Hệ sinh thái

Chương 4

HỆ SINH THÁI

Hệ sinh thái như những đơn vị chức năng trong sinh giới, các hoạt

động của nó nói riêng hay toàn bộ sinh quyển nói chung làm cho thế giới

ngày nay ngày càng phát triển và trở nên ổn định vững chắc. Mọi cá thể,

mọi quần thể và quần xã sinh vật, những thành viên sống cấu trúc nên hệ

cũng được thừa hưỡng những thành quả đó để phát triển và tiến hoá không

ngừng. Con người, đương nhiên cũng là một trong những thành viên

không hơn, không kém. Nếu vì một lý do nào đó, con người sống quay

lưng lại với các thành viên khác trong hệ, tất nhiên sẽ phải trả giá, nhiều

khi rất đắt.

I. Định nghĩa.

Hệ sinh thái là tổ hợp của một quần xã sinh vật với môi trường vật

lý mà quần xã đó tồn tại, trong đó các sinh vật tương tác với nhau và với

môi trường để tạo nên chu trình vật chất (chu trình sinh-địa-hoá) và sự

chuyển hóa của năng lượng.

Ví dụ: Ao, hồ, một khu rừng, một con sông, thậm chí một vùng

biển...là những hệ sinh thái điển hình.

Hệ sinh thái lại trở thành một bộ phận cấu trúc của một hệ sinh thái

duy nhất toàn cầu hay còn gọi là sinh quyển (Biosphere).

Hệ sinh thái được nghiên cứu từ lâu và vì vậy, khái niệm này đã ra

đời ở cuối thế kỷ thứ XIX dưới các tên goị khác nhau như “Sinh vật quần

lạc” (Dakuchaev, 1846, 1903; Mobius,1877). Sukatsev (1944) mở rộng

khái niệm “Sinh vật quần lạc” thành khái niệm “Sinh vật địa quần lạc hay

Sinh địa quần lạc” (Biogeocenose). Thuật ngữ “Hệ sinh thái” (Ecosystem)

được A. Tansley nêu ra vào năm 1935 và trở thành phổ biến, được sử

dụng rộng rãi nhất vì nó không chỉ bao hàm các hệ sinh thái tự nhiên mà

cả các hệ sinh thái nhân tạo, kể cả con tàu vũ trụ. Đương nhiên, tàu vũ trụ

là một hệ thống kín, đang hướng đến trạng thái mở khi con người tạo ra

trong đó quá trình tự sản xuất và tiêu thụ nhờ tiếp nhận nguồn năng lượng

và vật chất từ bên ngoài. Hiện tại, tàu vũ trụ tồn tại được là do con người

cung cấp cho nó các điều kiện thiết yếu (vật chất, năng lượng, nước...) để

con người và các sinh vật mang theo tồn tại được. Do vậy, nó trở thành

một hệ đặc biệt, không giống với bất kỳ hệ sinh thái nào trên mặt đất.

Thuật ngữ hệ sinh thái của A. Tansley còn chỉ ra nhũng hệ cực bé

(Microecosystem), đến các hệ lớn như một khu rừng, cánh đồng rêu

(Tundra), biển, đại dương và hệ cực lớn như sinh quyển.

93

Hệ sinh thái luôn là một hệ động lực hở và tự điều chỉnh, bởi vì

trong quá trình tồn tại và phát triển, hệ phải tiếp nhận cả nguồn vật chất và

năng lượng từ môi trường. Điều này làm cho hệ sinh thái hoàn toàn khác

biệt với các hệ thống vật chất khác có trong tự nhiên.

Do là một hệ động lực cho nên hoạt động của hệ tuân theo các định

luật thứ nhất và thứ hai của nhiệt động học. Định luật I cho rằng: năng

lượng không tự sinh ra và cũng không tự mất đi mà chỉ chuyển từ dạng

này sang dạng khác, còn định luật thứ II có thể phát biểu dưới nhiều cách,

song trong sinh thái học cho rằng: năng lượng chỉ có thể truyền từ dạng

đậm đặc sang dạng khuếch tán, ví dụ, nhiệt độ chỉ có thể truyền từ vật

nóng sang vật lạnh, chứ không có quá trình ngược lại.

Bản thân hệ sinh thái hoàn chỉnh và toàn vẹn như một cơ thể, cho

nên tồn tại trong tự nhiên, hệ cũng có một giới hạn sinh thái xác định.

Trong giới hạn đó, khi chịu một tác động vừa phải từ bên ngoài, hệ sẽ

phản ứng lại một cách thích nghi bằng cách sắp xếp lại các mối quan hệ

trong nội bộ và toàn thể hệ thống phù hợp với môi trường thông qua

những “mối liên hệ ngược” để duy trì sự ổn định của mình trong điều kiện

môi trường biến động. Tất cả những biến đổi trong hệ xảy ra như trong

một “hộp đen” mà kết quả tổng hợp của nó là “sự trả lời” (hay “đầu ra”)

tương ứng với những tác động (hay “đầu vào”) lên hệ thống. Trong sinh

thái học người ta gọi đó là quá trình “nội cân bằng”.

Những tác động quá lớn, vượt ra khỏi sức chịu đựng của hệ, hệ

không thể tự điều chỉnh được và cuối cùng bị suy thoái rồi bị hủy diệt.

Các hệ sinh thái, do đó, được đặc trưng bởi đặc điểm cấu trúc và sự

sắp xếp các chức năng hoạt động của mình một cách xác định. Cấu trúc

của hệ phụ thuộc vào đặc tính phân bố trong không gian giữa các thành

viên sống và không sống, vào đặc tính chung của môi trường vật lý cũng

như sự biến đổi của các gradient thuộc các điều kiện sống (như nhiệt độ,

độ ẩm, ánh sáng, độ cao…) theo chiều thẳng đứng và theo chiều nằm

ngang. Tổ chức các hoạt động chức năng của hệ được thiết lập phù hợp

với các quá trình mà chúng đảm bảo cho vật chất được quay vòng và năng

lượng được biến đổi. Do hoạt động của hệ trước hết là của quần xã sinh

vật, các nguyên tố hoá học di chuyển không ngừng dưới dạng các chu

trình để tạo nên các hợp chất hữu cơ từ các chất khoáng và nước, còn năng

lượng từ dạng nguyên khai (quang năng - ánh sáng Mặt Trời) được chuyển

thành dạng năng lượng hóa học (hoá năng) chứa trong cơ thể thực, động

vật thông qua các quá trình quang hợp (ở thực vật) và đồng hóa (ở động

vật) rồi chuyển đổi thành nhiệt thông qua quá trình hô hấp của chúng.

Chính vì lẽ đó, bất kỳ một hệ thống nào của động, thực vật và vi sinh vật

với các điều kiện thiết yếu của môi trường vật lý, dù rất đơn giản, như một

94

phần tử phế liệu (Detritus) chẳng hạn, hoàn thành một chu trình sống hoàn

chỉnh thì đều được xem là một hệ sinh thái thực thụ.

II. Cấu trúc của hệ sinh thái

Một hệ sinh thái điển hình được cấu trúc bởi các thành phần cơ bản

sau đây:

- Sinh vật sản xuất (Producer - P)

- Sinh vật tiêu thụ (Consumer - C)

- Sinh vật phân hủy (Decomposer - D)

- Các chất vô cơ (CO2, O2 , H2O, CaCO3...) .

- Các chất hữu cơ (protein, lipid, glucid, vitamin, enzym,

hoocmon,…)

- Các yếu tố khí hậu (nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, lượng mưa...).

Thực chất, 3 thành phần đầu chính là quần xã sinh vật, còn 3 thành

phần sau là môi trường vật lý mà quần xã đó tồn tại và phát triển.

+ Sinh vật sản xuất (Producer - P) là những sinh vật tự dưỡng

(autotrophy), gồm các loài thực vật có màu xanh và một số nấm, vi khuẩn

có khả năng quang hợp hoặc hóa tổng hợp. Chúng là thành phần không thể

thiếu được trong bất kỳ hệ sinh thái hoàn chỉnh nào. Nhờ hoạt động quang

hợp và hóa tổng hợp của chúng mà nguồn thức ăn ban đầu được tạo thành

để nuôi sống, trước tiên chính những sinh vật sản xuất sau đó, nuôi sống

cả thế giới sinh vật còn lại, trong đó kể cả con người.

+ Sinh vật tiêu thụ (Consumer - C ) là những sinh vật dị dưỡng

(heterotrophy) bao gồm tất cả các loài động vật và những vi sinh vật

không có khả năng quang hợp và hóa tổng hợp, nói một cách khác, chúng

tồn tại được là dựa vào nguồn thức ăn ban đầu do các sinh vật tự dưỡng

tạo ra. Khi nói về năng suất hệ sinh thái thì động vật vừa là sinh vật tiêu

thụ, vừa là sinh vật sản xuất: động vật ăn cỏ là sinh vật tiêu thụ khi chúng

dùng cây xanh làm thức ăn, nhưng chúng lại là sinh vật sản xuất khi thịt;

sữa của chúng được người và động vật ăn thịt sử dụng.

Tuỳ theo đặc điểm tiêu thụ của chúng, được chia ra:

- Sinh vật tiêu thụ bậc 1 (C1): bao gồm những loài động vật ăn

thực vật.

- Sinh vật tiêu thụ bậc 2 (C 2): Bao gồm sinh vật ăn thịt, sử dụng

sinh vật tiêu thụ bậc 1 làm thức ăn.

- Sinh vật tiêu thụ bậc 3 và bậc 4 (C3 và C4) có thể là sinh vật ăn

thịt, sử dụng sinh vật tiêu thụ bậc 2 làm thức ăn. Cũng có thể là ký sinh

trùng sống ký sinh trên sinh vật tiêu thụ bậc1 hoặc bậc 2 hoặc động vật ăn

xác chết.

+ Sinh vật phân hủy (Decomposer - D) là tất cả các vi sinh vật dị

dưỡng, sống hoại sinh (saprophy). Trong quá trình phân hủy các chất,

95

chúng tiếp nhận nguồn lượng hóa học để tồn tại và phát triển, đồng thời

giải phóng các chất từ các hợp chất phức tạp ra môi trường dưới dạng

những khoáng chất đơn giản hoặc các nguyên tố hóa học ban đầu tham gia

vào chu trình (như CO2, O2,, N2...).

Từ bản chất là sinh vật dị dưỡng nên các vi sinh vật tham gia vào

thành phần cấu trúc của hệ sinh thái cũng được xem là sinh vật tiêu thụ,

còn một số loài động vật trong hệ sinh thái cũng được xem là sinh vật

phân hủy. Khác với vi sinh vật, động vật tham gia vào quá trình phân hủy

ở giai đoạn thô, giai đoạn trung gian, còn vi sinh vật phân hủy các chất ở

giai đoạn cuối cùng, giai đoạn khoáng hóa. Cho nên, trong điều kiện môi

trường xác định, một hệ có sự hiện diện sinh vật sản xuất, yếu tố tham gia

vào quá trình quang hợp, và có sự hiện diện của sinh vật phân huỷ thì hệ

thống đó là một hệ sinh thái. Tuy nhiên, người ta cho rằng, trong tự nhiên

ngay ở ranh giới cuối cùng của nó cũng có các loài động vật.

Ngoài cấu trúc theo thành phần, hệ sinh thái còn có kiểu cấu trúc

theo chức năng. Theo E.D. Odum (1983), cấu trúc của hệ sinh thái gồm

các chức năng sau:

- Quá trình chuyển hóa năng lượng của hệ.

- Xích thức ăn trong hệ.

- Các chu trình sinh địa hóa diễn ra trong hệ.

- Sự phân hóa trong không gian và theo thời gian.

- Các quá trình phát triển và tiến hoá của hệ.

- Các quá trình tự điều chỉnh.

Một hệ sinh thái cân bằng là một hệ trong đó 4 quá trình đầu tiên

đạt được trạng thái cân bằng động tương đối với nhau. Sự cân bằng của tự

nhiên, nghĩa là mối quan hệ của quần xã sinh vật với môi trường vật lý mà

quần xã đó tồn tại được xác lập và ít thay đổi từ năm này đến năm khác,

chính là kết quả cân bằng của 4 chức năng nêu trên trong các hệ sinh thái

lớn.

Sự cân bằng còn là kết quả của các quá trình điều chỉnh, được diễn

đạt bằng ngôn ngữ phân tích hệ thống như chuỗi các “mối liên hệ ngược”

trong phạm vi của dòng năng lượng, trong các xích thức ăn, các chu trình

sinh địa hóa và tính đa dạng của cấu trúc. Một hệ thống mới trong quá

trình phát triển sẽ đạt đến trạng thái cân bằng ổn định, phải sau một thời

gian dài tiến hoá thích nghi, trong đó bao gồm sự phát triển tương hỗ của

các thành phần cấu trúc.

Mỗi một chức năng của hoạt động chức năng lại chứa đựng các

phần cấu trúc riêng. Chẳng hạn, đối với các chức năng thứ 1, thứ 2 và thứ

8 nêu trên gồm sinh vật quang hợp, sinh vật ăn thực vật, vật dữ, vật ký

sinh, cộng sinh, sinh vật lượng của chúng, và trong mối quan hệ khác, như

96