Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
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 đến từ năng lượng ánh sáng mặt trời. Song song với quá trình chuyển hoá năng lượng là quá trình chuyển hoá vật chất.
Cơ chế khởi đầu: Sinh vật sản xuất (trừ vi khuẩn hoá tổng hợp) chuyển hoá quang năng thành hoá năng thông qua quá trình tổng hợp chất hữu cơ từ chất vô cơ. Đa số sinh vật sử dụng nguồn chất hữu cơ này để kiến tạo cơ thể và cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống.
Hai điểm mấu chốt cần phân biệt:
- Năng lượng: chuyển hoá theo một chiều, đầu vào là quang năng, đầu ra là nhiệt năng.
- Vật chất: được lưu chuyển tuần hoàn từ chất vô cơ thành chất hữu cơ và ngược lại.
II. Trao đổi vật chất trong hệ sinh thái
Trao đổi vật chất trong hệ sinh thái gồm hai phần: trao đổi vật chất giữa quần xã với sinh cảnh và trao đổi vật chất giữa các sinh vật trong quần xã.
Trao đổi vật chất trong quần xã là quá trình lưu chuyển vật chất giữa các loài, phụ thuộc chủ yếu vào mối quan hệ sinh vật này ăn sinh vật khác — bản chất là mối quan hệ dinh dưỡng giữa các loài. Quá trình này được thể hiện qua chuỗi thức ăn, lưới thức ăn và bậc dinh dưỡng.
1. Chuỗi thức ăn
Khái niệm: 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 tiêu thụ mắt xích trước đó và bị mắt xích phía sau tiêu thụ.
Hai loại chuỗi thức ăn:
| Loại | Mắt xích thứ nhất | Các mắt xích tiếp theo | Ví dụ |
|---|---|---|---|
| Khởi đầu bằng sinh vật sản xuất | Sinh vật tự dưỡng | Mắt xích 2: động vật ăn thực vật (sinh vật tiêu thụ bậc 1); mắt xích 3: động vật ăn thịt (sinh vật tiêu thụ bậc 2)… | Cỏ → Chuột → Rắn → Diều hâu |
| Khởi đầu bằng sinh vật ăn mùn bã hữu cơ | Sinh vật ăn mùn bã hữu cơ (giun đất, bọ đất, trai, sò…) | Tuần tự là sinh vật tiêu thụ các cấp | Giun đất → Gà lôi → Cáo → Hổ |
Mối liên hệ giữa hai loại chuỗi: 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 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
Khái niệm: Lưới thức ăn là tập hợp các chuỗi thức ăn được kết nối với nhau bằng những mắt xích chung.
Mắt xích chung là loài tham gia vào nhiều chuỗi thức ăn, có thể tiêu thụ nhiều mắt xích và bị nhiều mắt xích tiêu thụ.
Nguyên tắc quan trọng: Quần xã có số loài càng lớn thì lưới thức ăn càng phức tạp và cấu trúc quần xã càng ổn định.
3. Bậc dinh dưỡng
Khái niệm: Bậc dinh dưỡng của một loài là vị trí của loài đó trong chuỗi thức ăn.
| Bậc dinh dưỡng | Thành phần |
|---|---|
| Cấp 1 | Các loài sinh vật sản xuất |
| Cấp 2 | Các loài sinh vật tiêu thụ bậc 1 |
| Cấp 3 | Các loài sinh vật tiêu thụ bậc 2 |
| … | … |
Ý nghĩa: 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.
Hai lưu ý dễ nhầm khi làm bài tập lưới thức ăn:
- Trong một lưới thức ăn, nhiều loài có thể cùng một bậc dinh dưỡng.
- Một loài có thể nằm ở hai bậc dinh dưỡng khác nhau (tuỳ theo chuỗi thức ăn mà ta xét).
Mục đích của việc phân chia bậc dinh dưỡng: nhằm định lượng quá trình chuyển hoá vật chất và năng lượng trong quần xã.
III. Dòng năng lượng trong hệ sinh thái
1. Phân bố năng lượng trên Trái Đất
Nguyên nhân phân bố không đều: 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 theo thời gian.
Số liệu cần nhớ:
| Nội dung | Số liệu |
|---|---|
| Bức xạ mặt trời chiếu vào Trái Đất bị hấp thụ, tán xạ hoặc phản xạ bởi mây và bụi trong khí quyển | Khoảng 50% |
| Trong số bức xạ thuộc dải ánh sáng nhìn thấy chiếu xuống bề mặt Trái Đất, phần cung cấp cho sinh vật sản xuất quang hợp | Chỉ khoảng 1% |
| Lượng chất hữu cơ tạo ra trên Trái Đất mỗi năm | Khoảng 150 tỉ tấn ($1{,}50 \times 10^{14}$ kg) |
2. Chuyển hoá năng lượng trong hệ sinh thái
Đường đi của năng lượng: Nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời đi vào quần xã chủ yếu 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.
Năng lượng tại mỗi bậc dinh dưỡng được phân chia thành:
| Phần | Nội dung |
|---|---|
| Sử dụng chủ yếu | Duy trì thân nhiệt và các hoạt động sống (hô hấp tế bào) |
| Tích luỹ | Một phần tích luỹ dưới dạng sinh khối |
| Thất thoát | Qua vật chất rơi rụng (cành lá rụng, lông rụng…) và chất thải |
Truyền năng lượng giữa các bậc: Một phần năng lượng từ bậc dinh dưỡng thấp được truyền tới bậc dinh dưỡng cao hơn dưới dạng sinh khối (thức ăn).
Kết luận cốt lõi: Trong quá trình truyền năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng, phần lớn năng lượng bị thất thoát, chỉ một phần nhỏ 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
Khái niệm: Hiệu suất sinh thái là tỉ lệ phần trăm chuyển hoá năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng.
Công thức tính:
$$H = \frac{C_{i+1}}{C_i} \times 100\%$$
trong đó $C_i$ là năng lượng ở bậc dinh dưỡng thứ $i$, $C_{i+1}$ là năng lượng ở bậc dinh dưỡng kế tiếp.
Ý nghĩa: 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.
Quan hệ nghịch: Hiệu suất sinh thái càng cao thì mức thất thoát năng lượng càng thấp.
Giá trị cần nhớ:
| Trường hợp | Hiệu suất sinh thái giữa hai bậc kế tiếp |
|---|---|
| Theo lí thuyết | Trung bình khoảng 10% |
| Trong thực tế (chịu chi phối bởi đặc điểm loài, điều kiện môi trường…) | Dao động khoảng 5 – 20% |
Hai hệ quả thực tiễn:
- Vì năng lượng thất thoát qua các bậc dinh dưỡng là rất lớn nên trong hệ sinh thái chỉ có ít bậc dinh dưỡng.
- 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, gà, cá trắm cỏ, lợn — vì các loài này ở bậc dinh dưỡng thấp nên năng lượng thu được nhiều hơn.
b) Tháp sinh thái
Khái niệm: Tháp sinh thái là biểu đồ hình tháp thể hiện số lượng, hoặc sinh khối, hoặc năng lượng có trong tất cả các sinh vật ở mỗi bậc dinh dưỡng.
Cấu tạo hình tháp:
- Gồm nhiều hình chữ nhật xếp chồng lên nhau, mỗi hình đại diện cho một bậc dinh dưỡng;
- Đáy tháp là bậc dinh dưỡng cấp 1;
- Các hình chữ nhật có chiều rộng bằng nhau, chiều dài khác nhau thể hiện độ lớn về số lượng/sinh khối/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.
Ba loại tháp sinh thái:
| Loại tháp | Đơn vị | Dạng có thể gặp | Đặc điểm số liệu |
|---|---|---|---|
| Tháp số lượng | Số lượng/diện tích hoặc thể tích | Dạng điển hình hoặc dạng tháp ngược | Thu thập tại một thời điểm nhất định; có sự không đồng nhất về khối lượng giữa các cá thể |
| Tháp sinh khối | Khối lượng/diện tích hoặc thể tích | Dạng điển hình hoặc dạng tháp ngược | Thu thập tại một thời điểm nhất định; khối lượng các loại chất hữu cơ khác nhau (carbohydrate, lipid, protein) hình thành sinh khối có vai trò tỉ lệ khác nhau giữa các bậc dinh dưỡng |
| Tháp năng lượng | Năng lượng/diện tích hoặc thể tích/thời gian | Luôn có dạng điển hình | Đơn vị đo đồng nhất giữa các bậc; dữ liệu thu thập trong một khoảng thời gian |
Kết luận quan trọng: Trong ba dạng tháp, tháp năng lượng là dạng mô tả đầy đủ nhất mối quan hệ về vật chất/năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng, và là dạng duy nhất luôn có đáy rộng.
Số liệu minh hoạ trong Hình 29.6:
| Tháp | Hệ sinh thái | Số liệu từ bậc 1 lên trên |
|---|---|---|
| Số lượng (cá thể/0,1 ha) | Đồng cỏ (mùa hè) | Cỏ 1 500 000 → côn trùng ăn cỏ 200 000 → côn trùng săn mồi 90 000 → chim 1 |
| Số lượng (cá thể/0,1 ha) | Rừng ôn đới (mùa hè) — tháp ngược | Cây thân gỗ 200 → côn trùng ăn thực vật 150 000 → côn trùng săn mồi 120 000 → chim 5 |
| Sinh khối (g/$\mathrm{m^2}$) | Rạn san hô Eniwetok, Marshall | Tảo, cỏ biển 703 → nhím biển, cá nhỏ 132 → cá lớn 11 |
| Sinh khối (g/$\mathrm{m^2}$) | Eo biển Anh – Pháp — tháp ngược | Thực vật phù du 4 → động vật phù du 21 |
| Năng lượng (kcal/$\mathrm{m^2}$/năm) | Đầm lầy Silver Spring, Florida, Mỹ | Tảo và thực vật 20 810 → côn trùng 3 368 → cá nhỏ 383 → cá lớn 21 |
Cô Nguyễn Ngọc Châu
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Sinh Học THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Sinh học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ AT sinh học, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Trần Phú