Chapter 2 - Ecology Fundamentals - 2024

Chương 2: CƠ SỞ SINH THÁI HỌC các yếu tố sinh thái giới hạn của môi trường PGS.TS. Đào Thanh Sơn Khoa Môi trường và Tài nguyên Đại hoc Bách Khoa TP. HCM  Các yếu tố sinh thái giới hạn của môi trường 2.1. Các yếu tố sinh thái của môi trường 2....

Chương 2: CƠ SỞ SINH THÁI HỌC các yếu tố sinh thái giới hạn của môi trường PGS.TS. Đào Thanh Sơn Khoa Môi trường và Tài nguyên Đại hoc Bách Khoa TP. HCM  Các yếu tố sinh thái giới hạn của môi trường 2.1. Các yếu tố sinh thái của môi trường 2.2. Các yếu tố sinh thái của môi trường vô sinh 2.3. Các yếu tố sinh thái của môi trường hữu sinh 2.4. Một số quy luật cơ bản của sinh thái học 2.5. Sinh thái học ứng dụng 2.1. Các yếu tố sinh thái của môi trường Yếu tố sinh thái Yếu tố vô sinh Yếu tố hữu sinh Ánh sáng Nhiệt độ Quan hệ giữa các cá thể trong Quần xã Đất, nước, Muối, gió, quần thể khí thủy triều… 2.1.1. Các yếu tố có chu kỳ sơ cấp Ánh sáng Thủy triều Yếu tố có Nhiệt độ chu kỳ sơ cấp Mặt trăng Ngày Mùa Năm V-clip on natural factors 2.1.1. Các yếu tố có chu kỳ sơ cấp Những phản ứng với mùa chiếu sáng: phản ứng quang kỳ Trái đất được chia thành những vùng phân bố các loài Sự thích nghi của sinh vật đối với yếu tố chu kỳ (nhịp sinh học). 2.1.2. Các yếu tố có chu kỳ thứ cấp Yếu tố có chu kỳ thứ cấp: thay đổi do yếu tố chu kỳ sơ cấp. Ví dụ: độ ẩm phụ thuộc vào t0, mưa và chu kỳ mùa; ánh sáng phụ thuộc vào chu kỳ ngày, mùa; tỷ lệ CO2 hay O2 hòa tan trong nước phụ thuộc vào chu kỳ ngày/đêm. Yếu tố có chu kỳ thứ cấp làm thay đổi độ phong phú về số loài. V-clip: seasonal changing of plants  2.1.3. Các yếu tố không có chu kỳ Gió Hoạt động phát triển Yếu tố KT-XH không có Bão chu kỳ Sự thiếu thích nghi thường xuyên của Đám cháy SV Những yếu tố đó điều hòa mật độ sinh vật trong một khu vực nhất định. 2.1.3. Các yếu tố không có chu kỳ Cháy rừng (yếu tố không chu kỳ) làm chết cây trưởng thành, phá hủy tán rừng che phủ 2.1.3. Các yếu tố không có chu kỳ Cây sồi (oak) ngã/ đổ vì gió bão 2.2. Các yếu tố sinh thái của môi trường vô sinh 2.3.1. Ánh sáng 2.3.4. Khí quyển 2.3.2. Nhiệt độ 2.3.5. Đất 2.3.3. Nước 2.3.6. Muối khoáng 2.2.1. Ánh sáng Ý nghĩa của ánh sáng đối với đời sống sinh vật, đặc biệt là thực vật Sự phân bố và thành phần quang phổ ánh sáng Mặt trời, bước sóng, nhóm thực vật C3, C4, CAM (crassulacean acid metabolism) Ảnh hưởng của ánh sáng tới các đặc điểm hình thái, giải phẫu và sinh lý của thực vật Ảnh hưởng của ánh sáng tới khả năng định hướng và sinh sản của động vật 2.2.1. Ánh sáng Hấp thu ánh sáng cho quang hợp của thực vật Cường độ quang hợp Bước sóng ánh sáng (nm) 12 2.2.2. Nhiệt độ Ý nghĩa của nhiệt độ đối với đời sống động vật, sự sống tồn tại từ âm 200ºC đến100 ºC, đa số sinh vật sống ở nhiệt độ từ 0 - 50ºC, ấu trùng ngô sống ở - 27ºC, VKL ở suối nước nóng = 80ºC. Các hình thức trao đổi nhiệt, sinh vật đẳng nhiệt và biến nhiệt Ảnh hưởng đến đặc điểm hình thái, giải phẫu, sinh lý của thực vật Ảnh hưởng của nhiệt độ tới các đặc điểm hình thái của động vật, vd. loài chim cánh cụt ở Nam Cực dài đến 120 cm, nặng 34kg; loài tương tự ở xích đạo dài 44 cm, nặng 5kg.  V-clip: Responses of plants to light & temp 2.2.2. Nhiệt độ 2.2.3. Nước Ý nghĩa, chức năng của nước đối với đời sống sinh vật Các dạng tồn tại của nước, phân bố của nước và độ ẩm không khí Sự thích nghi của sinh vật sống dưới nước, vd. hình thái thực vật, động vật Cân bằng nước ở thực vật trên cạn, vd. sự hút nước, thoát hơi nước Cân bằng nước ở động vật trên cạn, vd. nước từ thức ăn và thải bỏ Thích nghi chính của sinh vật với chế độ nước của môi trường: (1) tích nước, (2) chống thoát hơi nước, (3) tăng khả năng tìm nguồn nước 2.2.3. Nước khả năng chống mất nước của thực vật sống vùng khô hạn CAM (Crassulacean acid metabolism) 2.2.3. Nước 2.3.4. Khí quyển Không khí và ý nghĩa của nó đối với đời sống sinh vật: hô hấp, quang hợp, cố định đạm, tham gia cấu tạo nên các hợp chất quan trọng trong sinh vật... Thành phần không khí: N2 (78%), O2 (21%), CO2, H2S.. Oxy hòa tan trong nước: tùy theo nhiệt độ (vd. 25ºC, oxy bão hòa ở 8 mg/L) Các đặc điểm của không khí và sự thích nghi của sinh vật - Sinh vật hiếu khí - Sinh vật kỵ khí 2.2.5. Đất Đất và ý nghĩa của nó trong đời sống sinh vật Sản phẩm hoạt động của sinh giới Một số đặc điểm của đất thành phần của đất: khoáng, hữu cơ, keo đất, không khí, nước Sinh vật sống trong đất và sự thích nghi của chúng 2.2.6. Muối khoáng, dinh dưỡng, vi lượng Có khoảng 74 nguyên tố cần thiết cho sự sống động - thực vật, vi sinh vật, được chia thành 2 nhóm: v Nhóm đa lượng: C, N, P, Ca, Fe, S,... v Nhóm vi lượng: Cu, Zn, Mn, vitamin… Đa lượng, vi lượng, hợp chất vô cơ, hợp chất hữu cơ trọng lượng thấp, kim loại, vitamin Thực vật chịu tác động nhiều hơn bởi các yếu tố muối khoáng Tham gia vào thành phần cấu trúc chất sống của sinh vật Xúc tác, điều hòa nhiều quá trình sinh lý bên trong tế bào, cơ quan, cơ thể sinh vật Nhóm loài sinh vật khác nhau, hoặc giai đoạn phát triển khác nhau có nhu cầu dinh dưỡng, muối khoáng, vi lượng khác nhau 2.2.6. Muối khoáng, dinh dưỡng, vi lượng Carbon Nguyên tố chính của sự sống, tham gia trong các quá trình vận động của sinh quyển. Nitơ Nitơ là hợp phần bắt buộc của protit, chất đặc trưng cho sự sống.. Tham gia cấu tạo ADP và ATP. Sinh vật rất cần Nitơ với lượng lớn. Có khoảng 250 loài vi khuẩn lam hay vi khuẩn có khả năng cố định đạm tự do Phospho Phospho đóng vai trò cấu thành cơ thể sinh vật: ATP, cấu trúc tế bào, hormon, enzyme: chức năng và điều hòa 2.2.6. Muối khoáng, dinh dưỡng, vi lượng Cellular membrane chloroplast Pump Ci stroma pyrenoid Out side the cell CO2 CO2 r a se nhyd ic a HCO3- HCO3- CO2 bon car HCO3- HCO3- CO2 Rubisco Rubisco PGA Rubisco: Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase Calvin cycle PGA: phosphoglyceric acid Badger & Price, 1994 2.2.6. Muối khoáng, dinh dưỡng, vi lượng Cellular membrane chloroplast NO3- NO3- Out side the cell Protein NH4+ NH4+ Chlorophyll N2 Nitrogen compounds Lobban & Harrison, 1994 2.2.6. Muối khoáng, dinh dưỡng, vi lượng cố định nitơ của vi khuẩn lam heterocyte Vegetative cells 2.2.6. Muối khoáng, dinh dưỡng, vi lượng Canxi Canxi cần cho sự thâm nhập NH4+ và NO3- vào rễ cây. Canxi góp phần chính thay đổi độ cứng của nước: nước cứng, nước bán cứng (9 - 25ppm), nước mềm. Kali Kali giúp điều chỉnh áp suất thẩm thấu và tham gia quá trình sinh hóa. Natri Natri cần cho xây dựng các mô, giữ áp suất thẩm thấu, điều chỉnh trao đổi nước, đạm, muối khoáng và lipit. Mg chiếm hơn 60% ở trong xương và răng. Mg là thiết yếu cho thực vật 2.2.6. Muối khoáng, dinh dưỡng, vi lượng 2.2.6. Muối khoáng, dinh dưỡng, vi lượng Các nguyên tố/ yếu tố: Mg (đa lượng) Mg: nhân của chlorophyll 2.2.6. Muối khoáng, dinh dưỡng, vi lượng Trung tâm hoạt động của enzyme Các nguyên tố/ yếu tố: Fe (đa lượng) Vận chuyển điện tử trong hệ thống oxy hóa khử của hô hấp, quang hợp 2.2.6. Muối khoáng, dinh dưỡng, vi lượng Các nguyên tố/ yếu tố vi lượng: Mn Mn có trong cấu tạo ribosome Mn hiện diện trong cytocrome oxidase, enzyme chính trong vận chuyển electron trong hô hấp Superoxide dismustase 2.2.6. Muối khoáng, dinh dưỡng, vi lượng Các nguyên tố/ yếu tố vi lượng: Mo, Ni, Co, Al, I, F, B, Se, V Catalase Mo là cofactor của enzyme cố định nitơ (nitrogenase) Ni và Mo cần trong chuyển hóa nitơ. Ni tham gia cấu tạo urease Co: trung tâm của enzyme khử độc Al cần cho dương xỉ Se cần cho vi tảo I cần cho động vật bậc cao, hoạt động của tuyến giáp F tham gia hình thành xương và răng V cần cho nhóm Da gai (cầu gai), tảo,... 2.2.6. Muối khoáng, dinh dưỡng, vi lượng Các nguyên tố/ yếu tố vi lượng: Si Vi tảo cần lượng nhỏ Si trong tổng hợp synthesis (< 0.1% KL) Hàm lượng Si hòa tan trong thủy vực thường từ 0,7 – 7 mg/L Tảo silic, tảo vàng ánh cần lượng lớn Si để phát triển Ngưỡng giới hạn Si cho tảo silic: 0,1 – 0,5 mg/L Si ~ 50% KL khô của tảo silic Hàm lượng Si trong tảo silic vs thể tích và diện tích bề mặt 2.3. Các yếu tố sinh thái của môi trường hữu sinh 2.3.1. Những phản ứng giới hạn trong loài 2.3.2. Những phản ứng giới hạn giữa các loài 2.3.3. Quan hệ tương tác âm 2.3.4. Quan hệ tương tác dương 2.3.1. Những phản ứng giới hạn trong loài Tập tính: sự đáp ứng với biến đổi của môi trường xung quanh, hoặc bên trong cơ thể Tính hướng (thực vật) Bản năng/ Phản xạ không điều kiện Phản xạ có điều kiện Cạnh tranh trong loài 2.3.2. Những phản ứng giới hạn giữa các loài Nguyên lý Gause: Hai loài sống với nhau và có nhu cầu như nhau thì một trong hai sẽ bị đào thải theo thời gian. Nguyên lý này có một ngoại lệ khi có đủ thức ăn trong môi truờng sống. 2.3.3. Quan hệ tương tác âm (negative) Sự cạnh tranh khác loài Săn mồi – con mồi, thiên địch Ký sinh vật chủ Ức chế cảm nhiễm 2.3.4. Quan hệ tương tác dương (positive) Cộng sinh: cùng có lợi Hội sinh; 1 có lợi, 1 không lợi (không hại) Tiền hợp tác (hợp tác): cộng sinh không bắt buộc 2.4. Một số quy luật cơ bản của sinh thái học 2.4.1. Quy luật tác động tổng hợp của các yếu tố sinh thái 2.4.2. Quy luật tác động qua lại giữa sinh vật và môi trường 2.4.3. Quy luật tác động không đồng đều của các yếu tố sinh thái lên chức phận của cơ thể sống 2.4.4. Quy luật giới hạn sinh thái 2.4.1. Quy luật tác động tổng hợp của các yếu tố sinh thái Ví dụ: Sinh vật sống trong đất Ánh sáng Độ ẩm Nhiệt độ Dinh dưỡng, muối khoáng 2.4.1. Quy luật tác động tổng hợp của các yếu tố sinh thái Ví dụ: Sinh vật sống trong nước Săn mồi Thức ăn Dầu mỡ Thuốc BVTV Kim loại nặng 2.4.1. Quy luật tác động tổng hợp của các yếu tố sinh thái Ví dụ: Sinh vật sống trên cạn Ánh sáng đầy đủ Thiếu nước or Muối khoáng Độ ẩm thích hợp Quang hợp không tốt Muối khoáng đầy đủ 2.4.1. Quy luật tác động tổng hợp của các yếu tố sinh thái Môi trường bao gồm nhiều yếu tố sinh thái luôn có tác động qua lại Sự biến đổi của một yếu tố sinh thái này có thể dẫn tới sự thay đổi về lượng và có khi về chất của yếu tố sinh thái khác, và sinh vật chịu ảnh hưởng của các thay đổi. Tất cả các yếu tố đều gắn bó với nhau thành tổ hợp sinh thái Mỗi yếu tố sinh thái chỉ có thể biểu hiện hoàn toàn tác động của nó lên đời sống của sinh vật, khi các yếu tố sinh thái khác đang ở trong điều kiện thích hợp 2.4.2. Quy luật tác động qua lại giữa sinh vật và môi trường Trong mối quan hệ qua lại giữa sinh vật & môi trường, không những MT tác động lên SV, mà SV cũng ảnh hưởng đến các yếu tố của MT, và có thể làm thay đổi tính chất của các yếu tố đó. VD: Hồ Xuân Hương – Đà Lạt 2.4.2. Quy luật tác động qua lại giữa sinh vật và môi trường Môi trường Trồng rừng sống Môi trường Sinh vật phát xung quanh triển 2.4.3. Quy luật tác động không đồng đều của các yếu tố sinh thái lên chức năng của cơ thể sống Yếu tố sinh thái có ảnh hưởng khác nhau lên các chức phận của cơ thể sống, có yếu tố cực thuận đối với quá trình này nhưng có hại cho quá trình khác. Tăng cường trao đổi chất Đờ đẫn vì nóng nhiệt độ cao nhiệt độ quá cao Canxi cần cho xương; quá nhiều có thể gây sỏi thận Oxy hòa tan cần thiết cho cá, nhưng quá nhiều sẽ gây bệnh (triệu chứng gas bubble disease) 2.4.3. Quy luật tác động không đồng đều của các yếu tố sinh thái lên chức năng của cơ thể sống Nhiều loài sinh vật trong các giai đoạn sống (từ còn non đến khi trưởng thành và thành thục) có những nhu cầu về yếu tố sinh thái khác nhau (vd: tôm cần các loại thức ăn khác nhau từ lúc mới nở - trưởng thành) Các sinh vật này thường thay đổi chỗ ở trong từng giai đoạn sống (vd: cá chình, tôm càng xanh) 2.4.4. Quy luật giới hạn sinh thái Trong HST, tương tác giữa SV và MT có thể tạo ra sự hưng thịnh của SV. Đó là điều kiện tổng hợp các yếu tố hay điều kiện MT ở giữa giới hạn trên và giới hạn dưới của những yếu tố/điều kiện đó. SV sống không bình thường, thoái hóa hoặc chết ở gần và ngoài giới hạn trên hay dưới. Các điểm đó gọi là điều kiện giới hạn hay điểm giới hạn. Như vậy, SV sống phụ thuộc vào các yếu tố bao gồm: (1) Hàm lượng và trạng thái các chất cần thiết trong MT; (2) Phạm vi chống chịu của chúng với tổ hợp các yếu tố khác nhau. 2.4.4. Quy luật giới hạn sinh thái Ví dụ: Độ mặn là yếu tố giới hạn của các SV nước ngọt và biển. 2.4.4. Quy luật giới hạn sinh thái Ví dụ: Yếu tố giới hạn của sự phân bố của chim cánh cụt (ở Nam cực) và bò cạp (vùng sa mạc) là nhiệt độ. 2.4.4. Quy luật giới hạn sinh thái Ví dụ: Mức độ nhiễm bẩn cao là yếu tố giới hạn đối với một số loài động vật phù du 2.4.4. Quy luật giới hạn sinh thái Ví dụ: Mức độ nhiễm bẩn cao là yếu tố giới hạn đối với một số các loài động vật đáy 2.4.4. Quy luật giới hạn sinh thái Định luật tối thiểu của Liebig (1840): Chất có hàm lượng tối thiểu điều khiển năng suất, xác định đại lượng và tính ổn định của mùa màng theo thời gian Định luật về sự chống chịu của Shelford (1913): Các sinh vật được giới hạn đặc trưng bởi tối thiểu sinh thái và tối đa sinh thái. Khoảng giữa hai đại lượng này là “giới hạn của sự chống chịu” hay “giới hạn sinh thái”. Từ định luật này, Odum (1971) đã đưa ra một số nhận xét xung quanh quy luật giới hạn sinh thái: Các SV có thể có giới hạn ST rộng đối với một yếu tố ST này nhưng lại có giới hạn ST hẹp đối với yếu tố khác. Những SV có giới hạn ST rộng đối với tất cả các yếu tố ST thường có phạm vi phân bố rộng. Nếu có một yếu tố ST không thích hợp cho SV, thì giới hạn ST của các yếu tố ST khác (đối với SV) có thể bị thu hẹp. Giới hạn chống chịu của SV ở giai đoạn sinh sản, của hạt, trứng, bào thai, mầm, ấu trùng thường hẹp hơn ở giai đoạn trưỏng thành (nhưng không sinh sản).