- Các chất hữu cơ (protein, gluxit, lipit…) liên k ết giớ
b) Các đặc trưng của HST: Trong HST luơn xảy ra sự trao đổi vật chất và năng
lượng trong nội bộ và với MT bên ngồi theo một chu trình và thường tích lũy để tạo ra sinh khối (năng suất sinh học).
HST tồn tại và hoạt động nhờ cĩ 2 chức năng cơ bản: - Dịng năng lượng chủ yếu được cung cấp từ mặt trời. - Vịng tuần hồn vật chất (chu trình vật chất).
b1. Sự chuyển hĩa năng lượng trong HST: + Dịng năng lượng trong HST:
- Muốn mơ tả năng lượng trong HST phải thừa nhận khái niệm “dịng năng
lượng” bởi vì như vậy ta thấy sự chuyển hĩa năng lượng đi theo 1 hướng khác với
- Các HST tồn tại và phát triển chủ yếu nhờ nguồn năng lượng vơ tận của mặt trời, sự biến đổi của năng lượng từ dạng nguyên khai thành dạng hĩa năng trong quá trình quang học là điểm khải đầu của dịng năng lượng trong các HST rồi từ hĩa năng sang cơ năng và nhiệt năng (phù hợp quy luật nhiệt động học).
+ Dịng năng lượng đi qua HST:
- Thực vật là sinh vật duy nhất cĩ khả năng sử dụng năng lượng mặt trời để làm nên những kỳ tích trên trái đất tạo ra nguồn thức ăn ban đầu và dưỡng khí O2 là điều kiện tối cần thiết cho sự ra đời và phát triển hưng thịnh của mọi sự sống.
- Khi đi qua HST năng lượng của mặt trời phải trải qua 3 quá trình: + Cĩ thể đi qua chuỗi thức ăn.
+ Tích lũy trong HST dưới dạng năng lượng hĩa học và trong nguyên liệu sinh vật.
+ Đi khỏi HST dưới dạng nhiệt hoặc sản phẩm thu hoạch, nguyên liệu.
- Như vậy năng lượng mặt trời sẽ như thế nào khi đi qua HST, nhiều nghiên cứu đã khẳng định rằng: năng lượng sẽ giảm dần từ bậc dinh dưỡng này đến bậc dinh dưỡng kế tiếp do 2 nguyên nhân:
* Năng lượng mất đi giữa các bậc dinh dưỡng. * Năng lượng mất đi trong mỗi bậc dinh dưỡng.
Thí dụ: Thực vật trong đại bộ phận các HST nĩi chung (cĩ HST nơng nghiệp) chỉ cĩ thể chuyển hĩa được 1% năng lượng mặt trời – với tính cụ thể hiệu quả trung bình của SX trên trái đất chỉ đạt 0,5% mà trong số này mất 0,25% sử dụng cho quá trình chuyển hĩa và tăng trưởng – phần hữu hiệu cho SX chỉ cịn 0,025%. Mặt trời Sinh vật sản xuất Sinh vật tiêu thụ, phân hủy Nhiệt năng Cơ năng Nhiệt năng Dịng năng lượng bức xạ Nănglượng Hĩa học
Hình 2.3: Minh họa các mức năng lượng qua một HST
Cũng qua hình này ta thấy từ 14.400 Kcal BXMT cung cấp cho HST qua các phân đoạn của chuỗi thức ăn, cuối cùng đến động vật ăn thịt chỉ cịn tích lũy được 0,15 Kcal. Từ đĩ ta biểu thị năng lượng bằng các tháp.
+ Tháp số lượng: chỉ ra các SV ở mỗi bậc dinh dưỡng trong một HST đã cho với
những số lượng lớn hơn, hầu hết tháp số lượng ở mỗi bậc dinh dưỡng kế tiếp sẽ do một số SV ít hơn chế ngự.
+ Tháp sinh khối: biểu thị sinh khối tổng thể ở mỗi bậc dinh dưỡng kế tiếp hoặc
tổng các cơ thể sống. Đơn vị đo của nĩ thay đổi: sinh khối cĩ thể biểu thị như tổng khối lượng, trọng lượng khơ hoặc trọng lượng tươi. Điển hình những tháp sinh khối biểu thị sự giảm sinh khối trong các bậc dinh dưỡng.
Giả thiết rằng trung bình suy giảm 90% sinh khối ở mỗi bậc dinh dưỡng, 10,000 kg cỏ đủ đáp ứng nhu cầu cho 1000 kg dế và đáp ứng cho 1000 kg ếch. Theo logic này thì sinh khối của những sinh vật ăn ếch như con Diệc chỉ vào khoảng 10 kg.
+ Tháp năng lượng: minh họa các mối quan hệ năng lượng của HST bằng việc chỉ
ra năng lượng của sinh khối ở mỗi bậc dinh dưỡng.
- Chuỗi thức ăn thường được thể hiện dưới dạng mạng lưới thức ăn, cĩ mối quan hệ chằng chịt và phức tạp. Mỗi thức ăn gồm nhiều bậc dinh dưỡng (ít nhất là 2, nhiều nhất là 8, song thường là 3-5 bậc).
- Chuỗi thức ăn thể hiện đúng trong quan hệ hiền – dữ, nghĩa là động vật cĩ kích thức nhỏ làm mối ăn cho những động vật cĩ kích thước lớn. Khi chuyển dạng từ bậc dinh dưỡng này sang bậc dinh dưỡng kia, năng lượng bị mất đi do chuyển hĩa thành nhiệt nên bậc ở đáy bao giờ cũng lớn hơn bậc ở trên. Cũng lưu ý rằng cường độ trao đổi chất ở SV tỉ lệ nghịch với kích thước, nên khi chuyển từ bậc dinh dưỡng thấp lên bậc dinh dưỡng cao, năng lượng giảm đi tới 10 lần.
Như vậy dùng năng lượng là chỉ số thích hợp nhất để so sánh tất cả các yếu tố tổng quan HST với nhau. Từ phân tích trên cho thấy, chuỗi thức ăn ngắn sẽ cĩ lợi hơn. Trong thực tiễn sản xuất hiện nay cũng vậy:
Thĩc gạo gà Rau cám heo Cỏ, cây bị, ngựa
Thực vật cá trắm cỏ…
Tĩm lại: khác với vật chất, năng lượng khi vào HST được biến đổi và
chuyển vận thành dịng qua chuỗi thức ăn rồi thốt ra ngồi khỏi hệ dưới dạng nhiệt, do vậy năng lượng chỉ sử dụng một lần trong khi dạng vật chất được sử
dụng lặp đi lặp lại và bảo tồn.
b2) Sự chuyển hĩa vật chất trong HST:
Được thực hiện bằng chu trình vật chất (vịng tuần hồn vật chất). Trong tự nhiên vật chất đi từ MT bên ngồi vào cơ thể SV rồi từ SV này sang SV khác theo chuỗi thức ăn, và từ tất cả các SV, vật chất được trả lại MT qua trao đổi chất ở SV và quá trình phân hủy. Điều này xác định chu trình vật chất của HST cĩ 3 quá trình vận động cơ bản: sự tạo thành, tích lũy, phân hủy, 3 quá trình này quan hệ chặt chẽ với nhau để sản sinh ra chất sống. Vịng tuần hồn vật chất được thể hiện qua chuỗi thức ăn và chu trình sinh - địa - hĩa.
+ Chuỗi thức ăn: là sự vận chuyển năng lượng từ nguồn thực vật đi qua hàng loạt
SV, được tiếp diễn bằng cách một số SV này lại sử dụng một nhĩm SV khác làm thức ăn. Như vậy các chuỗi thức ăn là con đường chuyển chất dinh dưỡng và năng lượng trong HST.
Thực vật nổi động vật nổi cá mè Cỏ Cào cào Ếch nhái rắn
Thứ tự các nhĩm trong chuỗi thức ăn được gọi bậc dinh dưỡng của nhĩm đĩ. + Bậc dinh dưỡng thứ I là vị trí đầu tiên trong chuỗi là bậc của SV sản xuất (tự dưỡng, thực vật tảo).
+ Bậc dinh dưỡng thứ II ở vị trí thứ 2 trong chuỗi là SV tiêu thụ bậc I. + Bậc dinh dưỡng thứ III ở vị trí thứ III trong chuỗi là SV tiêu thụ bậc II… - Trong chuỗi thức ăn vật chất được chuyển từ bậc thấp đến bậc cao hơn, năng lượng tích tụ trong mỗi bậc càng giảm, nhưng chất lượng sản phẩm hay sự giàu năng lượng tính trên đơn vị sản phẩm càng lớn.
Các bậc dinh dưỡng Lồi đại diện
Lồi ăn thịt
Sinh vật tiêu thụ bậc 3 Chim Ưng
Lồi ăn thịt
Sinh vật tiêu thụ bậc 2 Éch, Nhái
Lồi ăn cỏ Sinh vật tiêu thụ bậc 1 Cào cào Thực vật Sinh vật sản xuất Cỏ, cây
Hình 2.4 Lưới thức ăn trên cạn và dưới nước
+ Chu trình sinh – địa – hĩa: là chu trình vận động của các chất vơ cơ từ MT bên
ngồi vào cơ thể SV, rồi từ cơ thể SV lại chuyển vào MT. Trong hơn 100 nguyên tố hĩa học đã biết, cĩ hơn 30 nguyên tố đã gặp trong cơ thể sống. Một số nguyên tố SV cần với số lượng nhiều (đa lượng) như C, N, O2, H2, P ,Ca…; cịn một số nguyên tố khác SV chỉ địi hỏi một lượng nhỏ (vi lượng), nhưng rất cần thiết cho cơ thể, như Cu, Mn, Bo, Fe…
Mỗi nguyên tố cĩ chu trình sinh – địa – hĩa riêng của mình, song chúng cĩ những nét cơ bản giống nhau. Người ta phân biệt 2 loại chu trình sinh – địa – hĩa: Chu trình các chất cĩ nguồn dự trữ trong khí quyển hoặc thủy quyển. Ví dụ, chu trình nước, N2, CO2; Chu trình lắng đọng (trầm tích) cĩ nguồn dự trữ nằm trong thực quyển. Ví dụ: như chu trình phốt pho (P), chu trình lưu huỳnh (S).
* Chu trình nước: tổng số nước trên hành tinh chúng ta là 1457.106 km3
, trong đĩ Đại dương 1370.106 km3, chiếm 97%. Dưới tác dụng của mặt trời nước từ đại dương, đất liền bay hơi lên (khoảng 465.000km3). Hơi nước mưa ngưng lại trong các lớp mây thành nước mưa và rơi xuống đại dương (365.000 km3) và đất liền (100.000 km3, trong đĩ khoảng 1/3 từ đại dương đưa vào).
Trên đất liền khoảng 10% nước mưa ngấm xuống đất tạo thành nước ngầm và khoảng 25.000km3 chảy tràn trên mặt đất, ra sơng biển. Cịn 65.000 km3 lại được bay hơi vào khơng khí khi đã được SV sử dụng.
Hình 2.5 Dự trữ nước tồn cầu
Rơi xuống biển (mưa) 365.000 km3 Đại dương Khoảng 400.000 km3
Theo giĩ vào đất liền 35.000 km3
Đất liền
Nguồn biển: 35.000 km3
100.000 km3 (thành mưa)
Bốc hơi 65.000 km3
Ngấm xuống đất Mưa chảy tràn 10.000 km3 25.000 km3
Đổ ra biển 35.00 km3
* Chu trình các bon: CO2 trong khơng khí được cây xanh hấp thụ trong quá trình quang hợp tạo ra các chất hữu cơ. Động vật và các SV ký sinh sử dụng các chất hữu cơ này để xây dựng cơ thể của mình. Trong quá trình sống tất cả SV điều hơ hấp thải ra CO2 vào khơng khí. Tất cả SV chết đi được phân hủy cũng thải CO2 vào khơng khí.
Các hĩa thạch của SV (than, dầu, khí) và bản thân SV khi con người sử dụng (đun, nấu, dùng trong giao thơng, cơng nghiệp…) lại thải CO2 vào khơng khí. Cứ như vậy chu trình sinh – địa – hĩa các bon diễn ra trong tự nhiên (hình 5). Con người ngày càng khai thác và sử dụng nhiều các chất hĩa thạch làm cho hàm lượng CO2 trong khơng khí ngày càng tăng lên. Trước đây CO2 chỉ khoảng 0,023% nay đã tới 0,03% thể tích khí quyển và gây nên ảnh hưởng xấu tới MT tồn cầu.
Động vật dữ
Động vật ăn cỏ
Chất CO2 tự
Vật phân hủy hữu Vật sản xuất do cơ chết
Chất đốt hĩa thạch
Hình 2.7: Sơ đồ chu trình cacbon trong tự nhiên
Hình 2.8: Chu trình cacbon
* Chu trình Nitơ (N): khí N2 chiếm khoảng 78% thể tích của khí quyển, nhưng khí N2 này chỉ được một số vi sinh vật sử dụng. Đa số thực vật sử dụng nitơ trong dạng các hợp chất cảu nĩ: NO3-. NO2-, NH4+…N là thành phần chủ yếu của Protein trong cơ thể SV.
Chu trình nitơ xảy ra trên cả mặt đất và trong lịng đất. N2 từ khơng khí được vi khuẩn cố định đạm sử dụng, lượng N này chuyển qua một số động vật (qua chuỗi thức ăn) và khi các động vật chết đi, chúng được phân hủy thành NH4+, NO3-, NO2- (quá trình xảy ra trong lịng đất hoặc trong nước).
Các chất này được cây xanh sử dụng và tạo nên sinh khối của cây làm thức ăn cho nhiều động vật. Tất cả SV chết đi, được phân hủy tạo thành NH4+
, NO3-, NO2- . Một phần NH4+, NO3-, NO2- được vi khuẩn phản nitrat hĩa để trở lại N2 trong