Tháp sinh thái và quy tắc 10%: năng lượng hao hụt qua từng bậc

Tháp sinh thái là cách vẽ các bậc dinh dưỡng chồng lên nhau, mỗi tầng rộng bằng số lượng, sinh khối hoặc năng lượng của bậc đó. Quy tắc 10% nói rằng trung bình chỉ khoảng một phần mười năng lượng ở một bậc được chuyển sang bậc kế tiếp; phần còn lại mất đi dưới dạng nhiệt, chất thải và phần không ăn được. Đây là con số xấp xỉ trung bình, thực tế dao động khoảng 5–20% tuỳ hệ và tuỳ loài, chứ không phải một định luật chính xác.

Ai nghĩ ra tháp sinh thái và quy tắc 10%

Nhà động vật học người Anh Charles Elton là người đầu tiên vẽ "tháp số lượng" trong cuốn Animal Ecology năm 1927. Ông nhận ra ở nhiều nơi, con mồi nhỏ thì đông, con săn mồi lớn thì ít, xếp lên nhau thành hình kim tự tháp. Vì vậy tháp số lượng còn gọi là tháp Elton.

Bước nhảy lớn đến từ Raymond Lindeman, một nhà sinh thái trẻ nghiên cứu hồ Cedar Bog ở bang Minnesota (Mỹ). Bài báo "The Trophic-Dynamic Aspect of Ecology" của ông in năm 1942 trên tạp chí Ecology — vài tháng sau khi ông qua đời ở tuổi 27. Lindeman đo năng lượng chảy qua từng bậc trong hồ và chỉ ra rằng hiệu suất chuyển giữa các bậc khá thấp. Con số 10% được những người đi sau, đặc biệt qua sách giáo khoa của Eugene Odum, phổ biến thành một "quy tắc ngón tay cái" cho dễ nhớ.

Năm 1957, Howard T. Odum công bố nghiên cứu dòng năng lượng ở suối Silver Springs (Florida), một trong những bảng cân đối năng lượng đầy đủ đầu tiên cho cả một hệ sinh thái thật. Kết quả cũng cho thấy phần năng lượng đi tới các bậc trên cùng là rất nhỏ.

Ba kiểu tháp sinh thái

Vì sao tháp sinh khối dưới biển có lúc lộn ngược

Ở một số vùng biển, nếu cân tại một thời điểm, tổng khối lượng động vật phù du có thể lớn hơn tổng khối lượng tảo phù du mà chúng ăn. Nghe vô lý, nhưng tảo phù du sinh sôi cực nhanh — có loài phân chia mỗi ngày — và bị ăn gần như ngay khi vừa mọc. Giống như một tiệm bánh nhỏ nướng liên tục trong ngày, trên kệ lúc nào cũng ít bánh, nhưng tổng số bánh bán ra trong ngày vẫn nuôi được đông khách. Ví dụ kinh điển được trích từ khảo sát ở eo biển Manche thế kỷ 20.

Tháp năng lượng thì không thể lộn ngược, vì nó đo dòng chảy theo thời gian chứ không đo lượng tồn kho. Bậc sau không bao giờ nhận được nhiều năng lượng hơn bậc trước đã có.

Năng lượng đi đâu mất 90%

Hình dung một con châu chấu ăn 100 phần năng lượng lá cỏ:

• Một phần lá không tiêu hoá được, bị thải ra thành phân — năng lượng đó đi sang sinh vật phân giải.
• Một phần lớn được "đốt" trong hô hấp tế bào để sống: cơ bắp co, tim đập, giữ cơ thể vận hành. Năng lượng này toả thành nhiệt.
• Chỉ phần còn lại được dùng để lớn lên và sinh sản — thành thịt, trứng, con non. Đây mới là phần bậc sau có thể ăn.

Thêm nữa, không phải mọi con châu chấu đều bị ếch ăn. Nhiều con chết già, chết bệnh, rơi vào chuỗi mùn bã. Gộp tất cả lại, phần năng lượng thật sự tới được bậc trên chỉ còn khoảng một phần mười.

Động vật máu nóng hao hơn máu lạnh

Chim và thú phải đốt thức ăn liên tục để giữ thân nhiệt, nên phần dành cho lớn lên rất nhỏ — thường chỉ vài phần trăm năng lượng đồng hoá. Côn trùng, cá, bò sát không phải giữ nhiệt nên chuyển được tỉ lệ lớn hơn thành thịt. Đó là một lý do một con rắn có thể sống nhiều tuần sau một bữa ăn, còn một con chuột chù bỏ đói một ngày đã nguy.

Làm phép tính với một tháp năng lượng

Sách Sinh học 12 dùng khái niệm hiệu suất sinh thái: tỉ lệ phần trăm năng lượng của bậc sau so với bậc trước. Thử một ví dụ tròn số với quy tắc 10%:

Từ 10.000 phần ở đáy, đỉnh tháp còn 1 phần. Muốn nuôi một con diều hâu, cần một vùng cỏ rộng hơn rất nhiều so với vùng cỏ đủ nuôi một bầy châu chấu. Đó là lý do loài săn mồi lớn luôn hiếm, cần lãnh thổ rộng, và là nhóm biến mất đầu tiên khi môi trường sống bị chia cắt.

Trong đề bài thực tế, hiệu suất giữa các bậc không bằng nhau. Cách làm là lấy năng lượng bậc sau chia bậc trước rồi nhân 100%. Ví dụ bậc 2 có 1.200 kcal, bậc 3 có 96 kcal thì hiệu suất là 96 : 1.200 × 100% = 8%.

Đã gọi là quy tắc, sao vẫn "xấp xỉ"

Con số 10% hữu ích để ước lượng, nhưng nếu đo thật thì ra nhiều con số khác nhau:

• Hệ dưới nước, nhất là biển, thường có hiệu suất cao hơn hệ trên cạn, vì tảo không có thân gỗ cứng khó tiêu như cây.
• Con ăn cỏ trên cạn chỉ ăn được một phần nhỏ thực vật (gỗ, rễ, thân già phần lớn bị bỏ lại cho sinh vật phân giải).
• Bậc có nhiều động vật máu nóng thì hiệu suất tụt mạnh.

Các bài tổng hợp số liệu cho thấy hiệu suất giữa các bậc thường rơi vào khoảng 5–20%, trung bình quanh 10%. Vì vậy cách nói chuẩn là "khoảng 10%", không nên dạy như một hằng số vật lý.

Và ở chính gốc tháp, hiệu suất còn thấp hơn nhiều: cây xanh chỉ giữ lại được khoảng một phần trăm năng lượng mặt trời chiếu tới, phần lớn ánh nắng bị phản xạ, đi xuyên qua hoặc làm nóng lá.

Tháp sinh thái và bữa ăn của con người

Quy tắc 10% có một hệ quả đơn giản: ăn ở bậc dinh dưỡng càng thấp, cùng một diện tích đất nuôi được càng nhiều người. Một hecta lúa cho người ăn trực tiếp nuôi được nhiều người hơn nếu lấy lúa đó nuôi lợn rồi ăn thịt lợn. Đây là phép tính năng lượng thuần tuý; còn chuyện mỗi người ăn gì là lựa chọn dinh dưỡng, văn hoá, sức khoẻ riêng — sinh thái học chỉ đưa con số để tham khảo.

Tháp sinh thái cũng giải thích vì sao đánh bắt cá dữ lớn (cá ngừ, cá mập) dễ làm cạn kiệt quần thể: chúng đứng ở đỉnh tháp, vốn đã ít, lại sinh sản chậm. Và nó là gốc của hiện tượng khuếch đại sinh học — chất độc dồn lên đỉnh tháp — được nói ở một bài riêng.

Góc nhìn hôm nay: học tháp sinh thái sao cho nhớ lâu

Một cách dạy trực quan dùng được ở lớp: phát cho bậc 1 một trăm hạt đậu, mỗi lần "ăn" chỉ chuyển được mười hạt lên bậc trên, phần còn lại bỏ vào hộp "nhiệt". Tới bậc 4, cả lớp chỉ còn một hạt. Người học sẽ nhớ mãi vì sao hổ, đại bàng ít hơn châu chấu.

Để đọc tiếp: chương Dòng năng lượng trong hệ sinh thái của Sinh học 12; bài báo gốc của Lindeman (1942), ngắn và đọc được với người biết tiếng Anh; chương về sản lượng sinh học trong Ecology của Begon, Townsend và Harper.