Hệ sinh thái là một vùng sống gồm toàn bộ sinh vật ở đó (quần xã) cùng môi trường vô sinh quanh chúng (sinh cảnh), gắn với nhau bằng dòng năng lượng và vòng tuần hoàn vật chất. Một cái ao, một rạn san hô, một cánh đồng lúa hay cả một đồng cỏ đều là hệ sinh thái. Để hiểu nó, cần phân biệt ba bậc: cá thể gộp thành quần thể, các quần thể gộp thành quần xã, quần xã cộng với sinh cảnh thành hệ sinh thái.
Chữ "hệ sinh thái" ra đời từ đâu
Thuật ngữ ecosystem được nhà thực vật học người Anh Arthur Tansley đưa ra năm 1935, trong một bài báo trên tạp chí Ecology. Lúc đó giới sinh thái đang tranh cãi xem quần xã thực vật có phải một "siêu sinh vật" tự lớn lên, già đi như một con vật hay không. Tansley không đồng ý với hình ảnh đó. Ông đề nghị nhìn sinh vật và môi trường vật lý như một hệ thống duy nhất, giống cách nhà vật lý nhìn một hệ gồm nhiều bộ phận trao đổi với nhau.
Ý tưởng này về sau được Raymond Lindeman (1942) và anh em Eugene và Howard Odum phát triển thành sinh thái học hệ thống: đo năng lượng đi vào, đi ra, đo lượng cacbon, nitơ, photpho chảy qua từng mắt xích. Cuốn Fundamentals of Ecology của Eugene Odum (in lần đầu 1953) là sách gối đầu giường của nhiều thế hệ sinh viên sinh học, và cách trình bày trong sách giáo khoa Sinh học 12 ở Việt Nam cũng đi theo khung này.
Bốn bậc tổ chức: từ một con cá tới cả cái ao
Lấy một cái ao làng làm ví dụ, đi từ nhỏ tới lớn:
| Bậc | Định nghĩa ngắn | Ví dụ trong cái ao |
|---|---|---|
| Cá thể | Một sinh vật riêng lẻ | Một con cá rô |
| Quần thể | Các cá thể cùng loài, cùng sống một nơi, cùng thời điểm, có thể giao phối sinh con | Toàn bộ cá rô trong ao |
| Quần xã | Tập hợp các quần thể khác loài cùng sống một nơi, có quan hệ với nhau | Cá rô, cá mè, ốc, tôm, bèo, tảo, ấu trùng chuồn chuồn, vi khuẩn… |
| Hệ sinh thái | Quần xã + sinh cảnh (nước, bùn, ánh sáng, nhiệt độ, khí hoà tan…) | Cả cái ao, tính luôn bùn đáy và lớp nước |
Trên nữa là sinh quyển: toàn bộ lớp vỏ Trái Đất có sự sống, từ đáy biển sâu tới vài kilômét trong khí quyển. Sách Địa lý 10 dùng khái niệm này khi giảng về các đới tự nhiên.
Quần thể có những đặc trưng gì
Quần thể không chỉ là "một đống cá thể". Nó có những con số riêng mà một con vật đơn lẻ không có: mật độ (bao nhiêu cá thể trên một mét vuông hay một lít nước), tỉ lệ đực cái, cấu trúc tuổi (bao nhiêu con non, con trưởng thành, con già), kiểu phân bố (đều, ngẫu nhiên hay theo nhóm), tỉ lệ sinh, tỉ lệ tử, xuất cư và nhập cư. Các nhà sinh thái theo dõi những con số đó để biết quần thể đang tăng, ổn định hay suy giảm.
Quần xã có những đặc trưng gì
Quần xã được mô tả bằng số loài, loài nào chiếm ưu thế (nhiều nhất hoặc tác động mạnh nhất), loài nào chỉ có ở đó (loài đặc trưng), và cách các loài xếp tầng trong không gian. Rừng nhiệt đới có nhiều tầng cây; một cái ao có tầng mặt nước nhiều ánh sáng, tầng giữa và tầng đáy thiếu oxy. Quan hệ giữa các loài trong quần xã gồm ăn – bị ăn, cạnh tranh, ký sinh, hội sinh, cộng sinh.
Sinh cảnh: phần "không sống" mà thiếu không được
Sinh cảnh là nền vật lý và hoá học: ánh sáng, nhiệt độ, nước, đất, đá, độ mặn, độ pH, khí oxy và cacbonic. Người ta hay coi phần này là cái sân khấu tĩnh, nhưng thật ra sinh vật cũng nặn lại sân khấu. Rễ cây giữ đất, lá rụng tạo mùn, tảo làm thay đổi lượng oxy trong nước theo giờ, rêu và địa y bào mòn đá thành đất. Ngược lại, đất và nước quyết định loài nào sống nổi. Cũng vì hai chiều đó mà Tansley gói cả hai vào một chữ.
Một hệ sinh thái đầy đủ thường có bốn thành phần:
- Chất vô sinh: nước, khoáng, khí, ánh sáng, nhiệt.
- Sinh vật sản xuất: cây xanh, tảo, vi khuẩn lam — tự làm ra chất hữu cơ từ ánh sáng.
- Sinh vật tiêu thụ: động vật ăn cây, ăn thịt, ăn tạp.
- Sinh vật phân giải: vi khuẩn, nấm và các con vật ăn mùn trả chất khoáng về cho đất.
Năng lượng đi một chiều, vật chất quay vòng
Đây là câu quan trọng nhất của cả môn sinh thái học, và học sinh hay nhớ lẫn. Năng lượng mặt trời được cây giữ lại qua quang hợp, chuyển qua con ăn cây, con ăn thịt, và ở mỗi bước phần lớn biến thành nhiệt rồi toả đi mất. Không có cách nào "tái chế" lượng nhiệt đó. Vì vậy hệ sinh thái nào cũng cần một nguồn năng lượng đổ vào liên tục, thường là ánh nắng.
Vật chất thì khác. Nguyên tử cacbon trong lá lúa có thể vào bụng con chuột, rồi con rắn, rồi bị vi khuẩn phân giải thành khí cacbonic, rồi lại vào một lá lúa khác. Nitơ, photpho, nước cũng đi vòng như thế. Trái Đất gần như là một hệ kín về vật chất nhưng mở về năng lượng — nhận nắng, toả nhiệt ra không gian.
Có một ngoại lệ đáng nhớ: ở những nơi không có ánh sáng, một số hệ sinh thái lấy năng lượng từ phản ứng hoá học, do vi khuẩn hoá tổng hợp đảm nhiệm. Nhưng với gần như mọi hệ quanh ta, gốc vẫn là mặt trời.
Hệ sinh thái to nhỏ thế nào, ranh giới ở đâu
Không có kích thước chuẩn. Một khúc gỗ mục trong vườn với nấm, mối, bọ cánh cứng và vi khuẩn đã là một hệ sinh thái. Một vùng biển rộng hàng trăm nghìn kilômét vuông cũng là một hệ. Nhà nghiên cứu tự vẽ ranh giới tuỳ câu hỏi mình đặt ra.
Ranh giới tự nhiên hiếm khi là một đường kẻ. Giữa rừng và đồng cỏ, giữa sông và biển thường có một dải chuyển tiếp gọi là vùng đệm (hay vùng chuyển tiếp, ecotone), nơi sinh vật của cả hai bên trộn lẫn và đôi khi có số loài cao hơn cả hai bên. Cửa sông nước lợ, bìa rừng, bờ ao là những vùng như thế.
Phân loại thường gặp
| Nhóm | Ví dụ |
|---|---|
| Hệ sinh thái trên cạn | Rừng mưa nhiệt đới, đồng cỏ xavan, sa mạc, đồng rêu đài nguyên |
| Hệ sinh thái nước ngọt | Ao, hồ, sông, suối, đầm lầy |
| Hệ sinh thái biển | Rạn san hô, thảm cỏ biển, vùng khơi, đáy biển sâu |
| Hệ sinh thái nhân tạo | Ruộng lúa, vườn cây, ao nuôi cá, thành phố |
Hệ nhân tạo khác hệ tự nhiên ở chỗ con người liên tục bơm thêm năng lượng và vật chất vào (phân bón, nước tưới, công làm cỏ) và lấy ra (thu hoạch). Bỏ hoang một thửa ruộng vài năm, cỏ dại, cây bụi rồi cây gỗ sẽ kéo tới, hệ dần quay về kiểu tự nhiên của vùng đó.
Những hiểu lầm hay gặp
- "Hệ sinh thái cân bằng là đứng yên." Không. Số chuột, số rắn, lượng tảo luôn dao động theo mùa và theo năm. "Cân bằng" ở đây nghĩa là dao động quanh một mức, có cơ chế kéo về, chứ không phải bất động.
- "Quần thể và quần xã là một." Quần thể là một loài; quần xã là nhiều loài. Đề kiểm tra hay bẫy đúng chỗ này.
- "Môi trường chỉ là nơi ở." Sinh cảnh vừa là nơi ở vừa bị sinh vật biến đổi. Bờ biển có rừng ngập mặn được đất bồi nhanh hơn chính vì rễ cây giữ phù sa.
- "Càng nhiều loài càng ổn định, luôn luôn." Nhiều nghiên cứu cho thấy đa dạng thường giúp hệ chịu đựng tốt hơn, nhưng mối liên hệ này phức tạp và vẫn là đề tài tranh luận trong giới sinh thái từ thập niên 1970 tới nay.
Góc nhìn hôm nay: tập nhìn mọi thứ như một hệ
Cách hay nhất để hiểu khái niệm này là chọn một mảnh nhỏ gần nhà rồi quan sát nhiều lần: một góc vườn, một cái ao, một gốc cây cổ thụ trong sân trường. Ghi lại sinh vật sản xuất là gì, ai ăn nó, ai dọn xác, nắng chiếu mấy giờ, nước lên xuống thế nào. Chỉ nhìn, chụp ảnh, không bắt mang về. Sau vài tuần, bạn sẽ thấy các mối nối mà sách vẽ bằng mũi tên.
Muốn đọc sâu hơn, sách giáo khoa Sinh học 12 (phần Sinh thái học) là điểm khởi đầu gọn. Bản dịch tiếng Việt của Cơ sở sinh thái học (Odum) có trong nhiều thư viện đại học. Giáo trình Ecology của Begon, Townsend và Harper, và The Economy of Nature của Ricklefs dành cho ai đọc được tiếng Anh. Các khu Ramsar như Xuân Thuỷ (Nam Định cũ, nay thuộc Ninh Bình) hay Tràm Chim (Đồng Tháp) có trung tâm du khách giới thiệu hệ sinh thái đất ngập nước rất trực quan.
Câu hỏi thường gặp
Hệ sinh thái là gì?
Hệ sinh thái gồm quần xã sinh vật và sinh cảnh nơi chúng sống, gắn với nhau bằng dòng năng lượng và chu trình vật chất. Ví dụ: một cái ao, một rạn san hô, một cánh đồng lúa. Khái niệm do Arthur Tansley đưa ra năm 1935.
Quần thể và quần xã khác nhau thế nào?
Quần thể là tập hợp cá thể của cùng một loài sống chung một nơi, ví dụ tất cả cá rô trong ao. Quần xã là tập hợp nhiều quần thể khác loài cùng sống ở đó, như cá rô, ốc, tảo, bèo trong cùng cái ao.
Sinh cảnh là gì?
Sinh cảnh là phần môi trường vô sinh của hệ sinh thái: ánh sáng, nhiệt độ, nước, đất, khí, độ mặn. Sinh cảnh quyết định loài nào sống được, và cũng bị chính sinh vật làm thay đổi theo thời gian.
Hệ sinh thái gồm những thành phần nào?
Thường có bốn thành phần: chất vô sinh, sinh vật sản xuất (cây, tảo), sinh vật tiêu thụ (động vật) và sinh vật phân giải (vi khuẩn, nấm). Thiếu sinh vật phân giải thì chất khoáng không quay về đất và hệ sẽ cạn dần.
Vì sao nói năng lượng đi một chiều còn vật chất tuần hoàn?
Ở mỗi bậc ăn, phần lớn năng lượng biến thành nhiệt và toả mất, không quay lại được, nên hệ luôn cần nắng chiếu vào. Còn cacbon, nitơ, photpho thì được sinh vật phân giải trả về môi trường để cây dùng lại.
