Bài học

Dòng năng lượng trong hệ sinh thái

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được vì sao năng lượng giảm dần qua mỗi bậc dinh dưỡng, phân biệt được dòng năng lượng với chu trình vật chất, và suy ra được vì sao một chuỗi thức ăn hiếm khi vượt quá năm mắt xích.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã dựng được chuỗi thức ăn và đọc được lưới thức ăn (same-grade bridge). Bài này hỏi một câu mà bảng lưới thức ăn chưa trả lời: năng lượng mà sinh vật sản xuất thu được từ ánh sáng đi về đâu khi truyền qua từng mắt xích của chuỗi?

Khởi động

Một con diều hâu cần một vùng săn rộng lớn mới kiếm đủ chuột để sống, trong khi một con chuột chỉ cần một góc ruộng nhỏ để no bụng. Vì sao càng lên bậc dinh dưỡng cao, số lượng cá thể của một loài càng ít và vùng sống cần thiết càng rộng?

Kiến thức trọng tâm

Khác với vật chất — được sinh vật phân giải trả lại môi trường và quay vòng liên tục qua chu trình vật chất — năng lượng trong hệ sinh thái chỉ đi theo MỘT CHIỀU: từ ánh sáng mặt trời, vào sinh vật sản xuất, qua lần lượt các bậc tiêu thụ, rồi cuối cùng mất đi dưới dạng nhiệt qua hô hấp tế bào, không quay trở lại dạng ban đầu để dùng lại được nữa. Chuyển động một chiều này gọi là dòng năng lượng, để phân biệt với chu trình vật chất — nơi các nguyên tố như carbon, nitrogen được tái sử dụng không ngừng.

Ở mỗi bậc dinh dưỡng, phần lớn năng lượng nhận được KHÔNG được truyền tiếp lên bậc sau. Phần lớn năng lượng mất đi dưới dạng nhiệt qua hô hấp tế bào (kèm theo khí carbon dioxide thải ra); một phần dùng cho vận động, sinh trưởng, và duy trì sự sống nhưng không nằm trong phần cơ thể bị bậc sau ăn; một phần khác nằm trong chất thải hoặc bộ phận cơ thể mà sinh vật ở bậc sau không ăn hết. Trong giảng dạy, người ta thường dùng một con số ước lượng: khoảng 10% năng lượng của một bậc dinh dưỡng được truyền lên bậc kế tiếp. Đây là số liệu trung bình mang tính minh hoạ, không phải một quy luật chính xác áp dụng cho mọi hệ sinh thái hay mọi loài — tỉ lệ thực tế dao động khá nhiều tuỳ loài và tuỳ điều kiện môi trường, nhưng luôn theo cùng một xu hướng: giảm mạnh qua mỗi bậc.

Hệ quả trực tiếp của việc năng lượng giảm mạnh qua từng bậc là sinh khối và số lượng cá thể ở bậc dinh dưỡng cao thường nhỏ hơn nhiều so với bậc thấp — nếu vẽ thành hình, các bậc xếp chồng lên nhau tạo ra một hình tháp thu hẹp dần lên đỉnh. Đây cũng là lý do vì sao chuỗi thức ăn trong tự nhiên hiếm khi vượt quá 4 đến 5 mắt xích: tới mắt xích thứ 5 hoặc 6, năng lượng còn lại quá ít, không đủ nuôi sống thêm một bậc tiêu thụ mới — và vì sao những loài đứng ở đỉnh chuỗi thức ăn, như diều hâu, luôn cần một vùng săn rất rộng để bù lại lượng năng lượng ít ỏi còn sót lại tới bậc của chúng.

Đây là số liệu ước lượng dùng để minh hoạ xu hướng giảm mạnh của năng lượng qua từng bậc, không phải số đo thực tế của một hệ sinh thái cụ thể nào — tỉ lệ thật dao động tuỳ loài và tuỳ điều kiện môi trường.

Ví dụ

Tính năng lượng còn lại qua các bậc dinh dưỡng

1
Sinh vật sản xuất trong một hệ sinh thái tích luỹ được 10000 đơn vị năng lượng. Áp dụng quy tắc ước lượng khoảng 10% được truyền lên mỗi bậc kế tiếp, tính năng lượng còn lại ở tiêu thụ bậc 1, bậc 2 và bậc 3.
2
Theo quy tắc, tiêu thụ bậc 1 nhận khoảng 10% năng lượng của sinh vật sản xuất: $10000 \times 0{,}1 = 1000$ đơn vị.
Theo quy tắc, tiêu thụ bậc 1 nhận khoảng 10% năng lượng của sinh vật sản xuất: $10000 \times 0{,}1 = 1000$ đơn vị.
3
Tương tự, tiêu thụ bậc 2 nhận khoảng 10% năng lượng của tiêu thụ bậc 1: $1000 \times 0{,}1 = 100$ đơn vị.
Tương tự, tiêu thụ bậc 2 nhận khoảng 10% năng lượng của tiêu thụ bậc 1: $1000 \times 0{,}1 = 100$ đơn vị.
4
Tiêu thụ bậc 3 nhận khoảng 10% năng lượng của tiêu thụ bậc 2: $100 \times 0{,}1 = 10$ đơn vị.
Tiêu thụ bậc 3 nhận khoảng 10% năng lượng của tiêu thụ bậc 2: $100 \times 0{,}1 = 10$ đơn vị.
5
Vậy năng lượng còn lại lần lượt là 1000, 100 và 10 đơn vị ở tiêu thụ bậc 1, bậc 2, bậc 3 — giảm 10 lần sau mỗi bậc, đúng quy tắc ước lượng 10% đã nêu; chỉ còn 0,1% năng lượng ban đầu tới được tiêu thụ bậc 3.

Ví dụ

Giải thích vì sao chuỗi thức ăn hiếm khi có quá 5 mắt xích (dạng đề kiểm tra)

1
Một chuỗi thức ăn bắt đầu từ sinh vật sản xuất với 100000 đơn vị năng lượng. Áp dụng quy tắc ước lượng 10% mỗi bậc, hãy tính năng lượng còn lại tới bậc tiêu thụ thứ 5, và giải thích vì sao trong thực tế hiếm khi có bậc tiêu thụ thứ 6.
2
Lần lượt nhân với 0,1 qua năm bậc: $100000 \times 0{,}1^{5} = 100000 \times 0{,}00001 = 1$ đơn vị năng lượng còn lại ở bậc tiêu thụ thứ 5.
Lần lượt nhân với 0,1 qua năm bậc: $100000 \times 0{,}1^{5} = 100000 \times 0{,}00001 = 1$ đơn vị năng lượng còn lại ở bậc tiêu thụ thứ 5.
3
Một đơn vị năng lượng, so với 100000 đơn vị ban đầu, chỉ còn 0,001% — một lượng cực nhỏ so với nhu cầu sống, vận động và sinh sản của một sinh vật ở bậc dinh dưỡng cao.
4
Nếu tiếp tục nhân với 0,1 một lần nữa, năng lượng còn lại chỉ còn khoảng 0,1 đơn vị — quá nhỏ để nuôi sống dù chỉ một cá thể ở bậc mới, đó là lý do gần như không có bậc tiêu thụ thứ 6 tồn tại được trong thực tế.
5
Vậy năng lượng còn lại tới bậc tiêu thụ thứ 5 chỉ khoảng 1 đơn vị trên 100000 đơn vị ban đầu; vì mỗi bậc lại mất đi khoảng 90% năng lượng, một chuỗi thức ăn quá dài sẽ cạn năng lượng rất nhanh — đây chính là lý do sinh học khiến chuỗi thức ăn trong tự nhiên hiếm khi vượt quá 4 đến 5 mắt xích.

Sai lầm thường gặp

Nhầm lẫn nghiêm trọng nhất ở bài này là nghĩ năng lượng cũng tuần hoàn được như vật chất. Vật chất (các nguyên tố như carbon, nitrogen) được sinh vật phân giải trả lại môi trường và sinh vật sản xuất dùng lại được, nên tạo thành một chu trình khép kín. Năng lượng thì KHÔNG — một khi đã mất dưới dạng nhiệt qua hô hấp tế bào, năng lượng đó không thể quay lại hệ sinh thái để dùng tiếp; hệ sinh thái phải liên tục nhận năng lượng mới từ ánh sáng mặt trời để duy trì hoạt động, chứ không thể tái chế năng lượng cũ.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Năng lượng đi MỘT CHIỀU qua hệ sinh thái rồi mất dưới dạng nhiệt, khác vật chất vốn tuần hoàn được. Ước lượng khoảng 10% năng lượng truyền lên mỗi bậc dinh dưỡng kế tiếp (con số minh hoạ, không phải quy luật tuyệt đối) — đây là lý do chuỗi thức ăn ngắn, và loài ở bậc cao luôn ít cá thể, cần vùng sống rộng.

Bài ôn tập tiếp theo tổng hợp lại toàn bộ khoá học — từ nhân tố sinh thái tới dòng năng lượng — qua một hệ sinh thái thực tế của Việt Nam, trước khi khoá học sau đi sâu vào cân bằng tự nhiên và cách bảo vệ nó.