Mục lục bài họcĐang ở d09-b1
Energy flow, food chains and cycles
The vocabulary
- Producer — an organism that makes its own organic nutrients, usually by photosynthesis;
- Consumer — an organism that gets energy by feeding on other organisms;
- Herbivore, carnivore, omnivore — consumers classified by what they eat;
- Decomposer — an organism that gets energy from dead or waste organic material;
- Trophic level — the position of an organism in a food chain.
Food chains and the direction of the arrow
$$\text{grass}\rightarrow\text{grasshopper}\rightarrow\text{frog}\rightarrow\text{snake}$$The arrow shows the direction of energy flow — from the organism being eaten to the organism eating it. It does not mean "eats". Grass → grasshopper means the grasshopper eats the grass.
A food web is several food chains linked together, which is much more realistic: most animals eat more than one thing.
The 10% rule, and everything that follows from it
Only about 10% of the energy at one trophic level is passed to the next. The other 90% is lost as:
- heat from respiration;
- undigested material lost in faeces;
- excretory products such as urea;
- parts not eaten (bones, roots).
Three important consequences follow directly:
- Food chains are short — usually four or five links. After five levels there is too little energy left to support another population;
- Feeding people on crops supports more people than feeding them on meat, because each extra level throws away 90%;
- Pyramids of energy are never inverted. A level can never contain more energy than the level below it.
Pyramids of numbers and biomass
A pyramid of numbers counts individuals, and it can be inverted: one oak tree supports thousands of insects, so the second bar is wider than the first.
A pyramid of biomass measures total dry mass, and it is usually a proper pyramid — the single oak tree has far more mass than all its insects.
The reason numbers can mislead is that a count ignores size. Energy and biomass do not.
The carbon cycle
- removes $\ce{CO2}$ from the air: photosynthesis;
- returns $\ce{CO2}$ to the air: respiration (of plants, animals and decomposers) and combustion of fuels.
Decomposers matter twice: they return $\ce{CO2}$ to the air, and they return mineral ions to the soil so plants can use them again. Without them, nutrients would stay locked in dead bodies for ever.
Population growth
A population in a new habitat follows a sigmoid (S-shaped) curve:
- lag phase — few individuals, slow growth while they adjust and reproduce;
- exponential (log) phase — resources are plentiful, growth is rapid;
- stationary phase — growth levels off as limiting factors take effect: shortage of food, shortage of space, predation, disease, and build-up of waste.
Bộ từ vựng.
- Sinh vật sản xuất — sinh vật tự tạo ra chất hữu cơ cho mình, thường bằng quang hợp;
- Sinh vật tiêu thụ — sinh vật lấy năng lượng bằng cách ăn sinh vật khác;
- Động vật ăn thực vật, ăn thịt, ăn tạp — phân loại sinh vật tiêu thụ theo thức ăn;
- Sinh vật phân giải — sinh vật lấy năng lượng từ xác chết và chất thải hữu cơ;
- Bậc dinh dưỡng — vị trí của một sinh vật trong chuỗi thức ăn.
Chuỗi thức ăn và chiều của mũi tên.
$$\text{cỏ}\rightarrow\text{châu chấu}\rightarrow\text{ếch}\rightarrow\text{rắn}$$Mũi tên chỉ chiều năng lượng đi — từ sinh vật bị ăn sang sinh vật ăn nó. Nó không có nghĩa là “ăn”. Cỏ → châu chấu nghĩa là châu chấu ăn cỏ.
Lưới thức ăn là nhiều chuỗi thức ăn nối vào nhau, và nó thực tế hơn nhiều: phần lớn động vật ăn nhiều hơn một loại thức ăn.
Quy tắc $10\%$, và mọi thứ suy ra từ nó. Chỉ khoảng $10\%$ năng lượng ở một bậc dinh dưỡng được chuyển lên bậc trên. $90\%$ còn lại mất đi dưới dạng:
- nhiệt do hô hấp;
- chất không tiêu hoá được thải ra trong phân;
- sản phẩm bài tiết như urê;
- những phần không bị ăn (xương, rễ).
Ba hệ quả suy ra thẳng từ đó:
- Chuỗi thức ăn ngắn — thường bốn hoặc năm mắt xích. Sau năm bậc, năng lượng còn lại quá ít để nuôi thêm một quần thể nào nữa;
- Nuôi người bằng cây trồng nuôi được nhiều người hơn nuôi bằng thịt, vì mỗi bậc thêm vào vứt bỏ $90\%$;
- Tháp năng lượng không bao giờ lộn ngược. Một bậc không thể chứa nhiều năng lượng hơn bậc dưới nó.
Tháp số lượng và tháp sinh khối.
Tháp số lượng đếm số cá thể, và nó có thể lộn ngược: một cây sồi nuôi hàng nghìn con côn trùng, nên cột thứ hai rộng hơn cột thứ nhất.
Tháp sinh khối đo tổng khối lượng khô, và nó thường là một hình tháp đúng nghĩa — một cây sồi có khối lượng lớn hơn hẳn toàn bộ côn trùng sống trên nó.
Lý do tháp số lượng gây hiểu lầm: phép đếm bỏ qua kích thước. Năng lượng và sinh khối thì không.
Chu trình cacbon.
- lấy $\ce{CO2}$ khỏi không khí: quang hợp;
- trả $\ce{CO2}$ về không khí: hô hấp (của thực vật, động vật và sinh vật phân giải) và sự đốt cháy nhiên liệu.
Sinh vật phân giải quan trọng ở hai mặt: chúng trả $\ce{CO2}$ về không khí, và chúng trả ion khoáng về đất để cây dùng lại. Không có chúng, chất dinh dưỡng sẽ bị khoá cứng trong xác chết mãi mãi.
Sự tăng trưởng quần thể. Một quần thể trong môi trường mới đi theo đường cong hình chữ S:
- pha tiềm phát — ít cá thể, tăng chậm trong lúc thích nghi và sinh sản;
- pha luỹ thừa — nguồn sống dồi dào, tăng rất nhanh;
- pha ổn định — tăng trưởng chững lại khi các yếu tố hạn chế phát huy tác dụng: thiếu thức ăn, thiếu chỗ ở, bị săn mồi, dịch bệnh, và chất thải tích tụ.
Một cánh đồng cho $10\,000$ đơn vị năng lượng dưới dạng cây trồng. So sánh lượng năng lượng người nhận được khi ăn trực tiếp cây trồng với khi dùng cây trồng nuôi bò rồi ăn thịt bò, và nêu hai hệ quả của kết quả này.
Trường hợp 1 — ăn trực tiếp cây trồng.
Chuỗi thức ăn là: cây trồng → người. Chỉ có một lần chuyển bậc.
Người nhận được khoảng $10\%$ của $10\,000$, tức khoảng $1\,000$ đơn vị năng lượng.
Trường hợp 2 — nuôi bò rồi ăn thịt bò.
Chuỗi thức ăn là: cây trồng → bò → người. Có hai lần chuyển bậc.
Bò nhận khoảng $10\%$ của $10\,000$, tức $1\,000$. Người nhận khoảng $10\%$ của $1\,000$, tức chỉ khoảng $100$ đơn vị.
Kết luận: ăn trực tiếp cây trồng cho nhiều hơn khoảng mười lần.
Vì sao mất mát lớn đến vậy. Ở mỗi bậc, khoảng $90\%$ năng lượng bị mất đi dưới dạng nhiệt do hô hấp, chất không tiêu hoá được thải trong phân, sản phẩm bài tiết như urê, và những phần không bị ăn như xương và da.
Con bò dùng phần lớn năng lượng nó ăn vào để sống — đi lại, giữ ấm, hô hấp — chứ không phải để tăng khối lượng thịt.
Hệ quả thứ nhất — an ninh lương thực. Cùng một diện tích đất trồng trọt nuôi được nhiều người hơn hẳn nếu người ăn trực tiếp cây trồng thay vì qua trung gian gia súc.
Đây là lý do những vùng đông dân và thiếu đất canh tác thường có khẩu phần chủ yếu là ngũ cốc và rau.
Hệ quả thứ hai — chuỗi thức ăn ngắn. Cùng phép tính này áp cho tự nhiên. Sau bốn hoặc năm bậc, năng lượng còn lại quá ít để nuôi thêm một quần thể nào nữa.
Đó chính là lý do không tồn tại chuỗi thức ăn dài mười bậc, và vì sao các loài săn mồi đầu bảng luôn có số lượng rất nhỏ.
Trong chuỗi thức ăn “cây sồi → sâu ăn lá → chim”, tháp số lượng có cột thứ hai rộng hơn cột thứ nhất. Giải thích hiện tượng này, và giải thích vì sao tháp năng lượng không bao giờ lộn ngược như vậy.
Vì sao tháp số lượng lộn ngược được.
Tháp số lượng chỉ đếm số cá thể, và phép đếm hoàn toàn bỏ qua kích thước.
Một cây sồi được tính là “một” — đúng bằng một con sâu. Nhưng cây sồi đủ lớn để nuôi hàng nghìn con sâu ăn lá cùng lúc.
Vì thế cột của bậc dinh dưỡng thứ hai rộng hơn cột thứ nhất, và hình vẽ trông như lộn ngược.
Tháp sinh khối sửa được phần lớn vấn đề này. Sinh khối đo tổng khối lượng khô, nên nó có tính tới kích thước.
Một cây sồi có khối lượng lớn hơn hẳn toàn bộ số sâu sống trên nó, nên tháp sinh khối của chuỗi này là một hình tháp đúng nghĩa.
Vì sao tháp năng lượng không bao giờ lộn ngược.
Lý do nằm ở một nguyên tắc chặt chẽ: năng lượng ở một bậc chỉ có thể đến từ bậc dưới nó, và trong quá trình chuyển giao thì khoảng $90\%$ bị mất đi.
Vậy lượng năng lượng ở mỗi bậc luôn nhỏ hơn bậc dưới. Không có cách nào một bậc chứa nhiều năng lượng hơn nguồn cấp cho nó — điều đó vi phạm chính định luật bảo toàn năng lượng.
So sánh ba loại tháp. Tháp số lượng có thể lộn ngược vì nó bỏ qua kích thước. Tháp sinh khối hiếm khi lộn ngược, nhưng vẫn có thể ở một số hệ thuỷ sinh nơi tảo sinh sản cực nhanh và bị ăn hết liên tục nên khối lượng đo được tại một thời điểm rất nhỏ.
Tháp năng lượng thì không bao giờ, vì nó đo dòng năng lượng qua cả một khoảng thời gian chứ không đo trạng thái tại một thời điểm.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Organisms and Their Environment, Human Influences and Biotechnology gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.