Bài 29. Trao đổi vật chất và chuyển hoá năng lượng trong hệ sinh thái

I. Khái quát trao đổi vật chất và chuyển hoá năng lượng trong hệ sinh thái

- Năng lượng cung cấp cho toàn bộ sinh vật trên Trái Đất chủ yếu từ nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời. Song song với quá trình chuyển hoá năng lượng là quá trình chuyển hoá vật chất.

- Sinh vật sản xuất chuyển hoá quang năng thành hoá năng thông quá quá trình tổng hợp chất hữu cơ từ chất vô cơ.

- Trong hệ sinh thái, năng lượng được chuyển hoá theo một chiều với đầu vào là quang năng và đầu ra là nhiệt năng còn vật chất được lưu chuyển tuần hoán từ chất vô cơ thành hữu cơ và ngược lại.

II. Trao đổi vật chất trong hệ sinh thái

- Trao đổi vật chất trong quần xã là quá trình lưu chuyển vật chất giữa các loài trong quần xã, quá trình này phụ thuộc chủ yếu vào mối quan hệ sinh vật này ăn sinh vật khác.

- Trao đổi vật chất trong quần xã được thể hiện qua cấu trúc của chuỗi thức ăn, lưới thức ăn và bậc dinh dưỡng.

1. Chuỗi thức ăn

- Chuỗi thức ăn là một dãy các loài có mối quan hệ dinh dưỡng với nhau.

- Các loài trong chuỗi thức ăn sắp xếp tương tự như một chuỗi xích, trong đó mỗi loài là một mắt xích. Mỗi mắt xích trong chuỗi thức ăn tiêu thụ mắt xích trước đó và bị mắt xích phía sau tiêu thụ.

- Có hai loại chuỗi thức ăn:

• Chuỗi thức ăn khởi đầu bằng sinh vật sản xuất có mắt xích thứ nhất là sinh vật tự dưỡng, mắt xích thứ hai là động vật ăn thực vật, mắt xích thứ ba là động vật ăn thịt.

• Chuỗi thức ăn khởi đầu bằng sinh vật ăn mùn bã hữu cơ, mắt xích thứ nhất là sinh vật ăn mùn bã hữu cơ, các mắt xích tiếp theo tuần tự là sinh vật tiêu thụ các cấp.

- Chuỗi thức ăn khởi đầu bằng sinh vật sản xuất có vai trò chính trong chuyển hoá vật chất và năng lượng của quần xã. Chất hữu cơ thải ra từ chuỗi thức ăn này là nguồn cung cấp vật chất chủ yếu cho chuỗi thức ăn khởi đầu bằng sinh vật ăn mùn bã hữu cơ.

2. Lưới thức ăn

- Lưới thức ăn là tập hợp các chuỗi thức ăn được kết nối với nhau bằng những mắt xích chung.

- Trong một lưới thức ăn, mắt xích chung là lời tham gia vào nhiều chuỗi thức ăn, có thể tiêu thụ nhiều mắt xích và có thể bị nhiều mắt xích tiêu thụ.

3. Bậc dinh dưỡng

- Bậc dinh dưỡng của một loài là vị trí của loài đó trong chuỗi thức ăn. Bậc dinh dưỡng cấp 1 gồm các loài sinh vật sản xuất, bậc dinh dưỡng cấp 2 là các loài sinh vật tiêu thụ bậc 1,...

- Bậc dinh dưỡng của một loài cho biết mối tương quan về năng lượng của loài đó so với các loài khác trong toàn bộ chuỗi thức ăn. Trong một lưới thức ăn, có nhiều loài cùng bậc dinh dưỡng và một loài có thể nằm ở hai bậc dinh dưỡng khác nhau.

III. Dòng năng lượng trong hệ sinh thái

1. Phân bố năng lượng trên Trái Đất

- Do góc nghiêng trục quay và quỹ đạo quay của Trái Đất so với Mặt Trời nên cường độ bức xạ mặt trời tác động lên Trái Đất thay đổi theo vĩ độ và thời gian.

- Khoảng 50% bức xạ mặt trời chiếu vào Trái Đất bị hấp thụ, tán xạ hoặc phản xạ bởi mây và bụi trong khí quyển. Trong số bức xạ thuộc dải ánh sáng nhìn thấy chiếu xuống bề mặt trái đất, chỉ khoảng 1% cung cấp cho sinh vật sản xuất thực hiện quá trình quang hợp tạo nên khoảng 150 tỉ tấn chất hữu cơ trên Trái Đất mỗi năm.

2. Chuyển hoá năng lượng trong hệ sinh thái

- Trong hệ sinh thái, nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời đi vào quần xã chủ yếu thông qua quá trình quang hợp ở sinh vật sản xuất, truyền qua các bậc dinh dưỡng và giải phóng ra môi trường dưới dạng nhiệt.

- Ở mỗi bậc dinh dưỡng, năng lượng được sử dụng chủ yếu để duy trì thân nhiệt và các hoạt động sống (hô hấp tế bào), một phần tích luỹ dưới dạng sinh khối, một phần thất thoát qua vật chất rơi rụng, chất thải.

- Giữa các bậc dinh dưỡng, một phần năng lượng từ bậc dinh dưỡng thấp được truyền tới bậc dinh dưỡng cao hơn dưới dạng sinh khối. Trong quá trình truyền năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng, phần lớn năng lượng bị thất thoát, chỉ một phần nhỏ năng lượng được tích luỹ thành sinh khối ở bậc dinh dưỡng cao hơn.

3. Hiệu suất sinh thái và tháp sinh thái

a) Hiệu suất sinh thái

- Hiệu suất sinh thái là tỉ lệ phần trăm chuyển hoá năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng.

- Hiệu suất sinh thái phản ánh hiệu quả sử dụng năng lượng ở mỗi bậc dinh dưỡng từ đó thể hiện hiệu quả của cả hệ sinh thái. Hiệu suất sinh thái càng cao thì mức thất thoát năng lượng càng thấp.

- Hiệu suất sinh thái giữa các bậc dinh dưỡng thường rất thấp, năng lượng thất thoát qua các bậc dinh dưỡng là rất lớn. Điều này giải thích tại sao trong hệ sinh thái chỉ có ít bậc dinh dưỡng và trong chăn nuôi, thuỷ sản người ta thường nuôi những loài sử dụng chủ yếu thức ăn từ thực vật hoặc động vật ăn tạp như thỏ, trâu, bò,...

b) Tháp sinh thái

- Tháp sinh thái là biểu đồ hình tháp thể hiện số lượng hoặc sinh khối, hoặc năng luộng có trong tất cả các sinh vật ở mỗi bậc dinh dưỡng.

- Hình tháp sinh thái gồm nhiều hình chữ nhật xếp chồng lên nhau, mỗi hình chữ nhật đại diện cho một bậc dinh dưỡng với đáy tháp là bậc dinh dưỡng cấp 1. Các hình chữ nhật có chiều rộng bằng nhau, chiều dài khác nhau thể hiện cho độ lớn về số lượng hoặc sinh khối hoặc năng lượng ở bậc dinh dưỡng tương ứng.

- Tháp sinh thái điển hình có đáy rộng, phần trên luôn nhỏ hơn và hẹp lại rất nhanh thể hiện hiệu quả truyền vật chất/ năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng.

- Có 3 loại tháp sinh thái:

• Tháp số lượng có dạng điển hình hoặc dạng tháp ngược. Số liệu xây dựng tháp số lượng được thu thập tại một thời điểm nhất định và có sự không đồng nhất về khối lượng giữa các cá thể.

• Tháp sinh khối có dạng điển hình và dạng tháp ngược. Số liệu xây dựng tháp sinh khối được thu nhập tại một thời điểm nhất định. Khối lượng của các loại chất hữu cơ khác nhau hình thành nên sinh khối có vai trò số liệu như nhau, trong khi tỉ lệ các loại chất hữu cơ này ở các bậc dinh dưỡng khác nhau.

• Tháp năng lượng luôn có dạng điển hình, có đơn vị đo đồng nhất giữa các bậc dinh dưỡng và dữ liệu xây dựng hình tháp được thu thập trong một khoảng thời gian.