Trang 2
MỤC LỤC ––––––––––––––––––––––––––––––– Phần A. MỞ ĐẦU .........................................................................................................1 1. Lý do chọn chuyên đề................................................................................................1 2. Mục đích của chuyên đề............................................................................................1 Phần B. NỘI DUNG......................................................................................................3 CHƢƠNG I. QUẦN XÃ SINH VẬT (COMMUNITY)...............................................3 I. KHÁI NIỆM QUẦN XÃ SINH VẬT........................................................................3 II. CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA QUẦN XÃ SINH VẬT .................................3 1. Đa dạng quần xã ........................................................................................................3 2. Thành phần loài của quần xã .....................................................................................4 3. Cấu trúc không gian của quần xã ..............................................................................6 4. Cấu trúc chức năng của quần xã................................................................................7 III. MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC LOÀI TRONG QUẦN XÃ SINH VẬT.................7 1. Quan hệ hỗ trợ...........................................................................................................7 2. Quan hệ đối kháng.....................................................................................................9 IV. KHỐNG CHẾ SINH HỌC VÀ KIỂM SOÁT SINH HỌC ..................................13 1. Khống chế sinh học ................................................................................................13 2. Kiểm soát sinh học .................................................................................................13 V. TÁC ĐỘNG CỦA CON NGƢỜI LÊN QUẦN XÃ SINH VẬT ..........................15 1. Sự du nhập của các loài ngoại lai (loài du nhập) ....................................................15 2. Giảm nơi ở của các loài sinh vật trong quần xã ......................................................15 3. Một số biện pháp bảo vệ quần xã tự nhiên .............................................................15 CHƢƠNG II. HỆ SINH THÁI (ECOSYSTEM) .....................................................16 I. KHÁI QUÁT HỆ SINH THÁI ...............................................................................16 1. Khái niệm hệ sinh thái ............................................................................................16 2. Các thành phần cấu trúc của hệ sinh thái ................................................................16 3. Các kiểu hệ sinh thái................................................................................................16 4. Chức năng hệ sinh thái ...........................................................................................17 II. TRAO ĐỔI CHẤT VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƢỢNG TRONG HỆ SINH THÁI.......................................................................................................................18 1. Trao đổi chất trong hệ sinh thái ..............................................................................18 2. Chuyển hóa năng lƣợng trong hệ sinh thái .............................................................20 III. KHUẾCH ĐẠI SINH HỌC ..................................................................................24 IV. CHU TRÌNH SINH ĐỊA HÓA ............................................................................25 1. Chu trình nƣớc .........................................................................................................25 2. Chu trình carbon ......................................................................................................28 3. Chu trình nitrogen....................................................................................................28 4. Chu trình phosphorus ..............................................................................................29 V. DIỄN THẾ SINH THÁI .........................................................................................30 1. Khái niệm ................................................................................................................30
Trang 3
Chuyên đề Quần xã sinh vật và hệ sinh thái 2. Các loại diễn thế sinh thái .......................................................................................30 3. Nguyên nhân ...........................................................................................................33 4. Những xu hƣớng biến đổi chính trong diễn thế để thiết lập trạng thái cân bằng ....33 5. Tầm quan trọng của nghiên cứu diễn thế sinh thái..................................................33 VI. MỘT SỐ HIỆN TƢỢNG ẢNH HƢỞNG BẤT LỢI ĐẾN HỆ SINH THÁI .......................................................................................................... 34 1. Sự ấm lên toàn cầu ..................................................................................................34 2. Phú dƣỡng................................................................................................................34 3. Sa mạc hóa...............................................................................................................34 CHƢƠNG III. CÂU HỎI ÔN TẬP ................................................................. 34 Phần C. KẾT LUẬN......................................................................................... 59 1. Những vấn đề quan trọng của chuyên đề..................................................... 59 2. Đề xuất, kiến nghị......................................................................................... 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................................60 Trang ii
Trang 4
Chuyên đề Quần xã sinh vật và hệ sinh thái Phần A. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn chuyên đề Sinh thái học (Ecology) là môn khoa học cơ sở trong sinh vật học, nghiên cứu về mối quan hệ tƣơng tác giữa các sinh vật và môi trƣờng của chúng. Bao gồm việc nghiên cứu các sinh vật ở các cấp độ tổ chức khác nhau, từ cá thể, quần thể, quần xã, hệ sinh thái đến sinh quyển. Sinh thái học giúp hiểu rõ về sự sống trên Trái Đất, bao gồm cả các vấn đề liên quan đến đa dạng sinh học, các dịch vụ hệ sinh thái và sự thịnh vƣợng của con ngƣời và các sinh vật. Tuy mới ra đời cách đây hơn một thế kỷ nhƣng sinh thái học đã có những đóng góp to lớn cho nền văn minh nhân loại. Nghiên cứu sinh thái học quần xã sinh vật và hệ sinh thái là việc tìm hiểu về mối quan hệ giữa các loài sinh vật trong một cộng đồng, cũng nhƣ giữa cộng đồng đó với môi trƣờng sống. Nghiên cứu này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cấu trúc, chức năng và sự biến động của các quần xã, các hệ sinh thái từ đó ứng dụng vào các lĩnh vực nhƣ bảo tồn, quản lý môi trƣờng và phát triển bền vững. Ngoài ra, việc nghiên cứu sinh thái học quần xã sinh vật và hệ sinh thái còn là vấn đề rất cần thiết của giáo viên trong việc đào tạo nhân lực, bồi dƣỡng nhân tài có niềm đam mê với môn Sinh học. Đây là nội dung tƣơng đối sâu và rộng của phần Sinh thái học. Khi có đầy đủ kiến thức về nó, ngƣời dạy có thể định hƣớng cho ngƣời học cách giải quyết các vấn trong thực tiễn cuộc sống cũng nhƣ những bài tập tiếp cận xu hƣớng phát triển của thế giới. Trên đây là những lí do chủ yếu để bản thân tôi quyết định chọn và trình bày chuyên đề “Quần xã sinh vật và hệ sinh thái”. 2. Mục đích của chuyên đề Chuyên đề đƣợc trình bày nhằm mục đích giúp ngƣời dạy và ngƣời học có thể nắm đƣợc kiến thức đầy đủ, trọng tâm để áp dụng giải quyết các vấn đề trong thực tiễn cuộc sống cũng nhƣ luyện tập đƣợc các dạng bài tập có liên quan ở các kì thi học sinh giỏi tỉnh, khu vực, Quốc gia và Quốc tế. Nội dung chuyên đề đảm bảo yêu cầu cần đạt của khung chƣơng trình chuyên của Bộ giáo dục và đào tạo: – Trình bày đƣợc thế nào là một quần xã sinh vật, từ đó phân tích đƣợc những thuộc tính của quần xã mà quần thể không có. – Trình bày và lấy đƣợc ví dụ minh hoạ các mối quan hệ sinh thái trong quần xã (Quan hệ hỗ trợ: Cộng sinh, hợp tác, hội sinh; Quan hệ đối kháng: cạnh tranh, ức chế cảm nhiễm, kí sinh, sinh vật này ăn sinh vật khác (động vật ăn thực vật, thực vật bắt mồi, vật ăn thịt con mồi)). – Phân tích đƣợc vai trò của quan hệ cạnh tranh trong việc hình thành ổ sinh thái, là cơ sở tăng cƣờng đa dạng sinh học và khai thác tối ƣu nguồn sống từ môi trƣờng. – Phân tích đƣợc cơ chế của sự tự điều chỉnh quần xã, nhờ đó quần xã có thể trở về trạng thái ổn định tƣơng đối và cân bằng sinh học trong quần xã. – Chứng minh đƣợc quần xã là một cấp độ tổ chức sống của sinh giới. – Trình bày đƣợc các đặc điểm đặc trƣng của quần xã trên cạn và quần xã thuỷ sinh. – Giải thích đƣợc: hệ sinh thái biểu hiện chức năng của một tổ chức sống, là một tổ chức sinh học hoàn chỉnh và tƣơng đối ổn định. – Trình bày đƣợc thành phần cấu trúc của một hệ sinh thái; Lấy đƣợc ví dụ minh hoạ cho các kiểu hệ sinh thái (Các hệ sinh thái tự nhiên: hệ sinh thái trên cạn và hệ sinh thái dƣới nƣớc; Hệ sinh thái nông nghiệp) và phân tích đƣợc thành phần cấu trúc của các kiểu hệ sinh thái đó. – Phân biệt đƣợc 2 giai đoạn trao đổi chất và chuyển hoá năng lƣợng trong hệ sinh thái: Trao đổi chất và chuyển hoá năng lƣợng trong quần xã và trao đổi chất và chuyển hoá năng lƣợng giữa quần xã với môi trƣờng vô sinh. Trang 1
Trang 5
Chuyên đề Quần xã sinh vật và hệ sinh thái – Xây dựng đƣợc một lƣới thức ăn với ít nhất 4 bậc dinh dƣỡng. – Phân biệt đƣợc các kiểu tháp sinh thái và phân tích đƣợc ƣu điểm và nhƣợc điểm của mỗi kiểu tháp sinh thái của các hệ sinh thái (hệ sinh thái tự nhiên trên cạn, hệ sinh thái tự nhiên thuỷ sinh, hệ sinh thái nông nghiệp) tới tính ổn định của hệ sinh thái, năng suất sinh học, bảo tồn hệ sinh thái. – Phân biệt đƣợc sự khác nhau của chu trình vật chất và dòng năng lƣợng trong hệ sinh thái. Vẽ đƣợc sơ đồ khái quát minh học dòng năng lƣợng trong một hệ sinh thái. – Giải thích đƣợc nguyên nhân năng lƣợng truyền qua các bậc dinh dƣỡng càng cao thì càng nhỏ dần. Lấy đƣợc ví dụ minh hoạ. – Trình bày đƣợc thế nào là hiệu suất sinh thái. Cách tính hiệu suất sinh thái ở mỗi bậc dinh dƣỡng. – Phân biệt đƣợc sản lƣợng sinh vật sơ cấp và sản lƣợng sinh vật thứ cấp của một hệ sinh thái. – Trình bày đƣợc các hình thức biến động hệ sinh thái: + Phân biệt đƣợc 2 kiểu diễn thế (diễn thế nguyên sinh và diễn thế thứ sinh) + Phân tích tác động của con ngƣời làm thay đổi các hệ sinh thái; những hoạt động cần thiết trong việc thích ứng với biến đổi khí hậu. Trang 2
Trang 6
Chuyên đề Quần xã sinh vật và hệ sinh thái Phần B. NỘI DUNG CHƢƠNG I. QUẦN XÃ SINH VẬT (COMMUNITY) I. KHÁI NIỆM QUẦN XÃ SINH VẬT Quần xã sinh vật là một tập hợp các quần thể sinh vật khác loài cùng sống trong một không gian xác định (sinh cảnh) và thời gian nhất định, ở đó chúng có quan hệ chặt chẽ với nhau và với môi trƣờng để tồn tại và phát triển ổn định theo thời gian. Ví dụ: Quần xã rừng ngập mặn Cà Mau, quần xã sinh vật trên núi đá vôi Tam Cốc, quần xã ven bờ biển, ... Hình 1. Một số loài thuộc quần xã ven bờ biển Quần xã còn đƣợc coi là môi trƣờng tồn tại, phân hoá và tiến hoá của các loài do phải chia sẻ không gian và nguồn thức ăn có giới hạn trong một sinh cảnh nên các loài phát triển theo hƣớng biến đổi về hình thái, các đặc tính sinh lí và tập tính sinh thái. Những mối quan hệ xuất hiện trong quần xã đƣợc coi là động lực chính dẫn đến hiện tƣợng phân hoá và tiến hoá của các loài, đồng thời là những nhân tố kiểm soát và khống chế số lƣợng của các loài trong quần xã nhƣ quan hệ cạnh tranh giữa các loài, quan hệ vật ăn thịt – con mồi và vật chủ – vật kí sinh, ... II. CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA QUẦN XÃ SINH VẬT 1. Đa dạng quần xã 1.1. Khái niệm Đa dạng quần xã là độ phong phú về số lƣợng loài và số lƣợng cá thể của mỗi loài trong quần xã. Ở những vùng có khí hậu khắc nghiệt, độ đa dạng của quần xã thƣờng thấp hơn ở vùng nhiệt đới có khí hậu ổn định, nguồn sống phong phú. Ở vùng có độ đa dạng loài cao thì số lƣợng cá thể trong mỗi loài ít. Ví dụ: Động, thực vật ở rừng nhiệt đới ẩm rất phong phú và đa dạng nhƣng số lƣợng cá thể mỗi loài ít do môi trƣờng có nhiều thức ăn, phù hợp với nhiều loài, mỗi loài thích nghi một vùng nhất định trong môi trƣờng không gian hẹp do đó có nhiều loài và khả năng cạnh tranh cũng nhiều nên số lƣợng cá thể trong mỗi loài ít. Ở vùng có độ đa dạng loài thấp thì số lƣợng cá thể trong mỗi loài nhiều. Ví dụ: Ở vùng ôn đới, hàn đới môi trƣờng chỉ thuận lợi với một số loài, ít kiểu thức ăn, diện tích phân bố của mỗi kiểu thức ăn lại rất lớn nên ít loài sinh sống nhƣng số lƣợng cá thể trong mỗi loài nhiều. (A) (B) (C) Hình 2. Quần xã rừng nhiệt đới (A), ôn đới (B) và hàn đới (C) Độ đa dạng của quần xã chịu ảnh hƣởng của các nhân tố sinh thái vô sinh của môi trƣờng và các nhân tố hữu sinh (cạnh tranh giữa các loài). Số lƣợng các loài trong quần xã và số lƣợng Trang 3
Trang 7
Chuyên đề Quần xã sinh vật và hệ sinh thái cá thể mỗi loài là mức độ đa dạng của quần xã, biểu thị sự biến động, ổn định hay suy thoái của quần xã. Một quần xã ổn định thƣờng có số lƣợng loài lớn và số lƣợng cá thể của loài cao. Trong quần xã sinh vật, mức đa dạng càng cao khi diện tích phân bố của quần xã càng lớn và mức đa dạng tăng lên khi di chuyển từ vĩ độ cao xuống vĩ độ thấp hay từ ngoài khơi đại dƣơng vào bờ. Số lƣợng loài tăng mối quan hệ giữa các loài trở nên căng thẳng làm dẫn đến số lƣợng cá thể mỗi loài giảm. 1.2. Cách xác định độ đa dạng của quần xã a. Độ giàu loài (R) Kí hiệu là R, là chỉ số về số lƣợng loài có trong quần xã. Nếu quần xã có 10 loài thì độ giàu loài R =10. Nhìn chung, độ giàu loài thƣờng lớn ở các vùng khí hậu cận xích đạo, nhiệt đới gió mùa, ôn đới và thấp ở vùng hoang mạc, hàn đới. b. Độ thƣờng gặp (hay tần suất xuất hiện) của loài (C) Là tỉ số (%) của một loài gặp trong các điểm khảo sát so với tổng số các điểm khảo sát. C = (m/M)*100 m: Số lần lấy mẫu có xuất hiện loài nghiên cứu; M: Tổng số địa điểm khảo sát. Loài thƣờng gặp có giá trị C ≥ 50% Loài ít gặp có giá trị 25% ≤ C < 50% Loài ngẫu nhiên có giá trị C < 25% Ví dụ, khảo sát cỏ lồng vực tại một cánh đồng: M = 80, m = 60, C % = 60/80*100 = 75% > 50% => kết luận: tại địa điểm nghiên cứu, cỏ lồng vực là loài thƣờng gặp và có tần suất xuất hiện là 60/80 hay 75%. Trong tự nhiên, có những loài mật độ cao nhƣng độ thƣờng gặp lại thấp do điều kiện sống phân bố không đều, loài có tập quán sống tập trung theo nhóm. Ngƣợc lại, có những loài mật độ thấp nhƣng độ thƣờng gặp lại cao do điều kiện sống phân bố đồng đều, loài có tập quán sống riêng lẻ. c. Độ phong phú của loài (P) Là tỉ số % về số cá thể của 1 loài nào đó so với tổng số cá thể của tất cả các loài có trong quần xã. Pi = (ni/N)×100 Pi: Độ phong phú của loài i. ni: Số lƣợng cá thể loài đó (hay còn gọi kích thƣớc quần thể loài đó) N: Tổng số lƣợng cá thể (thuộc nhiều loài sinh vật khác nhau) trong quần xã. d. Độ đa dạng của quần xã Chỉ số Shannon: Là một trong những phƣơng pháp tính độ đa dạng của quần xã một cách trực quan nhất: Hi = – ∑ ( ) = – (P1×lnP1 + P2×lnP2 + ... + PR×lnPR) Trong đó: H: Độ đa dạng; Pi: Độ phong phú của loài i; R: Độ giàu loài. Giá trị của Hi càng cao thì quần xã càng đa dạng và ngƣợc lại. Ví dụ: Giả sử có hai quần xã rừng nhỏ, mỗi quần xã có 1000 cá thể bao gồm 4 loài thực vật (A, B, C , D) nhƣ sau: Quần xã 1: 250A, 250B, 250C, 250D. Quần xã 2: 700A, 100B, 50C, 50D. Hãy cho biết độ đa dạng của quần xã nào cao hơn? Giải: Dựa vào chỉ số Shannon tính đƣợc độ đa dạng của: – Quần xã 1: H1 = – 4×0,25×1n0,25 = 1,39. – Quần xã 2: H2 = –[(0,7×1n0,7) +(0,1×ln0,1) + (0,05×1n0,05) + (0,05×1n0,05)] = 1,17. Nhƣ vậy, H2 < H1 => Quần xã 1 đa dạng hơn quần xã 2. Quần xã có số lƣợng loài càng lớn và độ phong phú của các loài càng đồng đều thì độ đa dạng càng cao. 2. Thành phần loài của quần xã a. Loài ƣu thế Có tần số xuất hiện và độ phong phú cao, số lƣợng hoặc sinh khối lớn nhất quần xã, hoạt động mạnh, quyết định chiều hƣớng phát triển của quần xã, làm biến đổi hệ sinh thái, tác động Trang 4
Trang 8
Chuyên đề Quần xã sinh vật và hệ sinh thái mạnh mẽ làm thay đổi các nhân tố sinh thái của hệ sinh thái. Loài ƣu thế thƣờng là thực vật có kích thƣớc lớn. Trong các quần xã trên cạn, thực vật có hạt có số lƣợng nhiều, kích thƣớc lớn thƣờng là loài ƣu thế do chúng tác động rất lớn lên điều kiện môi trƣờng (khí hậu). Ví dụ: Ở những bãi triều, cây đƣớc là nơi cƣ trú cho các loài sinh vật khác nhƣ cua, tôm, các loại cá... và còn điều hòa khí hậu, ngăn cản tình trạng xói mòn, cố định các bãi bồi ven biển (chống lở đất). Nhìn chung, chúng có khả năng thích nghi tốt với điều kiện sống. b. Loài thứ yếu Là loài luôn cạnh tranh với loài ƣu thế, có tần suất và sinh khối (hoặc mật độ) cao thứ hai sau loài ƣu thế, đóng vai trò thay thế cho loài ƣu thế khi nhóm này suy vong vì một nguyên nhân nào đó. Loài thứ yếu có đặc điểm gần giống với loài ƣu thế, thƣờng là thực vật có số lƣợng cá thể nhiều, sinh khối lớn và hoạt động mạnh làm thay đổi nhân tố vô sinh của quần xã. Ví dụ: Trong quần xã sinh vật đồng ruộng, cỏ là loài thứ yếu. c. Loài chủ chốt Là một hoặc vài loài có vai trò kiểm soát và khống chế hoạt động của các loài trong quần xã thông qua mối quan hệ dinh dƣỡng, đặc biệt loài chủ chốt thƣờng kiềm chế loài ƣu thế (nhằm ngăn chúng phát triển quá mạnh mẽ át chế sự sinh trƣởng của các loài khác trong quần xã). Thƣờng là động vật ăn thịt, hung dữ, có sinh khối thấp nhƣng hoạt động mạnh làm biến đổi mạnh hệ sinh thái thông qua khống chế chuỗi thức ăn (kiểm soát và khống chế sự phát triển của các loài khác) → duy trì sự ổn định của quần xã. Nếu loài này bị mất khỏi quần xã thì quần xã sẽ rơi vào trạng thái bị xáo trộn và dễ rơi vào tình trạng mất cân bằng. Ví dụ: Sói xám là loài chủ chốt có vai trò kìm hãm số lƣợng động vật ăn thực vật (nhƣ bò rừng bison, hƣơu đuôi trắng, linh dƣơng sừng nhánh ...) do đó làm giảm mức độ tàn phá của chúng với hệ thực vật nơi đây, từ đó gián tiếp bảo vệ nguồn thức ăn của loài hải ly. Khi sói xám biến mất, kích thƣớc quần thể loài động vật ăn cỏ tăng không kiểm soát, chúng phá hoại nguồn cỏ và dẫn đến làm giảm số lƣợng cá thể hải ly. Quần thể hải ly giảm sút ảnh hƣởng trầm trọng đến hoạt động xây dựng, duy trì đập nƣớc (vốn có vai trò giảm tốc độ dòng nƣớc, giữ đất), quần xã bị khủng hoảng trầm trọng. Lúc bổ sung sói trở lại, số lƣợng động vật ăn thực vật bị kiểm soát trở lại và quần xã đƣợc phục hồi nhanh chóng chỉ trong vài năm. d. Loài đặc trƣng Chỉ có ở một quần xã nào đó hoặc có số lƣợng nhiều hơn hẳn các loài khác và có vai trò quan trọng trong quần xã so với các loài khác. Ví dụ: Cá cóc Tam Đảo là loài đặc trƣng cho quần xã vùng núi Tam Đảo, cây tràm là loài đặc trƣng cho quần xã rừng tràm U Minh. Trong một số quần xã, loài đặc trƣng cũng là loài ƣu thế. e. Loài ngẫu nhiên (còn gọi là loài lạc lõng, loài vãng lai) Có tần số xuất hiện và độ phong phú thấp nhƣng làm tăng mức độ đa dạng của quần xã, có sinh khối thấp, tác động yếu và không thƣờng xuyên tới các nhân tố sinh thái của hệ sinh thái. Khác với loài ít gặp (rare species) vốn có phân bố hẹp liên tục hơn. Loài này có mặt ở nhiều quần xã. Là loài phổ biến có giới hạn sinh thái rộng. Ví dụ: Từ năm 1998 đến nay đã phát hiện một số hải cẩu đốm ở vùng duyên hải miền Trung. Chúng theo các dòng hải lƣu đi từ vùng biển phía Bắc lạc xuống Việt Nam và tạm trú, đây là loài ngẫu nhiên vì các loài trong hệ động vật Việt Nam không có loài hải cẩu. Hình 3. Hải cẩu đốm Phaoca largha ở Quảng Nam f. Loài cơ sở (loài nền tảng hay “kỹ sƣ hệ sinh thái”) Loài có vai trò trong cải tạo môi trƣờng tự nhiên. Hoạt động thay đổi cảnh quan có thể xuất phát từ tập tính hoặc do thu nhận sinh khối lớn từ môi trƣờng. Các loài nền tảng thƣờng là thực vật vì tạo nên thảm thực vật là môi trƣờng sống và nguồn thức ăn cho các loài động vật. Ở Trang 5
Trang 9
Chuyên đề Quần xã sinh vật và hệ sinh thái động vật, ví dụ tiêu biểu cho loài cơ sở đó chính là loài hải ly. Hải ly thƣờng sử dụng các khúc gỗ, củi khô hay những hòn đá để xây dựng nên những đập tự nhiên chắn ngang sông, suối hay lạch nƣớc, tạo nên những vùng nƣớc đầy với mục đích là bảo vệ chúng khỏi kẻ săn mồi. g. Loài chỉ thị Là những loài có vai trò thể hiện đƣợc chất lƣợng (định lƣợng) môi trƣờng xung quanh nó. Thông qua loài chỉ thị, ta có thể đoán đƣợc tình trạng môi trƣờng và sớm có biện pháp can thiệp. Ví dụ: Giun ít tơ (Tubifex tubifex, Limnodrilus hoffmeisteri) thƣờng đƣợc xem là loài chỉ thị cho nƣớc bị ô nhiễm hữu cơ. (A) (B) Hình 4. Giun ít tơ Tubifex tubifex (A), Limnodrilus hoffmeisteri (B) 3. Cấu trúc không gian của quần xã Nguyên nhân của sự phân bố cá thể các loài trong tự nhiên của quần xã là do ảnh hƣởng của sự phân bố không đồng đều của các nhân tố sinh thái trong môi trƣờng (ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, thức ăn...) và mỗi loài sinh vật lại thích nghi với các điều kiện sống khác nhau. Theo không gian sống, các loài phân bố trong quần xã có 2 dạng điển hình: a. Phân bố theo chiều dọc Thƣờng gặp ở các hệ sinh thái rừng mƣa nhiệt đới. Ví dụ: Sự phân bố các tầng cây trong rừng mƣa nhiệt đới gồm 5 tầng: tầng vƣợt tán (gồm các Hình 5. Các loài phân bố theo chiều dọc trong cây gỗ lớn, ƣa sáng, chim kền kền, rừng mƣa nhiệt đới chim ƣng, chim én...), tầng tán rừng (các cây ƣa sáng, chim cú, chim gõ kiến, chim sẻ, chim chích ...), tầng dƣới tán (các cây chịu bóng, dây leo, chim nhại, chim xanh, chim bồ câu ...), tầng thảm xanh (cây bụi thấp và tầng cỏ, dƣơng xỉ, chim sẻ, chim nƣớc ...) và tầng đáy rừng (nấm, ấu trùng các loài côn trùng ...). Sự phân tầng của thực vật kéo theo sự phân tầng của các loài động vật sống trong đó nhƣ các loài chim, côn trùng sống trên tán các cây cao; khỉ, vƣợn, sóc ... sống leo trèo trên cành cây, nhiều loài động vật sống trên mặt đất và tầng đất mặt. Nhìn chung, quần xã sinh vật phân theo chiều thẳng đứng đều có đặc điểm: Khi lên các đỉnh núi cao hay xuống các lớp đất, nƣớc sâu, thành phần loài và số lƣợng cá thể của quần thể đều giảm. b. Phân bố theo chiều ngang Phân bố theo chiều ngang thƣờng gặp ở các vùng đồng bằng hoặc đồi núi thấp (nơi có sự phân bố nguồn sống không đều), các loài thƣờng tập trung ở nơi có điều kiện sống thuận lợi Trang 6
Trang 10
Chuyên đề Quần xã sinh vật và hệ sinh thái nhƣ: Đất phì nhiêu, nhiệt độ, độ ẩm thích hợp, thức ăn dồi dào thƣờng có ở vùng trũng, đồng bằng ... hoặc ở các khu vực nhƣ sông, biển nơi có vùng bờ rộng, kéo dài. Sự khác biệt giữa vùng bờ có độ ẩm, độ muối thấp hơn ở vùng khơi, nhƣng độ đang dạng loài thì cao hơn. Ví dụ: Sự phân bố của sinh vật từ vùng đất ven bờ, vùng ngập nƣớc ven bờ đến vùng khơi xa với nồng độ muối thay đổi từ 0 ppt (một phần nghìn tỉ) đến 30 ppt. Cũng giống nhƣ phân bố của quần thể, phân bố theo chiều ngang gồm ba dạng chính là phân bố đều, phân bố ngẫu nhiên và phân bố theo nhóm. Theo thời gian, cấu trúc quần xã phân bố và biến đổi theo chu kỳ mùa và chu kỳ ngày đêm. Hình 6. Các loài phân bố theo chiều Đó là các hoạt động: Di cƣ, kiếm ăn, sinh sản … ngang ở vùng biển nhiệt đới nhƣ tảo đơn bào theo chu kỳ ngày đêm (ngày nổi, đêm chìm); vào mùa xuân thì trăm hoa đua nở, cây cối đâm chồi nảy lộc; mùa hè là mùa chim làm tổ. * Ý nghĩa: Trong tự nhiên, sự phân tầng làm giảm bớt mức độ cạnh tranh giữa các loài và nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn sống. Trong nông nghiệp, làm tăng khả năng sử dụng nguồn sống, tiết kiệm diện tích, giảm cạnh tranh. Vì vậy, trong trồng trọt có thể trồng xen nhiều loại cây khác nhau còn trong chăn nuôi có thể nuôi ghép nhiều loài cá khác nhau trong ao hồ nuôi (tầng mặt nuôi cá rô phi, cá trắm cỏ; tầng giữa nuôi cá mè; tầng đáy nuôi cá chép) để tận dụng diện tích và nguồn thức ăn, nâng cao hiệu quả kinh tế. Tuy nhiên, cũng có loại quần xã không có sự phân tầng nhƣ quần xã thảm rêu hay thảm địa y ở trên đá. 4. Cấu trúc chức năng của quần xã Sinh vật sản xuất Sinh vật tiêu thụ Dựa theo hoạt động chức năng, quần xã gồm: – Sinh vật sản xuất (Sinh vật tự dƣỡng): Thực vật, tảo và một số vi sinh vật nhƣ vi khuẩn lam có khả năng tiếp nhận năng lƣợng mặt trời tổng hợp các chất hữu cơ từ các chất vô cơ đơn giản thông qua quá trình quang hợp để tạo ra nguồn thức ăn sơ cấp. – Sinh vật tiêu thụ: Là những sinh vật (phần lớn là động vật) không tự tổng hợp đƣợc chất hữu cơ từ các Sinh vật phân giải chất vô cơ, sống nhờ nguồn thức ăn sơ cấp. Gồm: nhóm Hình 7. Các nhóm sinh vật ăn thực vật, nhóm ăn mùn bã hữu cơ, nhóm ăn thịt và trong quần xã nhóm ăn tạp (ăn cả thực vật và động vật). – Sinh vật phân giải: Phần lớn là vi sinh vật không tự tổng hợp đƣợc chất hữu cơ từ các chất vô cơ, sống nhờ nguồn thức ăn sơ cấp và thứ cấp. Tất cả các nhóm sinh vật hoạt động theo chức năng của mình, tƣơng tác với nhau và với môi trƣờng để hình thành một đơn vị thống nhất có cấu trúc chặt chẽ, ở đó các loài có cơ hội để phân hóa và tiến hóa. III. MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC LOÀI TRONG QUẦN XÃ SINH VẬT Trong quần xã, các loài sinh vật gắn bó mật thiết với nhau thông qua các mối quan hệ: hỗ trợ (cộng sinh, hội sinh, hợp tác) và đối kháng (cạnh tranh, kí sinh, ức chế – cảm nhiễm, sinh vật ăn sinh vật). 1. Quan hệ hỗ trợ Các loài hoặc đều có lợi hoặc ít nhất không bị hại. Trang 7
Trang 11
Chuyên đề Quần xã sinh vật và hệ sinh thái 1.1. Cộng sinh Quan hệ cộng sinh là quan hệ giữa hai hay nhiều loài sinh vật trong đó tất cả các loài cùng có lợi, song mỗi bên chỉ có thể sống, phát triển và sinh sản đƣợc dựa vào sự hợp tác của bên kia. Mối quan hệ cộng sinh có ý nghĩa làm tăng khả năng dinh dƣỡng, có lợi cho 2 loài cả về nơi ở. Trong nhiều trƣờng hợp, sống cộng sinh là cách sống bắt buộc khi rời khỏi nhau cả hai đều chết. Cộng sinh rất phổ biến trong tự nhiên. a. Cộng sinh giữa thực vật/ thực vật nguyên sinh/ nấm với vi khuẩn – Cộng sinh giữa tảo lục với nấm (đôi khi có cả vi khuẩn lam) tạo thành địa y. Trong sự cộng sinh này, nấm (mycobiont) sử dụng các hợp chất hữu cơ đƣợc tổng hợp bởi tảo hoặc vi khuẩn lam nhờ sự quang hợp (photobiont hay phycobiont); ngƣợc lại, nó có vai trò cung cấp nƣớc và muối khoáng cho tảo hoặc vi khuẩn lam và làm cho địa y trở thành một sinh vật tự dƣỡng. Chính nhờ sự cộng sinh này mà môi trƣờng sống của địa y rất đa dạng nhƣ trên đá, trên đất hay sống bám trên thân cây, lá cây. Địa y có thể tìm thấy ở khắp mọi nơi trên trái đất (khoảng 18500 loài), từ vùng lạnh đến vùng nóng cũng nhƣ ở những độ cao khác nhau. Hình 8. Cơ chế tác động giữa nấm, tảo và vi khuẩn lam trong việc hình thành địa y Sự cộng sinh giữa tảo lục và hoặc vi khuẩn lam với nấm trong địa y theo một trong các kiểu sau: + Một (hoặc nhiều) loại tảo cộng sinh với một loại nấm gọi là chlorolichen, chiếm khoảng 85%. + Vi khuẩn lam cộng sinh với một loại nấm, gọi là cyanolichen, chiếm khoảng 10%. + Tảo và vi khuẩn lam cộng sinh với một loại nấm, gọi là địa y tay ba (tripartite lichen), chiếm khoảng 5%. – Vi khuẩn Rhizobium và rễ cây họ Đậu; vi khuẩn lam Anabaena azollae và bèo hoa dâu; nấm và rễ thực vật bậc cao (cây thông) tạo thành nấm rễ ... b. Cộng sinh giữa thực vật nguyên sinh/ thực vật với động vật Cộng sinh giữa tảo sợi và san hô, kiến thuộc giống Pseudomyrmex và cây keo Acacia cornigera. Trƣờng hợp cộng sinh giữa kiến và cây keo hay còn gọi là cây kiến, cây kiến có một số lá phình to hơn so với các lá bình thƣờng, phần trong của lá phình to đƣợc chia thành nhiều khoang rất thích hợp cho kiến làm tổ đồng thời có nhiều rễ len lỏi trong các khoang đó. Kiến đến làm tổ và mang thức ăn về dự trữ trong các khoang của lá. Thức ăn dƣ thừa trong tổ trở thành nguồn phân bón cho cây. c. Cộng sinh giữa động vật/ động vật nguyên sinh với động vật Cộng sinh giữa: Hải quỳ Adamsia với cá khoang cổ Clarkii clownfish (cá đƣợc hải quỳ bảo vệ khỏi kẻ thù, hải Hình 9. Cộng sinh giữa quỳ đƣợc cá dọn dẹp những cặn bẩn và cung cấp thức ăn); cá khoang cổ và hải quỳ trùng roi và mối (trùng roi Trichomonas sống trong ruột mối phân giải cellulose thành đƣờng là nguồn dinh dƣỡng cho cả mối và trùng roi). Trang 8
Trang 12
Chuyên đề Quần xã sinh vật và hệ sinh thái d. Các mối quan hệ cộng sinh khác Cộng sinh giữa san hô Polyp với tảo đơn bào Zooxanthella và tảo sợi; vi khuẩn, nấm men và động vật đơn bào sống trong ống tiêu hóa của sâu bọ (góp phần tăng cƣờng tiêu hóa, nhất là tiêu hoá cellulose). 1.2. Hội sinh Hội sinh là quan hệ giữa hai loài sinh vật trong đó một loài có lợi, loài kia không có lợi cũng không có hại; khi tách riêng một loài có hại còn loài kia không bị ảnh hƣởng. Hội sinh gồm 2 hình thức phổ biến: – Ở nhờ: Có ở nhiều loài động vật không xƣơng sống, nhất là sâu bọ sống nhờ trong tổ kiến và tổ mối, ở đây sâu bọ (bên có lợi) đƣợc bảo vệ tốt hơn và tránh đƣợc khí hậu bất lợi, còn kiến hay mối thì cũng không lợi và không bị thiệt hại. Có loại hội sinh ngẫu nhiên, có loại thƣờng xuyên, hoặc sống suốt đời trong hang tổ của động vật khác. Ví dụ: côn trùng sống nhờ trong hang của động vật gặm nhấm, tổ kiến; dƣơng xỉ, phong lan bám trên thân cây gỗ (nơi thuận lợi cho dƣơng xỉ, phong lan lấy nƣớc và ánh sáng)... – Phát tán nhờ: Thƣờng gặp ở các động vật nhỏ phát tán đến nơi mới nhờ các động vật cỡ lớn hơn hoặc di chuyển nhanh. Ví dụ: mọt bột bám trên lông chuột trù; các loài cá nhỏ ép chặt thân vào động vật biển lớn nhƣ cá mập, cá voi nhờ đó cá nhỏ có cơ hội đƣợc mang đi xa, khả năng kiếm mồi và hô hấp thuận lợi... Mối quan hệ hội sinh có ý nghĩa làm tăng khả năng dinh dƣỡng của một loài, giúp bảo vệ và phát tán cá thể ... (A) (B) Hình 10. Phong lan ở nhờ thân cây gỗ (A), cá nhỏ phát tán nhờ cá lớn (B) 1.3. Hợp tác Thƣờng là quan hệ giữa hai loài sống dựa vào nhau và cả hai cùng có lợi nhƣng không nhất thiết phải có nhau; khi tách riêng cả hai loài đều có hại. Ví dụ: Hợp tác giữa nhạn bể và cò làm tổ tập đoàn (giúp cho mỗi bên chống lại kẻ thù có hiệu quả); sáo và trâu rừng (chim tìm thức ăn là ve bét dƣới lớp lông của trâu, do đó trâu tránh đƣợc các sinh vật kí sinh trên thân mình đồng thời khi phát hiện có thú dữ đến gần thì chim bay lên nhờ đó báo động cho trâu); chim mỏ đỏ và linh dƣơng. Mối quan hệ hợp tác có ý nghĩa làm tăng khả năng dinh dƣỡng, chống chịu với các điều kiện bất lợi, chống kẻ thù ... 2. Quan hệ đối kháng Quan hệ đối kháng là quan hệ giữa 2 hay nhiều loài trong đó loài đƣợc lợi sẽ thắng thế và phát triển còn loài yếu thế sẽ bị suy thoái. Tuy nhiên, cũng có một số trƣờng hợp cả 2 loài đều bị thiệt hại. 2.1. Cạnh tranh Quan hệ cạnh tranh trong quần xã là mối quan hệ giữa các loài cùng chung nhau về nguồn sống nhƣ thức ăn, chỗ ở ... và các điều kiện sống trong môi trƣờng. Trong mối quan hệ cạnh tranh, cả hai loài đều bị ảnh hƣởng bất lợi, thƣờng thì một loài sẽ thắng thế còn loài khác bị hại nhiều hơn. Ví dụ: Ở thực vật cạnh tranh về ánh sáng, những cây lấy đƣợc nhiều ánh sáng sẽ Trang 9
Trang 13
Chuyên đề Quần xã sinh vật và hệ sinh thái vƣơn cao hơn các cây khác; ở động vật, các loài cá sống chung trong một ao nuôi cạnh tranh nhau giành thức ăn dẫn tới mỗi loài thích nghi với việc kiếm thức ăn ở một tầng nƣớc nhất định. Các loài càng gần nhau về quan hệ sinh thái, nhƣ cùng một loại thức ăn và nơi ở thì cạnh tranh lại càng khốc liệt. Cạnh tranh gồm 2 hình thức: – Cạnh tranh không loại trừ: Không có loài nào hoàn toàn thắng thế mà tất cả các loài đều bị bất lợi và chúng cùng sống chung lâu dài. Ví dụ: Trâu và bò cạnh tranh nhau cỏ, cú và chồn ở trong rừng cùng hoạt động vào ban đêm và bắt chuột làm thức ăn. – Cạnh tranh loại trừ: Sẽ có loài thắng thế còn loài khác sẽ bị hại. Ví dụ: Thực vật cạnh tranh nhau về ánh sáng dẫn tới tự tỉa thƣa; trùng cỏ Paramecium caudatum và Paramecium aurelia cùng sử dụng nguồn thức ăn là vi sinh vật, khi nuôi trong một bể chúng cạnh tranh nhau gay gắt do đó mật độ cả 2 loài đều giảm nhƣng loài Paramecium Hình 11. Quan hệ cạnh tranh của 2 loài caudatum giảm hẳn và trở thành thua cuộc. trùng cỏ khi nuôi chung Quan hệ cạnh tranh là nhân tố chủ yếu quyết định cấu trúc và sự phát triển của quần xã. Quan hệ cạnh tranh của quần xã ảnh hƣởng đến 4 mặt sau: – Ảnh hƣởng đến sự biến động số lƣợng loài của quần xã: Ở động vật, sự cạnh tranh biểu hiện rõ rệt và sớm thấy kết quả, thậm chí có loài bị tiêu diệt, nhƣ quan hệ vật ăn thịt – con mồi. Ở thực vật cũng có biến động, nhƣng không bộc lộ rõ nhƣ động vật, nó diễn ra từ từ, chậm chạp; loài thực vật ƣu thế sẽ loại dần hoặc làm cho loài thực vật khác bị suy yếu đi và giảm dần sự sống, nhƣ việc tự tỉa thƣa ở thực vật. – Ảnh hƣởng đến sự phân bố địa lý và phân bố theo nơi ở, thể hiện rõ khi có sự nhập cƣ của những loài mới đến một cách ngẫu nhiên, nếu phù hợp thì chúng sẽ sớm thích nghi và phát triển mạnh, đẩy lùi và loại dần những loài cũ. Buộc loài cũ bị tiêu diệt hoặc phải mở rộng khu vực phân bố hoặc di chuyển đi nơi khác (khu địa lý mới). Ví dụ: Thú có túi sống phổ biến khắp nƣớc Úc, nhƣng từ khi thỏ và cừu đƣợc nhập vào nƣớc Úc, do chúng thích ứng với môi trƣờng sống mới nên phát triển rất mạnh và đã giành lấy nơi ở tốt, làm cho nơi ở của thú có túi bị co hẹp lại; thỏ và cừu đã làm ảnh hƣởng tới sự phân bố và số lƣợng cá thể của thú có túi. – Ảnh hƣởng tới sự phân hóa về mặt hình thái của sinh vật. Ví dụ: Có hai loài chim sẻ đất khi sống riêng rẽ ở hai nơi khác nhau đều có mỏ dài khoảng 10 mm. Nhƣng khi chúng di chuyển đến sống cùng nhau (nơi ở) ở hai hòn đảo Charles và Chatham thì lại không hề có sự cạnh tranh với nhau về thức ăn (loài G. fortis có mỏ dài hơn 10 mm chuyên ăn loại hạt lớn và loài G. fuliginosa có mỏ ngắn, dƣới 8 mm chuyên ăn loại hạt bé) để lấy loại thức ăn có kích Hình 12. Sự phân hóa kích thƣớc mỏ của hai loài chim sẻ đất khi sống chung Trang 10
Trang 14
Chuyên đề Quần xã sinh vật và hệ sinh thái thƣớc khác nhau nhờ đó mà mức độ cạnh tranh giảm bớt. – Ảnh hƣởng đến sự phân li các ổ sinh thái: Trong tiến hóa, các loài gần nhau về nguồn gốc thƣờng hƣớng đến sự phân hóa ổ sinh thái của mình (bao gồm cả không gian sống, nguồn thức ăn và cách khai thác nguồn thức ăn đó) để có thể chung sống hòa bình với nhau. Ví dụ: Loài trùng cỏ Paramecium caudatum và Paramecium bursaria tuy cùng ăn vi sinh vật vẫn có thể chung sống trong một bể nuôi vì chúng đã phân hóa một phần ổ sinh thái đó là nơi sống (P. caudatum chỉ sống đƣợc ở tầng nƣớc mặt giàu oxygen còn loài P. bursaria nhờ cộng sinh với một loài tảo nên có thể sống đƣợc ở đáy bể, ít oxygen). Cạnh tranh xảy ra thƣờng xuyên trong lịch sử tiến hóa của các loài, do đó chỉ có những loài ƣu thế về các đặc điểm hình thái, sinh lí mới có thể tồn tại và phát triển hƣng thịnh đƣợc, chúng chiến thắng hoặc tránh bị tiêu diệt. Mối quan hệ cạnh tranh giữa các loài có ý nghĩa đảm bảo trạng thái cân bằng sinh học trong tự nhiên, hình thành các ổ sinh thái khác nhau và đƣợc xem là một trong những động lực của quá trình tiến hóa. 2.2. Vật ăn thịt – con mồi (Sinh vật ăn sinh vật) Quan hệ vật ăn thịt – con mồi là quan hệ một loài sử dụng loài khác làm thức ăn. Mối quan hệ này bao gồm các trƣờng hợp: Động vật ăn động vật (cáo ăn gà, hổ ăn linh dƣơng, ...), động vật ăn thực vật (bò ăn cỏ), thực vật bắt sâu bọ (cây nắp ấm bắt sâu bọ). Thông thƣờng thì sinh vật ăn thịt có kích thƣớc cơ thể lớn, số lƣợng ít hơn con mồi. Trong mối quan hệ tƣơng hỗ này, vật ăn thịt bắt mồi làm thức ăn còn con mồi đã nuôi sống vật ăn thịt. Trong quá trình tiến hóa, thông qua chọn lọc tự nhiên cả vật ăn thịt và con mồi đều hình thành những khả năng thích nghi để săn mồi có hiệu quả và trốn tránh kẻ thù. Ví dụ: Ở vật ăn thịt là sự thích nghi các cơ quan nhƣ màu sắc cơ thể để rình, vận động để rƣợt đuổi, vồ bắt, hệ enzyme để tiêu hóa con mồi; ngƣợc lại, ở con mồi là sự thích nghi của các cơ quan nhƣ vận động để chạy trốn, màu sắc thân để ẩn náu, cơ quan tự vệ (độc tố) ... Đây là mối quan hệ hết sức khắc nghiệt, tuy nhiên trong thiên nhiên đây chính là động lực của tiến hóa các loài sinh vật. Những con mồi non, yếu, bệnh thƣờng hay bị giết chết nên có tác dụng loại trừ ra khỏi quần thể những cá thể yếu kém. Nếu số lƣợng cá thể của quần thể loài ăn thịt và quần thể con mồi đều bị săn bắt với mức độ nhƣ nhau thì số lƣợng cá thể của quần thể con mồi sẽ đƣợc phục hồi nhanh hơn vì mỗi vật ăn thịt thƣờng sử dụng nhiều con mồi làm thức ăn vì thế khi tiêu diệt 1 vật ăn thịt sẽ có nhiều con mồi sống sót. Con mồi thƣờng có kích thƣớc bé hơn, tốc độ sinh sản nhanh hơn vật ăn thịt nên quần thể con mồi thƣờng có tiềm năng sinh học lớn hơn quần thể sinh vật ăn thịt. Quan hệ vật ăn thịt – con mồi có ý nghĩa ổn định số lƣợng những quần thể trong quần xã. Kết quả là tạo đƣợc cân bằng sinh học trong tự nhiên (cân bằng số lƣợng giữa các loài trong quần xã), tăng khả năng sống sót và sinh sản của cá thể, loại trừ dịch bệnh, trao đổi vốn gene giữa các quần thể (do sự săn đuổi giữa vật ăn thịt và con mồi diễn ra ở nhiều quần xã khác nhau, dẫn đến sự giao phối các cá thể cùng loài ở nhiều quần xã nhờ đó tạo đƣợc nhiều thế hệ mới có sức sống cao hơn). Khi phân tích sơ đồ mối quan hệ giữa thỏ tuyết và linh miêu: + Đƣờng biểu diễn sự biến động số lƣợng của quần thể thỏ tuyết cho thấy số lƣợng cá thể lớn hơn và thƣờng biến động trƣớc so với đƣờng biểu diễn số lƣợng linh miêu đây là đặc trƣng cho sự biến đổi của quần thể con mồi. + Sự biến động số lƣợng của cả hai loài đều là dạng biến Hình 13. Sự biến động số lƣợng của thỏ tuyết và linh miêu Trang 11
Trang 15
Chuyên đề Quần xã sinh vật và hệ sinh thái động theo chu kỳ 9 – 10 năm. + Sự biến số lƣợng của quần thể thỏ kéo theo sự biến động của quần thể linh miêu và ngƣợc lại, do mối quan hệ giữa hai loài là mối quan hệ giữa vật ăn thịt và con mồi nên xảy ra hiện tƣợng khống chế sinh học. + Giá trị kích thƣớc lớn nhất mà quần thể thỏ đạt đến khoảng 155 nghìn con (khoảng năm 1865) gần gấp đôi so với giá trị kích thƣớc lớn nhất của quần thể linh miêu hơn 6 nghìn con (khoảng năm 1885). 2.3. Vật chủ – vật kí sinh Quan hệ vật chủ – vật kí sinh là quan hệ sống bám của sinh vật này (vật kí sinh) trên cơ thể sinh vật khác (vật chủ), bằng cách ăn mô hoặc thức ăn đã đƣợc vật chủ tiêu hóa, chế biến sẵn, để chúng tồn tại và phát triển mà không giết chết ngay vật chủ. Mối quan hệ này thực chất là sự biến tƣớng của quan hệ vật ăn thịt – con mồi, chỉ khác là vật kí sinh nhỏ, có số lƣợng đông, ăn dịch hoặc tranh chất dinh dƣỡng với vật chủ, không giết chết vật chủ mà chỉ làm yếu dần, gây bệnh cho vật chủ, còn vật chủ có kích thƣớc lớn nhƣng số lƣợng ít. – Dựa vào hình thức dinh dƣỡng, vật kí sinh có 2 nhóm: Nhóm kí sinh hoàn toàn và nhóm kí sinh không hoàn toàn (nửa kí sinh). + Sinh vật kí sinh hoàn toàn: Không có khả năng tự dƣỡng nhƣ dây tơ hồng kí sinh trên thân cây gỗ; nấm, vi khuẩn, động vật nguyên sinh, giun tròn, sán lá, bét, sâu bọ … kí sinh trên lợn, trâu, bò, ngƣời, gà vịt, cá ... + Sinh vật kí sinh không hoàn toàn: Vừa sống nhờ vào các chất lấy từ vật chủ vừa có khả năng tự dƣỡng nhƣ cây tầm gửi kí sinh trên thân cây chủ. (A) (B) Hình 14. Dây tơ hồng sống bám trên thân cây khác (A), bọ chét kí sinh trên chó (B) – Dựa vào môi trƣờng sống, sinh vật kí sinh gồm 2 nhóm: Ngoại kí sinh (chỉ ở ngoài da nhƣ ghẻ, nấm hắc lào, rận, chấy…) và nội kí sinh (trong cơ thể vật chủ nhƣ giun và sán trong ruột ngƣời và động vật). Tỉ lệ nhiễm vật kí sinh của vật chủ sẽ phụ thuộc vào loài, lứa tuổi, giới tính, nơi ở, mùa trong năm của vật chủ. Có nhiều loài động vật, thực vật kí sinh gây thiệt hại lớn cho các ngành trồng trọt, chăn nuôi nhƣ các loài kí sinh trên ngô, bắp cải, lúa...hay ve bét kí sinh trên vật nuôi. Bên cạnh đó, lại có một số loài ong kí sinh trực tiếp trên cơ thể sâu hại cây trồng nhƣ ong mắt đỏ đẻ trứng kí sinh trên sâu đục thân hại lúa, trong nông nghiệp mối quan hệ này đã đƣợc ứng dụng để tiêu diệt những loài gây hại cho nông, lâm nghiệp gọi là biện pháp khống chế sinh học. 2.4. Ức chế – cảm nhiễm Quan hệ ức chế – cảm nhiễm là quan hệ một loài sống bình thƣờng, nhƣng gây hại cho loài khác. Đó là sự tiết ra những chất độc vào môi trƣờng, làm ức chế sinh trƣởng và phát triển của loài kia và ngƣợc lại; nhờ đó mà duy trì, phát triển, chiếm lĩnh và mở rộng khu phân bố. Trang 12
Trang 16
Chuyên đề Quần xã sinh vật và hệ sinh thái (A) (B) Hình 15. Xạ khuẩn ức chế vi khuẩn (A), hiện tƣợng thủy triều đỏ (B) Ví dụ: Tảo giáp và một số tảo hiển vi khác phát triển mạnh vào mùa sinh sản gây hiện tƣợng “nƣớc nở hoa” hay “thủy triều đỏ”, chất độc do tảo tiết ra nƣớc giết chết nhiều loài động vật không xƣơng sống, cá, chim và nhiều loài động vật khác chết do ăn phải động vật không xƣơng sống bị nhiễm độc này; xạ khuẩn tiết kháng sinh ức chế vi khuẩn; rễ của nhiều loài cây tiết ra chất kháng sinh kìm hãm sự phát triển của những loài khác sống xung quanh nhƣ cây tỏi tiết ra phytoncide để kìm hãm sự phát triển của các vi sinh vật xung quanh. Trong thực tiễn, các chất tiết của sinh vật đƣợc sử dụng để ức chế sinh vật khác, chế tạo thuốc trừ sâu sinh học. IV. KHỐNG CHẾ SINH HỌC VÀ KIỂM SOÁT SINH HỌC 1. Khống chế sinh học Là hiện tƣợng số lƣợng cá thể của một loài bị khống chế ở một mức độ nhất định, không tăng cao quá hoặc giảm thấp quá do tác động của các mối quan hệ giữa các loài trong quần xã. Khống chế sinh học có ý nghĩa phản ánh mối quan hệ đối kháng trong quần xã, nhờ có hiện tƣợng này làm cho số lƣợng cá thể của mỗi quần thể dao động trong một thế cân bằng dẫn đến trạng thái cân bằng sinh học trong quần xã. Ví dụ: Chim sâu và sâu bọ, khi thời tiết ấm áp, có mƣa nhỏ thì thực vật phát triển, đây cũng là lúc sâu bọ phát triển mạnh, dẫn đến số lƣợng chim sâu cũng tăng theo, khi số lƣợng chim sâu tăng quá cao, chúng đã tiêu diệt hết sâu bọ, làm cho số lƣợng sâu bọ bị giảm nhanh. Chuột bị khống chế bởi mèo, rắn, trăn ... nhƣng từ nhiều năm nay, nạn chuột đang hoành hành phá hoại mùa màng, hàng năm có hàng ngàn ha lúa, hoa màu bị mất trắng, có nơi bị phá hoại tới 30% diện tích, nguyên nhân là do các thiên địch của chuột đã bị con ngƣời săn bắt đến cạn kiệt, dẫn đến mất cân bằng sinh thái, chuột không còn bị khống chế nữa. Trong thực tiễn, mối quan hệ này có ý nghĩa làm cơ sở cho biện pháp đấu tranh sinh học nhằm chủ động kiểm soát số lƣợng cá thể của mỗi loài theo hƣớng có lợi cho con ngƣời. 2. Kiểm soát sinh học Kiểm soát sinh học là biện pháp làm suy giảm kích thƣớc quần thể, thậm chí tiêu diệt hoàn toàn một quần thể sinh vật gây hại cho vật nuôi và cây trồng bởi kẻ thù tự nhiên của chúng (thiên địch) hay các sản phẩm sinh học, hoặc do tăng cƣờng sức đề kháng của vật chủ. Những mối quan hệ giữa các loài sinh vật có thể đƣợc sử dụng trong kiểm soát sinh học là: – Vật ăn thịt – con mồi: Vật ăn thịt đƣợc sử dụng trong kiểm soát sinh học thƣờng có khả năng sinh trƣởng, sinh sản nhanh; tìm kiếm và khai thác tốt nguồn sống; khả năng sống sót qua thời kì có ít hoặc không có con mồi cao. Mối quan hệ tƣơng tác giữa vật ăn thịt – con mồi góp phần duy trì cân bằng, sự ổn định của quần xã sinh vật. – Vật chủ – vật kí sinh: Sinh vật kí sinh đƣợc sử dụng trong kiểm soát sinh học nhằm làm yếu hoặc gây chết vật chủ gây hại. – Sinh vật đối kháng: Sinh vật đối kháng không làm hại vật nuôi, cây trồng mà có tác dụng ức chế các vi sinh vật gây hại, giúp vật nuôi và cây trồng sinh trƣởng, chống chịu tốt hơn với các tác nhân gây bệnh. Vi sinh vật đối kháng có thể sản sinh ra các chất kháng sinh, chất độc tiêu diệt vi khuẩn, nấm gây bệnh hoặc cạnh tranh nguồn dinh dƣỡng với các vi sinh vật gây hại sống trong đất ở vùng rễ cây, giúp cây sinh trƣởng khỏe, chống chịu bệnh tốt hơn. Sử Trang 13
Trang 17
Chuyên đề Quần xã sinh vật và hệ sinh thái dụng sinh vật đối kháng là giải pháp hiệu quả, bền vững trong sản xuất nông nghiệp nhất là sản xuất nông nghiệp theo lối độc canh. Ví dụ: Dùng kiến vống để tiêu diệt sâu hại cam, ong mắt đỏ diệt sâu đục thân lúa ... (A) (B) (C) Hình 16. Ong kí sinh rệp (A), ong kí sinh kén trắng (B), ong mắt đỏ (C) Hiện nay con ngƣời có thể chủ động kiểm soát sinh học bằng nhiều cách: – Biện pháp di truyền học: + Đột biến gây bất dục – kĩ thuật tiệt sinh côn trùng (SIT): SIT là hình thức kiểm soát côn trùng sử dụng bức xạ ion hóa để tiệt sinh (bất dục) con đực, sau đó thả con đực bất dục vào các khu vực canh tác (trồng trọt cây ăn quả), tại đây, chúng giao phối với côn trùng tự nhiên nhƣng không sinh ra thế hệ con. Nhƣ vậy, SIT phá vỡ chu kì sinh sản của côn trùng gây hại hay còn đƣợc gọi là kiểm soát tự diệt. + Các gene chống chịu: Công nghệ di truyền có thể giúp chuyển gene từ loài này sang loài khác, tạo ra các giống cây trồng, vật nuôi có khả năng kháng sâu, bệnh; kháng thuốc diệt cỏ tốt hơn; cho năng suất cao hơn. – Biện pháp vi sinh học: Trichoderma sp. là loại nấm đƣợc sử dụng phổ biến trong trồng trọt. Chúng tổng hợp một số chất có hoạt tính sinh học nhƣ các enzyme khống chế sự phát triển của các loại nấm gây bệnh khác nhƣ các loại nấm gây thối rễ: Pythium, Rhizoctonia và Fusarium,...; đối kháng với nấm Phytopthora spp. gây hại trên sầu riêng. Đặc biệt quần thể nấm Trichoderma trong đất tăng trƣởng rất nhanh. Trộn nấm Trichoderma với phân hữu cơ để ủ sẽ cung cấp chất dinh dƣỡng cho nấm phát triển, giúp mật độ nấm tăng lên. Khi bón lót phân đã ủ Trichoderma sẽ cung cấp một lƣợng lớn nấm Trichoderma có lợi cho đất giúp ngăn chặn sự phát triển của các loài nấm gây bệnh cho cây; kích thích khả năng hút chất dinh dƣỡng, phòng vệ của cây; từ đó làm tăng năng suất cây trồng; làm cho đất tơi xốp, giàu mùn, các chất dinh dƣỡng trong đất dễ dàng đƣợc vận chuyển đến cây trồng. Kiểm soát sinh học có nhiều ƣu điểm: Khống chế sâu bệnh gây hại cây trồng mà không gây ô nhiễm môi trƣờng. Không gây hại cho sức khỏe con ngƣời và các loài sinh vật khác. Nguy cơ kháng thấp. Đảm bảo chất lƣợng nông sản, không chứa dƣ lƣợng chất hóa học. Phóng thích thiên địch cần ít thời gian và ít gây nguy hiểm cho ngƣời sản xuất. Tuy nhiên, biện pháp kiểm soát sinh học cũng có hạn chế nhất định do khi sử dụng thiên địch để diệt một loài gây hại thì sự diệt vong của loài này lại là tiền đề cho các sinh vật gây hại khác phát triển. Vì vậy, khi sử dụng biện pháp khống chế sinh học cần thận trọng, xem xét nhiều mối quan hệ và khả năng phát triển của nhiều loài. Ngoài ra kiểm soát sinh học có tác dụng chậm, khó có thể tiêu diệt đƣợc toàn bộ quần thể sâu hại, sử dụng, bảo vệ, duy trì và phát triển thiên địch rất khó, khi sâu bệnh phát triển thành dịch thì biện pháp này không có hiệu quả cao. a. Điều chỉnh theo mô hình từ dƣới lên Là hình thức kiểm soát sinh học ở các quần xã có quan hệ từ bậc dinh dƣỡng thấp lên cao. Mô hình này cho rằng ảnh hƣởng là 1 chiều: N V H P. Trong trƣờng hợp này, có hay không có dinh dƣỡng khoáng (N) trong đất sẽ khống chế số lƣợng thực vật (V), thực vật sẽ khống chế số lƣợng động vật ăn cỏ (H), động vật ăn cỏ lại khống chế động vật ăn thịt (P). Để thay đổi cấu trúc của một quần xã sinh vật từ dƣới lên chúng ta cần thay đổi sinh khối ở bậc dinh dƣỡng thấp nhất, thay đổi đó sẽ đƣợc truyền qua toàn bộ lƣới thức ăn. Trang 14
Trang 18
Chuyên đề Quần xã sinh vật và hệ sinh thái Ví dụ: Nếu bón thêm khoáng dinh dƣỡng sẽ làm tăng sinh trƣởng ở thực vật thì sinh khối ở các bậc dinh dƣỡng cao hơn cũng sẽ tăng theo. Trong mô hình này, nếu bổ sung hoặc loại bỏ động vật ăn thịt ra khỏi quần xã thì sẽ không ảnh hƣởng đến các bậc dinh dƣỡng thấp hơn. b. Điều chỉnh theo mô hình từ trên xuống Là giả thiết theo hƣớng ngƣợc lại của mô hình từ dƣới lên: Vật ăn thịt là sinh vật chủ yếu khống chế tổ chức quần xã. Trong đó, động vật ăn thịt hạn chế động vật ăn cỏ, động vật ăn cỏ hạn chế thực vật, thực vật hạn chế lƣợng chất dinh dƣỡng mà thực vật hấp thu cho sinh trƣởng và sinh sản của chúng. Mô hình đƣợc biểu diễn nhƣ sau: P H V N, đây còn đƣợc gọi là mô hình tháp dinh dưỡng. Ví dụ: Ở quần xã hồ nƣớc ngọt có 4 bậc dinh dƣỡng, khi loại bỏ động vật ăn thịt bậc cao nhất sẽ làm tăng số lƣợng động vật ăn thịt bậc sơ cấp, sau đó sẽ làm giảm số lƣợng động vật ăn cỏ, làm tăng số lƣợng thực vật phù du và làm giảm nồng độ các chất dinh dƣỡng khoáng. Nếu trong hồ chỉ có 3 bậc dinh dƣỡng, khi loại bỏ động vật ăn thịt sơ cấp sẽ làm tăng số lƣợng động vật ăn cỏ và làm giảm số lƣợng thực vật phù du và mức độ dinh dƣỡng khoáng sẽ tăng. V. TÁC ĐỘNG CỦA CON NGƢỜI LÊN QUẦN XÃ SINH VẬT 1. Sự du nhập của các loài ngoại lai (loài du nhập) Loài du nhập là thuật ngữ sinh thái học dùng để chỉ về các loài sinh vật đƣợc con ngƣời đƣa từ bên ngoài vào khu vực truyền thống bản địa. Hiện nay, cách hiểu về sinh vật lạ còn rất khác nhau và chƣa có định nghĩa thống nhất. Khi đƣợc đƣa đến môi trƣờng mới, một loài ngoại lai có thể không thích nghi đƣợc với điều kiện sống và do đó không tồn tại đƣợc. Tuy nhiên, trong nhiều trƣờng hợp khác, do thiếu vắng các đối thủ cạnh tranh và thiên địch nhƣ ở quê nhà cùng với điều kiện sống thuận lợi, các loài này có điều kiện sinh sôi nảy nở rất nhanh và đến một lúc nào đó phá vỡ cân bằng sinh thái bản địa và vƣợt khỏi tầm kiểm soát của con ngƣời. Lúc này nó trở thành loài ngoại lai xâm hại. Theo Thông tƣ số 35/2018/TT– BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng, ở Việt Nam đƣợc ghi nhận 4 loài vi sinh vật ngoại lai, 9 loài động vật, 6 loài thực vật. Trong đó có rùa tai đỏ, cá dọn bể, ốc bƣơu vàng, cây mai dƣơng, cây ngũ sắc, (A) (B) bèo tây là những sinh vật thích nghi cao và Hình 17. Cá dọn bể (A), rùa tai đỏ (B) phát triển mạnh, lấn át các loài bản địa. 2. Giảm nơi ở của các loài sinh vật trong quần xã Hoạt động săn bắt, khai thác quá mức khiến nhiều quần thể trong quần xã bị suy giảm số lƣợng, nhiều loài không còn khả năng phục hồi đi tới diệt vong. Ví dụ: San lấp ao hồ, khai thác khoáng sản, chặt phá rừng làm nƣơng rẫy, làm đƣờng, làm nhà, xây đập thuỷ điện … Nhiều hoạt động sản xuất của con ngƣời gây ô nhiễm môi trƣờng đất, nƣớc, không khí, làm biến đổi môi trƣờng sống của các sinh vật trong quần xã theo hƣớng tiêu cực dẫn đến số lƣợng cá thể và quần thể trong quần xã bị giảm sút. Ví dụ: Bón phân hoá học, phun thuốc bảo vệ thực vật hoá học, xả khí thải, nƣớc thải chƣa qua xử lí ra ngoài môi trƣờng … 3. Một số biện pháp bảo vệ quần xã sinh vật tự nhiên Xây dựng các khu bảo tồn thiên nhiên, vƣờn quốc gia giúp bảo tồn môi trƣờng sống tự nhiên của quần xã sinh vật, bảo vệ các quần xã sinh vật khỏi sự đe dọa bởi các hoạt động của con ngƣời. Tăng cƣờng phòng, chống vi phạm; thực hiện chính sách, pháp luật về bảo tồn đa dạng sinh học, phòng, chống săn bắt, vận chuyển, tàng trữ, chế biến, buôn bán trái phép động vật hoang dã. Bổ sung kịp thời các nguồn lực cho công tác bảo tồn, chống săn bắt, buôn bán trái phép động vật, thực vật hoang dã; đầu tƣ cho các hoạt động tuyên truyền, nâng cao nhận thức Trang 15
Trang 19
Chuyên đề Quần xã sinh vật và hệ sinh thái của cộng đồng về thiên nhiên, nhất là về pháp luật của quốc gia, quốc tế trong bảo vệ thiên nhiên, bảo vệ các loài nguy cấp, quý hiếm. Quản lý hoạt động gây nuôi, phát triển động, thực vật hoang dã hiệu quả, minh bạch hơn. Bên cạnh đó, cần sử dụng truyền thông làm công cụ để thay đổi hành vi của cộng đồng xã hội, góp phần hỗ trợ thực hiện các quy định pháp luật, nhằm ngăn chặn việc tiêu thụ sừng tê giác, ngà voi và các sản phẩm có nguồn gốc từ động vật hoang dã bất hợp pháp khác. Xây dựng kế hoạch để khai thác và sử dụng hợp lí nguồn tài nguyên đất, rừng, biển. Tích cực phòng chống cháy rừng. Sử dụng phân bón vi sinh, phân bón hữu cơ thay thế cho phân bón hóa học. Sử dụng biện pháp kiểm soát sinh học để thay thế thuốc hóa học. Thực hiện các nghiên cứu khảo nghiệm trƣớc khi nhập nội giống cây trồng, vật nuôi. Bảo vệ các loài sinh vật bản địa trƣớc sự xâm lấn của loài ngoại lai. Trang 16
Trang 20
Chuyên đề Quần xã sinh vật và hệ sinh thái CHƢƠNG II. HỆ SINH THÁI I. KHÁI QUÁT HỆ SINH THÁI 1. Khái niệm hệ sinh thái Hệ sinh thái là một hệ thống hoàn chỉnh và tƣơng đối ổn định bao gồm quần xã sinh vật và sinh cảnh của quần xã, trong đó các sinh vật tác động qua lại với nhau và với các thành phần của sinh cảnh tạo nên các chu trình sinh địa hoá. Ví dụ: Hệ sinh thái ao hồ, đồng ruộng, rừng … Hệ sinh thái là một hệ thống có đầy đủ các chức năng sống. Trong hệ sinh thái luôn diễn ra quá trình trao đổi chất và chuyển hóa năng lƣợng theo phƣơng thức đồng hóa và dị hóa. Quần xã có sự sinh trƣởng thông qua sự sinh trƣởng của các quần thể. Quần xã có khả năng tự điều chỉnh, thích nghi với môi trƣờng thông qua cơ chế điều hòa mật độ của quần thể và hiện tƣợng khống chế sinh học. Mỗi quần thể đều có biến đổi, tạo nên sự biến đổi (tiến hóa) của quần xã thông qua quá trình diễn thế. Có sự biến đổi tƣơng ứng giữa quần xã và sinh cảnh. Hình 18. Hệ sinh thái ao hồ Hệ sinh thái là hệ động lực mở, tự điều chỉnh vì hệ nhận vật chất và năng lƣợng từ môi trƣờng ngoài trong giới hạn sinh thái; khi chịu tác động của các yếu tố môi trƣờng hệ biến đổi trạng thái để phù hợp với điều kiện cân bằng mới. Kích thƣớc của 1 hệ sinh thái rất đa dạng. Hệ sinh thái có thể nhỏ nhƣ 1 giọt nƣớc ao; 1 bể cá cảnh. Hệ sinh thái lớn nhất là Trái Đất. Bất kì một sự gắn kết nào giữa sinh vật với các nhân tố sinh thái của môi trƣờng để tạo thành một chu trình sinh học hoàn chỉnh, dù đơn giản nhất, đều đƣợc coi là một hệ sinh thái. 2. Các thành phần cấu trúc của hệ sinh thái 2.1. Thành phần hữu sinh (quần xã) Tuỳ theo hình thức dinh dƣỡng của từng loài trong hệ sinh thái mà xếp thành 3 nhóm: Sinh vật sản xuất, sinh vật tiêu thụ, sinh vật phân giải. 2.2. Thành phần vô sinh (sinh cảnh) Là môi trƣờng vật lí hay sinh cảnh bao gồm: Các chất vô cơ (nƣớc, CO2, O2, nitrogen, phosphorus ...), các chất hữu cơ Hình 19. Các thành phần cấu trúc của hệ sinh thái (Protein, carbohydrate, lipid ...), các yếu tố khí hậu: Ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, gió ... 3. Các kiểu hệ sinh thái 3.1. Hệ sinh thái tự nhiên Hệ sinh thái tự nhiên đƣợc hình thành bằng các quy luật tự nhiên, rất đa dạng. – Hệ sinh thái tự nhiên trên cạn: Đƣợc đặc trƣng bởi các thảm thực vật do nó chiếm sinh khối lớn và có ảnh hƣởng lớn tới khí hậu địa phƣơng, bao gồm: Hệ sinh thái rừng nhiệt đới; hệ sinh thái sa mạc và hoang mạc; hệ sinh thái savan đồng cỏ; hệ sinh thái thảo nguyên; hệ sinh thái rừng lá rộng ôn đới; hệ sinh thái rừng thông phƣơng Bắc; hệ sinh thái đồng rêu đới lạnh. Trong các hệ sinh thái tự nhiên trên cạn, hệ sinh thái rừng (nhất là rừng mƣa nhiệt đới) đóng vai trò rất quan trọng đối với các hệ sinh thái khác của Trái Đất. Rừng mƣa nhiệt đới ở trạng thái ổn định và cân bằng có độ đa dạng cao về cấu trúc thành phần loài, sự phân bố Trang 17
评论 (0)
暂无评论。快来抢沙发吧！