Trao đổi vật chất và chuyển hóa năng lượng trong hệ sinh thái SVIP

I. KHÁI QUÁT TRAO ĐỔI VẬT CHẤT VÀ CHUYỂN HOÁ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ SINH THÁI

Vật chất được lưu chuyển tuần hoàn từ chất vô cơ thành chất hữu cơ và ngược lại. Năng lượng được chuyển hoá theo một chiều với đầu vào là quang năng và đầu ra là nhiệt năng.

- Năng lượng cung cấp cho toàn bộ sinh vật trên Trái Đất chủ yếu đến từ nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời.

- Sinh vật sản xuất chuyển hoá quang năng thành hoá năng thông qua quá trình tổng hợp chất hữu cơ từ chất vô cơ. Đa số các sinh vật khác sẽ sử dụng nguồn chất hữu cơ này để kiến tạo cơ thể và cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống.

Sơ đồ trao đổi vật chất và chuyển hóa năng lượng trong hệ sinh thái

II. TRAO ĐỔI VẬT CHẤT TRONG HỆ SINH THÁI

Trao đổi vật chất trong hệ sinh thái gồm trao đổi vật chất giữa các sinh vật trong quần xã và giữa quần xã - sinh cảnh, 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.

Trong chuỗi thức ăn:

- Mỗi loài là một mắt xích.

- Mỗi mắt xích tiêu thụ mắt xích trước và bị tiêu thụ bởi mắt xích sau.

Có hai loại chuỗi thức ăn:

- Chuỗi thức ăn khởi đầu bằng sinh vật sản xuất:

+ Mắt xích thứ nhất là sinh vật tự dưỡng.

+ Mắt xích thứ hai là động vật ăn thực vật (sinh vật tiêu thụ bậc 1).

+ Các mắt xích tiếp theo tuần tự là các sinh vật tiêu thụ bậc 2, bậc 3,...

- 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 các sinh vật tiêu thụ bậc 1, bậc 2,...

2. Lưới thức ăn

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 có thể bị nhiều mắt xích tiêu thụ.

- Quần xã có số loài càng lớn thì lưới thức ăn càng phức tạp và cấu trúc quần xã càng ổn định.

Lưới thức ăn trong một hệ sinh thái tự nhiên

3. Bậc dinh dưỡng

Bậc dinh dưỡng của một loài là vị trí của loài đó trong chuỗi thức ăn.

- Trong một chuỗi thức ăn bắt đầu bằng sinh vật sản xuất:

+ Bậc dinh dưỡng cấp 1: Sinh vật sản xuất.

+ Bậc dinh dưỡng cấp 2: Sinh vật tiêu thụ bậc 1.

+ Bậc dinh dưỡng cấp 3: Sinh vật tiêu thụ bậc 2.

- Bậc dinh dưỡng của một loài cho biết mối tương quan về năng lượng của loài đó so với các loài khác.

- Trong một lưới thức ăn:

+ Nhiều loài có thể có chung một cùng bậc dinh dưỡng.

+ Một loài có thể nằm ở hai bậc dinh dưỡng khác nhau.

- Việc phân chia các loài trong lưới thức ăn thành các nhóm cùng bậc dinh dưỡng giúp 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

Cường độ bức xạ mặt trời tác động lên Trái Đất thay đổi theo vĩ độ và thời gian.

Bức xạ mặt trời thay đổi theo vĩ độ và thời gian

Khoảng 1% bức xạ thuộc dải ánh sáng nhìn thấy chiếu xuống bề mặt trái đất được sinh vật sản xuất hấp thụ thông qua 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: Năng lượng ánh sáng mặt trời đi vào quần xã thông qua quang hợp ở sinh vật sản xuất → Truyền qua các bậc dinh dưỡng → Giải phóng ra môi trường dưới dạng nhiệt.

- Ở mỗi bậc dinh dưỡng, năng lượng được sử dụng để:

+ Duy trì thân nhiệt.

+ Thực hiện các hoạt động sống (hô hấp tế bào).

+ Tích luỹ dưới dạng sinh khối.

+ Thất thoát qua vật chất rơi rụng và chất thải.

- Phần lớn năng lượng bị thất thoát trong quá trình truyền năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng, 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

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

- Hiệu suất sinh thái trung bình giữa hai bậc kế tiếp nhau khoảng 10%, thực tế dao động khoảng 5 - 20%.

- Hiệu suất sinh thái càng cao → Mức thất thoát năng lượng càng thấp.

- Hiệu suất sinh thái thường rất thấp → Hệ sinh thái thường chỉ có 4 - 5 bậc dinh dưỡng.

- Ứng dụng: Trong chăn nuôi, thủy sản thường chọn nuôi những loài ở bậc dinh dưỡng thấp để có năng suất cao.

b. Tháp sinh thái

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

Có ba loại tháp sinh thái: