩng lai, bũ sỏt và ếch nhỏi rất hiếm
• Sinh đới đỉnh nỳi cao cú đặc điểm sau:
- Phõn bố trờn cỏc đỉnh nỳi cao, lạnh và ỏp suất thấp
- Thực vật phõn bố thành đai thẳng đứng, theo độ cao và hướng về phớa ỏnh sỏng mặt trời.
- Động vật đa dạng, phõn bố theo cỏc đai thảm thực vật và độ cao. Chom thỳ hiếm gặp, cỏc lồi động vật khỏc rất phong phỳ, được phõn bố theo sự phõn bố của thực vật.
• Sinh đới rừng cú đặc điểm sau: đặc trưng của cỏc sinh đới rừng là cấu trỳc phõn tầng với ba tầng chớnh là cõy bụi, cõy gỗ và cỏ. Độgn vật rất đa dạng, đặc biệt là động vật sống trong đất. Sinh đới rừng cú hai kiểu chớnh là rừng ụn đới và rừng rậm nhiệt đới.
- Rừng ụn đới: phõn bố ở vựng cú khớ hậu ụn đới, thực vật khỏ đa dạng, động vật rừng sinh đới rất đa dạng, gồm cỏc lồi thỳ ăn cỏ, thỳ ăn thịt, thỳ sống trờn cõy, thỳ gậm nhấm, chim cỏc loại, cụn trựng.
- Rừng nhiệt đới: phõn bố chủ yếu ở vựng nhiệt đới, động thực vật rất phong phỳ và đa dạng, tổng sinh khối rất lớn
• Sinh đới thảo nguyờn thường phõn bố ở vựng cú mựa khụ kộo dài, lượng mưa nhỏ, thực vật gồm cỏc lồi cú kớch thước bộ, động vật chủ yếu là lồi ăn cỏ,