Hệ sinh thái (sinh học)

Trong sinh học, một hệ sinh thái là tập hợp các cá thể cùng loài sống trong cùng một khu vực và thời gian nhất định, có lịch sử phát triển chung và tách biệt với các hệ sinh thái khác. Thuật ngữ 'hệ sinh thái' hiện được dịch từ tiếng Anh: population (phát âm Quốc tế: /pɒpjʊˈleɪʃən/) dùng trong sinh thái học, di truyền học và lý thuyết tiến hóa trong ngành sinh học. Cần phân biệt với khái niệm dân số (cũng viết là population).

Một hệ sinh thái có thể chỉ sinh sản hữu tính, vô tính, hoặc cả hai hình thức, nhưng những cá thể được xem là cùng hệ sinh thái khi đáp ứng các tiêu chí chính sau (xem hình 2):

• Bao gồm các cá thể cùng loài, chia sẻ cùng một bộ gen và thường có khả năng sinh sản với nhau.
• Thường sống trong một khu vực gọi là sinh cảnh trong hệ sinh thái.
• Có lịch sử phát triển chung, nghĩa là đã cùng sống qua nhiều thế hệ.
• Tồn tại đồng thời tại thời điểm xét đến.

Một ví dụ rõ ràng về một hệ sinh thái là một bầy voi thường tụ tập, sống qua nhiều thế hệ ở cùng một khu vực. Chúng thường có mối quan hệ họ hàng, bảo vệ nhau, và các voi con thường được sinh ra trong bầy (xem hình 1). Một ví dụ khác là một đàn cá chép sống chung trong một ao qua nhiều thế hệ. Đàn cá này không thể di chuyển sang ao khác, nghĩa là nó tách biệt với đàn cá chép ở ao kế bên.

Đặc điểm chính

Cấu trúc giới tính và sinh sản

Cấu trúc giới tính thể hiện tỷ lệ cá thể đực/cái trong hệ sinh thái. Trong tự nhiên, tỷ lệ này thường là 1:1 ở các cá thể mới sinh. Tuy nhiên, tỷ lệ này có thể thay đổi dựa trên đặc tính loài, tập tính sinh sản, điều kiện môi trường và sức sống của từng giới tính. Điều này phản ánh tiềm năng sinh sản của hệ sinh thái và giúp điều chỉnh tỷ lệ đực cái cho phù hợp với nhu cầu sản xuất và khai thác bền vững tài nguyên.

Cấu trúc sinh sản phản ánh tỷ lệ cá thể đực/cái trong quần thể sinh sản. Tỷ lệ này phụ thuộc vào tập tính sinh sản của từng loài, nhằm nâng cao khả năng thụ tinh cho trứng, sức sống của thế hệ con cái và tỷ lệ sống sót.

Thành phần nhóm tuổi

Hệ sinh thái thường được chia thành 3 nhóm tuổi: trước sinh sản, đang sinh sản và sau sinh sản. Thành phần của các nhóm tuổi là tỷ lệ của ba nhóm này trong quần thể và phụ thuộc vào tuổi thọ trung bình, khu vực phân bố, điều kiện sống và khả năng sống sót của từng nhóm tuổi. Nghiên cứu thành phần nhóm tuổi giúp dự đoán sự phát triển của quần thể trong tương lai.

Khi chồng các nhóm tuổi lên nhau, ta sẽ có hình tháp tuổi (tương tự như tháp dân số cho con người). Có 3 loại tháp tuổi như sau:

• Tháp phát triển: Đáy rộng, đỉnh hẹp, cho thấy số lượng cá thể non nhiều, cá thể già ít, tỷ lệ sinh cao và tỷ lệ tử thấp.
• Tháp ổn định: Đáy vừa phải, hình tháp gần như thẳng đứng, cho thấy tỷ lệ sinh và tử gần bằng nhau.
• Tháp suy thoái: Đáy hẹp, đỉnh rộng, cho thấy tỷ lệ tử cao, tỷ lệ sinh thấp, nhiều cá thể già và ít cá thể non.

Phân bố cá thể

Phân bố cá thể đề cập đến cách mà các cá thể chiếm lĩnh không gian trong sinh cảnh, phụ thuộc vào điều kiện môi trường và đặc điểm sinh thái của loài.

Có 3 kiểu phân bố:

• Phân bố đồng đều khi điều kiện môi trường ổn định và các cá thể có xu hướng bảo vệ lãnh thổ. Kiểu phân bố này ít thấy trong tự nhiên.
• Phân bố theo nhóm khi điều kiện môi trường không đồng đều và các cá thể có xu hướng tụ tập lại với nhau. Kiểu phân bố này thường thấy trong tự nhiên.
• Phân bố ngẫu nhiên là kiểu phân bố giữa hai kiểu trên, khi điều kiện môi trường đồng nhất, các cá thể không có xu hướng bảo vệ lãnh thổ hay tụ tập. Kiểu phân bố này cũng ít gặp trong tự nhiên.

Kích thước và mật độ

Kích thước đề cập đến tổng số cá thể, khối lượng hoặc năng lượng trong quần thể, phù hợp với nguồn sống và không gian mà nó chiếm giữ. Các loài có cơ thể nhỏ thường tồn tại trong quần thể lớn, ngược lại, loài có cơ thể lớn thường sống trong quần thể nhỏ. Mối quan hệ này chủ yếu bị ảnh hưởng bởi nguồn thức ăn của môi trường và khả năng thích nghi của từng loài.

Công thức tính: N_t = N_o + B - D + I - E. Trong đó:

• N_t, N_o: Số lượng cá thể trong quần thể tại thời điểm t và t_o
• B: Mức sinh sản
• D: Mức tử vong
• I: Mức nhập cư
• E: Mức di cư

Trong công thức trên, mỗi thành phần có những thuộc tính riêng, đặc trưng cho loài và phụ thuộc vào điều kiện môi trường.

Kích thước của quần thể thường có hai mức: tối thiểu và tối đa.

• Mức tối thiểu đặc trưng cho loài, đảm bảo khoảng cách cần thiết để các cá thể duy trì và phát triển, thực hiện các mối quan hệ nội bộ như sinh sản, hỗ trợ, và hiệu quả nhóm, cũng như duy trì vai trò của quần thể trong tự nhiên. Nếu dưới mức này, quần thể sẽ suy giảm và có nguy cơ diệt vong.
• Mức tối đa: là số lượng quần thể có thể đạt được dưới điều kiện môi trường hiện tại. Mức tối đa của quần thể phụ thuộc vào điều kiện sống và các yếu tố sinh thái như cạnh tranh và bệnh tật. Theo lý thuyết, số lượng quần thể có thể phát triển đến vô hạn, nhưng thực tế, vì không gian và nguồn sống có hạn, quần thể chỉ có thể đạt một mức tối đa ổn định tương ứng với điều kiện môi trường.

Mật độ chỉ số lượng, khối lượng hoặc năng lượng cá thể trên một đơn vị diện tích hoặc thể tích mà quần thể cư trú. Nó cũng phản ánh khoảng cách trung bình giữa các cá thể trong vùng phân bố của quần thể.

Mật độ có vai trò sinh học quan trọng, là tín hiệu sinh học giúp quần thể điều chỉnh số lượng. Khi số lượng cá thể gia tăng, mật độ cũng tăng, dẫn đến giảm nguồn sống và ô nhiễm môi trường. Điều này làm giảm sức sinh sản và tăng bệnh tật, dẫn đến cái chết của nhiều cá thể và giảm mật độ. Khi mật độ giảm, nguồn sống dồi dào hơn, ô nhiễm giảm, sức sống và sức sinh sản tăng, làm số lượng cá thể gia tăng. Quá trình này lặp đi lặp lại giúp quần thể duy trì số lượng phù hợp với điều kiện môi trường và ảnh hưởng đến hoạt động sinh lý của cá thể.

Cách xác định mật độ:

• Đối với vi sinh vật: đếm số lượng khuẩn lạc trong một thể tích môi trường nuôi cấy cụ thể.
• Thực vật nổi (phytoplankton) và động vật nổi (zooplankton): đếm số lượng cá thể trong một thể tích nước nhất định.
• Thực vật và động vật đáy (ít di chuyển): xác định số lượng trên ô tiêu chuẩn.
• Cá trong vực nước: đánh dấu cá thể, bắt lại, từ đó tính toán kích thước quần thể và suy ra mật độ. Công thức:

$N=\frac{C\times <!--\; \times \; -->M}{R}$ (Petersent, 1896)

hoặc

$N=\frac{(M+1)\times <!--\; \times \; -->(C+1)}{R+1}$ (Seber 1982).

Trong đó:

• N: Số lượng cá thể của quần thể tại thời điểm quan sát
• M: Số cá thể được đánh dấu trong lần thu mẫu đầu tiên
• C: Số cá thể được đánh dấu trong lần thu mẫu thứ hai
• R: Số cá thể đánh dấu xuất hiện trong lần thu mẫu thứ hai
• Đối với động vật lớn: quan sát trực tiếp hoặc gián tiếp, chẳng hạn như đếm tổ (chim), dấu chân (trên đường di chuyển), số con bị mắc bẫy, v.v.

Sức sinh sản và tỷ lệ tử vong

Sức sinh sản là khả năng mở rộng số lượng của quần thể. Nó được xác định bởi khả năng sinh sản của từng cá thể, bao gồm:

• Số lượng trứng hoặc con sinh ra trong mỗi lần đẻ, và khả năng chăm sóc chúng của cá thể
• Số lần đẻ trong một năm (hoặc đời), và tuổi trưởng thành sinh dục
• Mật độ của quần thể

Tỷ lệ tử vong là mức giảm số lượng cá thể trong quần thể. Nó chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố như:

• Giới tính: sức sống của cá thể cái so với cá thể đực
• Nhóm tuổi (tỷ lệ tử vong khác nhau ở các giai đoạn phát triển như trứng, thanh thiếu niên, trưởng thành)
• Điều kiện sống môi trường