Bài học

Dòng năng lượng và hiệu suất sinh thái

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được vì sao năng lượng trong hệ sinh thái chỉ truyền một chiều và giảm dần qua mỗi bậc dinh dưỡng, tính được năng lượng còn lại ở một bậc dinh dưỡng bất kỳ khi biết hiệu suất sinh thái, và giải thích được hình dạng tháp sinh thái từ số liệu cụ thể.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Sinh học 10, em đã học quang hợp cố định năng lượng ánh sáng thành hoá năng, còn hô hấp tế bào giải phóng năng lượng đó để sinh vật sử dụng (prior-grade review). Bài trước vừa xác lập bậc dinh dưỡng theo từng chuỗi thức ăn cụ thể trong một lưới (same-grade bridge) — bài này đo chính xác bao nhiêu năng lượng thực sự đi qua từng bậc đó.

Khởi động

Vì sao trong tự nhiên gần như không có chuỗi thức ăn dài quá năm, sáu bậc dinh dưỡng, trong khi số loài sinh vật sản xuất luôn nhiều hơn hẳn số loài ăn thịt bậc cao nhất? Nếu thức ăn ở bậc dưới vẫn còn dư thừa, vì sao chuỗi không kéo dài thêm vài bậc nữa?

Kiến thức trọng tâm

Khác với vật chất, năng lượng trong hệ sinh thái không quay vòng. Nó đi vào hệ sinh thái dưới dạng ánh sáng mặt trời, được sinh vật sản xuất cố định một phần rất nhỏ thành hoá năng, rồi truyền tiếp qua các bậc dinh dưỡng dưới dạng chất hữu cơ trong thức ăn. Ở mỗi bước truyền, một phần lớn năng lượng mất đi dưới dạng nhiệt qua hô hấp tế bào, qua chất thải bài tiết, và qua những bộ phận sinh vật bậc sau không ăn được hoặc chưa kịp ăn. Năng lượng đã mất theo những con đường này không bao giờ quay trở lại chuỗi thức ăn.

Tỉ lệ năng lượng thực sự được chuyển thành sinh khối mới ở bậc dinh dưỡng kế tiếp gọi là hiệu suất sinh thái. Số liệu đo được ở nhiều hệ sinh thái khác nhau cho thấy hiệu suất này dao động, nhưng trung bình chỉ vào khoảng 10% — nghĩa là cứ mười phần năng lượng ở một bậc, chỉ khoảng một phần đi tiếp được sang bậc sau. Vì hiệu suất mỗi bước chỉ khoảng 10%, năng lượng giảm rất nhanh theo cấp số nhân qua các bậc liên tiếp — đây chính là lý do chuỗi thức ăn hiếm khi dài quá bốn, năm bậc: tới bậc thứ năm, sáu, lượng năng lượng còn lại thường quá nhỏ để nuôi nổi một quần thể mới.

Hệ quả của quy tắc 10% được thể hiện qua tháp sinh thái — biểu diễn số liệu của các bậc dinh dưỡng xếp chồng lên nhau, thu hẹp dần từ đáy lên đỉnh. Có ba loại tháp: tháp số lượng (đếm số cá thể), tháp sinh khối (đo khối lượng chất sống), và tháp năng lượng (đo dòng năng lượng thực sự đi qua). Tháp số lượng và tháp sinh khối đôi khi bị đảo ngược cục bộ — ví dụ rất nhiều côn trùng nhỏ sống ký sinh trên một cây to vẫn cho ra tháp số lượng có đáy nhỏ hơn đỉnh — vì chúng chỉ đo một thời điểm, không đo dòng chảy năng lượng. Tháp năng lượng thì không bao giờ đảo ngược: vì năng lượng luôn giảm dần qua mỗi bậc, tháp năng lượng luôn đúng hình chóp thu hẹp lên đỉnh, không có ngoại lệ.

Với hiệu suất sinh thái 10% mỗi bậc, năng lượng giảm mười lần liên tiếp — cột bậc 3 và bậc 4 gần như không nhìn thấy so với cột bậc 1, chính là hình dạng tháp năng lượng.

Ví dụ

Tính năng lượng tới bậc dinh dưỡng thứ tư

1
Sinh vật sản xuất trong một hệ sinh thái cố định được 500.000 kcal/m²/năm. Biết hiệu suất sinh thái trung bình là 10% mỗi bậc, tính năng lượng mà bậc dinh dưỡng thứ tư nhận được.
2
500.000 × 0,1 = 50.000 kcal/m²/năm.
3
50.000 × 0,1 = 5.000 kcal/m²/năm.
4
5.000 × 0,1 = 500 kcal/m²/năm.
5
Vậy bậc dinh dưỡng thứ tư của chuỗi này chỉ nhận được 500 kcal/m²/năm, đúng bằng một phần nghìn (0,1³ = 0,001) năng lượng ban đầu do sinh vật sản xuất cố định được — con số nhỏ dần rất nhanh này giải thích vì sao chuỗi thức ăn hiếm khi dài hơn bốn, năm bậc.

Ví dụ

Hiệu suất sinh thái không phải một con số cố định tuyệt đối (dạng đề thi)

1
Ở một hệ sinh thái đồng cỏ, số liệu đo được là: sinh vật sản xuất cố định 200.000 kJ/m²/năm, sinh vật tiêu thụ bậc 1 nhận 15.000 kJ/m²/năm, sinh vật tiêu thụ bậc 2 nhận 1.800 kJ/m²/năm. Tính hiệu suất sinh thái giữa bậc 1–2 và giữa bậc 2–3, rồi nhận xét so với mức trung bình 10%.
2
15.000 ÷ 200.000 = 0,075 = 7,5%.
3
1.800 ÷ 15.000 = 0,12 = 12%.
4
Hai kết quả 7,5% và 12% đều xoay quanh mức 10% nhưng không đúng bằng 10% ở cả hai cặp bậc — chứng tỏ 10% chỉ là một ước lượng trung bình đại diện cho nhiều hệ sinh thái, không phải một hằng số vật lý cố định cho mọi trường hợp; hiệu suất thực tế phụ thuộc loài, môi trường và có thể dao động trong một khoảng khá rộng.
5
Vậy hiệu suất sinh thái giữa bậc 1–2 là 7,5% và giữa bậc 2–3 là 12%, cả hai đều gần mức trung bình 10% nhưng không trùng khớp tuyệt đối — khi làm bài, luôn tính từ số liệu đề cho, không áp cứng 10% nếu đề đã cho đủ dữ kiện để tính chính xác.

Sai lầm thường gặp

Nhầm lẫn phổ biến nhất ở bài này là coi 10% như một hằng số đúng tuyệt đối ở mọi hệ sinh thái và mọi cặp bậc dinh dưỡng — thực tế nó chỉ là mức trung bình, từng cặp bậc cụ thể hoàn toàn có thể là 7%, 12%, hay một con số khác hẳn, như ví dụ trên vừa cho thấy. Một nhầm lẫn khác là gộp chung ba loại tháp sinh thái làm một: tháp số lượng và tháp sinh khối đo một thời điểm nên có thể bị đảo ngược cục bộ (ví dụ nhiều sâu bọ nhỏ sống trên một cây lớn), còn tháp năng lượng đo dòng chảy nên luôn đúng hình chóp — không thể lấy một ví dụ tháp số lượng bị đảo ngược để kết luận "tháp sinh thái có thể đảo ngược" một cách chung chung.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Tóm tắt

Năng lượng chỉ truyền một chiều và giảm dần qua mỗi bậc dinh dưỡng, với hiệu suất sinh thái trung bình khoảng 10% — con số dao động theo từng hệ sinh thái, không phải một hằng số tuyệt đối. Vì năng lượng giảm theo cấp số nhân, chuỗi thức ăn hiếm khi dài quá năm, sáu bậc, và tháp năng lượng luôn đúng hình chóp thu hẹp lên đỉnh.

Bài sau chuyển từ năng lượng — thứ chỉ đi một chiều rồi mất — sang vật chất, thứ được hệ sinh thái tái sử dụng theo những vòng khép kín gọi là chu trình sinh địa hoá.