Mục lục bài họcĐang ở d02-b2
Ecosystems, Energy Flow and Sustainability
Feeding relationships and the flow of energy
Autotrophs synthesise their own carbon compounds from inorganic sources: photoautotrophs use light, chemoautotrophs oxidise inorganic substances such as hydrogen sulfide. Heterotrophs obtain carbon compounds from other organisms, either by ingestion, by external digestion as saprotrophs, or by absorption.
A food chain traces one sequence of feeding, and a food web shows the many overlapping chains in a real community. A trophic level is a position in that sequence; omnivores occupy more than one at the same time, so a single trophic level cannot always be assigned.
Energy enters as light and leaves as heat. At each transfer only about $10$ to $20\%$ of the energy in one trophic level becomes energy in the next, because most is lost in cell respiration as heat, some is never ingested, and some leaves in faeces and urine. Since heat cannot be recycled, energy flows through the ecosystem rather than cycling, which is why chains rarely exceed four or five levels.
The carbon cycle and sustainability
Carbon, unlike energy, does cycle. Photosynthesis removes roughly $121$ Gt C from the atmosphere each year, while respiration and decomposition return about $118$; the oceans absorb about $90$ and release about $87$. Combustion of fossil fuels adds about $9.5$ Gt C and land-use change about $1.5$, so the atmospheric pool grows by about $5$ Gt C per year.
Sustainability means using a resource at a rate the system can replace indefinitely. Ecosystem services - pollination, water purification, carbon storage, flood control - are the benefits ecosystems provide, and they are usually invisible in economic accounts until they fail.
Quan hệ dinh dưỡng và dòng năng lượng
Autotroph (sinh vật tự dưỡng) tự tổng hợp hợp chất carbon từ nguồn vô cơ. Chia hai nhánh: photoautotroph dùng năng lượng ánh sáng, chemoautotroph lấy năng lượng từ oxy hoá chất vô cơ như hydrogen sulfide - đây là nền của hệ sinh thái quanh miệng phun thuỷ nhiệt dưới đáy biển, nơi không có một tia sáng nào. Heterotroph (dị dưỡng) lấy hợp chất carbon từ sinh vật khác, bằng cách nuốt vào, bằng tiêu hoá ngoài như saprotroph, hoặc bằng hấp thụ.
Food chain là một chuỗi ăn nhau; food web là mạng lưới nhiều chuỗi chồng lên nhau trong một quần xã thật. Trophic level (bậc dinh dưỡng) là vị trí trong chuỗi đó. Sinh vật ăn tạp chiếm nhiều bậc cùng lúc, nên không phải lúc nào cũng gán được một bậc duy nhất - đây là chỗ đề IB hay gài.
Năng lượng vào hệ dưới dạng ánh sáng và ra khỏi hệ dưới dạng nhiệt. Qua mỗi lần chuyển bậc chỉ khoảng $10$ đến $20\%$ năng lượng của bậc dưới trở thành năng lượng của bậc trên; phần lớn mất đi thành nhiệt qua cell respiration, một phần không bao giờ được ăn tới, một phần đi ra theo phân và nước tiểu. Vì nhiệt không tái sử dụng được, năng lượng chảy xuyên qua hệ chứ không tuần hoàn - và đó là lý do chuỗi thức ăn hiếm khi dài quá bốn hoặc năm bậc.
Chu trình carbon và tính bền vững
Carbon thì khác năng lượng: nó tuần hoàn thật. Mỗi năm quang hợp rút khoảng $121$ Gt C khỏi khí quyển trong khi hô hấp và phân giải trả lại khoảng $118$; đại dương hấp thụ khoảng $90$ và giải phóng khoảng $87$. Đốt nhiên liệu hoá thạch thêm khoảng $9.5$ Gt C và thay đổi sử dụng đất thêm khoảng $1.5$, nên bể carbon trong khí quyển tăng khoảng $5$ Gt C mỗi năm.
Sustainability (tính bền vững) nghĩa là khai thác ở mức mà hệ có thể bù lại vô hạn định. Ecosystem services (dịch vụ hệ sinh thái) - thụ phấn, lọc nước, lưu giữ carbon, điều tiết lũ - là những lợi ích hệ sinh thái mang lại, và thường không xuất hiện trong sổ sách kinh tế cho tới lúc chúng hỏng.
Dùng tháp năng lượng ở hình trên: tính hiệu suất chuyển năng lượng từ sinh vật tiêu thụ bậc $1$ sang bậc $2$, cho biết phần chênh lệch đi đâu, và giải thích vì sao chuỗi không kéo dài thêm được.
Bước 1 - chọn đúng cặp bậc. Đề hỏi hiệu suất chuyển từ sinh vật tiêu thụ bậc $1$ sang bậc $2$, nên tử số là $360$ và mẫu số là $3\,000$ - tức bậc liền dưới, không phải bậc sản xuất.
Bước 2 - tính. $360 / 3\,000 = 0.12$, tức $12\%$. Đối chiếu hai bước còn lại: $3\,000/20\,000 = 15\%$ và $54/360 = 15\%$. Cả ba đều nằm trong dải $10$ đến $20\%$, nên kết quả đáng tin.
Bước 3 - phần mất đi đi đâu. Từ $3\,000$ xuống $360$ mất $2\,640$ kJ trên mỗi mét vuông mỗi năm. Ba đường thoát: phần lớn thành nhiệt do cell respiration của sinh vật bậc $1$ khi chúng di chuyển, giữ thân nhiệt và tổng hợp chất; một phần nằm trong những cá thể không bao giờ bị ăn thịt và cuối cùng về tay sinh vật phân giải; một phần được ăn vào nhưng không tiêu hoá nổi và ra theo phân.
Bước 4 - vì sao chuỗi ngắn. Bậc trên cùng trong tháp chỉ còn $54$ kJ. Nếu thêm một bậc nữa với hiệu suất $12\%$, bậc thứ năm chỉ nhận khoảng $6.5$ kJ trên mỗi mét vuông mỗi năm - không đủ nuôi một quần thể có thể tồn tại lâu dài. Đây là lý do vật lý, không phải lý do sinh thái ngẫu nhiên: nhiệt đã thoát ra thì không quay lại được, nên năng lượng chỉ chảy một chiều.
Dùng số liệu trong sơ đồ chu trình carbon ở hình trên: tính lượng carbon tích thêm trong khí quyển mỗi năm, rồi bình luận về ý cho rằng phần đóng góp của con người quá nhỏ nên không đáng kể.
Bước 1 - liệt kê dòng ra khỏi khí quyển. Quang hợp của thực vật rút $121$ Gt C; đại dương hấp thụ $90$ Gt C. Tổng dòng ra $= 121 + 90 = 211$ Gt C mỗi năm.
Bước 2 - liệt kê dòng vào khí quyển. Hô hấp và phân giải trên cạn trả lại $118$; đại dương giải phóng $87$; đốt nhiên liệu hoá thạch $9.5$; thay đổi sử dụng đất $1.5$. Tổng dòng vào $= 118 + 87 + 9.5 + 1.5 = 216$ Gt C mỗi năm.
Bước 3 - lấy hiệu. $216 - 211 = 5.0$ Gt C mỗi năm tích thêm trong khí quyển.
Bước 4 - đọc ý nghĩa, chỗ này mới ăn điểm. Hai dòng tự nhiên lớn hơn hẳn dòng nhân tạo: riêng quang hợp và hô hấp đã là $121$ với $118$. Nhưng chúng gần như triệt tiêu lẫn nhau, vì đó là hai chiều của cùng một chu trình. Hai dòng do con người chỉ chiếm $11$ trong tổng $216$, khoảng $5\%$, song không có dòng ngược nào cân lại chúng.
Vì thế lập luận kiểu con người chỉ đóng góp một phần rất nhỏ nên không đáng kể là sai về mặt số học: cái quyết định mức tăng không phải độ lớn của một dòng mà là phần dư sau khi trừ. Bể carbon trong khí quyển khoảng $875$ Gt C, nên mức tăng $5$ Gt mỗi năm tương đương khoảng $0.6\%$ một năm, đủ để đo được rõ ràng qua vài thập niên.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Theme A3–A4 — Diversity, Classification and Ecosystems gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận, ra khó hơn đề thật 30–50%. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.