Bài 21: Quần thể sinh vật

I. KHÁI NIỆM QUẦN THỂ SINH VẬT

Quần thể sinh vật là tập hợp các cá thể cùng loài, cùng sinh sống trong một khoảng không gian xác định, vào một khoảng thời gian nhất định, cùng chịu ảnh hưởng của các nhân tố sinh thái, sử dụng cùng nguồn sống và có khả năng sinh sản (hữu tính hoặc vô tính) tạo ra những thế hệ mới có khả năng sinh sản.

II. MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC CÁ THỂ TRONG QUẦN THỂ

Các cá thể trong quần thể luôn có sự tương tác qua lại lẫn nhau nhằm đảm bảo tính ổn định của quần thể, tăng khả năng khai thác nguồn sống từ môi trường và biến đổi môi trường theo hướng có lợi cho quần thể. Sự tương tác giữa các cá thể trong quần thể được thể hiện qua các mối quan hệ hỗ trợ và cạnh tranh.

1. Mối quan hệ hỗ trợ

- Mối quan hệ hỗ trợ diễn ra khi các cá thể sống cùng với nhau, sự hỗ trợ giữa các cá thể đảm bảo cho quần thể thích nghi với các điều kiện môi trường, tăng khả năng sống sót và sinh sản của các cá thể.

- Mối quan hệ hỗ trợ được thể hiện qua hiệu quả nhóm.

- Ở thực vật, khi sống thành từng nhóm, cây có khả năng chống được gió bão và hạn chế sự thoát hơi nước tốt hơn.

- Động vật có hiện tượng tụ họp thành bầy đàn để săn mồi, chống lại kẻ thù, sinh sản.

- Ví dụ: Cá mòi tập trung thành đàn rất lớn để tránh được sự săn mồi của cá mập.

2. Mối quan hệ cạnh tranh

- Trường hợp điều kiện môi trường sống không thuận lợi sẽ dẫn đến sự cạnh tranh giữa các cá thể trong quần thể làm tăng mức tử vong, duy trì số lượng và sự phân bố cá thể trong quần thể cho phù hợp với nguồn sống của môi trường, đảm bảo sự tồn tại và phát triển của quần thể.

- Ở thực vật, các cá thể cạnh tranh với nhau về nguồn ánh sáng, nước và chất dinh dưỡng dẫn đến hiện tượng tự tỉa thưa. Các cá thể có khả năng sinh trưởng và phát triển mạnh sẽ có ưu thế hơn trong việc cạnh tranh nguồn sống, các cá thể có sức sống yếu hơn sẽ bị đào thải.

- Ví dụ: Khi cây mọc với mật độ quá dày, một số cây không đủ ánh sáng và chất dinh dưỡng sẽ chết đi, hiện tượng này được gọi là tự tỉa thưa.

- Ở động vật, các cá thể có thể cạnh tranh về nơi làm tổ và nuôi con, nguồn thức ăn, các con đực tranh giành con cái vào mùa sinh sản; một số loài động vật còn có hiện tượng ăn thịt đồng loại khi nguồn thức ăn trở nên cạn kiệt.

- Ví dụ: Các con sư tử đực tranh giành lãnh thổ; cá pecca châu âu (Perca fluviatilis) ăn thịt các con cá cùng loài có kích thước nhỏ hơn, thậm chí là con của mình để tồn tại.

III. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA QUẦN THỂ SINH VẬT 1. Kích thước quần thể

- Kích thước quần thể là số lượng cá thể (hoặc khối lượng hoặc năng lượng tích luỹ trong các cá thể) phân bố trong không gian của quần thể.

- Ví dụ: Quần thể voi châu á trong Vườn quốc gia Yok Don, tỉnh Đắk Lắk là 32 – 36 con (năm 2020).

- Quần thể sinh vật có thể tồn tại và phát triển trong khoảng kích thước tối thiểu đến kích thước tối đa.

- Kích thước tối thiểu là số lượng cá thể ít nhất mà quần thể cần có để duy trì và phát triển; nếu kích thước quần thể giảm xuống dưới mức tối thiểu, quần thể dễ rơi vào trạng thái diệt vong do giảm khả năng hỗ trợ và khả năng sinh sản, tăng tỉ lệ giao phối cận huyết.

- Kích thước tối đa là số lượng cá thể nhiều nhất mà quần thể có thể đạt được, phù hợp với khả năng cung cấp nguồn sống của môi trường; nếu kích thước quần thể vượt quá mức tối đa, nguồn sống không đủ cung cấp cho các cá thể dẫn đến sự cạnh tranh gay gắt làm giảm kích thước quần thể.

2. Mật độ cá thể

- Mật độ cá thể của quần thể là số lượng cá thể tính trên một đơn vị diện tích hoặc thể tích của quần thể.

- Ví dụ: Mật độ cây tràm trên đất than bùn dày tại Vườn quốc gia U Minh Thượng (Kiên Giang) khoảng 4 000 – 5 000 cây/ha (năm 2009).

- Mật độ cá thể ảnh hưởng đến khả năng sử dụng nguồn sống của quần thể, từ đó, ảnh hưởng đến mức sinh sản và mức tử vong.

+ Khi mật độ cá thể tăng cao, các cá thể cạnh tranh gay gắt về nơi ở, thức ăn; xảy ra hiện tượng di cư của một nhóm cá thể hoặc cả quần thể; bên cạnh đó, sự tác động của vật ăn thịt, vật kí sinh và dịch bệnh cũng tác động lên quần thể, các yếu tố này đều làm giảm kích thước quần thể.

+ Khi mật độ quần thể giảm, các cá thể tăng cường hỗ trợ lẫn nhau, các nhân tố sinh thái tác động làm tăng số lượng cá thể trong quần thể.

3. Tỉ lệ giới tính

- Tỉ lệ giới tính là tỉ lệ giữa số cá thể đực và số cá thể cái trong quần thể.

- Đa số quần thể sinh vật sinh sản hữu tính trong tự nhiên có tỉ lệ đực : cái xấp xỉ 1 : 1.

- Tỉ lệ giới tính thay đổi tuỳ theo tập tính sinh sản của từng loài, thời gian và điều kiện môi trường.

- Ví dụ: Ở người Việt Nam, tỉ lệ nam : nữ ở giai đoạn sơ sinh là 1,12 : 1; ở loài Rùa tai đỏ (Trachemys scripta), trứng được ấp ở nhiệt độ trên 31 °C sẽ nở ra con cái, trong khi nhiệt độ dưới 28 °C sẽ nở ra con đực.

- Ở các loài sinh sản hữu tính, tỉ lệ giới tính thể hiện tiềm năng sinh sản của quần thể.

4. Nhóm tuổi

- Tuổi được tính dựa trên thời gian sống của cá thể.

- Các cá thể trong quần thể được chia thành ba nhóm tuổi: trước sinh sản, đang sinh sản và sau sinh sản.

- Thành phần nhóm tuổi đảm bảo mối tương quan về số lượng cá thể giữa các nhóm tuổi trong quần thể, đảm bảo cho quần thể có khả năng thích ứng với những thay đổi của môi trường sống.

- Ví dụ: Trong quần thể, tỉ lệ nhóm tuổi trước sinh sản thấp còn nhóm tuổi sau sinh sản chiếm ưu thế thì số lượng cá thể mới sinh ra không đủ bù cho số lượng cá thể tử vong, dẫn đến quần thể có thể bị diệt vong.

- Khi sắp xếp số lượng cá thể trong mỗi nhóm tuổi (từ thấp đến cao) theo thứ tự, người ta xây dựng được tháp tuổi. Nhờ đó, có thể đánh giá được trạng thái của quần thể đang phát triển, ổn định hay suy thoái.

5. Kiểu phân bố

- Phân bố cá thể trong quần thể là vị trí tương đối của các cá thể trong không gian sống của quần thể.

- Trong quần thể có ba kiểu phân bố chủ yếu.

IV. SỰ TĂNG TRƯỞNG CỦA QUẦN THỂ SINH VẬT

1. Các kiểu tăng trưởng của quần thể sinh vật

Sự tăng trưởng của quần thể là sự tăng lên về kích thước quần thể. Sự tăng trưởng của quần thể có thể diễn ra theo hai kiểu:

- Tăng trưởng trong điều kiện môi trường không bị giới hạn:

+ Diễn ra trong điều kiện môi trường không bị giới hạn, nguồn sống dồi dào và cung cấp đầy đủ cho nhu cầu của từng cá thể.

+ Lúc này, quần thể có mức sinh sản tối đa, còn mức tử vong là tối thiểu, số lượng cá thể tăng theo tiềm năng sinh học; đường cong tăng trưởng có hình chữ J.

+ Ví dụ: Sự tăng trưởng của quần thể hải cẩu xám (Halichoerus grypus) trong 40 năm trên đảo Sable, Nova Scotia (Canada).

- Tăng trưởng trong môi trường có nguồn sống bị giới hạn:

+ Trên thực tế, sự tăng trưởng quần thể của đa số các loài đều bị giới hạn bởi các nhân tố môi trường hoặc do khả năng sinh sản của loài; do đó, quần thể chỉ đạt kích thước tối đa, cân bằng với sức chứa của môi trường; đường cong tăng trưởng có hình chữ S.

+ Ví dụ: Sự tăng trưởng của trùng giày (Paramecium aurelia) được nuôi trong phòng thí nghiệm.

2. Các yếu tố ảnh hưởng tới tăng trưởng quần thể sinh vật

- Sự tăng trưởng của quần thể phụ thuộc vào mức sinh sản, mức tử vong, mức nhập cư và mức xuất cư; trong đó, mức sinh sản và mức tử vong là hai yếu tố mang tính quyết định.

- Mức sinh sản là số lượng cá thể được sinh ra trong một khoảng thời gian nhất định.

- Mức sinh sản phụ thuộc vào khả năng sinh sản của các cá thể cái trong quần thể, số trứng hoặc con non trong một lứa, khả năng bảo vệ và chăm sóc trứng hoặc con non của bố mẹ,... và các điều kiện môi trường.

- Mức tử vong là số lượng cá thể bị chết trong một khoảng thời gian nhất định vì tuổi già hoặc các nguyên nhân sinh thái khác.

- Mức nhập cư là sự tăng lên về số lượng cá thể trong quần thể vào một khoảng thời gian nhất định do một số cá thể từ nơi khác di chuyển đến.

- Mức xuất cư là số cá thể di cư khỏi quần thể trong khoảng thời gian nhất định. Sự xuất cư xảy ra khi điều kiện sống trở nên bất lợi, cạnh tranh giữa các cá thể trở nên gay gắt.

3. Biến động số lượng cá thể của quần thể sinh vật

- Sự thay đổi của các nhân tố sinh thái theo chu kì hoặc không theo chu kì có thể gây nên sự biến động số lượng cá thể của quần thể.

- Tuỳ từng trường hợp mà biến động số lượng cá thể góp phần điều chỉnh sự tăng trưởng của quần thể cho phù hợp với khả năng cung cấp nguồn sống của mỗi trường.

- Có hai dạng biến động số lượng cá thể của quần thể:

+ Biến động theo chu kì (xảy ra do sự biến đổi có tính chu kì của môi trường như chu kì ngày đêm, chu kì mùa, chu kì tuần trăng và hoạt động thuỷ triều, chu kì nhiều năm)

+ Biến động không theo chu kì.

V. SỰ TĂNG TRƯỞNG CỦA QUẦN THỂ NGƯỜI

- Từ khi loài người hiện đại (Homo sapiens) xuất hiện, quần thể người tăng trưởng với tốc độ tương đối chậm.

- Đến năm 1650, dân số thế giới đạt khoảng 500 triệu người.

- Trong hai thế kỉ tiếp theo, dân số thế giới tăng gấp đôi với 1 tỉ người và tiếp tục tăng nhanh trong thời gian sau đó, khoảng cách về thời gian để dân số tăng gấp đôi ngày càng rút ngắn.

- Theo thống kê, dân số thế giới năm 2020 là 7,82 tỉ người, năm 2021 là 7,89 tỉ người, năm 2022 là 7,95 tỉ người.

- Các nhà sinh thái học dự đoán dân số thế giới có thể đạt đến 9,8 tỉ người vào năm 2050.

- Mặc dù quần thể người vẫn tiếp tục tăng trưởng nhưng tỉ lệ tăng trưởng bắt đầu chậm lại vào những năm 1960.

- Tỉ lệ tăng trưởng hằng năm đạt cao nhất là 2,2 % vào năm 1962 nhưng chỉ còn 1,1 % vào năm 2018 và 0,9 % vào năm 2022, tỉ lệ này sẽ tiếp tục giảm và đến năm 2050 chỉ còn 0,5 %.

- Tại Việt Nam, sự tăng trưởng của quần thể người cũng đạt tốc độ nhanh.

- Dân số Việt Nam năm 2020 đạt hơn 96,6 triệu người, năm 2021 hơn 97,4 triệu người, năm 2022 hơn 98,1 triệu người và có thể đạt mốc 100 triệu người vào năm 2023.

- Sự tăng trưởng dân số quá nhanh gây nhiều tác động tiêu cực đến môi trường cũng như chất lượng đời sống của con người.

VI. QUẦN THỂ SINH VẬT LÀ MỘT CẤP ĐỘ TỔ CHỨC SỐNG

- Các cá thể trong quần thể luôn khai thác nguồn sống từ môi trường thông qua quá trình trao đổi chất và năng lượng với môi trường để thực hiện các hoạt động sống đảm bảo cho sinh vật tồn tại và phát triển s liên tục trong quần thể.

- Quần thể là một cấp độ tổ chức sống được đặc trưng bởi các tính chất mà ở cấp độ cá thể không có được.

- Sự phân hoá của quần thể gắn với sự phân hoá của môi trường biểu hiện thông qua mối quan hệ giữa các cá thể với môi trường sống, do đó, cấu trúc của quần thể thường xuyên thay đổi dưới sự tác động của các nhân tố môi trường.

VII. ỨNG DỤNG HIỂU BIẾT VỀ QUẦN THỂ TRONG THỰC TIỄN

Trong thực tiễn, con người đã vận dụng những hiểu biết về sinh thái học quần thể trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhằm nâng cao hiệu quả trong sản xuất, bảo vệ môi trường và nguồn tài nguyên sinh vật, bảo vệ sức khoẻ con người,...