I. KIẾN THỨC TRỌNG TÂM
A. Sự phân bố của các cá thể trong không gian.
Sự phân bố trong không gian tạo thuận lợi cho các cá thể sử dụng tối ưu nguồn sống trong những môi trường khác nhau. Các cá thể phân bố theo 3 dạng:
– Phân bố đều: Kiểu phân bố này ít gặp trong tự nhiên, chỉ xuất hiện trong môi trường đồng nhất, các cá thể có tính lãnh thổ cao. Ví dụ: Sự phân bố của chim cánh cụt hay của con dã tràng cùng nhóm tuổi trên bãi biển.
– Phân bố ngẫu nhiên: Kiểu phân bố này ít gặp, xuất hiện trong môi trường đồng nhất, nhưng các cá thể không có tính lãnh thổ và cũng không sống tụ họp. Ví dụ: Phân bố của các cây gỗ trong rừng nhiệt đới.
– Phân bố theo nhóm (hay điểm): kiểu phân bố này rất phổ biến, gặp trong môi trường không đồng nhất, các cá thể thích sống tụ họp với nhau. Ví dụ: các cây cỏ lào, cây chôm chôm mọc tập trung ở ven rừng nơi có cường độ chiếu sáng cao; giun đất sống đông đúc ở nơi có độ ẩm cao.
B. Cấu trúc của quần thể.
1. Cấu trúc giới tính:
Trong thiên nhiên, tỉ lệ đực/ cái của các loài thường là 1/1. Ở những loài trinh sản, tỉ lệ con đực rất thấp, có khi không có. Tỉ lệ đực/cái có thể thay đổi do ảnh hưởng của môi trường. Ví dụ: Khi trúng vích được ấp ở nhiệt độ thấp hơn 150C thì số con đực nở ra sẽ nhiều hơn con cái, khi ấp ở nhiệt độ cao, khoảng 340C thì số con cái nở ra nhiều hơn con đực.
2. Tuổi và cấu trúc tuổi.
– Tuổi được tính bằng thời gian. Có 3 khái niệm về tuổi thọ:
+ Tuổi thọ sinh lí được tính từ lúc cá thể sinh ra cho đến khi chết vì già
+ Tuổi thọ sinh thái được tính từ lúc cá thể sinh ra đến khi chết vì các nguyên nhân sinh thái.
+ Tuổi quần thể là tuổi thọ trung bình của các cá thể trong quần thể.
– Cấu trúc tuổi là tổ hợp các nhóm tuổi của quần thể. Cấu trúc tuổi có thể phức tạp hay đơn giản, liên quan với tuổi thọ quần thể, vùng phân bố của loài. Ở loài nào có vùng phân bố rộng, những quần thể sống ở vùng ôn đới thường có cấu trúc tuổi phức tạp hơn so với những quần thể sống ở vùng có vĩ độ thấp.
– Cấu trúc tuổi của quần thể còn thay đổi theo chu kì ngày đêm, chu kì mùa. Ví dụ: vào ban đêm, trong quần thể của các loài giáp xác, nhóm tuổi trẻ đông do chúng sinh sản tập trung vào ban đêm. Mùa xuân hè là mùa sinh sản, ở quần thể động thực vật, nhóm tuổi trẻ đông hơn nhóm tuổi cao.
– Nói chung, quần thể có 3 nhóm tuổi sinh thái: nhóm tuổi trước sinh sản, nhóm tuổi đang sinh sản và nhóm tuổi sau sinh sản.
– Khi xếp liên tiếp các nhóm tuổi từ non đến già, ta có tháp tuổi hay tháp dân số. Mỗi nhóm tuổi được xem như 1 đơn vị cấu trúc tuổi của quần thể. Do đó, khi môi trường biến động, tỉ lệ các nhóm tuổi sẽ biến đổi theo, phù hợp với điều kiện mới. Nhờ đó, quần thể duy trì được tình trạng ổn định của mình.
– Một số loài không có nhóm tuổi sau sinh sản (cá chình, cá hồi Viễn Đông) vì sau khi đẻ, cá bố mẹ đều chết. Ở nhiều loài côn trùng (chuồn chuồn, phù du, ve sầu, muỗi…) giai đoạn trước sinh sản kéo dài 1 vài năm, nhưng giai đoạn sau sinh sản chỉ kéo dài 3-4 tuần.
*Cấu trúc dân số của quần thể người.
– Con người ra đời cách đây khoảng 5 triệu năm, nhưng người thông minh (Homo sapiens) mới xuất hiện vào khoảng 200.000 năm về trước. Từ đó, dân số ngày 1 tăng. Khoảng 10.000 năm trước công nguyên, nhân loại mới có khoảng 5 triệu người. Đến năm 1650 sau công nguyên, con số đó tăng lên 500 triệu. Vào thời gian sau, khoảng thời gian để dân số tăng gấp đôi ngày càng rút ngắn do tốc độ gia tăng ngày 1 cao, nhất là ở các nước đang phát triển. Đường cong dân số đang ở pha tăng nhanh. Theo dự báo, đường cong này sẽ đạt tiệm cận phải sau 150 năm nữa. Hiện tại, kích thước dân số thuộc các nước phát triển đã bước vào trạng thái ổn định, nhưng ở các nước đang phát triển, sự ổn định dân số sẽ muộn hơn, vào năm 2150.
– Ở các nước đang phát triển (Việt Nam, Indonexia, Ấn Độ…) tháp dân số là 1 tam giác cân, đáy rộng. Dân số của 1 quốc gia được gọi là ổn định khi cấu trúc tuổi của nó không thay đổi, mức sinh sản và mức nhập cư cân bằng với mức tử vong và mức xuất cư. Tháp dân số của 1 nước mà đáy bị thu hẹp hơn (nhóm trước sinh sản giảm so với nhóm sinh sản) thì dân số của nước đó bị co lại.
C. Kích thước quần thể.
1. Khái niệm
a. Kích thước
– Kích thước quần thể hay số lượng cá thể của quần thể là tổng số cá thể hoặc sản lượng hay tổng năng lượng của các cá thể trong quần thể đó. Kích thước quần thể có 2 cực trị: Kích thước tối thiểu và kích thước tối đa.
+ Kích thước tối thiểu: Là số lượng cá thể ít nhất mà quần thể phải có, đủ đảm bảo cho quần thể có khả năng duy trì nòi giống. Kích thước tối thiểu mang đặc tính của loài.
+ Kích thước tối đa: Là số lượng cá thể nhiều nhất mà quần thể có thể đạt được, cân bằng với sức chứa của môi trường.
– Những loài có kích thước cơ thể nhỏ thường hình thành quần thể có số lượng cá thể nhiều và ngược lại. Ví dụ: Quần thể kiến lửa đông hơn quần thể voi châu Phi, quần thể sơn dương đông hơn quần thể báo, sư tử…
b. Mật độ:
Mật độ quần thể chính là kích thước quần thể được tính trên đơn vị diện tích hay thể tích. Ví dụ: mật độ cỏ lồng vực trong ruộng lúa là 3 cây/m2, mật độ tảo lục trong ao là 150.000 tế bào/lit…
2. Các nhân tố gây ra sự biến động kích thước quần thể.
– Kích thước quần thể được mô tả bằng công thức tổng quát:
Nt = N0 + B – D + I – E
Trong đó: Nt và N0 là số lượng cá thể của quần thể ở thời điểm t và thời điểm t = 0. B là mức sinh sản, D là mức tử vong, I là mức nhập cư, E là mức xuất cư. Bốn nhân tố trên là những nguyên nhân trực tiếp làm thay đổi kích thước quần thể.
+ Mức sinh sản là số cá thể mới do quần thể sinh ra trong 1 khoảng thời gian nhất định. Số lượng này phụ thuộc vào sức sinh sản của các cá thể trong quần thể và tác động của các nhân tố sinh thái…
+ Mức tử vong là số cá thể của quần thể bị chết trong 1 khoảng thời gian nhất định vì già hoặc do các nguyên nhân sinh thái khác.
+ Mức nhập cư của quần thể là số cá thể từ các quần thể khác chuyển đến. Khi điều kiện sống thuận lợi, sự nhập cư ít gây ảnh hưởng cho quần thể sở tại.
+ Mức xuất cư ngược với mức nhập cư, thường trong điều kiện kích thước quần thể vượt khỏi mức sống tối ưu, một bộ phân cá thể rời khỏi quần thể để đến 1 quần thể khấc có mật độ thấp hơn hoặc tìm đến 1 sinh cảnh mới.
– Trong nghiên cứu về số lượng của quần thể, các nhà khoa học còn quan tâm đến 1 chỉ số quan trọng khác nữa là mức sống sót:
+ Mức sống sót (Ss) ngược với mức tử vong, tức là số cá thể còn sống đến 1 thời điểm nhất định. Nó được biểu diễn bằng biểu thức:
Ss = 1 – D
Trong đó: 1 là kích thước quần thể được xem là 1 đơn vị; D là mức tử vong, D ≤ 1.
+ Đường con sống sót của quần thể thuộc các loài khác nhau là khác nhau. Những loài đẻ nhiều (hàu, sò), phần lớn bị chết ở những ngày đầu, số sống sót đến cuối đời rất ít. Những loài chim, thú và người đẻ rất ít, con sinh ra phần lớn sống sót, chết chủ yếu ở giai đoạn cuối đời. Ở sóc, thủy tức có mức chết của các thế hệ là như nhau.
– Trong tiến hóa, các loài đều hướng đến việc tăng mức sống sót nhờ biết chăm sóc trứng và con non (làm tổ, ấp trứng, bảo vệ trứng và con non…), chuyển từ kiểu thụ tinh ngoài sang thụ tinh trong (nhiều động vật thủy sinh), đẻ con và nuôi con bằng sữa (thú, người).
3. Sự tăng trưởng kích thước quần thể.
– Sự tăng trưởng kích thước quần thể phụ thuộc vào 4 nhân tố: mức sinh sản, mức tử vong, mức nhập cư, mức xuất cư, song mức sinh sản và tử vong là 2 nhân tố mang tính quyết định, được sử dụng trong nghiên cứu tăng trưởng số lượng.
– Kích thước quần thể có thể tăng tuân theo 1 trong 2 dạng: trong điều kiện môi trường lí tưởng (không bị giới hạn) và trong điều kiện môi trường bị giới hạn.
+ Tăng trưởng kích thước quần thể trong điều kiện môi trường lí tưởng (không bị giới hạn) hay theo tiềm năng sinh học: Nếu môi trường là lí tưởng thì mức sinh sản của quần thể là tối đa, còn mức tử vong là tối thiểu, do đó, sự tăng trưởng đạt tối đa, số lượng cá thể tăng theo tiềm năng sinh học vốn có của nó, tức là số lượng tăng nhanh theo hàm mũ với đường cong đặc trưng hình chữ J. Thực tế, không có môi trường lí tưởng, nhưng nhiều loài có kích thước cơ thể nhỏ, tuổi thọ thấp (VSV, tảo, côn trùng, cây 1 năm…) tăng trưởng rất gần với kiểu hàm mũ. Theo thời gian, số lượng của chúng tăng rất nhanh nhưng thường giảm đột ngột ngay cả khi quần thể chưa đạt đến kích thước tối đa do chúng rất mẫn cảm với tác động của các nhân tố vô sinh. Ví dụ: rét đậm, rét hại… xảy ra đột ngột.
+ Tăng trưởng kích thước quần thể trong điều kiện môi trường bị giới hạn: Sự tăng trưởng kích thước quần thể của đa số loài trong thực tế đều bị giới hạn bởi các nhân tố môi trường (không gian sống, các nhu cầu thiết yếu của đời sống, số lượng cá thể của chính quần thể và các rủi ro của môi trường nhất là dịch bệnh, vật kí sinh, vật ăn thịt…). Do đó, quần thể chỉ có thể đạt được số lượng tối đa cân bằng với sức chịu đựng của môi trường. Đường cong của kiểu tăng trưởng này có dạng chữ S. Từ đồ thị có thể thấy, ban đầu, số lượng cá thể tăng chậm do kích thước quần thể còn nhỏ. Sau đó, số lượng tăng lên rất nhanh trước điểm uốn nhờ tốc độ sinh sản vượt trội so với tốc độ tử vong. Qua điểm uốn, sự tăng trưởng chậm dần do nguồn sống giảm, tốc độ tử vong tăng, tốc độ sinh sản giảm và cuối cùng, số lượng bước vào trạng thái ổn định, cân bằng với sức chịu đựng của môi trường, nghĩa là ở đó, tốc độ sinh sản và tốc độ tử vong xấp xỉ như nhau.
II. CÁC DẠNG BÀI TẬP
Bài 1. Trình bày các đặc trưng cơ bản của quần thể về: Tỉ lệ giới tính, cấu trúc nhóm tuổi, sự phân bố và mật độ cá thể của quần thể.
Hướng dẫn giải
1) Tỉ lệ giới tính:
+ Là tỉ số giữa số lượng cá thể đực so với số cá thể cái trong quần thể.
+ Bình thường, tỉ lệ giới tính xấp xỉ 1 : 1. Tuy nhiên do ảnh hưởng của môi tường, tỉ lệ này có thể bị thay đổi.
+ Tỉ lệ giới tính của quần thể là đặc trưng quan trọng đối với hiệu quả sinh sản của quần thể, trong điều kiện môi trường luôn thay đổi.
2) Cấu trúc nhóm tuổi: Đối với hầu hết quần thể sinh vật trong tự nhiên, người ta chia cấu trúc nhóm tuổi thành: tuổi sinh lí, tuổi sinh thái và tuổi quần thể.
a) Tuổi sinh lí: Là khoảng thời gian sống tối đa của một cá thể nào đó trong quần thể.
b) Tuổi sinh thái: Là thời gian sống thực tế của một cá thể nào đó trong quần thể, khi chịu tác động của các nhân tố sinh thái xung quanh.
c) Tuổi quần thể: Là tuổi bình quân của các cá thể trong quần thể.
– Cấu trúc tuổi là đặc trưng nhưng còn tùy thuộc vào môi trường.
– Nghiên cứu cấu trúc nhóm tuổi của quần thể giúp con người bảo vệ và khai thác tài nguyên có hiệu quả hơn.
3) Sự phân bố cá thể trong quần thể: Có 3 kiểu phân bố:
a) Phân bố theo nhóm: Là kiểu phân bố thường gặp nhất. Trong hình thức này, các cá thể của quần thể tập trung thành từng nhóm ở môi trường sống thuận lợi.
Ví dụ: Nai, hươu sống thành bầy đàn; nhóm cây bụi mọc hoang dại.
– Phân bố theo nhóm tạo ra hiệu quả nhóm, giúp cá thể hỗ trợ nhau chống lại các bất lợi của điều kiện sống.
b) Phân bố đồng đều: Là kiểu phân bố thường gặp khi điều kiện sống phân bố đều trong không gian sống của quần thể hoặc khi xảy ra cạnh tranh gay gắt giữa các cá thể trong quần thể.
Ví dụ: Các cây lim trong rừng lim, cỏ trong thảo nguyên…
– Kiểu phân bố đồng đều có tác dụng giảm nhẹ độ cạnh tranh giữa các cá thể trong quần thể.
c) Phân bố ngẫu nhiên: Là kiểu phân bố trung gian giữa hai dạng trên.
Ví dụ: Các loài cây gỗ lớn sống trong rừng mưa nhiệt đới.
– Kiểu phân bố này giúp sinh vật tận dụng được nguồn sống tiềm tàng của môi trường.
4) Mật độ cá thể của quần thể:
a) Khái niệm: Mật độ cá thể của quần thể là số lượng cá thể sống trên một đơn vị diện tích hoặc trong một đơn vị thể tích của quần thể.
Ví dụ: Mật độ của bèo Nhật Bản là 12 cây/1m2. Mật độ của cá trắm cỏ trong ao là 1 con/1m3 nước; chỉ số
E. coli là 40 con/1 lít nước.
b) Đặc điểm: Mật độ cá thể là đặc trưng cơ bản của một quần thể, nó đánh giá mức độ phát triển hay suy thoái của một quần thể.
Mật độ cá thể trong quần thể thay đổi theo ngày, mùa, năm. Nói chung là phụ thuộc môi trường.
Ví dụ: Khi mật độ cá thể tăng quá cao, sẽ xảy ra cạnh tranh làm mật độ giảm xuống; ngược lại khi mật độ giảm, các cá thể trong quần thể tăng cường hỗ trợ cho nhau, dẫn đến mật độ tăng lên.
Bài 2. Trình bày về các kiểu tăng trưởng của quần thể sinh vật.
Hướng dẫn giải
1) Tăng trưởng quần thể theo tiềm năng sinh học
a) Thế nào là tăng trưởng quần thể theo tiềm năng sinh học:
– Là sự tăng trưởng quần thể trong điều kiện lí tưởng, đó là trường hợp nguồn sống môi trường dồi dào, phong phú đáp ứng được mọi nhu cầu của tất cả các cá thể, khí hậu hoàn toàn thuận lợi và nơi sinh sống của quần thể là không bị giới hạn.
– Kiểu tăng trưởng này thường gặp ở các loài có kích thước cơ thể nhỏ, sinh sản cao, tuổi thọ thấp, chống chịu tốt, chịu tác động chủ yếu bởi các nhân tố vô sinh của môi trường.
b) Đường biểu diễn: Hình chữ J.
2) Tăng trưởng thực tế của quần thể
Chẳng hạn vi khuẩn, nấm, động vật nguyên sinh.
a) Thế nào là tăng trưởng thực tế:
– Là sự tăng trưởng của quần thể có tính đến sức sinh sản, mức tử vong, nhập cư và xuất cư.
– Kiểu tăng trưởng này thường gặp ở hầu hết các loài có kích thước cơ thể lớn, tuổi thọ cao, sức sinh sản thấp, chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi các nhân tố hữu sinh như ở voi, gấu, trâu, bò…
b) Đường biểu diễn: Hình chữ S.