Các yếu tố sinh thái và sự thích nghi của sinh vật
Trong môi trường, sự sinh trưởng và phát triển của sinh vật luôn chịu tác động của rất nhiều yếu tố sinh thái (gồm các yếu tố trực tiếp cũng như gián tiếp). Các yếu tố này rất đa dạng, chúng có thể là tác nhân có lợi cũng như có hại đối với ...
Trong môi trường, sự sinh trưởng và phát triển của sinh vật luôn chịu tác động của rất nhiều yếu tố sinh thái (gồm các yếu tố trực tiếp cũng như gián tiếp). Các yếu tố này rất đa dạng, chúng có thể là tác nhân có lợi cũng như có hại đối với các sinh vật.
Các yếu tố sinh thái
Trong các yếu tố sinh thái có những yếu tố cần thiết cho đời sống của sinh vật, cũng có những yếu tố tác động có hại. Tập hợp các yếu tố tác động cần thiết cho sinh vật mà thiếu nó sinh vật không thể tồn tại được, gọi là các điều kiện sinh tồn của sinh vật. Sinh vật tồn tại trên bề mặt trái đất bị chi phối bởi bốn kiểu môi trường là môi trường đất, môi trường nước, môi trường không khí và môi trường các sinh vật khác (sinh vật kị khí).
Dựa vào nguồn gốc và đặc trưng tác động của các yếu tố sinh thái, người ta chia ra nhóm các yếu tố vô sinh và nhóm các yếu tố hữu sinh.
Sơ đồ về các yếu tố sinh thái trong môi trường sống thường xuyên tác động lên đời sống của thỏ
Yếu tố vô sinh
Là thành phần không sống của tự nhiên, gồm các chất vô cơ tham gia vào chu trình tuần hoàn vật chất như CO2, N2, O2, C, H2O, các chất hữu cơ riêng biệt (như protein, lipid, glucid, mùn) và các yếu tố vật lý như các yếu tố khí hậu (ánh sáng, nhiệt độ, nước, không khí-gió-áp suất), đất (thành phần khoáng vật, thành phần cơ giới đất, các tính chất lý hóa học của đất), địa hình (độ cao, trũng, dốc, hướng phơi của địa hình).
Sự phân loại các nhóm sinh thái như trên, chủ yếu cho các sinh vật trên cạn. Đối với các sinh vật dưới nước cũng chịu tác động tổng hợp của nhiều yếu tố do tính chất của môi trường nước quyết định.
Yếu tố hữu sinh
Gồm các cá thể sống như: thực vật, động vật, nấm, vi sinh vật… Mỗi sinh vật thường chịu ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp của các cơ chế khác nhau trong mối liên hệ cùng loài hay khác loài ở môi trường xung quanh. Các yếu tố này là thế giới hữu cơ, một thành phần rất quan trọng của môi trường.
- Thực vật: ảnh hưởng trực tiếp và tương hỗ của các thực vật sống cùng (cơ học, cộng sinh, kỵ khí), ảnh hưởng gián tiếp làm thay đổi môi trường sống qua các sinh vật khác (qua động vật và vi sinh vật), qua môi trường vô sinh (cạnh tranh, cảm nhiễm qua lại).
- Động vật: Tác động trực tiếp (ăn, dẫm, đạp, làm tổ, truyền phấn, phát tán hạt) và gián tiếp qua môi trường sống.
Yếu tố sinh thái giới hạn là yếu tố mà khi tác động đến sinh vật được giới hạn từ điểm cực hại thấp đến điểm cực hại cao qua điểm cực thuận. Dưới điểm cực hại thấp và trên điểm cực hại cao, sinh vật không tồn tại được. Nhiệt độ, nồng độ muối, pH, chất độc … được coi là những yếu tố giới hạn đối với sinh vật. Nếu các sinh vật có phạm vi chống chịu rộng đối với yếu tố sinh thái nào đó mà nó có hàm lượng vừa phải và ổn định trong môi trường, thì yếu tố này không phải là yếu tố giới hạn sinh thái. Ngược lại, nếu các sinh vật có phạm vi chống chịu hẹp đối với một yếu tố thay đổi nào đó, thì chính yếu tố đó là yếu tố sinh thái giới hạn.
Ví dụ, oxi trong khí quyển không phải là yếu tố sinh thái giới hạn đối với sinh vật ở cạn, mặc dù nó tối cần thiết cho sự sống, vì oxi có nhiều trong khí quyển. Còn trong các thủy vực, oxi tương đối ít và hàm lượng của nó dao động nên nó là yếu tố giới hạn sinh thái đối với các sinh vật thủy vực.
Yếu tố con người
Con người được tách ra làm yếu tố độc lập vì con người có thể tác động vào môi trường tự nhiên một cách có ý thức và quy mô đặc trưng.
Tất cả các dạng hoạt động của xã hội loài người đều làm biến đổi môi trường sống tự nhiên của các sinh vật. Ở một góc độ nhất định, con người và động vật đều có những tác động tương tự đến môi trường (lấy thức ăn, thải chất thải vào môi trường …). Tuy nhiên, do con người có sự phát triển trí tuệ cao hơn, hoạt động của con người cũng đa dạng nên đã tác động mạnh đến môi trường, thậm chí có thể làm thay đổi hẳn môi trường và sinh giới ở nơi này hoặc nơi khác.
Đặc trưng tác động của các yếu tố sinh thái lên sinh vật
Tác động của các yếu tố sinh thái lên sinh vật rất đa dạng. Một số yếu tố chủ đạo ảnh hưởng mạnh mẽ và quyết định lên hoạt động sống của sinh vật, số khác ảnh hưởng yếu hơn, ít hơn. Một số ảnh hưởng nhiều mặt, số khác chỉ ảnh hưởng một số mặt nào đó của quá trình sống. Về mặt số lượng, người ta chia những tác động của các yếu tố sinh thái thành các bậc:
- Bậc tối thiểu (minimum): nếu yếu tố sinh thái đó thấp hơn nữa thì sẽ gây tử vong cho sinh vật.
- Bậc tối ưu (optimum): tại điều kiện này hoạt động của sinh vật đạt tối ưu.
- Bậc tối cao (maximum): nếu yếu tố sinh thái đó cao hơn nữa thì sẽ gây tử vong cho sinh vật.
Khoảng giới hạn của một yếu tố sinh thái từ bậc tối thiểu đến bậc tối cao được gọi là giới hạn sinh thái hay biên độ sinh thái.
Các yếu tố sinh thái tác động lên sinh vật hoặc loại trừ chúng khỏi vùng đang sống nếu như chúng không còn thích hợp, còn trong trường hợp bình thường ảnh hưởng đến các hoạt động sống của sinh vật như sinh sản, sinh trưởng, di cư… và chính các yếu tố sinh thái đã làm cho các sinh vật xuất hiện các thích nghi về tập tính, về sinh lý, về hình thái.
Giới hạn sinh thái
Nguyên tắc về các giới hạn khả năng chịu đựng: đối với mỗi nhân tố môi trường, mỗi loài sinh vật đều có điểm cao nhất và thấp nhất mà chúng không thể tồn tại. Tại các vùng lân cận của điểm tối ưu, sinh vật hiện diện nhiều nhất, là điểm quan trọng nhất đối với tất cả các loài. Ở gần các giới hạn khả năng chịu đựng, tính phong phú của các loài sinh vật giảm vì rất ít cá thể có thể tồn tại với những nhân tố giới hạn.
Quy luật sinh thái
Quy luật tác động đồng thời
Các yếu tố sinh thái tác động đồng thời lên các sinh vật, sự tác động tổ hợp trong nhiều trường hợp không giống như các tác động riêng lẻ.
Quy luật tác động qua lại
Sự tác động của các yếu tố sinh thái lên sinh vật và sự phản ứng trở lại của sinh vật là một quá trình qua lại;
Cường độ tác động, thời gian tác động, cách tác động khác nhau thì dẫn tới những phản ứng khác nhau của sinh vật.
Sự phát triển của các yếu tố ngoại cảnh (vật chất và năng lượng) quyết định xu thế phát triển chung của sinh vật. Sự tác động trở lại của sinh vật đến môi trường chỉ là phụ.
Quy luật về lượng
Quy luật tối thiểu: để sống và chống chịu trong những điều kiện cụ thể, sinh vật phải có những chất cần thiết để tăng trưởng và sinh sản. Năm 1840, Liebig đưa ra nguyên tắc "chất có hàm lượng tối thiểu điều khiển năng suất, xác định sản lượng và tính ổn định của mùa màng theo thời gian".
Quy luật về sự chống chịu (quy luật giới hạn sinh thái): Shelford (1913) đã phát biểu quy luật về sự chống chịu như sau: "Năng suất của sinh vật không chỉ liên hệ với sức chịu đựng tối thiểu mà còn liên hệ với sức chịu đựng tối đa đối với một liều lượng quá mức của một nhân tố nào đó từ bên ngoài".
Ví dụ, cá rô phi có giới hạn sinh thái về nhiệt độ từ 5,6oC đến 42oC, cá chép có giới hạn sinh thái về nhiệt độ từ 2oC đến 44oC.
Tác động của một số yếu tố sinh thái lên sinh vật
Ánh sáng
Ánh sáng giúp cho cây xanh thực hiện chức năng quang hợp. Mỗi loài thực vật có cường độ quang hợp cực đại ở cường độ ánh sáng khác nhau. Người ta phân ra hai nhóm thực vật: cây ưa sáng (gồm những thực vật có cường độ quang hợp cực đại khi cường độ chiếu sáng lớn, như cây gỗ ở rừng thưa, cây bụi ở savan, bạch đàn, phi lao, lúa, đậu phọng …); cây ưa bóng (gồm những thực vật có cường độ quang hợp cực đại khi cường độ chiếu sáng thấp, như lim, vạn niên thanh, lá dong, ràng ràng …).
Ánh sáng tác động rõ rệt đến sự sinh sản của thực vật. Thời gian chiếu sáng càng dài thì cây ở các vùng ôn đới (cây dài ngày) phát triển nhanh, ra hoa sớm; ngược lại phần lớn các cây nhiệt đới (cây ngắn ngày) ra hoa muộn.
Ánh sáng đã tạo nên các đặc điểm thích nghi về hình thái, giải phẩu và sinh lý ở các sinh vật.
Nhiệt độ
Sự sống có thể tồn tại trong khoảng nhiệt độ từ –200oC +100oC, nhưng đa số loài chỉ tồn tại và phát triển trong khoảng từ 0oC đến 50oC. Mỗi loài sinh vật chỉ có thể sinh sản ở một nhiệt độ tối thiểu gọi là nhiệt độ nền và phát triển trong một biên độ nhiệt nhất định. Vì vậy, có sinh vật rộng nhiệt, sinh vật hẹp nhiệt, có động vật đẳng nhiệt, động vật biến nhiệt.
Nhiệt độ trên trái đất phụ thuộc vào năng lượng mặt trời và thay đổi theo các vùng địa lý, theo những chu kỳ trong năm. Nhiệt độ có thể tác động trực tiếp hoặc gián tiếp đến sự sinh trưởng phát triển và sự phân bố các cá thể, quần thể, quần xã. Nhiệt độ còn ảnh hưởng đến các yếu tố khác của môi trường như độ ẩm, đất …
Sự khác nhau về nhiệt độ trong không gian và thời gian đã tạo ra những nhóm sinh thái có khả năng thích nghi khác nhau.
Nước và độ ẩm
Căn cứ vào nhu cầu thường xuyên về nước, người ta chia thực vật ra thành bốn nhóm là thực vật thủy sinh (sống hoàn toàn trong nước như rong, tảo với thân dài, mảnh, lá mảnh và dài, mô khí phát triển, lỗ khí nhiều); thực vật ưa ẩm (mọc ở các vùng bờ ao, đầm lầy, ruộng lúa …); thực vật cần độ ẩm trung bình (cần nhiệt độ, ánh sáng, dinh dưỡng vừa phải và phổ biến khá rộng); thực vật chịu hạn (những cây vừa chịu nóng, ưa sáng và có khả năng tự tích lũy nước hoặc điều tiết nước, ít thoát hơi nước, như họ xương rồng, họ thầu dầu, họ dầu, họ hòa thảo …).
Nước có vai trò quan trọng trong đời sống của các sinh vật. Trong cơ thể sinh vật thì khoảng 60-90% khối lượng là nước. Nước cần cho các phản ứng sinh hóa diễn ra trong các cơ quan, mô và tế bào của các sinh vật, nước là nguyên liệu cho cây quang hợp, là phương tiện vận chuyển của các chất vô cơ, hữu cơ, vận chuyển máu và chất dinh dưỡng ở động vật. Nước còn tham gia vào quá trình trao đổi năng lượng và điều hòa nhiệt độ cơ thể.
Độ ẩm tương đối là yếu tố quyết định tốc độ mất nước do bay hơi, là một yếu tố sinh thái quan trọng đối với thực vật ở trên cạn. Trên thực tế, ảnh hưởng của độ ẩm tương đối thường khó tách rời ảnh hưởng của nhiệt độ.
Không khí-Gió
Gió có ảnh hưởng rõ rệt đến nhiệt độ, độ ẩm của môi trường dẫn đến sự thay đổi thời tiết, ảnh hưởng đến sự thoát hơi nước của thực vật. Gió có vai trò rất quan trọng trong phát tán vi sinh vật, bào tử, phấn hoa, quả, hạt thực vật … đi xa.
Nhân dân ta có câu ca dao "Gió Đông là chồng lúa chiêm, gió Bắc là duyên lúa mùa" để nói lên mối quan hệ giữa lúa và gió. Gió Đông Nam thổi từ biển Đông vào làm cho thời tiết ấm, nhiều hơi nước, gây mưa. Lúa chiêm theo thời vụ trước đây (ở đồng bằng Bắc bộ) là thứ lúa được cấy từ trước tết âm lịch, gặt vào tháng 6. Khi gió Đông thổi tới (cuối mùa xuân), trời ấm, có mưa làm cho lúa chiêm tươi tốt, đẻ nhánh khỏe và trổ bông. Gió Bắc là gió Đông bắc từ vùng cao áp Xibêri tới mang tính chất lục địa khô và lạnh. Lúa mùa theo thời vụ cũ là thứ lúa được cấy từ cuối tháng 6, gặt vào cuối tháng 10, tháng 11. Khi gió Bắc đến sớm (cuối tháng 10) khí hậu trở nên mát mẻ, có lợi cho sinh trưởng và phát triển của lúa mùa. Ngoài ra, có gió thì lúa mới thụ phấn được.
Loài cỏ lăn sống trên bãi biển có quả xếp tỏa tròn quanh một trục, khi gió thổi mạnh, cụm quả bị gẫy và lăn trên bãi cát, lăn đến đâu rụng quả đến đấy, nhờ đó mà chúng phân bố rất rộng trên các bãi biển nhiệt đới châu Á, châu Phi, châu Đại dương. Gió giúp cho sự vận chuyển của nhiều động vật, như chồn bay, cầy bay có khả năng lượn nhờ gió .v.v…
Tuy nhiên, nếu gió mạnh sẽ gây hại cho động vật, thực vật và phá hủy môi trường (gió mạnh, bão làm hạn chế khả năng bay của động vật. Ong mật chỉ bay khi gió có tốc độ 709 m/giây, muỗi 3,6 m/giây).
Không khí cung cấp khí oxy (O2) cho sinh vật hô hấp sinh ra năng lượng dùng cho cơ thể. Thực vật lấy khí cacbonic (CO2) từ không khí dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời tạo ra chất hữu cơ. Không khí chuyển động (gió) có ảnh hưởng đến nhiệt độ, độ ẩm.
Các chất khí và pH
CO2 và pH: CO2 cùng với nước tham gia tổng hợp chất hữu cơ, là chất đệm giữ pH môi trường nước trung tính. Trong môi trường nước, CO2 tồn tại ở dạng:
Ca(HCO3)2 CaCO3 + CO2 + H2O
O2 cần cho sự hô hấp của các sinh vật (trừ sinh vật kị khí bắt buộc). Nguồn oxy trong thủy vực là do oxy khuếch tán từ không khí (nhờ gió và sự chuyển động của nước).
Nitơ (N2): Là thành phần bắt buộc của protid-chất đặc trưng cho sự sống, cung cấp năng lượng cho cơ thể, tham gia cấu tạo ADP, ATP.
Phospho (P): Thiếu phospho, động vật mềm xương, còi xương, liệt nửa thân sau. Tỉ lệ thích hợp đối với N/P trong nước là 1/23.
Canxi (Ca): Hàm lượng Ca cao ngăn chặn sự rút các nguyên tố khác nhau ra khỏi đất. Ca cần cho sự thâm nhập của NH4+ và NO3- vào rễ. Tôm có thể sống được ở nước lợ hoặc nước ngọt hoàn toàn nhưng phải giàu Ca.
Sự thích nghi của sinh vật với các yếu tố sinh thái
Các loài sinh vật muốn tồn tại và phát triển trong điều kiện môi trường nhất định, đều phải có độ thích nghi nhất định.
- Bộ Nắp ấm - Nepenthales: Gồm những cây bụi hay cây thảo với lá đơn mọc cách, thích ứng để bắt côn trùng.
- Họ Bắt ruồi - Droseraceae: gồm những cây thảo cao khoảng 5-40 cm, mọc ở những nơi đất chua, thiếu nitơ, rất phổ biến ở vùng nhiệt đới. Lá dày xếp hình hoa thị, trên lá có nhiều lông tiết chất nhày dùng để tiêu hủy sâu bọ đậu vào lá. Cây bắt ruồi còn gọi là cây bèo đất (D. burmannii Vahl), cây gọng vó (D. indica L.).
- Họ Nắp ấm - Nepenthaceae: cây mọc bò, đứng hoặc leo. Cây nắp ấm (N. annamensis Macfarl) phân bố chủ yếu ở miền Nam; ở miền Bắc có gặp ở Vĩnh Linh. Cây nắp ấm hoa đôi (N. mirabilis (Lour.) Druce) mọc ở đầm lầy Trung bộ, thường thấy ở chân núi đá vôi.
Các thực vật thuộc Bộ Nắp ấm thường sống ở những nơi nghèo chất dinh dưỡng, dùng thịt sống làm nguồn cung cấp nitơ cho cây. Cây có cấu tạo đặc biệt để thích nghi với môi trường. Lá cây nắp ấm có gân kéo dài ra và chót lại phình to trông như một cái ấm có nắp đậy. Bình thường nắp ấm luôn mở, ấm và nắp đều có màu để thu hút sâu bọ, mép ấm tiết mật thơm để hấp dẫn sâu bọ. Phía trong ấm rất trơn. Sâu bọ mon men đến miệng ấm sẽ bị trượt, ngã lăn vào trong giỏ ấm. Nắp ấm sẽ lập tức đậy chặt lại. Các tế bào ở phần đáy ấm sẽ tiết các men tiêu hóa để phân hủy con mồi, biến nó thành chất dinh dưỡng nuôi cây.
- Hệ thống rễ của thực vật thích ứng tùy theo môi trường. Ở vùng khô, hệ thống rễ của cây thường chia làm hai phần là rễ chính và rễ nhánh. Rễ chính, còn gọi là rễ cái, dài, mọc sâu xuống đất để tìm tầng nước. Rễ nhánh (rễ phụ), mọc gần trên mặt đất để hấp thu nước mưa và sương đọng.
- Ở vùng ẩm, phần rễ mọc cạn rất nẩy nở vì mực nước không sâu. Vì rễ mọc cạn nên cây dễ bị tróc gốc, nhưng nhờ số lượng rễ nhiều nên có thể chống chịu lẫn nhau để giữ cây đứng vững.
- Ở vùng sa mạc, nhiều loại cây có rễ lan sát mặt đất, hút sương đêm, nhưng có loài rễ đâm xuống đất sâu đến 20m để lấy nước ngầm, trong khi phần thân, lá trên mặt đất thì tiêu giảm đến mức cao (như cỏ lạc đà Allagi camelorum).
Ngoài ra còn có một số loài thích nghi với độ pH đất khác nhau. Ở đất đầm lầy chua, pH 3-4, có các loài thuộc họ Lác (Cyperaceae), họ Cỏ dùi trống (Eriocolaceae)… Ở đất đá vôi pH > 8, có các cây ưa kiềm như cây Trai (họ Tiliaceae), Lát hoa, Gội nước (họ Meliaceae)…
- Những cây thuộc họ Đước Rhizophoraceae, sống được ở trong môi trường đất lầy, ngập nước, triều mặn, luôn bị sóng, gió xô đẩy nhưng vẫn sinh trưởng tốt đó là nhờ có bộ rễ chống hình chân nơm cắm sâu vào đất đã giữ cho cả tán cây đứng vững trên nền đất bùn. Lá đước dày có mô nước làm loảng nồng độ muối.
- Thực vật phân bố thích nghi với địa hình, tùy thuộc cao độ. Nơi có địa hình thấp, trũng người ta thường gặp các cây thuộc họ Lác (Cyperaceae), cây Tràm (Myrtaceae). Ở vùng đất giồng cát có thể gặp Nhãn (Sapindaceae), khoai lang (Convolvulaceae). Ở vùng đồng bằng, thường gặp tre gai (họ Hoà thảo Poaceace), ở vùng cao thì cây tre không có gai hay ít gai thường phổ biến hơn.
- Khi pH thấp, lượng Ca và P trong đất giảm, lượng Al và Mn tăng thì số lượng vi sinh vật trong đất cũng giảm, khi pH trong khoảng 4-8, vi sinh vật hiện diện nhiều hơn.
- Cá thờn bơn có 2 mắt mọc cùng một bên đầu là kết quả thay đổi cơ thể để cá thích nghi với môi trường sống dưới đáy biển. Sống nằm nghiêng dưới đáy biển, 2 con mắt mọc cùng một phía giúp cá có khả năng phát hiện nhanh kẻ thù, quan sát con mồi rất nhạy bén.
- Kích thước của động vật chịu sự ảnh hưởng của nhiệt độ:
- Gấu Bắc cực nặng khoảng 8 tạ, gấu chó, gấu ngựa ở miền nhiệt đới chỉ khoảng 2 tạ.
- Kích thước tai, chi của các động vật cũng khác nhhau: tai của thỏ Châu Âu ngắn hơn tai của thỏ Châu Phi, tai của voi Châu Phi lớn hơn tai của voi Châu Á.
