Bài 47. Quần thể sinh vật

QUẦN THỂ SINH VẬT
QUẦN THỂ SINH VẬT
Kiến thức chung về quần thể sinh vật
Mối quan hệ sinh thái trong quần thể sinh vật
Các đặc trưng cơ bản của quần thể sinh vật
Sự biến động số lượng cá thể trong quần thể
Trạng thái cân bằng trong quần thể
Quần thể sinh vật là nhóm cá thể cùng loài hoặc dưới loài, khác nhau về giới tính, tuổi, kích thước, phân bố trong vùng phân bố của loài, chúng có khả năng giao phối tự do (trừ dạng sinh sản vô tính) để sinh ra thế hệ con cháu.
KHÁI NIỆM QUẦN THỂ SINH VẬT
Theo E.P.Odum (1971): Quần thể là một nhóm cá thể của một loài (hoặc các nhóm khác nhau, nhưng có thể trao đổi thông tin di truyền), sống trong một khoảng không gian xác định, có những đặc điểm sinh thái đặc trưng của cả nhóm chứ không phải của từng cá thể riêng biệt .
Tập hợp các cá thể nào sau đây được gọi là quần thể:
Cây bụi trong rừng
Cỏ dại trong ruộng lúa
Linh dương trên thảo nguyên
Lúa trên cánh đồng
Quần thể là một tổ chức sinh học, có cấu trúc và những thuộc tính riêng mà cá thể không bao giờ có (mức sinh sản, mức tử vong, mức sống sót, quy luật tăng trưởng và biến động số lượng,...)
Một số vấn đề cần lưu ý về quần thể
Quần thể được coi là dạng tồn tại của loài, bởi vì sống trong quần thể các cá thể đã thiết lập nhiều mối quan hệ sinh học trong nội bộ loài
Những loài nào có vùng phân bố hẹp, điều kiện môi trường tương đối đồng nhất thường hình thành một quần thể. Đó là những loài đơn hình (Monomorphis)
Những loài có vùng phân bố rộng, điều kiện môi trường không đồng nhất ở các vùng khác nhau của vùng phân bố thì thường tạo nên nhiều quần thể để thích nghi với điều kiện của từng địa phương. Đó là những loài đa hình (Polymorphism)
Mối quan hệ sinh thái giữa các cá thể trong quần thể
Mối quan hệ hỗ trợ giữa các cá thể trong quần thể:
Quan hệ hỗ trợ thể hiện qua hiệu quả nhóm. Hiệu quả nhóm là hiện tượng nảy sinh khi các cá thể của một quần thể cùng chung sống với nhau trong một sinh cảnh có số lượng cá thể hợp lý và có nguồn sống đầy đủ.
1.1. Ví dụ về hiệu quả nhóm ở thực vật:
Hiện tượng cây mọc theo nhóm có tác dụng tốt chống lại tác động của gió, hạn chế mất hơi nước, so với từng cây riêng biệt.
Quan hệ hỗ trợ trực tiếp của các cây trồng cụm còn thể hiện ở hiện tượng liền rễ. Ở cây Vân sam (Picea) hoặc trong rừng thông có thể có tới 30% cá thể có hiện tượng rễ nối liền
2. Ví dụ về hiệu quả nhóm ở động vật:
1.2.1. Hiệu quả nhóm thể hiện khi quần thể có số lượng cá thể hợp lý, phù hợp với nguồn sống.
Số lượng cá thể phải đạt đến một mức độ nhất định, bảo đảm cho sự lựa chọn nhau giữa đực và cái trong mùa sinh sản, đảm bảo cho sự giao phối được thực hiện. Ví dụ, đàn voi Châu Phi tối thiểu phải có 25 cá thể.
Chính vì vậy, với những loài động vật quý hiếm (chỉ có được một số lượng ít cá thể) thường khó nuôi, ngay cả trong điều kiện nuôi dưỡng, chăm sóc hết sức chu đáo.
2. Ví dụ về hiệu quả nhóm ở động vật:
1.2.2. Hiệu quả nhóm thể hiện ở lối sống theo bầy đàn
Trong lối sống theo bầy đàn, hiệu quả nhóm tạo điều kiện cho mỗi cá thể trong quần thể có những lợi ích nhất định. Cụ thể
Hiệu quả nhóm tạo điều kiện cho việc kiếm mồi và chống lại kẻ thù
Hiệu quả nhóm tác động tốt về mặt tâm lý
Hiệu quả nhóm thể hiện trong sự phân hóa đẳng cấp làm tăng tính tổ chức trong quần thể
Hiệu quả nhóm ảnh hưởng tốt về mặt sinh lý đối với các cá thể trong đàn
2. Quan hệ cạnh tranh giữa những cá thể trong quần thể:
Quan hệ canh tranh giữa các cá thể trong quần thể xảy ra khi số lượng cá thể trong quần thể lên quá cao, không phù hợp với nguồn sống, dẫn đến trạng thái thừa dân, gây hiện tượng cạnh tranh giành nguồn sống giữa các cá thể
Mật độ cá thể của quần thể tăng cao sẽ dẫn đến hiện tượng ô nhiễm môi trường hoặc gây ra hiện tượng căng thẳng thần kinh do sự tiếp xúc giữa cá thể trong quần thể và ảnh hưởng xấu đến chúng, gây ra hiện tượng ăn lẫn nhau, giành giật thức ăn hay nơi ở, gây tử vong.
2.1. Quan hệ cạnh tranh ở thực vật:
Quan hệ canh tranh giữa ở thực vật xẩy ra khi mật độ cá thể tăng cao. Sự cạnh tranh này chủ yếu là sự cạnh tranh về nước, dinh dưỡng, ánh sáng.
2.2. Quan hệ cạnh tranh ở động vật:
2.2.1. Cạnh tranh ở động vật xẩy ra khi môi trường bị ô nhiễm do mật độ cá thể tăng quá cao.
2.2.2. Ảnh hưởng của sự cạnh tranh do sự gia tăng số lượng cá thể vượt quá giới hạn kích thước nơi ở.
2.2.3. Ảnh hưởng của sự cạnh tranh do mật độ cá thể tăng cao dẫn đến hiện tượng ăn thịt lẫn nhau.
2.2.4. Hiện tượng cạnh tranh giành khu vực cư trú do mật độ cao
Các đặc trưng của quần thể
Kích thước quần thể
Mật độ quần thể
Cấu trúc tuổi
Thành phần giới tính
Sự phân bố cá thể trong quần thể
Sức sinh sản của quần thể
Tỷ lệ tử vong của quần thể
Tỷ lệ sống sót
Sự tăng trưởng của quần thể
Kích thước quần thể
Kích thước của quần thể được hiểu là tổng số cá thể hay tổng khối lượng hoặc tổng năng lượng chứa trong quần thể
Những loài có kích thước cơ thể nhỏ tồn tại trong quần thể có kích thước lớn và ngược lại những loài có kích thước cơ thể lớn tồn tại trong quần thể có kích thước nhỏ
QT tê giác và QT sâu róm
QT nào có kích thước lớn hơn??
Nt = N0 + B – D + I – E
Trong đó:
Nt -là số lượng cá thể của quần thể ở thời điểm t
N0 -là số lượng cá thể của quần thể ban đầu, t=0
B -là số lượng cá thể của quần thể sinh ra trong khoảng thời gian từ t0 đến t.
D -là số lượng cá thể của quần thể chết đi trong khoảng thời gian từ t0 đến t.
I -là số lượng cá thể nhập cư trong khoảng thời gian từ t0 đến t.
E -là số lượng cá thể di cư khỏi quần thể trong khoảng thời gian từ t0 đến t.
- Mật độ hay độ rậm quần thể là số lượng hay thể tích, năng lượng của quần thể được tính trên một đơn vị diện tích
- Ví dụ, mật độ 200cây dừa/ha, 500kg chắm cỏ/ha mặt nước,...
Ý nghĩa
Chỉ ra khoảng cách trung bình giữa các cá thể trong vùng phân bố của quần thể
Là một tín hiệu sinh học, thông tin cho quần thể về trạng thái số lượng của mình thưa hay mau để tự điều chỉnh .
Là nhân tố chi phối tác động của các nhân tố sinh thái hữu sinh
Biểu thị tác động của quần thể đối với quần xã nói chung.
Mật độ quần thể
Mật độ bao gồm hai loại:
- Mật độ thô: được tính bằng số lượng hoặc sinh khối sinh vật trong tổng không gian
Mật độ riêng hay mật độ sinh thái: được tính bằng số lượng hoặc sinh khối sinh vật trong diện tích hoặc không gian thực mà quần thể đó chiếm cứ.
Hai thông số trên luôn thay đổi theo thời gian và chúng đôi khi biến động ngược chiều nhau
Phương pháp để xác định mật độ quần thể:
Kiểm kê tổng số: Phương pháp này được áp dụng đối với các sinh vật lớn, hoặc đối với các sinh vật dễ nhận biết, hoặc đối với các sinh vật sống thành tập đoàn.
Phương pháp lấy mẫu theo diện tích: Phương pháp này bao gồm việc thống kê và cân đong trong một số khu vực tương ứng hoặc trong các mặt cắt có kích thước phù hợp để xác định mật độ trong diện tích nghiên cứu
Phương pháp đánh dấu và bắt lại: áp dụng đối với các loài động vật hiếu động hoặc côn trùng. Người ta bắt, đánh dấu và thả ra một phần nhất định của quần thể, sau đó xác định tỷ lệ các cá thể đánh dấu bị bắt lại, trên cơ sở đó đánh giá số lượng toàn bộ quần thể.

Trong đó:
N: Số lượng cá thể của quần thể
M: Số cá thể được đánh dấu ở lần thu mẫu đầu tiên
C: Số cá thể bắt được ở lần lấy mẫu thứ 2
R: Số cá thể có đánh dấu ở lần thu mẫu thứ 2
Petersen, 1896
Seber, 1982
Cấu trúc tuổi là thành phần và tỷ lệ giữa các nhóm tuổi trong quần thể
Cấu trúc tuổi
Ý nghĩa:
Tỷ lệ về số lượng các nhóm tuổi trong quần thể có tầm quan trọng trong việc quần thể khai thác nguồn sống của môi trường,
Dự báo được sự gia tăng số lượng cá thể của thể.
Các nhóm tuổi trong quần thể
Nhóm tuổi trước sinh sản:
Là những cá thể chưa có khả năng sinh sản. Sự tặng trưởng của cá thể xẩy ra chủ yếu là tăng về kích thước và khối lượng. Nhóm này là lực lượng bổ sung cho nhóm đang sinh sản của quần thể
Nhóm đang sinh sản:
Là lực lượng tái sản xuất của quần thể. Tuỳ từng loài mà nhóm này sinh sản một lần hay nhiều lần trong đời. Sức sinh sản của nó phụ thuộc vào tiềm năng sinh học của mỗi loài và mức độ tử vong cao hay thấp
Nhóm tuổi sau sinh sản:
Là các cá thể không còn khả năng sinh sản nữa, chúng có thể sống đến cuối đời
Tuy nhiên, trong sinh giới không phải tất cả các loài đều có 3 nhóm tuổi. Một số loài như cá chình, cá hồi, châu chấu, thiêu thân... không có nhóm tuổi sau sinh sản vì khi đẻ trứng xong chúng kiệt sức và chết ngay lập tức .
Một số dạng tháp tuổi điển hình
Phát triển nhanh
Phát triển chậm
Bền vững
Suy thoái
Sự phân bố cá thể trong quần thể
Quy luật quần tụ (nguyên tắc Allee)
Sự quần tụ mang lại thuận lợi cho khả năng sống và sự sinh trưởng của quần thể, nó thay đổi tuỳ theo loài và phụ thuộc vào điều kiện ngoại cảnh
Những nguyên nhân dẫn đến hiện tượng quần tụ:
- Do sự khác nhau về điều kiện môi trường cục bộ của nơi sống
- Do ảnh hưởng của sự biến đổi thời tiết theo mùa hay theo ngày đêm
- Liên quan đến quá trình sinh sản của loài
Do tập tính xã hội ở động vật một số loài động vật
Sự quần tụ đem lại cho quần thể những lợi ích sau:
- Tăng cường ưu thế cạnh tranh về nguồn thức ăn
- Bảo vệ và hỗ trợ nhau trong quá trình chống kẻ thù.
- Làm tăng khả năng sống sót và tỷ lệ sinh sản
- Tạo ra vi môi trường thuận lợi cho quần thể
- Có sự phân chia lao động và hợp tác
Quy luật quần tụ (nguyên tắc Allee)



Hạn chế của hiện tượng quần tụ
- Trong điều kiện nguồn sống có hạn sẽ dễ đến hiện tượng cạnh tranh trong loài từ đó giảm khả năng cạnh tranh khác loài dẫn đến giảm khả năng sống sót của thế hệ mới.
Khi mật độ cao sẽ làm làm căng thẳng trong quần thể (strees), tăng sự lây lan về bệnh dịch, giảm đa dạng về hình thái, tăng tác động của các yếu tố bất lợi từ bên ngoài,...
Làm thay đổi hình thái và sức sống của các cá thể và cả quần thể.
Sự cách ly và tính lãnh thổ
Song song với quá trình quần tụ của sinh vật thì hiện tượng các sinh vật tách ra khỏi quần thể, di cư từ nơi này sang nơi khác cũng luôn luôn xẩy ra.
Hiện tượng này diễn ra mạnh khi quần tụ đẩy quần thể đến tình trạng khủng khoảng do mật độ cao.
Ngay cả điều kiện bình thường, trong một quần thể, từng cá thể hoặc từng gia đình vẫn có xu hướng chiếm cứ một phạm vi lãnh thổ riêng cho mình
Mức sinh sản chính là lượng con non được quần thể sinh ra trong một khoảng thời gian xác định.
Mức sinh sản của quần thể
Giả một xã có 100.000dân (N), sau một năm (t) số dân là 104.000 dân. Như vậy, mức sinh sản của quần thể là (N)= 4.000 người. Tỷ lệ sinh hay tốc độ sinh sản riêng là b = N/t.N= 4000/100.000 = 4%
Sức sinh sản của cá thể
Sức sinh sản cá thể của một loài gọi là hệ số sinh sản hoặc hệ số sinh trưởng là số lượng trứng hay số lượng con do một cá thể sinh ra trong một lứa
1. Tiềm năng sinh sản của cá thể
- Số trứng hoặc con sinh ra trong một lứa
- Số lứa đẻ trong một năm hay một mùa,
- Số lần đẻ trứng trong đời,
- Tuổi thành thục sinh dục, tuổi thọ,
- Tỷ lệ đực/cái,
2 Thành phần các lứa tuổi tham gia sinh sản
3 Khả năng sinh sản ở từng lứa tuổi.
4 Điều kiện sống
5 Mật độ quần thể
Sức sinh sản của quần thể phụ thuộc vào??
Mức tử vong là số lượng cá thể của quần thể chết đi trong một khoảng thời gian xác định
Mức tử vong của quần thể
Giả một xã có 100.000dân (N), trong một năm (t) số dân chết là 3.000 dân. Như vậy, mức tử vong của quần thể là (N)= 3.000 người. Tỷ lệ tử vong hay tốc độ tử vong riêng là d = N/t.N= 3000/100.000 = 3%
Chết vì già, chết vì bị vật dữ ăn, con người khai thác, chết vì bệnh tật (kí sinh) và chết vì những biến động bất thường của môi trường vô sinh (bão lũ, cháy, rét đậm,...) và môi trường hữu sinh (nguồn thức ăn bị cạn kiệt) vượt khỏi ngưỡng sinh thái của loài.
Nguyên nhân dẫn đến tử vong
Mức sống sót là số lượng cá thể tồn tại đến những thời điểm xác định của đời sống. Nếu gọi mức tử vong chung là M thì mức sống sót là 1-M.
Mức sống sót
(I)- Đường cong lồi: Tỷ lệ chết cao xẩy ra chủ yếu ở khoảng thời gian gần cuối đời.
(II)- Đường cong bậc thang: Tỷ lệ sống sót thay đổi rõ rệt qua các giai đoạn phát triển khác nhau.
(III)- Đường cong lý thuyết: Tỷ lệ sống sót không thay đổi trong suốt cuộc đời.
(IV)- Đường cong chữ S: Tỷ lệ chết cao ở giai đoạn non, còn giai đoạn trưởng thành thì thấp và ổn định
(V)- Đường cong lõm: Tỷ lệ chết rất cao trong những giai đoạn đầu của vòng đời
Các dạng đường cong sống sót
Hệ số sinh trưởng hay chỉ số gia tăng theo cá thể
Là số lượng cá thể mà một cá thể có thể sản sinh ra trong một đơn vị thời gian
(1)

Trong đó N0 là số lượng cá thể ứng với thời gian t0
Nt là số lượng cá thể ứng với thời gian t

Sự sinh trưởng của quần thể
Ví dụ: Cấy một loài động vật đơn bào trong môi trường cấy nhất định ở thời điểm đầu ứng với t0 = 1 giờ ta có N0 = 100 cá thể.
Ở thời điểm 1 giờ sau (t= 2) ta có N=400 cá thể.
Ta có tốc độ gia tăng của cả quần thể trong một giờ là (400-100)/(2 -1)= 300 và hệ số gia tăng theo cá thể hay hệ số sinh trưởng là r = 300/400=0,75cá thể/giờ.
Trong điều kiện hay ít bị giới hạn bởi các yếu tố môi trường, các loài có xu hướng tăng số lượng của mình lên một cách vô hạn và phương trình (1) được viết dưới dạng:

Sau đó lấy tích phân hai vế ta có:


Phương trình tăng trưởng theo hàm số mũ

Đường cong biểu diễn hàm số sẽ đi lên không giới hạn, đường cong đó là đường cong lý thuyết, biểu thị tiềm năng sinh học của quần thể. Đường này thay đổi tùy theo loài và dựa vào hệ số sinh trưởng (r) của chúng.
Sự sinh trưởng quần thể theo tiềm năng sinh học hay đường cong lý thuyết (J)
(2)
Một số ví dụ từ tác phẩm “Nguồn gốc các loài” của Đácuyn để minh họa tiềm năng sinh học của giới động vật theo đường cong lý thuyết:
- Chỉ một con trùng cỏ (Paramecium) trong một vài ngày có thể sinh ra một lượng nguyên sinh chất bằng 10.000 khối lượng Trái đất.
- Một đôi rệp lá (Pylloxera) có thể sinh ra về mặt lý thuyết 1011 đến 1018 con cháu.
- Nếu một đôi chim chỉ đẻ 5-6 trứng/năm, thì số lượng con cháu của đôi chim này sau 15 năm sẽ là 1.000.000 cá thể.
- Số lượng của một cặp Voi sau 140-150 năm sẽ là 19 triệu con.
Sự sinh trưởng quần thể theo tiềm năng sinh học hay đường cong lý thuyết (J)
Trong thực tế, quần thể các loài không thể tăng trưởng số loài của mình lên vô hạn theo hàm số mũ mà chỉ đạt đến một giới hạn nhất định K nào đó, cân bằng với nguồn sống. Do vậy, phương trình tăng trưởng (1) được viết dưới dạng :
Lấy tích phân hai vế, được phương trình tăng trưởng thực tế là:

Trong đó
(K-N)/K là hệ số điều chỉnh, biểu thị điều kiện sống không phù hợp của môi trường;
K= số lượng cá thể cực đại của quần thể khi đạt đến khả năng giới hạn về nguồn sống của môi trường.
Sự sinh trưởng thực tế hay đường cong logistic (S)
Từ đường cong logistic, cho thấy:
- Trước điểm uốn K/2, tốc độ tăng trưởng r tăng lên
- Tại điểm uốn K/2, tốc độ tăng trưởng r đạt cực đại.
- Sau điểm uốn K/2, tốc độ tăng trưởng giảm dần và tiến đến 0
Do vậy, mật độ quần thể tại điểm uốn có ý nghĩa quan trọng đối với việc quản lý nghề săn bắt động vật và đánh cá. Sản lượng cực đại tại điểm uốn được gọi là sản lượng ổn định cực đại
Số lượng cá thể của bất kỳ quần thể nào thường không ổn định mà thay đổi theo mùa, theo năm,..phụ thuộc vào các yếu tố nội tại (quan hệ giữa các cá thể trong quần thể) và các điều kiện sống của môi trường. Các yếu tố này đã ảnh hưởng đến sự sinh sản tử vong, gây ra sự biến động số lượng của quần thể.
Có hai dạng biến động số lượng cá thể trong quần thể:
- Biến động có chu kỳ
- Biến động không có chu kỳ
Sự biến động số lượng cá thể trong quần thể
Sự biến động số lượng của quần thể theo chu kỳ
- Biến động theo chu kỳ ngày đêm:
- Biến động theo chu kỳ mùa
- Biến động theo chu kỳ tuần trăng
- Biến động theo chu kỳ thủy triều
- Biến động theo chu kỳ năm
- Biến động theo chu kỳ nhiều năm
Sự biến động số lượng cá thể trong quần thể
2. Sự biến động số lượng của quần thể không theo chu kỳ
Biến động này gây ra bởi các yếu tố bất thường trong tự nhiên như: bão, lụt, cháy, ô nhiễm, dịch bệnh,…
Trạng thái cân bằng của quần thể là trạng thái ở đó số lượng cá thể trong quần thể ở dạng ổn định.
Cơ chế duy trì trạng thái cân bằng của quần thể là cơ chế điều hòa mật độ quần thể trong trường hợp thừa dân hoặc thiếu dân.
Dưới ảnh hưởng của ngoại cảnh, cơ chế này thay đổi tốc độ sinh trưởng của quần thể bằng cách tác động lên tỷ lệ sinh sản và tỷ lệ tử vong do các nhân tố sinh học và được thực hiện theo hai phương thức
- Phương thức điều hòa khắc nghiệt
- Phương thức điều hòa mềm dẻo
Trạng thái cân bằng của quần thể