Bài 21: Sinh thái học quần thể

I. 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 thời gian nhất định, chúng có khả năng sinh sản và tạo thành những thế hệ mới.

Hình thành quần thể là một quá trình lịch sử. Các cá thể cùng chung sống, gắn bó chặt chẽ với nhau thông qua các mối quan hệ sinh thái. Các cá thể thích nghi với môi trường hình thành một tổ chức sống tương đối ổn định. Quần thể sinh vật là một tổ chức sống mang những đặc điểm đặc trưng không có ở mỗi cá thể sinh vật:

- Quần thể là cấu trúc ổn định về số lượng và mật độ cá thể, thành phần lứa tuổi, tỉ lệ đực/cái và sự phân bố trong không gian.

- Trong quần thể sinh vật, các cá thể có những tác động qua lại với nhau thông qua mối quan hệ hỗ trợ và cạnh tranh.

- Trong quần thể, giữa quần thể và môi trường luôn có sự trao đổi chất và chuyển hoá năng lượng.

- Các cá thể của quần thể có khả năng sinh sản hình thành thế hệ mới.

- Hoạt động sống và số lượng cá thể của quần thể được điều chỉnh tương ứng với sự thay đổi của điều kiện môi trường.

II. QUAN HỆ GIỮA CÁC CÁ THỂ TRONG QUẦN THỂ SINH VẬT

1. Quan hệ hỗ trợ

Trong tự nhiên, nhiều loài sinh vật thường quần tụ thành nhóm hay bầy đàn. Khi đó, các cá thể của quần thể có mối quan hệ hỗ trợ nhau trong các hoạt động sống như tìm kiếm nguồn sống, chống lại điều kiện bất lợi của môi trường, chống lại kẻ thù,...

Ở thực vật, những cây sống theo nhóm chịu đựng gió bão và hạn chế sự thoát hơi nước tốt hơn những cây sống riêng lẻ. Một số cây sống gần nhau có hiện tượng rễ dính liền nhau, nhờ đó nước và dinh dưỡng khoáng có thể dẫn truyền từ cây này sang cây khác. 

Ở động vật, lối sống bầy đàn tạo điều kiện thuận lợi cho các cá thể trong việc tìm kiếm thức ăn, chống lại kẻ thù, giao phối,... 

Như vậy, quan hệ hỗ trợ giữa các cá thể trong quần thể đảm bảo cho quần thể tồn tại một cách ổn định, khai thác được các nguồn sống tốt hơn, chống chọi với điều kiện môi trường bất lợi, nhờ đó tăng khả năng sống sót và sinh sản của các cá thể.

2. Quan hệ cạnh tranh

Cạnh tranh giữa các cá thể trong quần thể xảy ra khi nguồn sống của môi trường không đủ cung cấp cho mọi cá thể. Các cá thể trong quần thể cạnh tranh nhau giành nguồn sống như thức ăn, nơi ở, ánh sáng,... Ví dụ: Các cây cùng loài mọc cạnh nhau, khi các cây còn nhỏ, mối quan hệ hỗ trợ là chủ yếu, các cây hỗ trợ nhau chống gió, bão và nóng. Tuy nhiên, khi cây lớn, tán cây rộng và giao nhau, rễ phát triển xen vào nhau, quần thể sẽ chuyển từ quan hệ hỗ trợ sang cạnh tranh. Các cây cạnh tranh nhau ánh sáng, nước và chất dinh dưỡng. Hậu quả là những cá thể cạnh tranh yếu bị đào thải.

Ở động vật, khi thiếu nguồn sống, các cá thể trong quần thể đánh nhau giành thức ăn và nơi sống, có thể dẫn tới số lượng cá thể trong quần thể giảm đi hoặc hiện tượng tách đàn. Bên cạnh đó, các cá thể có thể đánh nhau tranh giành bạn tình hoặc củng cố vị thế trong bầy.

Quan hệ cạnh tranh cũng là đặc điểm thích nghi của quần thể sinh vật. Mối quan hệ này thường không dẫn tới sự tuyệt diệt các cá thể cùng loài mà làm cho số lượng và sự phân bố của các cá thể trong quần thể được duy trì ở mức phù hợp, đảm bảo cho sự tồn tại và phát triển.

III. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA QUẦN THỂ SINH VẬT

Những đặc trưng cơ bản của quần thể sinh vật bao gồm: kích thước quần thể, tỉ lệ giới tính, nhóm tuổi, kiểu phân bố và mật độ cá thể.

1. Kích thước quần thể

Kích thước quần thể là tổng số các cá thể (hoặc tổng khối lượng hay tổng năng lượng tích luỹ trong các cá thể) phân bố trong khoảng không gian mà quần thể sinh sống. Kích thước quần thể thường dao động từ tối thiểu tới tối đa và sự dao động này khác nhau giữa các loài.

Kích thước tối thiểu là số lượng cá thể ít nhất mà quần thể cần phải có để duy trì và phát triển. 

Kích thước tối đa là giới hạn lớn nhất về số lượng cá thể mà quần thể có thể đạt được, phù hợp với khả năng cung cấp nguồn sống của môi trường. Trong trồng trọt và chăn nuôi, việc xác định kích thước của quần thể sẽ giúp kiểm soát số lượng cá thể phù hợp với điều kiện môi trường. 

2. Tỉ lệ giới tính

Tỉ lệ giới tính của quần thể là tỉ lệ giữa số lượng cá thể đực và số lượng cá thể cái. Tỉ lệ giới tính của quần thể là đặc trưng quan trọng đảm bảo hiệu quả sinh sản của quần thể. 

Trong tự nhiên, tỉ lệ đực : cái thường xấp xỉ 1 : 1. Tuy nhiên trong quá trình sống, tỉ lệ này có thể thay đổi theo loài, thời điểm và điều kiện sống,... 

Trong chăn nuôi, có thể ứng dụng tỉ lệ giới tính nhằm tăng hiệu quả kinh tế của các đàn gà, vịt, bò,... 

3. Nhóm tuổi

Các cá thể trong quần thể được phân chia thành các nhóm tuổi dựa theo thời gian sống của chúng. Tuổi có thể tính theo giờ, ngày, tháng, năm,... Đặc trưng nhóm tuổi của quần thể được thể hiện qua số lượng cá thể hoặc tỉ lệ số cá thể của mỗi nhóm tuổi. Dựa vào giai đoạn phát triển, quần thể sinh vật thường gồm ba nhóm tuổi: nhóm tuổi trước sinh sản, nhóm tuổi sinh sản và nhóm tuổi sau sinh sản. Khi xếp các nhóm tuổi kế tiếp nhau (từ non đến giả) thì sẽ được hình tháp tuổi của quần thể. Ở quần thể người, mỗi nhóm tuổi thường được sắp xếp theo thời gian 5 năm.

Hình tháp tuổi sẽ cho thấy xu thế phát triển của quần thể, dựa vào đó chúng ta có kế hoạch bảo vệ và khai thác tài nguyên sinh vật hiệu quả. Ví dụ: Trong mùa đánh cá, nếu thấy số lượng cá thuộc nhóm sinh sản và sau sinh sản (cá lớn) chiếm ưu thế so với nhóm tuổi trước sinh sản (cá bé) thì cần tăng cường khai thác. Ngược lại, nếu số lượng cá bé nhiều hơn cá lớn nghĩa là đang khai thác quá mức, quần thể cá sẽ bị suy kiệt nếu tiếp tục khai thác.

4. Kiểu phân bố

Mỗi quần thể sinh vật có một khu vực sống nhất định. Sự phân bố các cá thể của quần thể trong khu vực sống phụ thuộc vào điều kiện môi trường sống, mức độ hỗ trợ và cạnh tranh giữa các cá thể trong quần thể. Có ba kiểu phân bố cá thể trong một quần thể: phân bố đồng đều, phân bố ngẫu nhiên và phân bố theo nhóm.

Phân bố đồng đều: Các cá thể phân bố theo một khoảng cách đều nhau trong khu vực sống. Kiểu phân bố này thường ít gặp trong tự nhiên và chỉ xuất hiện trong môi trường có điều kiện sống đồng nhất, giữa các cá thể có sự cạnh tranh gay gắt về không gian sống. 

Phân bố ngẫu nhiên: Các cá thể phân bố ngẫu nhiên trong khu vực sống, khoảng cách giữa các cá thể không ổn định. Kiểu phân bố này thường xuất hiện trong môi trường sống đồng nhất, các cá thể không có tính lãnh thổ và cũng không sống tụ họp. 

Phân bố theo nhóm: Các cá thể tập trung theo từng nhóm ở những nơi có điều kiện sống tốt nhất. Kiểu phân bố này khá phổ biến trong tự nhiên. 

Trong trồng trọt, con người thường sắp xếp cây trồng theo kiểu phân bố đều nhằm tận dụng nguồn sống và giảm cạnh tranh. Ví dụ như sự phân bố của các cây lúa trong ruộng lúa.

5. Mật độ cá thể

Mật độ cá thể của quần thể là số lượng cá thể (hoặc khối lượng các cá thể) trên một đơn vị diện tích hay thể tích mà quần thể đó sinh sống. Mật độ cá thể của quần thể cho biết khoảng cách trung bình giữa các cá thể trong vùng phân bố của quần thể.

Mật độ cá thể liên quan đến mức độ sử dụng nguồn sống, sự ô nhiễm môi trường, số lần gặp nhau giữa con đực và con cái trong mùa sinh sản.

Mật độ cá thể trong quần thể thường thay đổi theo sự biến đổi của điều kiện môi trường sống, theo mùa hoặc theo năm. 

Trong trồng trọt và chăn nuôi, việc xác định mật độ cá thể phù hợp giúp tiết kiệm chi phí và tăng hiệu quả sản xuất. 

IV. TĂNG TRƯỞNG CỦA QUẦN THỂ SINH VẬT

Sự tăng trưởng của quần thể được đánh giá dựa trên sự thay đổi kích thước của quần thể.

1. Yếu tố ảnh hưởng đến sự tăng trưởng của quần thể

Kích thước quần thể phụ thuộc vào các yếu tố cơ bản như mức sinh sản, mức tử vong, mức nhập cư và mức xuất cư.

Mức sinh sản là số lượng cá thể mới được quần thể sinh ra trong một khoảng thời gian nhất định. Ngược lại, mức tử vong là số lượng cá thể của quần thể bị chết đi trong một khoảng thời gian xác định. Mức sinh sản và tử vong phụ thuộc tiềm năng sinh học của quần thể sinh vật và điều kiện môi trường sống.

Mức nhập cư là số lượng cá thể của quần thể tăng lên do một số cá thể từ quần thể khác chuyển tới sống trong quần thể. Ngược lại, mức xuất cư là số lượng cá thể của quần thể giảm đi do một số cá thể rời bỏ quần thể để chuyển đến nơi ở mới hoặc sang sống ở một quần thể khác. Mức xuất cư và nhập cư phụ thuộc vào điều kiện môi trường như khả năng cung cấp nguồn sống, sự thay đổi của điều kiện khí hậu, mức độ cạnh tranh trong quần thể,....

2. Kiểu tăng trưởng của quần thể

Kích thước quần thể có thể tăng theo một trong hai kiểu: tăng trưởng theo tiềm năng sinh học và tăng trưởng trong môi trường có nguồn sống bị giới hạn.

Tăng trưởng theo tiềm năng sinh học (tăng trưởng trong điều kiện môi trường không bị giới hạn)

Nếu môi trường sống là lí tưởng và thoả mãn nhu cầu của các cá thể trong quần thể thị mức sinh sản sẽ tối đa và mức tử vong sẽ tối thiểu. Khi đó, tăng trưởng của quần thể không giới hạn và đường cong tăng trưởng có hình chữ J. Kiểu tăng trưởng này thường không diễn ra trong thực tiễn mà chỉ diễn ra trong phòng thí nghiệm khi nuôi cấy vi sinh vật trong hệ nuôi cấy liên tục.

Tăng trưởng trong môi trường có nguồn sống bị giới hạn

Trong thực tế, môi trường sống bị giới hạn bởi các nhân tố sinh thái như thức ăn, nơi ở, vật kí sinh,... Do đó, quần thể chỉ có thể đạt được một số lượng tối đa nhất định cân bằng với sức chịu đựng của môi trường. Trong trường hợp này, đường cong tăng trưởng có hình chữ S.

3. Đặc điểm tăng trưởng của quần thể người

Dân số thế giới tăng trưởng liên tục trong suốt quá trình hình thành và phát triển. Sự tăng trưởng của dân số thế giới đạt mức cao trong vòng 100 năm qua. Dân số thế giới tăng nhanh trong những năm gần đây nhờ những thành tựu to lớn về phát triển kinh tế, xã hội và y học. Chất lượng cuộc sống con người ngày càng được cải thiện, mức độ tử vong giảm và tuổi thọ ngày càng được nâng cao.

Cấu trúc dân số của quần thể người hiện nay khi xét trên bình diện toàn thế giới đang tăng và tiến dần tới xu thế ổn định. Tuy nhiên, xét trên từng quốc gia thì cấu trúc dân số có sự khác biệt rất lớn. 

Số lượng dân số hiện nay khá cao và đang tăng trưởng chính là một trong những nguyên nhân gây ra các tác động tiêu cực cho môi trường sinh thái, đa dạng sinh học và sức khoẻ con người. 

V. BIẾN ĐỘNG SỐ LƯỢNG CÁ THỂ CỦA QUẦN THỂ SINH VẬT

Điều kiện môi trường sống luôn biến động và tác động kéo theo sự biến động số lượng cá thể của quần thể sinh vật. Biến động số lượng cá thể của quần thể là sự tăng hay giảm số lượng cá thể của quần thể trong một đơn vị thời gian.

1. Các dạng biến động số lượng cá thể của quần thể

Có hai dạng biến động số lượng cá thể của quần thể: biến động không theo chu kì và biến động theo chu kì.

Biến động không theo chu kì xảy ra do sự tác động ngẫu nhiên của môi trường như thiên tai, lũ lụt, hoả hoạn, động đất, bệnh dịch,... hay do hoạt động của con người như khai thác tài nguyên quá mức hoặc xả thải bừa bãi.

Biến động theo chu kì xảy ra do các yếu tố hoạt động có tính chu kì như chu kì ngày đêm, chu kì tuần trăng, chu kì mùa, chu kì nhiều năm,... 

2. Cơ chế điều hoà mật độ của quần thể

Điều hoà mật độ của quần thể là sự tăng hay giảm số cá thể của quần thể phù hợp với khả năng cung cấp nguồn sống của môi trường. Cơ chế điều hoà dựa trên mối quan hệ giữa mức sinh sản và tử vong, nhập cư và di cư. Kết quả là quần thể có số lượng cá thể ổn định và phù hợp với khả năng cung cấp nguồn sống của môi trường.

Trong điều kiện môi trường thuận lợi như có nguồn thức ăn dồi dào, ít kẻ thù,... sự sinh sản của quần thể tăng cao và mức tử vong thấp, nhập cư cũng có thể tăng. Kết quả là số lượng cá thể của quần thể tăng cao. Ngược lại, khi số lượng cá thể của quần thể tăng quá cao gây thiếu hụt thức ăn và nơi ở dẫn tới cạnh tranh gay gắt, làm cho mức tử vong tăng cao và sức sinh sản giảm, đồng thời sự xuất cư có thể diễn ra, kết quả là số lượng cá thể trong quần thể được điều chỉnh giảm xuống. 

VI. THỰC HÀNH: XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC, MẬT ĐỘ QUẦN THỂ THỰC VẬT VÀ CÁC ĐỘNG VẬT ÍT DI CHUYỂN

Cơ sở khoa học

Kích thước và mật độ của một quần thể (ví dụ: giun đất trong vườn trường, lúa trong một mảnh ruộng, ngô trong một mảnh vườn,...) có thể xác định thông qua việc đếm số lượng cá thể của quần thể hoặc đếm đại diện ở một số vị trí đặc trưng.

Các bước tiến hành

Chuẩn bị

Vật liệu, thiết bị: thước dây, giấy, bút, máy tính, thiết bị ghi hình.

Tiến hành

- Bước 1. Xác định tổng diện tích khu vực nghiên cứu (S).

- Bước 2. Khoanh vùng xác định các vị trí kiểm đếm.

- Bước 3. Đếm số lượng cá thể sinh vật có trong các vị trí kiểm đếm (đếm hết) hoặc tại một vị trí ví dụ N1 (đếm theo vị trí) bằng cách đếm trực tiếp hoặc gián tiếp qua ảnh chụp sinh vật ở vị trí đó.

- Bước 4. Tính kích thước của quần thể (N): Trong trường hợp đếm hết N=N1 + N2 + N3 + N4 + N5 hoặc N = N1 × 5 trong trường hợp đếm theo vị trí.

- Bước 5. Tính mật độ của quần thể: P = N/S

Báo cáo

- Ghi lại các kết quả thu được.

- Báo cáo kết quả thí nghiệm theo mẫu ở bài 1.