Hình 12. Quan hệ giữa vòng đại tuần hoàn địa chất và vòng tiểu tuần hoàn sinh học

Cũng từ thời điểm này, sinh vật tiến hoá một cách mạnh mẽ, sức sản xuất tăng lên gấp bội, cung cấp đủ và dư thừa thức ăn cho nhiều loài khác.

Quá trình tổng hợp các chất được tiến hành bằng 2 phương thức: Quang hợp và tổng hợp.

a. Quá trình quang hợp.

* Quang hợp ở cây xanh:

Những cây xanh sống trên Trái Đất có khả năng quang hợp, mỗi năm sản xuất ra khoảng 100 tỷ tấn chất hữu cơ để nuôi sống những nhóm sinh vật khác. Trong quang hợp, diệp lục (Chlorophyl) đóng vai trò như một chất xúc tác, giúp cây xanh sử dụng được năng lượng Mặt Trời và biến đổi Cacbon dioxit (CO₂) và nước thành Cacbon hydrat và thải ra khí O₂ phân tử theo phương trình (1) và (2)

(1)

(2)

Các hợp chất sinh học thường được sử dụng như là nhiên liệu cho hô hấp tế bào ở cây xanh theo phương trình:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O 6CO₂ + 12H₂O + Năng lượng

Và như vậy, CO₂ lại trở lại khí quyển qua quá trình hô hấp tế bào.

Những vi khuẩn có màu đều có khả năng tiếp nhận năng lượng ánh sáng Mặt Trời để thực hiện quá trình quang hợp. Vi khuẩn quang hợp chủ yếu sống trong môi trường nước (nước ngọt và nước mặn). Chúng thường đóng vai trò không đáng kể trong việc sản xuất nguồn thức ăn sơ cấp, song chúng lại có thể hoạt động trong những điều kiện không thích hợp đối với các loài cây khác.

Hô hấp là tập hợp các phản ứng biểu diễn quá trình chuyển hóa năng lượng sống bên trong cơ thể sinh vật và sinh quyển nhờ kết hợp với oxy của khí quyển. Có thể chia hô hấp thành ba loại:

- Hô hấp bằng oxy của không khí hoặc sự thở của động thực vật trong khí quyển. Trong quá trình này, hydrocacbon, mỡ, protein bị oxy hóa để giải phóng năng lượng cung cấp cho hoạt động sống của sinh vật. Theo sự tính toán thì lượng oxy giải phóng từ quá trình quang hợp lớn hơn lượng oxy cần để thở từ 20 -30 lần. Thông thường thành phần không khí hít vào phổi người chứa 21% oxy và 0,03% CO₂, còn không khí lúc thở ra có thành phần 16% oxy và 4% CO₂. Mỗi ngày 1 người tạo ra khoảng 0,5m³ khí CO₂. Thực vật hô hấp để tạo ra năng lượng sống, cường độ hô hấp của thực vật thường tập trung vào ban đêm.

- Lên men là quá trình phân hủy của vật chất hữu cơ dưới tác dụng của các vi khuẩn. Trong quá trình này các phân tử đường glucozo biến đổi thành rượu và giải phóng CO₂:

Như vậy, quang hợp và hô hấp là hai khía cạnh khác nhau của quá trình chuyển hóa năng lượng. Dưới góc độ nhiệt động học, quang hợp là quá trình tạo ra các hợp chất trật tự từ các hợp chất đơn giản. Đây là quá trình không tự diễn biến mà được thực hiện dưới tác động của ASMT. Trong khi đó hô hấp là quá trình phân hủy hợp chất từ phức tạp đến đơn giản. Đây là quá trình tự diễn ra, không cần bổ sung năng lượng từ bên ngoài.

Quang hợp và hô hấp thực hiện một vòng chuyển hóa khép kín năng lượng trong sinh vật và sinh quyển. Chúng tạo ra và duy trì các điều kiện môi trường bình thường của trái đất.

c. Quá trình tổng hợp

Quá trình tổng hợp với sự tham gia của một số nhóm vi khuẩn không cần ánh sáng Mặt Trời, song lại cần ôxy để ôxy hoá các chất. Các vi khuẩn hoá tổng hợp lấy năng lượng từ phản ứng ôxy hoá các hợp chất vô cơ để chuyển CO₂ vào trong thành phần của chất tế bào. Những hợp chất vô cơ đơn giản trong hoá tổng hợp được biến đổi. Ví dụ, amoniac thành nitrat trong quá trình nitrat hoá; sunphit thành lưu huỳnh; sắt hai thành sắt ba,... với sự tham gia của các nhóm vi khuẩn Beggiatoa (ở nơi giàu sunphat) và Azotobacter,...

Vi khuẩn hoá tổng hợp chủ yếu tham gia vào việc sử dụng lại các hợp chất cacbon hữu cơ chứ không tham gia vào việc tạo nguồn thức ăn sơ cấp. Nói cách khác, chúng sống nhờ vào những sản phẩm phân huỷ của các chất hữu cơ được tạo ra bởi quá trình quang hợp của cây xanh hay vi khuẩn quang hợp khác.

Phần lớn thực vật bậc cao (thực vật có hạt) và nhiều loài tảo chỉ sử dụng những chất vô cơ đơn giản để sinh sống nên chúng là những sinh vật hoàn toàn tự dưỡng (Autotrophy), song một số ít loài tảo lại cần chất hữu cơ tương đối phức tạp để tăng trưởng do chúng không có khả năng tổng hợp. Những loài khác lại cần 2 hoặc 3 hoặc nhiều chất tăng trưởng như thế. Do đó, chúng là những sinh vật dị dưỡng một phần (Heterotrophy). Những loài đứng ở vị trí trung gian giữa sinh vật tự dưỡng và sinh vật dị dưỡng thường được gọi là sinh vật "nửa tự dưỡng".

Tất nhiên, trong phạm vi rộng của sự tiến hoá, người ta chia sinh vật ra thành 2 dạng chính liên quan tới đặc điểm dinh dưỡng: Sinh vật tự dưỡng và sinh vật dị dưỡng, còn các dạng trung gian khác, tuy cũng có những giá trị nhất định trong sinh giới, song chúng không đặc trưng, không phổ biến.

2.4.3. Năng lượng và sinh khối

Ánh sáng Mặt Trời là nguồn năng lượng vô tận. Nhờ năng lượng đó mà sinh vật đã xuất hiện, giúp cho sinh quyển phong phú về các loài.

Với tổng năng lượng nhận được ở lục địa, thực vật xanh đã sử dụng từ 0,2 - 1% để quang hợp và cung cấp khoảng 8,3 x 10¹⁰ tấn chất hữu cơ/năm và các sản phẩm phân huỷ. Còn đại bộ phận năng lượng còn lại được chuyển trực tiếp thành nhiệt năng và bức xạ nhiệt của các vật thể trên mặt đất.

Trong sinh quyển, sinh khối (Biomass) có ý nghĩa rất quan trọng. Đó là tổng trọng lượng của sinh vật sống trong sinh quyển hoặc số lượng sinh vật sống trên một đơn vị diện tích (m²; ha; km²), thể tích của vùng. Khối lượng sinh khối trong sinh quyển ước tính là n.10¹⁴ - 2.10¹⁶ tấn. Trong đó, riêng ở đại dương hiện có 1,1. 10⁹ tấn sinh khối thực vật và 2,89. 10¹⁰ tấn sinh khối động vật. Phần chủ yếu của sinh khối tập trung trên lục địa với ưu thế nghiêng về phía sinh khối thực vật. Sinh khối của Trái Đất hiện chiếm một tỷ lệ nhỏ so với trọng lượng của toàn bộ Trái Đất và rất bé so với thạch quyển. Tuy nhiên, trong thời gian địa chất lâu dài, từ khi xuất hiện vào khoảng 3 tỷ năm trước đây, sinh khối Trái Đất đã thực hiện một chu trình biến đổi mạnh mẽ một khối lượng lớn vật chất trên Trái Đất. Sinh khối có mặt trên hầu hết các loại đất, đá, trầm tích, biến chất và các khoáng sản trầm tích của Trái Đất dưới dạng vật chất hữu cơ. Theo tính toán của các nhà khoa học, tổng khối lượng vật chất hữu cơ trong toàn bộ các đá trầm tích vào khoảng 3,8. 10¹⁵ tấn.

2.4.4. Hệ sinh thái (HST)

HST là tổ hợp của một quần xã sinh vật với môi trường vật lý xung quanh nơi mà quần xã đó tồn tại. Trong đó các sinh vật, môi trường tương tác với nhau để tạo nên chu trình vật chất và sự chuyển hóa của năng lượng. Nói cách khác HST bao gồm các sinh vật sống và các điều kiện tự nhiên (môi trường vật lý) như ánh sáng, nước, nhiệt độ, không khí,... ở đây các yếu tố trong HST luôn tác động qua lại lẫn nhau và xảy ra quá trình trao đổi năng lượng, vật chất và thông tin. Có thể minh họa hệ sinh thái bằng công thức toán học như sau:

Một hệ thống có thể được xác định như một tập hợp các đối tượng, hoặc các thuộc tính như kích cỡ, hình dạng, được liên kết với nhau bằng nhiều mối tương tác. Trong hệ sinh thái, tính hệ thống được thể hiện chủ yếu là mối quan hệ tương hỗ giữa sinh vật với môi trường. Có hai loại hệ thống cơ bản:

- Hệ thống kín trong đó vật chất, năng lượng và thông tin chỉ trao đổi trong ranh giới của hệ thống.

- Hệ thống hở: Là hệ thống mà trong đó năng lượng, vật chất và thông tin trao đổi qua ranh giới của hệ thống. Vật chất, năng lượng và thông tin đi vào được gọi là dòng vào (input), đi ra được gọi là dòng ra (output) và dòng vật chất, năng lượng, thông tin trao đổi giữa các thành phần trong hệ thống gọi là dòng nội lưu (inner flow). Trừ vũ trụ ra thì tất cả các hệ thống tự nhiên bao gồm tất cả các hệ sinh thái đều là những hệ thống hở.

Hệ sinh thái luôn là một hệ thống hở và tự điều chỉnh, bởi vì trong quá trình tồn tại và phát triển, hệ sinh thái thường xuyên phải tiếp nhận vật chất, năng lượng, thông tin và cả những sức ép, cú xốc (stress) từ môi trường. Điều này làm cho hệ sinh thái khác biệt với các hệ thống vật chất khác có trong tự nhiên và tạo cho hệ sinh thái có hai tính chất đặc thù, đó là:

- Tính chất tự cân bằng (Homestasis) nghĩa là khả năng hệ sinh thái phản kháng lại các thay đổi và giữ được trạng thái cân bằng.

- Năng lực chịu tải (Carrying capicity), nghĩa là khả năng của các hệ sinh thái có thể gánh chịu những sức ép, những cú xốc trong những điều kiện khó khăn nhất.

* Độ lớn của HST: Các HST có quy mô lớn nhỏ khác nhau; có HST nhỏ (bể nuôi cá), HST vừa (hồ nước hay 1 thảm thực vật rừng), HST lớn (đại dương). Tập hợp tất cả các HST trên bề mặt trái đât là 1 HST khổng lồ là sinh thái quyển (sinh quyển). Ranh giới HST trong tự nhiên không rõ ràng, ngoại trừ một số trường hợp như các đảo, hồ nước hoặc cánh rừng trên vùng đồng bằng.

Trong hệ sinh thái vật chất, năng lượng và thông tin đi vào được gọi là dòng vào (input), đi ra được gọi là dòng ra (outout), dòng vật chất, năng lượng, thông tin trao đổi giữa các thành phần trong hệ được gọi là dòng nội lưu.

* Tính phản hồi: HST luôn là một hệ thống hở và tự điều chỉnh, bởi vì trong quá trình tồn tại và phát triển HST thường xuyên tiếp nhận vật chất, năng lượng, thông tin và cả những sức ép, cú sốc (stress) từ môi trường. Do vậy, HST có khả năng tự cân bằng, nghĩa là khả năng HST phản kháng lại các thay đổi và giữ được trạng thái cân bằng. Ngoài ra HST còn có khả năng chịu tải, nghĩa là khả năng của HST gánh chịu những sức ép, những cú sốc trong những điều kiện khó khăn nhất.

Tuy nhiên tính phản hồi của HST cũng chỉ ở mội giới hạn nhất định, nếu quá giới hạn đó, vượt quá sức chịu đựng của hệ, hệ sẽ không tự điều chỉnh được và cuối cùng bị suy thoái và hủy diệt.

Sinh thái học hiện đại phải nghiên cứu cấu trúc và chức năng của những HST 4 chiều (hình 13)

Theo hình 13 thì bộ phận trung tâm là dòng năng lượng và chu trình thức ăn, qua bộ phận này thực hiện mọi chức năng của hệ.

Một hệ sinh thái điển hình được cấu trúc bởi các thành phần sau đây:

- Sinh vật sản xuất (Producer)

- Sinh vật tiêu thụ (Consumer)

- Sinh vật phân huỷ (Decomposer)

- Các chất hữu cơ (Prôtêin, lipit, gluxit, vitamin, enzym, hoocmon,...)

- Các chất vô cơ (CO₂, O₂, H₂O, các chất dinh dưỡng khoáng).

- Các yếu tố khí hậu (nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, giáng thuỷ,...)

Thực chất, 3 thành phần đầu chính là quần xã sinh vật, còn 3 thành phần sau là môi trường vật lý mà quần xã đó sử dụng để tồn tại và phát triển.

Ở đây, năng lượng Mặt Trời thông qua quang hợp ở cây xanh và một số giới hạn nấm và vi khuẩn là những sinh vật tự dưỡng hay sinh vật sản xuất. Chúng đã chuyển hoá những phần tử vô cơ như CO₂, H₂O thành các dạng vật chất hoá học (những đại phân tử hữu cơ đặc trưng cho chất sống). Chính năng lượng Mặt Trời, bằng quang hợp đã liên kết các phân tử nhỏ vô cơ thành những phân tử hữu cơ lớn, phức tạp. Nhờ hoạt động quang hợp và ở phạm vi nhỏ là hoá tổng hợp của sinh vật sản xuất mà nguồn thức ăn được tạo thành để nuôi sống trước hết cho sinh vật sản xuất, sau đó là những sinh vật khác, kể cả con người.

2.4.4.3. Các mối quan hệ giữa các quần thể sinh vật

Trong sinh quyển, mối quan hệ giữa các loài là rất đa dạng và được thể hiện qua các mối quan hệ sau:

Quan hệ cạnh tranh khác loài được thể hiện rất rõ nét, khi các loài khác nhau có cùng nhu cầu thức ăn, nơi ở. Những loài sinh vật càng có quan hệ sinh thái gần nhau (có nhu cầu sinh thái càng giống nhau) thì giữa chúng có quan hệ cạnh tranh càng gay gắt. Nhiều nhà sinh thái học cho rằng, quan hệ cạnh tranh đóng vai trò chủ yếu trong mối quan hệ của các loài trong quần xã.

Là quan hệ trong đó loài này (vật ký sinh) sống nhờ vào mô hoặc thức ăn được tiêu hoá của loài khác (vật chủ). Vật ký sinh có thể là nấm, vi khuẩn, động vật nguyên sinh, giun tròn, sán lá, bét, sâu bọ. Vật chủ có thể là thực vật, giáp xác, chân đều, nhện, các loài động vật có xương sống trong đó có người.

Trong một số trường hợp, nếu vật kí sinh trên lá vật chủ song chỉ với một số lượng vừa phải, nó sẽ kích thích quá trình tăng trưởng của cây vật chủ, làm lợi cho cây. Điều này giống với quan hệ sinh vật ăn thịt con mồi, mặt khác vật chủ và vật ký sinh đều có những thích nghi nhất định, hoặc tăng cường khả năng ký sinh, hoặc tăng cường đặc tính miễn dịch của vật chủ.

d. Quan hệ cảm nhiễm:

Quan hệ ức chế cảm nhiễm là quan hệ giữa các loài sinh vật, trong đó loài này ức chế sự phát triển hoặc sự sinh sản của loài khác bằng cách tiết vào môi trường những chất độc. Rễ của nhiều loài thực vật tiết ra những hợp chất khác nhau mà người ta thường gọi là phytônxit. Ví dụ: Tảo giáp Gonyaulax gây ra hiện tượng "nước đỏ" bằng cách tiết ra những chất hoà tan có thể gây ra tử vong cho một số lớn loài động vật trên bề mặt khá rộng.

Quan hệ cộng sinh là quan hệ hợp tác giữa 2 loài sinh vật trong đó cả 2 bên đều có lợi, song mỗi bên chỉ có thể sống, phát triển và sinh sản được dựa vào sự hợp tác của bên kia. Quan hệ cộng sinh phổ biến ở nhiều loài sinh vật.

Cũng giống như quan hệ cộng sinh song 2 loài không nhất thiết phải thường xuyên sống chung với nhau: Khi sống tách riêng chúng vẫn tồn tại được. Ví dụ: Quan hệ hợp tác giữa chim sáo và trâu, sự hợp tác này giúp cho mỗi bên bảo vệ có hiệu quả hơn trước kẻ thù.

Ở thực vật có hiệu quả bầu rễ (Rhizosphere): Là hiệu quả hệ rễ của một thực vật bậc cao lên hệ vi sinh vật sống xung quanh hệ rễ. Những chất tiết của hệ rễ làm hệ vi sinh ở xung quang phát triển phong phú hơn.

i. Quan hệ hội sinh:

Quan hệ hội sinh là quan hệ giữa 2 loài sinh vật nhưng chỉ một bên có lợi, còn bên kia không có lợi và cũng không có hại gì.

Ví dụ: Cây biểu sinh như địa y sử dụng cành cây làm giá thể, hoặc nhiều loài động vật không xương sống và sâu bọ sống nhờ trong tổ kiến mối (hiện tượng ở gửi) hoặc cá bám vào rùa để được phát tán đi xa (hiện tượng phát tán nhờ).

k. Sự cùng phát triển:

Đôi khi hai loài khác nhau phát triển một quần hợp thân thiện sao cho cùng với thời gian quá trình tiến hoá của mỗi loài đều được tác động tốt. Sự cùng tiến hoá là sự sự tiến hoá phụ thuộc lẫn nhau của 2 hoặc nhiều loài được diễn ra nhờ tác động tương hỗ của chúng. Những thực vật ra hoa và những động vật thụ phấn của chúng là 1 ví dụ điển hình về sự cùng phát triển. Bởi thực vật có rễ ăn sâu xuống đất, chúng thiếu tính cơ động trong khi động vật lại có khi thụ phấn. Ong, bướm và một số côn trùng thường mang phấn hoa đực từ cây này đến cây khác và như vậy, thực tế là làm cho thực vật có tính cơ động.

Trong quá trình hàng triệu năm các quần hợp này đã phát triển, những cây có hoa phát triển nhiều cách để lôi cuốn các động vật thụ phấn. Một trong những món quà đối với động vật là thức ăn - mật hoa và phấn hoa. Các cây thường sản xuất một loại thức ăn đặc thù cho mỗi loài động vật thụ phấn. Mật hoa được ong thụ phấn, thường chứa từ 30% - 35% đường, một nồng độ mà ong rất cần để tạo mật. Những con ong sẽ không đến những hoa có nồng độ đường trong mật hoa thấp hơn. Nhiều thực vật cũng phát triển nhiều phương thức khác để gây hấp dẫn đối với các động vật thụ phấn, nhất là về màu sắc và hương thơm. Những động vật thụ phấn khác nhau tiếp nhận màu sắc khác nhau. Côn trùng ưa thích bước sóng từ màu xanh da trời và vàng của phổ ánh sáng nhìn thấy được phát ra từ Mặt Trời và không chấp nhận màu đỏ.

Hương thơm cũng là một phương thức có hiệu quả để lôi kéo động vật thụ phấn. Côn trùng phát triển tốt giác quan mùi vị. Nhiều loài hoa được côn trùng thụ phấn có hương thơm rất mạnh.

CHƯƠNG 3. CÁC NGUYÊN LÝ SINH THÁI HỌC

ỨNG DỤNG TRONG KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

3.1. Sự sống và sự tiến hóa của sinh vật

Theo các tư liệu khoa học được biết hiện nay trên TĐ là nơi duy nhất có sự sống phát triển cao và con người. Sự hình thành và phát triển TĐ liên quan chặt chẽ với quá trình hình thành TĐ nói riêng và toàn bộ Thái Dương hệ và cũng như vũ trụ nói chung. Sự hình thành và phát triển sự sống trên TĐ có thể minh họa theo sơ đồ:

- Khả năng tái sinh – tạo ra các vật thể giống mình

- Khả năng trao đổi chất – tiếp nhận, phân giải và tổng hợp vật chất mới và nguồn năng lượng cần thiết cho vật sống.

- Khả năng tăng trưởng theo thời gian

- Khả năng thíc nghi để phù hợp với điều kiện môi trường sống

- Sự tiến hóa của các cá thể và quẩn thể sinh vật.

Sự tiến hóa của sinh vật được hình thành theo 2 cơ chế như sau:

- Biến dị di truyền là sự xuất hiện các cá thể với gen di truyền mới trong quần thể sinh vật dưới tác động của các hiện tượng tự nhiên và nhân tạo trong môi trường.

- Chọn lọc tự nhiên của môi trường tạo ra điều kiện cho sự phát triển chiếm ưu thế của cá thể gen mới.

Trong bất cứ thời điểm nào, các quần thể sinh vật đều có những cá thể với gen mới xuất hiện. Nếu cá thể gen mới có những ưu thế phát triển hơn cá thể gen cũ thì theo thời gian chúng sẽ dần thay đổi dần cá thể gen cũ. Ngược lại, cá thể gen mới sẽ bị môi trường tiêu diệt.

Theo mức độ tến hóa sinh vật trên TĐ có thể chia thành 5 giới:

- Giới đơn bào (Monera) xuất hiện khoảng 3 tỷ năm trước đây như: tảo lam, vi khuẩn,.

- Giới đơn bào (Protista) như lỵ amip

- Giới nấm, men, mốc có chức năng phân hủy xác chết, biến chúng thành các chất dinh dưỡng.

- Giới thực vật có khả năng tổng hợp chất hữu cơ từ ánh sáng mặt trời và các chất vô cơ tích lũy trong năng lượng mặt trời.

- Giới động vật có chức năng tiêu thụ năng lượng sinh khối và khả năng tự di chuyển trong môi trường.

3.2. Những vấn đề chung về sinh thái học

Sinh thái học là khoa học cơ sở cho công tác quản lý tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường. Sinh thái học bao gồm:

* Sinh thái học cá thể: là việc nghiên cứu mối quan hệ của một số cá thể của loài đối với môi trường, mà chủ yếu là về phương diện hình thái, tìm hiểu phương thức sống của động vật và thực vật như: kích thước, nơi ăn ở, chúng ăn cái gì và làm mồi cho con gì, cũng như phản ứng sinh lý của chúng với những điều kiện môi trường hoặc những đặc điểm riêng biệt của chúng.

* Sinh thái học quầng thể: là nghiên cứu về cấu trúc và sự biến động số lượng của nhóm cá thể thuộc một loài nhất định cùng sống chung với nhau ở một vùng lãnh thổ theo một sinh cảnh địa lý. Quần thể có cấu trúc (tỷ lệ đực/cái; thành phần các lứa tuổi,...) thích ứng với điều kiện môi trường ở một vùng nào đó. Sinh thái học quần thể cũng nghiên cứu mối quan hệ sinh thái giữa các cá thể trong nội bộ quần thể (sự tương trợ, sự đấu tranh,..), sự biến động về số lượng của các cá thể trong quần thể dưới tác động của điều kiện môi trường, tìm ra nguyên nhân của sự biến động đó và đây là một trong các nội dung quan trọng của di truyền học.

* Sinh thái học quần xã: là nghiên cứu mối quan hệ sinh thái giữa các cá thể khác loài và sự hình thành những mối quan hệ sinh thái đó. Nội dung sinh thái học quần xã được nghiên cứu trên 2 phương diện:

- Phương diện hình thái: nghiên cứu cấu trúc của quần xã và những đặc điểm của nó (thành phần loài, đặc trưng của quần xã, mối quan hệ giữa các cá thể trong quần xã,..).

- Phương diện chức năng: mô tả diễn thế của quần xã, tìm ra nguyên nhân của nó. Nghiên cứu sự chuyển hóa vật chất và năng lượng trong quần xã và giữa quần xã với điều kiện môi trường.

Như vậy nghiên cứu sinh thái học là nghiên cứu về mối quan hệ của sinh vật với môi trường. Nghiên cứu về tổ chức của thế giới sinh vật như thế nào, mức độ tổ chức của chúng theo một cấu trúc ra sao?.

* Một số thuật ngữ sinh thái học:

- Quần thể: là bao gồm các cá thể cùng một loài sống chung với nhau ở một vùng lãnh thổ.

- Quần xã: bao gồm tất cả những cơ thể sống được tìm thấy trong một môi trường đặc trưng. Bao gồm tất cả các quần thể của những loài khác nhau sống chung với nhau ở một vùng lãnh thổ.

- Hệ sinh thái: một quần xã và môi trường của nó, bao gồm tất cả các mối quan hệ tương hỗ giữa sinh vật và môi trường vật lý bao quanh giữa chúng với nhau.

- Sinh quyển: gồm tất cả những cơ thể sống trên TĐ hoặc tất cả các quần xã trên Trái Đất.

- Sinh thái quyển: gồm tất cả những cơ thể sống trên TĐ và các tác động tương hỗ của chúng với nhau và với đất đai, nước và không khí hoặc TĐ là một Hệ sinh thái khổng lồ.

3.3. Cấu trúc sự sống trên trái đất

Các sinh vật trên TĐ liên quan chặt chẽ với nhau, gắn bó với nhau trong một hệ thống phức tạp và nhiều bậc. Mức độ cao nhất là Sinh quyển  Sinh đới  Hệ sinh thái  Quần xã quần thể sinh vật  các cá thể sinh vật.

* Sinh quyển (Biosphere): là một quyển đặc biệt của TĐ, ở đó tồn tại sự sống. Sinh quyển chiếm không gian của toàn bộ thủy quyển, khí quyển (tầng đối lưu), thạch quyển (cho tới nhiệt độ dưới 100⁰C). Sinh quyển được cấu tạo từ các vật chất của TĐ với thành phần hóa học chủ yếu là 3 nguyên tố: C, H, O. Năng lượng cung cấp cho sinh quyển được lấy từ mặt trời, một phần năng lượng đó được tích lũy dưới dạng năng lượng hóa thạch như: than đá, dầu mỏ, khí đốt. Sinh quyển được chia làm những vùng đặc thù về khí hậu, hệ động vật và kiểu đất gọi là sinh đới. Mỗi kiểu sinh đới có diện tích rộng hàng triệu km².

Trên TĐ có khoảng 12 sinh đới (biom). Không gian của sinh đới được xác định bởi nhiệt độ, lượng mưa và sự phong phú các loài động thực vật. Trong mỗi sinh đới tồn tại các hệ sinh thái ổn định tương tác phức tạp với nhau. Con người là một sinh vật trong các sinh đới, tham gia tích cực vào các tương tác này. Ở xã hội nguyên thủy, con người hòa nhập vào tự nhiên, ở xã hội phát triển, xã hội công nghiệp con người làm cho sự phát triển tự nhiên mất cân bằng. Đặc điểm chủ yếu của các sinh đới trên Trái đất như sau:

* Sinh đới Tundra (đồng rêu vùng cực) có những đặc điểm sau:

- Phân bố ở vùng cực thuộc Bắc cực và Nam cực

- Nhiệt độ của sinh đới thường lạnh quanh năm (trừ 3 tháng mùa hè)

- Thực vật nghèo nàn, gồm: rêu, địa y và cây bụi thấp hỗn hợp.

- Động vật nghèo nàn, gồm: cáo xanh, hươu tuần lộc, hươu kéo xe,, chim cánh cụt, gấu trắng, chim vãng lai, bò sát và ếch nhái rất hiếm.

Cụ thể: mùa sinh trưởng với nhiệt độ ấm hơn rất ngắn, dao động từ 50 - 160 ngày phụ thuộc vào từng khu vực. Ngày rất dài, ở nhiều nơi vào giữa mùa hè, Mặt Trời không lặn liền trong một số ngày. Đất đai bị đông cứng, số lượng loài thực vật rất ít, chủ yếu là rêu, địa y và cỏ bông lau, phong lùn và liễu miền cực cao không quá 30 cm. Động vật đặc trưng cho vùng là hươu tuần lộc (Rangifer tarandus), hươu kéo xe (R. caribou), thỏ, chó sói Bắc cực, gấu trắng Bắc cực, chim cánh cụt,... Chúng có thời gian ngủ đông dài, nhiều loài chim sống thành từng bầy lớn, di cư xa xuống vùng vĩ độ thấp để tránh rét mùa đông.

* Sinh đới đỉnh núi cao có các đặc điểm như sau:

- Phân bố trên đỉnh núi cao, lạnh và áp suất thấp.

- Thực vật phân bố thành đai thẳng đứng theo độ cao và hướng về phía ánh sáng mặt trời. Nhiệt độ trung bình về ban đêm là nhân tố sinh thái quan trọng nhất của sinh đới.

- Động vật đa dạng, phân bố theo các đai thảm thực vật và độ cao. Chim thú hiếm gặp, các loài động vật khác rất phong phú, được phân bố theo sự phân bố của thực vật.

* Sinh đới rừng có những đặc điểm như sau:

Đặc trưng của các sinh đới rừng là cấu trúc phân tầng với ba tầng chính là cây bụi, cây gỗ, cỏ. Động vật rất đa dạng, đặc biệt là động vật sống trên đất. Sinh đới rừng có 2 kiểu chính là rừng ôn đới và rừng rậm nhiệt đới.

- Rừng ôn đới: phân bố ở vùng có khí hậu ôn đới.

+ Thực vật rừng ôn đới khá đa dạng, gồm các loài câu thân gỗ, cây lá kim, sồi, giẻ, thông, bạch dương. Tổng sinh khối của sinh đới rừng ôn đới khá lơn, đặc biệt là sinh khối gỗ.

+ Động vật rừng ôn đới rất đa dạng, gồm các loài thú ăn cỏ, thú ăn thịt, thú sống trên cây, thú gặm nhấm, chim các loại, côn trùng, có nhiều loài thú lớn như hổ, báo, gấu,...

- Rừng rậm ôn đới: phân bố chủ yếu ở vùng nhiệt đới thuộc Nam Mỹ, Trung Phi, Nam Á và Đông Nam Á. Rừng nhiệt đới có các đặc điểm sau:

+ Thực vật rất phong phú và đa dạng, đặc biệt có nhiều loài cây dây leo, cây kí sinh. Ở vùng ven biển và cửa sông có các khu rừng ngập mặn.

+ Động vật của rừng nhiệt đời rất phong phú và đa dạng, có nhiều loài sống trên cây, côn trùng, bò sát và ếch nhái,...

+ Tổng sinh khối của rừng nhiệt đới rất lớn, nhưng sinh khối gỗ lại vừa phải. Tốc độ phát triển sinh khối trong rừng nhiệt đói thường rất cao. Tốc độ luân chuyển vật chất trong toàn bộ hệ sinh thái lớn.

* Sinh đới thảo nguyên: Sinh đới thảo nguyên thường phân bố ở vùng có mùa khô kéo dài, lượng mưa nhỏ và có các đặc điểm như sau:

- Thực vật gồm các loài có kích thước bé như cây hòa thảo với bộ rễ phát triển.

- Động vật chủ yếu là các loài ăn cỏ như; lừa, bò, sơn dương và các loài thú ăn thịt như: hổ, báo, sư tử.

- Sinh đới này có tổng sinh khối nhỏ, thíc hợp với hoạt động chăn nuôi.

* Sinh đới savan: Sinh đới này phát triển ở vùng nhiệt đới có lượng mưa nhỏ, có các đặc điểm như sau:

- Thực vật của sinh đới tương đối phong phú, bao gồm các loài cây họ hòa thảo, các loài cây gỗ như: keo, bao báp và cây cỏ dại, cây xương rồng.

- Động vật khá phong phú với các loài ăn cỏ, ăn thịt cỡ lớn như sư tử, hổ, báo, voi và đà điểu, động vật không xương sống và kiến mối.

* Sinh đới sa mạc: Sinh đới nỳ phát triển và phân bố ở các vùng có khí hậu khô hạn như: Bắc Phi, Trung Quốc, Úc và có những đặc điểm sau:

- Thực vật sa mạc rất nghèo nàn với các nhóm cây có bộ rễ phát triển và chu kì sinh trưởng ngắn ngày theo mùa.

- Động vật cũng rất nghèo, gồm một vài loài thú vãng lai, côn trùng và bò sát.

* Các sinh đới vùng nước và các sinh đới thủy: Sinh đới thủy sinh gồm đới thủy vực nước ngọt, thềm lục địa, đáy biển,...

- Các sinh đới thủy sinh thường có những đặc trưng riêng, phân bố theo độ sâu, nhiệt độ, độ mặn, độ đục và chất lượng nước.

- Các nhân tố sinh thái chủ yếu quyết định đặc điểm của sinh đới là tốc độ dòng chẩy, thành phần trầm tích đáy, hàm lượng khí O₂ hòa tan, áp suất, hàm lượng các chất dinh dưỡng và độ mặn.