(nguồn bài giảng chuyên đề tiếp cận hệ thống trong dạy học sinh học ) Như vậy, CĐTCS quần thể có các thành phần cấu trúc: Mật độ; tỉ lệ nhóm tuổi; tỉ lệ đực cái; tỉ lệ sinh sản, tử vong; kiểu tăng trưởng; kiểu phân bố và khả năng thích ứng, trong đó mật độ là thành phần cấu trúc quan trọng nhất ảnh hưởng tới tất cả các yếu tố cấu trúc còn lại. Các yếu tố cấu trúc đó có mối tác động qua lại biện chứng, phối thuộc lẫn nhau và với môi trường làm cho quần thể bộc lộ tất cả các tính chất sống (tính trồi hệ thống) của hệ như: chuyển hóa vật chất và năng lượng, sinh trưởng và phát triển, sinh sản, tự điều chỉnh (cảm ứng), tiến hóa, thích nghi của CĐTCS quần thể. Đồng thời, các yếu tố cấu trúc trên còn là các trị số số học giúp quần thể có khả năng tự điều chỉnh, duy trì sự ổn định và tiến hóa của cả hệ thống.
2.2.3. Chuyển hóa vật chất và năng lượng
* Khái niệm: Là quá trình tăng trưởng của quần thể. Nội dung cơ bản của nó là sự tăng mật độ cá thể hoặc sinh khối trung bình trên một đơn vị diện tích hay thể tích, thông qua quá trình thu nhận, tổng hợp, phân giải và thải các chất gắn liền với sự tích lũy và giải phóng năng lượng của mỗi cá thể [14, tr. 67].
Trong đời sống mỗi cá thể sinh vật đều có quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng, giúp sinh vật lớn lên, tăng sinh khối, tăng số lượng cá thể và từ đó dẫn tới sự tăng trưởng của quần thể. Sự tăng sinh khối của các cá thể dẫn đến sự tăng
trưởng của cơ thể và có thể dẫn tới tăng số lượng cá thể trong quần thể. Số lượng cá thể tăng lên làm cho mật độ cá thể cũng tăng dần. Khi ấy quần thể tăng trưởng dương và ngược lại quần thể sẽ tăng trưởng âm.
Trong điều kiện môi trường sống thuận lợi, các mối quan hệ sinh thái giữa các cá thể trong quần thể hợp lí thì số lượng cá thể tăng lên nhanh chóng, dẫn đến quần thể tăng trưởng nhanh, liên tục. Dần dần cho đến khi nguồn cung của môi trường vừa đủ so với số lượng các cá thể trong quần thể thì quần thể tăng trưởng ổn định. Khi nguồn cung của môi trường không đáp ứng đủ so với sự phát triển của các cá thể trong quần thể thì quần thể tăng trưởng chậm lại và nếu không được bổ sung nguồn cung thì quần thể có thể dẫn đến suy vong. Ngược lạ,i nếu nguồn cung được bổ sung liên tục thì quần thể lại tăng trưởng liên tục.
Sự tăng trưởng của quần thể liên quan chặt chẽ với ba chỉ số cơ bản: Mức sinh sản, mức tử vong và sự phân bố các nhóm tuổi của quần thể. Mỗi chỉ số có một ý nghĩa và giá trị riêng đối với sự tăng trưởng của quần thể.
Như vậy, chuyển hóa vật chất và năng lượng của quần thể thực chất là sự tăng sinh khối của cả quần thể nhờ sự chuyển hóa vật chất và năng lượng của các cá thể trong quần thể. Tốc độ tăng trưởng của các quần thể khác nhau là không giống nhau và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố bên trong và bên ngoài quần thể. Nhờ quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng giúp cho quần thể sinh trưởng và phát triển được.
2.2.4. Sinh trưởng và phát triển của quần thể
* Khái niệm: Là quá trình tăng kích thước quần thể. Nội dung cơ bản của nó là sự tăng số lượng cá thể gắn liền với sự mở rộng khu phân bố của quần thể, dẫn đến sự phân hóa về cấu trúc và hoàn thiện về chức năng sinh học của quần thể [14, tr. 68].
Trong môi trường sống nhất định, mỗi quần thể có số lượng đặc trưng phù hợp với nguồn cung của môi trường đó. Đồng thời trong môi trường đó, quần thể lại có những đặc trưng cơ bản: mật độ, tỉ lệ giới tính, tỉ lệ nhóm tuổi, sự phân bố, kích thước, kiểu tăng trưởng và cả vốn gen. Các đặc điểm vốn gen được thể hiện qua tần số alen và tần số kiểu gen của quần thể (cấu trúc di truyền của quần thể). Trên thực tế, môi trường sống thường hay thay đổi, đồng thời các nhân tố tiến hóa (đột biến,
giao phối không ngẫu nhiên, di- nhập gen, CLTN, các yếu tố ngẫu nhiên) luôn tác động khiến cho số lượng cá thể và tần số alen, cấu trúc di truyền của quần thể luôn biến động.
Bất kỳ loài sinh vật nào khi mới hình thành chỉ chiếm cứ một vùng phân bố nhỏ. Khi gặp điều kiện sinh sống thuận lợi, loài sinh trưởng và gia tăng số lượng, vùng phân bố được mở rộng dần. Vùng phân bố của loài được mở rộng ra phía có điều kiện sống thuận lợi, phía nào điều kiện sống không thuận lợi cho loài, ranh giới vùng phân bố nơi đó không được mở rộng, thậm chí còn bị thu hẹp lại. Trong điều kiện thực nghiệm, như nuôi cấy vi sinh vật trong môi trường nuôi cấy trong đĩa petri, do điều kiện môi trường nuôi cấy khá đồng nhất, vi sinh vật phát triển và mở rộng vùng phân bố đồng đều ra xung quanh, vùng phân bố có dạng hình tròn hay hình bầu dục. Trong tự nhiên, do điều kiện sinh thái phân bố rất không đồng đều, vì thế không có một loài sinh vật nào tạo nên một lớp phủ đồng đều liên tục trên toàn bộ lãnh thổ vùng phân bố của nó, mà thường có một số cá thể phân bố liên tục ở khu vực khác của vùng phân bố, lại có những cá thể phân bố lẻ tẻ, rải rác. Trong thực tế thiên nhiên, ở những nơi thuận lợi loài sinh sản mạnh, số lượng cá thể tăng, loài mở rộng vùng phân bố; những nơi không thuận lợi thì loài sinh sản chậm và ít, vùng phân bố không được mở rộng, có khi còn bị thu hẹp. Việc mở rộng khu phân bố còn phụ thuộc vào từng loài. Có loài vùng phân bố rộng thường có nhiều quần thể (gọi là loài đa hình) và ngược lại gọi là loài đơn hình. Loài đa hình sẽ dễ dàng mở rộng khu phân bố hơn so với loài đơn hình [21].
Như vậy, kích thước quần thể tăng hoặc giảm thì cấu trúc, chức năng và các đặc điểm di truyền của quần thể cũng thay đổi. Khi quần thể có cấu trúc mới thì các chức năng sinh học dần dần cũng thay đổi tương ứng với cấu trúc đó.
2.2.5. Sinh sản của quần thể
* Khái niệm: Là quá trình tăng lên về số lượng quần thể tạo nên quần thể mới từ quần thể ban đầu. Nội dung cơ bản của nó là sự tăng lên về số lượng cá thể của quần thể khi vượt quá giới hạn chịu đựng của môi trường, hoặc do các biến cố địa chất, khí hậu,... dẫn tới hiện tượng tách đàn; dưới tác động của chọn lọc tự
nhiên, các nhân tố tiến hóa và các cơ chế cách li dẫn tới hình thành quần thể mới [14, tr. 68].
Trong môi trường sống nhất định, các cá thể trong mỗi quần thể luôn có xu hướng tăng số lượng các cá thể có kiểu gen quy định kiểu hình thích nghi từ thế hệ này sang thế hệ khác. Nhờ quá trình chuyển hóa vật chất và năng lượng của từng cá thể trong quần thể mà số lượng cá thể tăng lên nhanh chóng (sinh trưởng của quần thể), có thể kéo theo sự mở rộng khu phân bố của quần thể làm thay đổi một loạt các yếu tố cấu trúc và chức năng của quần thể đó (phát triển của quần thể). Quá trình sinh trưởng và phát triển của quần thể cứ tiếp tục diễn ra qua các thế hệ cho đến khi vượt quá giới hạn chịu đựng của môi trường hoặc bị chia cắt bởi các rào cản địa lí (sông, núi, biển…), cùng với sự tác động liên tục, mạnh mẽ của các nhân tố tiến hóa trong môi trường và các cơ chế cách li sinh sản có thể dẫn đến hiện tượng tách đàn hoặc biến đổi tần số alen và thành phần kiểu gen của quần thể, hình thành quần thể mới, loài mới. Đây là cơ sở của quá trình tiến hóa nhỏ, từ đó lâu dài dẫn đến quá trình tiến hóa lớn.
Việc số lượng cá thể tăng cao dẫn đến sự cạnh tranh cùng loài xảy ra, đến khi nguồn cung của môi trường không đủ dẫn đến hiện tượng một số cá thể sẽ di cư sang quần thể khác hoặc sang môi trường mới. Ở môi trường mới, dưới tác dụng của các nhân tố tiến hóa, tần số alen và thành phần kiểu gen của nhóm cá thể di cư sẽ thay đổi khác biệt so với quần thể gốc, cùng với các cơ chế cách li sẽ hình thành nên quần thể mới, nếu được cách li sinh sản với quần thể gốc sẽ hình thành loài mới. Như vậy, hai quần thể của cùng một loài chỉ tiến hóa thành hai loài khi sự thay đổi về tần số alen gây nên bới các nhân tố tiến hóa dẫn đến sự xuất hiện cách li sinh sản. Vậy, sinh sản của quần thể bên cạnh tăng số lượng cá thể còn làm thay đổi vốn gen (bao gồm tần số alen và thành phần kiểu gen) của quần thể, đây là cơ sở tạo nên các quần thể tiến hóa.
Như vậy, quá trình sinh sản của quần thể tạo ra quần thể mới lúc đầu là sự gia tăng số lượng cá thể, sau đó đến sự thay đổi về mặt di truyền của quần thể dưới tác động của các nhân tố tiến hóa. Đây là cơ sở có thể dẫn đến hình thành loài mới.
2.2.6. Tự điều chỉnh (cảm ứng)
* Khái niệm: Là khả năng duy trì trạng thái cân bằng của quần thể. Nội dung
cơ bản của nó là cơ chế tự điều chỉnh mật độ thông qua sự điều chỉnh mối tương quan giữa tỉ lệ sinh sản/tử vong bằng phương thức điều hòa mềm dẻo hoặc khắc nghiệt tùy thuộc vào sức chứa của môi trường [14, tr. 68].
Trong quá trình sống, mật độ cá thể của quần thể cũng có sự biến động theo sự thay đổi của môi trường sống thể hiện qua sự biến động số lượng cá thể trong quần thể. Khi môi trường sống thuận lợi, số lượng cá thể trong quần thể tăng lên nhanh chóng và ngược lại. Sự biến động này có thể theo chu kì hoặc bất thường. Ví dụ về sự biến động số lượng cá thể theo chu kì, ở đồng rêu phương Bắc, theo chu kì 3- 4 năm/lần, số lượng cáo lại tăng lên gấp 100 lần và sau đó lại giảm, đúng theo chu kì biến động của chuột lemmut (là con mồi chủ yếu của cáo). Cá cơm ở vùng biển Pêru có chu kì biến động là 7 năm, khi có dòng nước nóng chảy về làm cá chết hàng loạt. Ở Việt Nam vào mùa xuân và hè có khí hậu ấm áp, sâu hại xuất hiện nhiều. Chim cu gáy là loài chim ăn hạt thường xuất hiện nhiều vào thời gian thu hoạch lúa, ngô hằng năm… [8, tr. 171], [9]
Ngược lại, khi môi trường sống ổn định, quần thể luôn có xu hướng tự điều chỉnh số lượng cá thể bằng cách hoặc làm giảm số lượng cá thể hoặc kích thích làm cho số lượng cá thể của quần thể tăng cao. Trong điều kiện môi trường thuận lợi như có nguồn thức ăn dồi dào, ít kẻ thù,… sức sinh sản của quần thể tăng lên và mức độ tử vong giảm, nhập cư cũng có thể tăng. Do, đó, số lượng cá thể của quần thể tăng lên nhanh chóng. Số lượng cá thể trong quần thể tăng lên cao, sau một thời gian, nguồn thức ăn trở nên thiếu hụt, nơi sống chật chội, dẫn tới cạnh tranh gay gắt giữa các cá thể làm cho mức tử vong tăng và sức sinh sản giảm, đồng thời xuất cư cũng có khả năng tăng cao. Số lượng cá thể của quần thể lại được điều chỉnh giảm xuống. Cạnh tranh gay gắt giữa các cá thể trong quần thể dẫn đến hiện tượng tự tỉa thưa ở thực vật và hiện tượng động vật cùng loài ăn thịt lẫn nhau [8,tr. 173], [9].