Lý thuyết Trao đổi vật chất và chuyển hoá năng lượng trong hệ sinh thái (Sinh 12 Kết nối tri thức Bài 29)

Với tóm tắt lý thuyết Sinh 12 Bài 29: Trao đổi vật chất và chuyển hoá năng lượng trong hệ sinh thái hay nhất, ngắn gọn sẽ giúp học sinh lớp 12 nắm vững kiến thức trọng tâm, ôn luyện để học tốt môn Sinh học 12.

Lý thuyết Trao đổi vật chất và chuyển hoá năng lượng trong hệ sinh thái (Sinh 12 Kết nối tri thức Bài 29)

TRẮC NGHIỆM ONLINE

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

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

- Song song với quá trình chuyển hoá năng lượng là quá trình chuyển hoá vật chất: Sinh vật sản xuất (trừ vi khuẩn hoá tổng hợp) chuyển hoá quang năng thành hoá năng thông qua quá trình tổng hợp chất hữu cơ từ chất vô cơ. Đa số sinh vật sử dụng nguồn chất hữu cơ này để kiến tạo cơ thể và cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống.

- Trong hệ sinh thái, năng lượng được chuyển hoá theo một chiều với đầu vào là quang năng và đầu ra là nhiệt năng còn vật chất được lưu chuyển tuần hoàn từ chất vô cơ thành hữu cơ và ngược lại.

Sơ đồ về trao đổi vật chất và chuyển hoá 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 quần xã với sinh cảnh và trao đổi vật chất giữa các sinh vật trong quần xã.

- Trao đổi vật chất trong quần xã là quá trình lưu chuyển vật chất giữa các loài trong quần xã, quá trình này phụ thuộc chủ yếu vào mối quan hệ sinh vật này ăn sinh vật khác, bản chất là mối quan hệ dinh dưỡng giữa các loài.

- Trao đổi vật chất trong quần xã được thể hiện qua cấu trúc của chuỗi thức ăn, lưới thức ăn và bậc dinh dưỡng.

1. Chuỗi thức ăn

- Khái niệm: Chuỗi thức ăn là một dãy các loài có mối quan hệ dinh dưỡng với nhau.

- Đặc điểm: Các loài trong chuỗi thức ăn sắp xếp tương tự như một chuỗi xích, trong đó mỗi loài là một mắt xích. Mỗi mắt xích trong chuỗi thức ăn tiêu thụ mắt xích trước đó và bị mắt xích phía sau tiêu thụ.

- Phân loại: Có hai loại chuỗi thức ăn: loại khởi đầu bằng sinh vật sản xuất và loại khởi đầu bằng sinh vật ăn mùn bã hữu cơ.

+ Chuỗi thức ăn khởi đầu bằng sinh vật sản xuất có 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), mắt xích thứ ba là động vật ăn thịt (sinh vật tiêu thụ bậc 2),...

Ví dụ về chuỗi thức ăn khởi đầu bằng sinh vật sản xuất

+ 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 (giun đất, bọ đất, trai, sò,...), các mắt xích tiếp theo tuần tự là sinh vật tiêu thụ các cấp.

Ví dụ về chuỗi thức ăn khởi đầu bằng sinh vật ăn mùn bã hữu cơ

→ Chuỗi thức ăn khởi đầu bằng sinh vật sản xuất có vai trò chính trong chuyển hoá vật chất và năng lượng của quần xã. Chất hữu cơ thải ra từ chuỗi thức ăn này là nguồn cung cấp vật chất chủ yếu cho chuỗi thức ăn khởi đầu bằng sinh vật ăn mùn bã hữu cơ.

2. Lưới thức ăn

- Khái niệm: Lưới thức ăn là tập hợp các chuỗi thức ăn được kết nối với nhau bằng những mắt xích chung.

Lưới thức ăn ở một hệ sinh thái đồng cỏ

- Đặc điểm:

+ Mỗi hệ sinh thái chỉ có một lưới thức ăn.

+ Trong một lưới thức ăn, 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.

3. Bậc dinh dưỡng

- Khái niệm: Bậc dinh dưỡng của một loài là vị trí của loài đó trong chuỗi thức ăn.

- Thứ tự các bậc dinh dưỡng: Bậc dinh dưỡng cấp 1 gồm các loài sinh vật sản xuất, bậc dinh dưỡng cấp 2 là các loài sinh vật tiêu thụ bậc 1, bậc dinh dưỡng cấp 3 gồm các loài sinh vật tiêu thụ bậc 2,...

Bậc dinh dưỡng

- Đặc điểm: Trong một lưới thức ăn, có nhiều loài cùng bậc dinh dưỡng và một loài có thể nằm ở hai bậc dinh dưỡng khác nhau.

- Vai trò: Bậc dinh dưỡng của một loài cho biết mối tương quan về năng lượng của loài đó so với các loài khác trong toàn bộ chuỗi thức ăn. Việc phân chia các loài trong lưới thức ăn thành các nhóm có cùng bậc dinh dưỡng nhằm mục đích 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

- Do góc nghiêng trục quay và quỹ đạo quay của Trái Đất so với Mặt Trời nên cường độ bức xạ mặt trời tác động lên Trái Đất thay đổi theo vĩ độ và thời gian.

Bức xạ mặt trời lên Trái Đất vào các khoảng thời gian trong năm

- Khoảng 50% bức xạ mặt trời chiếu vào Trái Đất bị hấp thụ, tán xạ hoặc phản xạ bởi mây và bụi trong khí quyển.

- Trong số bức xạ thuộc dải ánh sáng nhìn thấy chiếu xuống bề mặt trái đất, chỉ khoảng 1% cung cấp cho sinh vật sản xuất thực hiện quá trình quang hợp, tạo nên khoảng 150 tỉ tấn (1,50 × 10¹⁴ kg) chất hữu cơ trên Trái Đất mỗi năm.

Quang phổ

2. Chuyển hoá năng lượng trong hệ sinh thái

- Trong hệ sinh thái, nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời đi vào quần xã chủ yếu thông qua quá trình quang hợp ở sinh vật sản xuất, truyền qua các bậc dinh dưỡng và giải phóng ra môi trường dưới dạng nhiệt.

Dòng năng lượng trong hệ sinh thái

- Ở mỗi bậc dinh dưỡng, năng lượng được sử dụng chủ yếu để duy trì thân nhiệt và các hoạt động sống (hô hấp tế bào), một phần tích luỹ dưới dạng sinh khối, một phần thất thoát qua vật chất rơi rụng (cành lá rụng, lông rụng,...), chất thải.

- Giữa các bậc dinh dưỡng, một phần năng lượng từ bậc dinh dưỡng thấp được truyền tới bậc dinh dưỡng cao hơn dưới dạng sinh khối (thức ăn).

Sơ đồ năng lượng truyền qua các bậc dinh dưỡng trong hệ sinh thái

→ Trong quá trình truyền năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng, phần lớn năng lượng bị thất thoát, chỉ một phần nhỏ năng lượng 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

- Khái niệm: Hiệu suất sinh thái là tỉ lệ phần trăm chuyển hoá năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng.

- Vai trò: Hiệu suất sinh thái phản ánh hiệu quả sử dụng năng lượng ở mỗi bậc dinh dưỡng, từ đó thể hiện hiệu quả của cả hệ sinh thái. Hiệu suất sinh thái càng cao thì mức thất thoát năng lượng càng thấp.

- Đặc điểm: Trong hệ sinh thái, năng lượng chuyển từ bậc dinh dưỡng thấp lên bậc dinh dưỡng cao (hiệu suất sinh thái) thường rất thấp (theo lí thuyết, ở hai bậc dinh dưỡng kế tiếp nhau, hiệu suất sinh thái trung bình khoảng 10%. Trong thực tế, có nhiều yếu tố chi phối như đặc điểm loài, điều kiện môi trường,... do đó, hiệu suất sinh thái thực tế giữa hai bậc dinh dưỡng kế tiếp nhau dao động khoảng 5 – 20%), dẫn đến chuỗi thức ăn trong các hệ sinh thái không thể kéo dài, thường từ 4 – 5 mắt xích đối với các hệ sinh thái trên cạn và 6 – 7 mắt xích đối với các hệ sinh thái ở nước.

- Ứng dụng: Trong chăn nuôi, thuỷ sản người ta thường nuôi những loài sử dụng chủ yếu thức ăn từ thực vật hoặc ăn tạp như thỏ, trâu, bò, gà, cá trắm cỏ, lợn,...

b. Tháp sinh thái

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

- Đặc điểm:

+ Hình tháp sinh thái gồm nhiều hình chữ nhật xếp chồng lên nhau, mỗi hình chữ nhật đại diện cho một bậc dinh dưỡng với đáy tháp là bậc dinh dưỡng cấp 1. Các hình chữ nhật có chiều rộng bằng nhau, chiều dài khác nhau thể hiện độ lớn về số lượng hoặc sinh khối hoặc năng lượng ở bậc dinh dưỡng tương ứng.

+ Tháp sinh thái điển hình có đáy rộng, phần trên luôn nhỏ hơn và hẹp lại rất nhanh, thể hiện hiệu quả truyền vật chất/năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng.

- Phân loại: Có ba loại tháp sinh thái: Tháp số lượng (số lượng/diện tích hoặc thể tích), tháp sinh khối (khối lượng/diện tích hoặc thể tích) và tháp năng lượng (năng lượng/diện tích hoặc thể tích/thời gian).

+ Tháp số lượng có dạng điển hình hoặc dạng tháp ngược. Số liệu xây dựng lên tháp sinh khối được thu thập tại một thời điểm nhất định và có sự không đồng nhất về khối lượng giữa các cá thể.

Tháp số lượng

+ Tháp sinh khối có dạng điển hình và dạng tháp ngược. Số liệu xây dựng nên tháp sinh khối được thu thập tại một thời điểm nhất định. Khối lượng của các loại chất hữu cơ khác nhau (carbohydrate, lipid, protein,...) hình thành nên sinh khối có vai trò số liệu như nhau, trong khi tỉ lệ các loại chất hữu cơ này ở các bậc dinh dưỡng là khác nhau.

Tháp sinh khối

+ Tháp năng lượng luôn có dạng điển hình, có đơn vị đo đồng nhất giữa các bậc dinh dưỡng và dữ liệu xây dựng hình tháp được thu thập trong một khoảng thời gian. Trong ba dạng tháp, tháp năng lượng là dạng tháp mô tả đầy đủ nhất mối quan hệ về vật chất/năng lượng giữa các bậc dinh dưỡng.

Tháp năng lượng

- Ý nghĩa: Trong thực tiễn, nghiên cứu về hiệu suất sinh thái và tháp sinh thái giúp các nhà khoa học đưa ra biện pháp tác động làm tăng sản lượng sinh vật, khai thác hiệu quả tài nguyên, tiết kiệm năng lượng. Ví dụ: Tính trên cùng năng lượng đầu vào của hệ sinh thái, chăn nuôi các loài động vật ăn cỏ thu được sản lượng cao hơn so với chăn nuôi các loài động vật ăn thịt.

* Phân biệt các dạng tháp sinh thái:

Tiêu chí	Tháp số lượng	Tháp sinh khối	Tháp năng lượng
Đơn vị xây dựng tháp	Dựa trên số lượng cá thể sinh vật trên một đơn vị diện tích hay thể tích ở mỗi bậc dinh dưỡng.	Dựa trên khối lượng tổng số của tất cả các sinh vật trên một đơn vị diện tích hay thể tích ở mỗi bậc dinh dưỡng.	Dựa trên số năng lượng được tích luỹ trên một đơn vị diện tích hay thể tích, trong một đơn vị thời gian ở mỗi bậc dinh dưỡng.
Dạng tháp	Có dạng điển hình hoặc dạng tháp ngược.	Có dạng điển hình hoặc dạng tháp ngược.	Luôn có dạng điển hình.
Ưu điểm	Dễ xây dựng.	Giá trị cao hơn tháp số lượng do mỗi bậc dinh dưỡng đều được biểu thị bằng số lượng chất sống.	Là dạng tháp có độ chính xác cao nhất.
Nhược điểm	Ít có giá trị vì kích thước cơ thể các loài sinh vật ở các bậc dinh dưỡng khác nhau.	Độ chính xác chưa cao do chưa chú ý đến thời gian tích lũy sinh khối.	Phức tạp, đòi hỏi nhiều công sức, thời gian xây dựng.

TRẮC NGHIỆM ONLINE

Xem thêm tóm tắt lý thuyết Sinh học lớp 12 Kết nối tri thức hay khác:

• Lý thuyết Sinh 12 Bài 28: Hệ sinh thái

• Lý thuyết Sinh 12 Bài 30: Diễn thế sinh thái

• Lý thuyết Sinh 12 Bài 31: Sinh quyển, khu sinh học và chu trình sinh - địa - hóa

• Lý thuyết Sinh 12 Bài 32: Thực hành: Thiết kế một hệ sinh thái nhân tạo

• Lý thuyết Sinh 12 Bài 33: Sinh thái học phục hồi và bảo tồn đa dạng sinh vật

• Lý thuyết Sinh 12 Bài 34: Phát triển bền vững

Xem thêm các tài liệu học tốt lớp 12 hay khác:

• Giải sgk Sinh học 12 Kết nối tri thức
• Giải Chuyên đề Sinh 12 Kết nối tri thức
• Giải SBT Sinh học 12 Kết nối tri thức
• Giải lớp 12 Kết nối tri thức (các môn học)
• Giải lớp 12 Chân trời sáng tạo (các môn học)
• Giải lớp 12 Cánh diều (các môn học)

---