Đăng nhậpDùng miễn phí

Sinh học 12 · Phần sáu: Sinh thái học và môi trường – Chương 7. Sinh thái học quần xã

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

Dòng năng lượng đi một chiều từ Mặt Trời rồi thoát dạng nhiệt; vật chất lại được tái sử dụng qua các vòng tuần hoàn. Chuỗi thức ăn, lưới thức ăn, bậc dinh dưỡng và tháp sinh thái giúp “nhìn thấy” sự chuyển hoá năng lượng và luân chuyển vật chất trong hệ sinh thái.

Nhớ nhanh

1. Chuỗi thức ăn và lưới thức ăn

Định nghĩa

Chuỗi thức ăn là dãy quan hệ dinh dưỡng trong đó sinh vật này làm thức ăn cho sinh vật khác theo một trật tự nhất định, nói cách khác là “ai ăn ai”. Các chuỗi thức ăn trong cùng một hệ sinh thái giao thoa nhau tạo thành lưới thức ăn.

Hai hệ sinh thái tiêu biểu tạo nên hai mô hình chuỗi thức ăn khác nhau.

Lưu ý

Trong tự nhiên, động vật thường không chỉ ăn một loại thức ăn. Một sinh vật có thể xuất hiện ở nhiều bậc dinh dưỡng nên các chuỗi thức ăn liên hoàn tạo thành lưới thức ăn. Lưới thức ăn phức tạp làm tăng khả năng ổn định của hệ sinh thái trước biến động môi trường.

2. Bậc dinh dưỡng

Định nghĩa

Bậc dinh dưỡng là vị trí của sinh vật trong chuỗi thức ăn, tính từ nguồn cung cấp thức ăn đầu tiên.

3. Tháp sinh thái

Định nghĩa

Tháp sinh thái là cách biểu diễn cấu trúc dinh dưỡng bằng cách xếp chồng các bậc dinh dưỡng: bậc sản xuất ở đáy, bậc tiêu thụ càng lên cao hơn.

Loại thápĐại lượngCó thể đảo ngược?Ví dụ
Số lượngTổng số cá thể ở mỗi bậcCóMột cây gỗ lớn nuôi rất nhiều sâu ăn lá
Sinh khốiTổng khối lượng sinh học ở mỗi bậcCó, thường gặp trong nướcTảo sinh khối tức thời nhỏ nhưng sinh trưởng, sinh sản nhanh
Năng lượngTổng năng lượng ước tính ở mỗi bậcKhông, luôn thuận chiềuLuôn giảm dần từ nền đến đỉnh

4. Chuyển hoá năng lượng trong hệ sinh thái

Năng lượng vào hệ sinh thái chủ yếu là ánh sáng Mặt Trời; sinh vật sản xuất chỉ sử dụng được một phần rất nhỏ (khoảng 1%) cho quang hợp. Năng lượng tích luỹ trong chất hữu cơ do quang hợp tạo ra là sản lượng sơ cấp thô; trừ đi phần sinh vật sản xuất dùng cho hô hấp còn lại sản lượng sơ cấp tinh, là nguồn năng lượng cho các bậc dinh dưỡng phía sau. Ở mỗi bậc, năng lượng bị mất qua hô hấp (thoát ra dạng nhiệt), chất thải và phần không sử dụng được.

Quy luật về dòng năng lượng trong hệ sinh thái.
  • Năng lượng có xu hướng đi một chiều: Mặt Trời ⟶\longrightarrow sinh vật sản xuất ⟶\longrightarrow các bậc tiêu thụ ⟶\longrightarrow môi trường dưới dạng nhiệt. Năng lượng không tuần hoàn trở lại bậc trước.
  • Năng lượng giảm dần theo bậc dinh dưỡng; trung bình chỉ khoảng 10% năng lượng của bậc trước được chuyển sang bậc kế tiếp.
Định nghĩa

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

H=En+1En×100%,H=\frac{E_{n+1}}{E_n}\times 100\%,

trong đó EnE_n, En+1E_{n+1} là năng lượng tích luỹ ở bậc dinh dưỡng nn và n+1n+1.

Vì năng lượng giảm nhanh, chuỗi thức ăn thường chỉ kéo dài khoảng 4 đến 5 mắt xích. Bậc dinh dưỡng càng cao, sinh vật phải tiêu thụ rất nhiều bậc dưới để duy trì sự sống.

Các hệ số cần nhớ
  • Hiệu suất sinh thái giữa hai bậc dinh dưỡng liên tiếp trung bình khoảng 10%; trong nhiều bài toán đơn giản lấy k=0,1k = 0{,}1.
  • Nếu hiệu suất mọi bậc đều bằng kk thì năng lượng ở bậc thứ nn: En=E1⋅kn−1E_n=E_1\cdot k^{n-1}, với E1E_1 là năng lượng ở bậc sinh vật sản xuất.
  • Chuỗi thức ăn điển hình có 4 đến 5 mắt xích.

5. Trao đổi vật chất và vòng tuần hoàn sinh – địa – hoá

Định nghĩa

Trao đổi vật chất là quá trình các nguyên tố hoá học cần cho sự sống luân chuyển qua lại giữa sinh vật với môi trường vô sinh, tạo thành các vòng tuần hoàn sinh – địa – hoá.

Khác với năng lượng, vật chất không bị mất đi mà được sử dụng lại nhiều lần. Hai vòng tuần hoàn tiêu biểu là vòng carbon và vòng nitrogen.

Các giai đoạn chính của vòng nitrogen:

Giai đoạnChuyển hoáTác nhân chính
Cố định đạmN2⟶NH3\mathrm{N_2 \longrightarrow NH_3}Vi khuẩn cố định đạm, vi khuẩn lam
Nitrate hoáNH3⟶NO2−⟶NO3−\mathrm{NH_3 \longrightarrow NO_2^- \longrightarrow NO_3^-}Vi khuẩn Nitrosomonas, Nitrobacter
Amoni hoá, khoáng hoáProtein ⟶NH3\longrightarrow \mathrm{NH_3}Vi khuẩn, nấm phân giải
Khử nitrateNO3−⟶N2\mathrm{NO_3^- \longrightarrow N_2}Vi khuẩn kị khí trong đất ngập nước

6. So sánh chuyển hoá năng lượng và trao đổi vật chất

Tiêu chíChuyển hoá năng lượngTrao đổi vật chất
Chiều điMột chiều, không quay lạiTuần hoàn, tái sử dụng nhiều lần
Nguồn cung cấp bên ngoàiMặt Trời, cần bổ sung liên tụcDự trữ sẵn trong sinh quyển
Động lực chínhQuang hợp, hô hấp, chuỗi thức ănSinh vật tự dưỡng, vi sinh vật phân giải
Thất thoátCó, dạng nhiệt ở mỗi bậcKhông mất đi, chỉ chuyển dạng, đổi chỗ

7. Ví dụ minh hoạ và bài tập

Ví dụ 1

Một thảm thực vật rừng thu nạp được E1=12 000E_1=12\,000 kJ. Biết hiệu suất truyền năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng là 10%. Tính năng lượng còn lại ở bậc ăn thực vật và ở động vật ăn thịt bậc 1, bậc 2.

Lời giải · 3 bước

Gọi bậc 1 là sinh vật sản xuất, các bậc tiếp theo là E2,E3,E4E_2, E_3, E_4.

E2=12 000×0,10=1 200kJE_2=12\,000 \times 0{,}10=1\,200\quad \mathrm{kJ}
E3=1 200×0,10=120kJE_3=1\,200 \times 0{,}10=120\quad \mathrm{kJ}
E4=120×0,10=12kJE_4=120 \times 0{,}10=12\quad \mathrm{kJ}
Bước 2

So sánh với năng lượng đầu vào:

E4E1=(0,10)3=0,001\frac{E_4}{E_1}=(0{,}10)^3=0{,}001
Bước 3

tức chỉ còn bằng 0,1 phần trăm năng lượng sơ cấp ban đầu. Điều này cho thấy tại sao bậc dinh dưỡng càng cao, sinh khối và số lượng cá thể càng giảm.

Ví dụ 2

Một hệ sinh thái có khối lượng sinh học của động vật ăn thịt bậc 1 là 50 kg. Giả sử hiệu suất truyền vật chất giữa các bậc là 10%. Ước lượng khối lượng sinh học ở bậc sinh vật sản xuất và ở động vật ăn thực vật.

Lời giải · 4 bước

Thứ tự bậc dinh dưỡng: sản xuất ⟶\longrightarrow ăn thực vật ⟶\longrightarrow ăn thịt bậc 1.

Bước 2

Gọi khối lượng sinh học ở bậc sản xuất, ăn thực vật, ăn thịt bậc 1 lần lượt là B1,B2,B3B_1, B_2, B_3.

Bước 3

Ta có B3=50B_3=50 kg. Quay ngược:

B2=B30,10=500kgB_2=\frac{B_3}{0{,}10}=500\quad \mathrm{kg}
B1=B20,10=5 000kgB_1=\frac{B_2}{0{,}10}=5\,000\quad \mathrm{kg}
Bước 4

Vậy theo mô hình giản lược, cần khoảng 5 tấn sinh khối thực vật để nuôi 0,5 tấn động vật ăn thực vật và 50 kg động vật ăn thịt bậc 1.

8. Ý nghĩa và ứng dụng

9. Câu hỏi vận dụng

Câu hỏi 1

Tại mức hệ sinh thái, tại sao dòng năng lượng được coi là một chiều còn vật chất lại tuần hoàn?

Gợi ý trả lời

Năng lượng sau mỗi lần chuyển hoá có phần thoát dạng nhiệt không thu hồi được, nên phải được bổ sung liên tục từ Mặt Trời. Nguyên tố hoá học chuyển từ môi trường vào sinh vật rồi lại trở về môi trường qua hô hấp và phân giải nên luân chuyển được nhiều vòng.

Câu hỏi 2

Trong hồ nước, tháp sinh khối có thể bị đảo chiều nhưng tháp năng lượng thì không. Phát biểu nào đúng?

  • A. Điều này vi phạm nguyên tắc bảo toàn năng lượng.
  • B. Tảo sinh khối tức thời nhỏ nhưng tăng trưởng, sinh sản và bị tiêu thụ liên tục.
  • C. Hồ nước không có sinh vật tự dưỡng.
  • D. Năng lượng tự do tăng lên ở bậc dinh dưỡng cao.
Gợi ý trả lời

Đáp án đúng là B. Tháp sinh khối đo khối lượng tồn tại tại một thời điểm; tảo được thay mới nhanh nên có ít sinh khối nhưng vẫn cung cấp năng lượng lớn cho bậc tiếp theo, do đó tháp năng lượng vẫn luôn giảm dần.

Câu hỏi 3

Một hợp tác xã nuôi cá tra trong ao hai tầng. Hãy đề xuất cách bố trí chuỗi hoặc lưới thức ăn trong ao để tận dụng tốt năng lượng.

Gợi ý trả lời

Tầng mặt nuôi cá tra sử dụng thức ăn tổng hợp hoặc cá nhỏ; tầng đáy nuôi lươn, trai, ốc làm sinh vật ăn mùn bã, xử lí phân cá và mùn hữu cơ. Bổ sung thực vật thuỷ sinh hoặc tảo trong ao để cung cấp oxygen và thức ăn; không thả quá nhiều bậc ăn thịt cao để tránh mất cân bằng năng lượng.

Gặp bài khó? Chụp ảnh để CEAO giảiAI giải từng bước, đề kiểm tra theo bài, thẻ ghi nhớ. Đăng ký miễn phí.
Thử ngay