- Ý nghĩa của nước đối với sinh vật: Sau nhân tố nhiệt độ, nước (độ ẩm) là một nhân tố sinh thái vô cùng quan trọng. Trong lịch sử phát triển của sinh giới trên bề mặt trái đất luôn luôn gắn liền với môi trường nước. Các sinh vật đầu tiên xuất hiện trong môi trường nước. Quá trình đấu tranh lên sống ở cạn, chúng cũng không tách khỏi môi trường nước; nước cần thiết cho quá trình sinh sản. Sự kết hợp của các giao tử hầu hết được thực hiện trong môi trường nước, nước cần thiết cho quá trình trao đổi chất. Nước chứa trong cơ thể sinh vật một hàm lượng rất cao, từ 50 - 90% khối lượng cơ thể sinh vật là nước, có trường hợp nước chiếm tỷ lệ cao hơn, tới 98% như ở một số cây mọng nước, ở ruột khoang (ví dụ: thủy tức).
Nước là nguyên liệu cho cây trong quá trình quang hợp tạo ra các chất hữu cơ. Nước là môi trường hoà tan chất vô cơ và phương tiện vận chuyển chất vô cơ và hữu cơ trong cây, vận chuyển máu và các chất dinh dưỡng ở động vật.
Nước tham gia vào quá trình trao đổi năng lượng và điều hòa nhiệt độ cơ thể.
Cuối cùng nước giữ vai trò tích cực trong việc phát tán nòi giống của các sinh vật, nước còn là môi trường sống của nhiều loài sinh vật.
Các dạng nước trong khí quyển và tác dụng của chúng đối với sinh vật :
- Mù (sương mù): gồm những giọt nước nhỏ li ti xuất hiện vào lúc sáng sớm trong điều kiện trời trong, gió lặng thành một tấm màn trắng trải dài trên mặt đất và sẽ tan đi khi mặt trời mọc. Ở những nơi có thảm thực vật dày đặc (rừng, đồng cỏ, savan) có nhiều mù. Mù có tác dụng làm tăng độ ẩm không khí, thuận lợi cho sự sinh trưởng của thực vật và sâu bọ.
- Sương: sương thường được hình thành vào ban đêm. Đối với thực vật sương có tác động tốt vì đó là nguồn bổ sung độ ẩm cho cây khi trời khô nóng, cây thường bị héo. Đối với những vùng khô hạn như núi đá vôi, sa mạc, sương là nguồn cung cấp nước chủ yếu cho sinh vật trong vùng.
- Sương muối: được hình thành trong điều kiện thời tiết khô lạnh vào ban đêm, thành những tinh thể trắng như muối. Sương muối gây tổn hại lớn cho thực vật nhất là các loài cây trồng.
- Mưa. Đóng vai trò quan trọng nhất trong việc cung cấp nước cho các cơ thể sống. Có các dạng như sau :
+ Mưa rào : thường xuất hiện ở các vùng nhiệt đới, thời gian mưa không kéo dài nhưng lượng nước lớn. Tuy cung cấp rất nhiều nước nhưng mưa rào cũng gây nhiều thiệt hại như các chồi non của cây bị hư thối, ngăn chặn sự nảy mầm của hạt giống và các chồi mầm dưới đất do mưa lớn làm lớp đất mặt bị nén chặt. Hoạt động của hệ động vật và vinh sinh vật ở trong đất bị xáo trộn; nơi ở của nhiều loài động vật bị phá hủy (hang, ổ). Ngoài ra mưa lớn còn gây ra nạn xói mòn và rửa trôi lớp đất mặt và đất bị thoái hóa thành đất lateritic.
+ Mưa đá: thường xuất hiện vào mùa nóng, gây tác hại đối với thực vật, nhất là cây trồng và động vật.
+ Mưa phùn: cung cấp một lượng nước ít cho cây nhưng kéo dài nhiều ngày nên duy trì được độ ẩm, hạn chế được sự thoát hơi nước của thực vật.
- Tuyết: ở vùng ôn đới, lớp tuyết phủ trên mặt đất có tác dụng nhiều mặt, đó là tấm thảm xốp cách nhiệt, bảo vệ cho các chồi cây trên mặt đất và động vật nhỏ.
- Độ ẩm không khí: một trong những dạng nước có tác dụng đến đời sống sinh vật. Độ ẩm không khí được đặc trưng bằng những đại lượng sau:
+ Độ ẩm tuyệt đối (HA): là lượng hơi nước chứa trong 1m3 không khí tính bằng gam ở một thời điểm nhất định và tính theo công thức sau : HA =(0,623 x 1293xe)/(760(1+αt) =1,062/(1+at) g/m3
Trong đó 0,623 là tỷ trọng hơi nước so với không khí, 1293 là trọng lượng khô của không khí ở nhiệt độ 00C và áp lực 760 mm Hg, (a là là hệ số nở của các chất khí bằng 1/276, t là nhiệt độ của không khí, e là áp suất của hơi nước chứa trong không khí tính bằng mmHg.
+ Độ ẩm tương đối: là tỷ số phần trăm áp suất hơi nước thực tế (a) trên áp suất hơi nước bảo hòa A trong cùng một nhiệt độ. Ví dụ: ở 150C - áp suất hơi nước bảo hòa A = 12,73mmHg, áp suất hơi nước thực tế là 9,56 mmHg. Độ ẩm tương đối của không khí : d = 9,56/12,73 = 0,75 hay d = 75%
Độ ẩm tương đối của không khí thay đổi tùy theo nhiệt độ, cho nên cùng một lượng nước trong không khí mà nhiệt độ khác nhau thì độ ẩm tương đối khác nhau.
Độ hụt bão hoà là hiệu số giữa áp suất hơi nước trong điều kiện bão hoà và áp suất hơi nước trong thực tế. Độ hụt bão hoà có ý nghĩa sinh thái rất quan trọng bởi sự bốc hơi nước thường tỷ lệ thuận với độ hụt bão hoà chứ không phụ thuộc vào độ ẩm tương đối.
Độ ẩm không khí có ảnh hưởng nhiều đến các sinh vật, nhất là các sinh vật ở trên cạn. Một số loài sinh vật để đảm bảo cho hoạt động sống bình thường cần độ ẩm tương đối. Đối với thực vật, khi độ ẩm thấp, cường độ thoát hơi nước tăng, cây bị héo. Còn nếu độ ẩm cao quá mức thì thời gian ra hoa, kết quả của cây bị chậm lại. Yêu cầu về độ ẩm của các loài thực vật không giống nhau, ví dụ như cây samu sinh trưởng tốt ở nơi có độ ẩm cao, cây phi lao chịu được độ ẩm tương đối thấp. Ngoài ra độ ẩm còn ảnh hưởng đến sự phân bố của thực vật, ví dụ cây mỡ đòi hỏi không khí ẩm hơn cây chè, nên sự phân bố tự nhiên của cây mỡ thu hẹp trong một khu vực nhất định. Tuy vậy, khi nghiên cứu sự phân bố của sinh vật không nên dựa vào chỉ số độ ẩm mà phải dựa vào chỉ số khô hạn.
Đối với động vật, khi độ ẩm tương đối thấp làm chậm sự trao đổi chất, ngoài ra độ ẩm còn ảnh hưởng đến hoạt động chung của động vật. Muỗi Culex fatigans chỉ hút máu khi độ ẩm tương đối trên 40%. Loài cánh cứng ăn gỗ Passaluscornutus sống thành từng nhóm nhỏ dưới vỏ cây khô, khi độ ẩm tăng hoạt động của chúng giảm đi, khi độ ẩm giảm hoạt động của chúng tăng lên.
Trên quan điểm sinh thái thì các loài ẩm sinh đều thuộc nhóm hẹp ẩm.
Độ ẩm ảnh hưởng rất mạnh lên chức năng sống của cơ thể. Gamintor đã nghiên cứu ảnh hưởng đó ở loài châu chấu Locusta migratoria, một loài côn trùng gây tổn hại kinh tế cho nhiều nước. Ông đã chỉ ra rằng ở độ ẩm tương đối 70% tốc độ chín sinh dục và sinh sản của loài này đạt tối đa.
Ở trên cạn, sự phân bố nước không đồng đều trong các môi trường có các điều kiện sinh thái khác nhau, đòi hỏi các cơ thể sống phải có phương thức duy trì sự cân bằng nước.
Sự cân bằng nước được xác định bằng hiệu số giữa sự hút nước với sự mất nước. Các nhóm thực vật khác nhau thì quá trình hút nước cũng như mất nước không giống nhau.
Thực vật bậc thấp lấy nước qua toàn bộ bề mặt cơ thể, còn thực vật bậc cao, ngành Rêu lấy nước trong đất bằng rễ giả, các ngành còn lại có rễ thật, là cơ quan chuyên hóa để lấy nước trong đất. Ngoài ra ở thực vật bậc cao có một số loài sống bì sinh trong rừng nhiệt đới, có khả năng hấp thụ nước qua bề mặt lá và các rễ khí sinh. Ở các loài phong lan thuộc họ Lan (Orchidaceae) có rễ khí sinh được bao bọc bởi một màng biểu bì nhiều lớp xốp, màng này khi trời mưa hút nước, khi trời khô ráo thì chứa đầy không khí. Ngoài ra ở nhiều loài sống bì sinh còn phát triển các mô chứa nước chuyên hóa.
Có những dẫn liệu cho rằng gai của một số cây mọng nước (như cây xương rồng: Cactus) có khả năng hút nước dạng giọt như những mao quản nhờ cấu trúc hiển vi đặc biệt. Người ta dùng những giọt nước có chứa các nguyên tố đánh dấu nhỏ trên gai của xương rồng, sau đó thấy trong mô của chúng có chứa nguyên tố này.
Sự mất nước ở thực vật chủ yếu là bằng con đường thoát hơi nước. Tốc độ mất nước được biểu thị bằng cường độ thoát hơi nước. Số lượng nước thoát ra trong một giờ trên một đơn vị khối lượng lá của thực vật (biểu thị bằng gam / đơn vị diện tích lá / thời gian). Nước trong cơ thể thực vật thường thoát ra ngoài dưới dạng hơi nước qua lỗ khí là chủ yếu.
Giá trị sinh thái của quá trình thoát hơi nước không chỉ về cường độ mà còn đặc trưng thay đổi theo thời gian - ngày đêm và theo mùa.
Tương ứng với sự điều chỉnh chế độ nước, tất cả các thực vật trên cạn được chia ra làm hai nhóm cơ bản : thực vật vững bền về nước (thực vật hằng cân bằng nước) và thực vật linh động về nước (thực vật thân nước).
- Thực vật vững bền về nước (thực vật hằng cân bằng nước): là nhóm thực vật duy trì sự cân bằng nước trong suốt cả ngày. Lỗ khí của chúng phản ứng rất nhạy đối với sự thiếu nước, nên hạn chế được lượng hơi nước thoát ra ngoài. Hệ rễ cũng có khả năng lấy nước tốt. Chúng dự trữ nước trong tất cả các bộ phận (rễ, vỏ thân, gỗ và lá) và ổn định được sự cân bằng nước. Nhóm này gồm nhiều loại cây gỗ, các loài cỏ thuộc họ Lúa (Poaceae), họ Đậu (Fabaceae), các cây sống trong bóng và cây mọng nước.
- Thực vật linh động về nước (thực vật thân nước) là nhóm thực vật không thể điều hòa sự vận chuyển nước, hay đúng hơn là không có khả năng điều chỉnh tích cực chế độ nước của mình, lượng nước trong mô phụ thuộc nhiều vào độ ẩm của môi trường xung quanh. Chúng hút nước ở dạng sương, sương mù, nước mưa dễ dàng và chúng cũng sử dụng phóng khoáng các loại nước đó. Trong thời kỳ khô ráo, chúng có thể mất hết nước và sống tiềm sinh. Thuộc nhóm này có các loài tảo lục sống trên vỏ cây; đất ẩm trong rừng, rêu, dương xỉ và cả một vài loài thực vật có hoa.
Các nhóm thực vật liên quan đến chế độ nước: theo độ tập trung đến các nơi ở có chế độ nước khác nhau mà người ta chia thực vật trên cạn ra 4 nhóm sinh thái cơ bản : nhóm cây ngập nước định kỳ, nhóm cây ưa ẩm, nhóm cây chịu hạn và nhóm cây trung sinh.
- Nhóm cây ngập nước định kỳ. Bao gồm những loài thực vật sống trên đất bùn dọc bờ sông, cửa sông, cửa biển chịu tác động định kỳ của thủy triều. Đây là môi trường không thuận lợi đối với nhiều loài thực vật trên cạn. Chỉ có một số loài có khả năng thích nghi. Đặc biệt là ở các bãi lầy ven biển, cửa sông vùng nhiệt đới có những loài cây gỗ, cây bụi hình thành nên quần xã rừng ngập nước mặn, nước lợ định kỳ - gọi là rừng ngập mặn. Các loài cây này có nhiều đặc điểm thích nghi về cấu trúc và chức năng để sống trong môi trường lầy, mặn, thiếu oxy. Cụ thể là chúng có rễ hô hấp hoặc các lỗ vỏ, có rễ chống hoặc rễ bạnh, có tuyến tiết muối và về sinh sản có hiện tượng thai sinh (cây con sinh ra trên cây mẹ, các cây thuộc họ Đước - Rhizophoraceae).
- Nhóm cây ẩm sinh: bao gồm những cây sống trên đất ẩm (bờ ruộng, bờ ao, bờ suối, trong rừng ẩm). Môi trường sống của chúng bão hòa hơi nước, do vậy chúng không có những bộ phận bảo vệ sự bay thoát hơi nước.
Nhóm cây này phân biệt hai nhóm nhỏ: nhóm cây ưa ẩm chịu bóng và nhóm cây ưa ẩm ưa sáng. Ở hai nhóm cây này có các đặc điểm hình thái giải phẩu và nơi sống khác nhau.
+ Nhóm cây ưa ẩm chịu bóng bao gồm phần lớn là những cây sống ở dưới tán rừng ẩm, ven suối. Ở 2 mặt lá có lỗ khí nhưng ít, lỗ khí luôn luôn mở, nhiều khi có các lỗ nước (thuỷ khổng) ở mép lá, lá rộng; mỏng, màu lục đậm do có hạt diệp lục lớn, bề mặt lá có tầng cutin mỏng, mô giậu kém hoặc không phát triển. Khi mất nước cây bị héo rất nhanh.
+ Nhóm cây ưa ẩm ưa sáng, các loài cây này có một số tính chất của cây ưa sáng như có lá nhỏ, cứng; dày, ít diệp lục nhưng không chịu được hạn. Chúng thường phân bố ven hồ, ven bờ ruộng (như cây rau bợ nước (Marsilea quadrifolia), một số loài thuộc họ Cói (Cyperaceae).
- Nhóm cây hạn sinh: là những loài thực vật sống được trong những điều kiện khô hạn nghiêm trọng và kéo dài, lúc đó quá trình trao đổi chất của chúng yếu nhưng không đình chỉ. Chúng phân bố ở sa mạc và bán sa mạc, thảo nguyên, savan và vùng đất cát ven biển.
Ở vùng nhiệt đới, điều kiện khô hạn thường gắn liền với cường độ chiếu sáng mạnh, nhiệt độ cao nên những cây chịu hạn cũng là những cây ưa sáng và chịu nóng.
Cây chịu hạn được chia làm hai dạng chủ yếu: dạng cây mọng nước và dạng cây lá cứng.
+ Dạng cây mọng nước bao gồm các cây thân thảo, cây nhỏ trong các họ Thầu dầu (Euphorbiaceae), họ Xương rồng (Cactaceae), họ Rau muối (Chenopodiaceae), họ Dứa (Bromeliaceae), họ Thuốc bỏng (Crassulariaceae), họ Hành (Liliaceae) ... Chúng sống ở các vùng sa mạc và những nơi khô hạn kéo dài. Lá cây mọng nước có đặc điểm lá dày, có tầng cutin dày, trên mặt lá có một lớp sáp hoặc được phủ lông dày, lỗ khí nằm sát biểu bì, có nhiều tế bào lớn chứa nước trong phần thịt lá. Ngòai ra nhiều cây có lá tiêu giảm thành dạng vảy nhỏ, hoặc biến thành gai như cây xương rồng, lúc đó thân làm nhiệm vụ quang hợp vì có chứa nhiều diệp lục, hệ rễ ăn nông và rộng.
Hoạt động sinh lý của cây mọng nước yếu và do trao đổi chất với môi trường ngoài ít nên sinh trưởng rất chậm. Cây mọng nước chịu đựng được nhiệt độ cao rất tốt, chúng có thể chịu được nhiệt độ 60 - 650C, đó là do chúng giữ được lượng nước liên kết lớn, lượng nước liên kết trong cơ thể chúng có thể đạt tới 60 - 65% tổng lượng nước trong cơ thể (cây mọng nước chứa từ 90-98% nước so với khối lượng cơ thể)
+ Cây lá cứng: bao gồm phần lớn thuộc họ Lúa (Poaceae), họ Cói (Cyperaceae), một số loài cây gỗ thuộc họ Thông (Pinaceae), họ Phi lao (Casuarinaceae), họ Sổ (Dilleniaceae) ... chúng thường sống ở những vùng có khí hậu khô theo mùa, savan, thảo nguyên, ...
Cây lá cứng có lá hẹp, nhỏ. Lá được phủ nhiều lông trắng bạc có tác dụng cách nhiệt. Tế bào biểu bì có thành dày, tầng cutin dày, gân lá phát triển. Ở một số loài cây, mặt trên lá có tế bào cơ có tác dụng làm cho lá có thể cuộn lại để hạn chế sự tiếp xúc của lỗ khí với khí hậu nóng. Một số loài có lá biến thành gai hoặc thùy lá biến thành gai ...Cây lá cứng có chất nguyên sinh có khả năng chịu hạn cao, lực hút của rễ mạnh; nhờ vậy mà khi gặp khô hạn chúng có thể hút được nước. Cường độ thoát hơi nước cao có tác dụng chống nóng cho cây.
- Nhóm cây trung sinh: nhóm cây này có những tính chất trung gian giữa cây hạn sinh và cây ẩm sinh. Chúng phân bố rất rộng từ vùng ông đới đến vùng nhiệt đới chẳng hạn như những loài cây gỗ thường xanh ở vùng nhiệt đới, rừng thường xanh ẩm á nhiệt đới, cây lá rộng xanh mùa hè ở rừng ôn đới ... Phần lớn cây nông nghiệp là cây trung sinh.
Lá của cây trung sinh có kích thước trung bình, mỏng, lớp biểu bì và cutin mỏng, mô dẫn và mô cơ phát triển vừa, lỗ khí thường chỉ có ở mặt dưới lá. Bộ rễ không phát triển. Cường độ thoát hơi nước không cao, lỗ khí có khả năng điều tiết sự mất nước nhưng vì tầng cutin mỏng nên lượng nước thoát ra ngoài tương đối lớn.
Các nhóm động vật có liên quan đến chế độ nước trên cạn. Tùy theo sự đáp ứng của động vật với chế độ nước (nhu cầu về nước), có thể chia động vật thành các nhóm sau :
- Động vật ẩm sinh (ưa ẩm): gồm những động vật có yêu cầu về độ ẩm hay lượng nước trong thức ăn cao, các loài động vật chỉ sống được ở môi trường cạn có độ ẩm cao hoặc không khí bão hòa hay gần bão hòa hơi nước. Khi độ ẩm quá thấp, chúng không thể sống được vì trong cơ thể của chúng thiếu cơ chế dự trữ và giữa nước. Hầu hết ếch, nhái trưởng thành, giun ít tơ, một số động vật ở đất, ở hang ... thuộc nhóm này.
- Động vật hạn sinh (ưa khô): các động vật sống trong môi trường thiếu nước như sa mạc, núi đá vôi, đất cát ven biển ... chúng có khả năng chịu độ ẩm thấp, thiếu nước lâu dài. Khả năng thích nghi của động vật đối với điều kiện khô hạn rất đa dạng, nhất là những tập tính sinh lý sinh thái. Các động vật này nhờ có cơ chế tích trữ nước và bảo vệ nước chống bốc hơi, sử dụng thức ăn khô. Hoặc ở chúng có vỏ bọc không thấm nước, nhiều loài (gậm nhắm, sơn dương...) sống ở hoang mạc có các tuyến mồ hôi kém phát triển. Chúng có nhu cầu nước thấp, lấy nước từ thức ăn, thải phân khô, bài tiết ít nước tiểu, một số (lạc đà) sử dụng cả nước nội bào (ô xy hoá mỡ dự trữ). Ngoài ra còn có nhiều loài động vật tránh khô nóng bằng cách ngủ hè hay đào hang trong đất. Sên (Helix desertorum) có thể sống 4 năm liền bằng cách ngủ hè khi khí hậu quá khô. Các động vật sa mạc như các loài bò sát đất cát; sâu bọ cánh cứng, châu chấu sa mạc thuộc nhóm này.
- Động vật trung sinh: bao gồm các loài động vật trung gian giữa hai nhóm trên, có yêu cầu vừa phải về nước hoặc độ ẩm. Nhóm này có đặc tính là chịu được sự thay đổi luân phiên của độ ẩm giữa mùa mưa và mùa khô. Phần lớn các loài động vật ở vùng ôn đới và nhiệt đới gió mùa thuộc nhóm này.
Các đặc điểm cơ bản của môi trường nước và sự thích nghi của sinh vật. Các phần trước, chúng ta đã tìm hiểu đặc điểm của môi trường trên cạn cũng như những đặc điểm của sinh vật sống trong môi trường này. Phần này nhằm giới thiệu về một số đặc điểm sinh thái cơ bản của môi trường nước và đặc điểm của sinh vật ở nước (sinh vật thủy sinh).
Nước có nhiệt dung lớn (bằng 1) nên khả năng dẫn nhiệt kém, tính ổn định nhiệt cao, nước nguyên chất sôi ở 1000C, đóng băng ở 00C, trọng lượng riêng lớn nhất ở 40C, khi đóng băng hoặc khi tan băng nước thải ra hoặc hấp thụ một năng lượng tương ứng là 80 cal/gam, khi bốc hơi nước cần 540 cal/gam, còn khi thăng hoa cần 679 calo/gam.
- Độ đậm đặc của nước: Nước có độ đậm đặc lớn hơn không khí nhiều lần, vì thế có tác dụng nâng đỡ cho các cơ thể sống. Do tính phân cực cao, nước đã tạo ra độ nhớt, sức căng bề mặt và khả năng hoà tan các chất và khí rất cao.
Nước không ngừng vần động theo chiều ngang và chiều thẳng đứng do nhiều nguyên nhân.
Các sinh vật sông trôi nổi trong tầng nước (Plankton) thường có trọng lượng riêng xấp xỉ bằng trọng lượng riêng của nước, như các tảo đơn bào, động vật nguyên sinh, một số giáp xác, ấu trùng động vật đáy ... có những đặc điểm thích nghi gần giống nhau, có tác dụng nâng cao khả năng di chuyển trên mặt nước và chống lại sự chìm xuống. Các thích nghi đó có thể là :
+ Cơ thể có hình dạng đặc biệt như có dạng dẹp, kéo dài cơ thể, hình thành nhiều mấu và sơ gai có tác dụng tăng diện tích cơ thể tiếp xúc với nước.
+ Giảm tỷ trọng cơ thể bằng cách tích lũy lipid và hình thành túi bơi.
+ Nhiều loài động vật nhờ có hệ cơ phát triển, cơ thể thuôn hình thoi nhọn nên bơi nhanh trong nước (một số các loài cá).
Những thực vật sống trong nước có đặc điểm sinh thái là có thân dài, mảnh, lá mỏng hoặc chia nhiều thùy; nhiều sợi, có tác dụng làm giảm tác động cơ học của dòng chảy. Mô cơ kém phát triển, các yếu tố cơ tập trung ở phần trung tâm, đặc điểm này giúp cho cây có khoảng gian bào phát triển có tác dụng chứa khí và nâng đỡ cây.
Nhờ tác dụng nâng đỡ tốt của nước mà nhiều động thực vật thuỷ sinh có kích thước và khối lượng rất lớn. Ví dụ tảo thảm (Macrocystic pyrifera) ở vùng biển Thái Bình Dương có thể dài tới trăm mét, nặng 40 - 60kg.
- Lượng oxy (oxygen - O2) trong nước :
Hệ số khuyếch tán oxy ở trong nước nhỏ hơn trong không khí 320.000 lần, thường hàm lượng O2 không quá 10ml/lít nước, ít hơn không khí 21 lần. O2 xâm nhập vào nước chủ yếu nhờ hoạt động quang hợp của tảo và do khuyếch tán từ không khí, vì thế lớp nước trên có hàm lượng oxy hòa tan nhiều hơn lớp nước dưới. Hàm lượng O2 hòa tan trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ và sự vận động của nước. Hàm lượng khí O2 đã trở thành yếu tố sinh thái giới hạn trong môi trường nước.
Ở biển, tầng đáy sâu thiếu O2, nguyên nhân là khí O2 được các vi sinh vật sống ở đây sử dụng trong các phản ứng oxy - hóa khử.
Tùy theo yêu cầu về hàm lượng O2 hòa tan trong nước, ta chia sinh vật ra các nhóm sinh thái : Nhóm ưa hàm lượng O2 cao (trên 7cm3/lít), nhóm ưa hàm lượng O2 vừa (trên 5 - 7cm3/lít) Nhóm ưa hàm lượng O2 thấp ( 4cm3/lít).
Lòai Daphnia obtusa sống trong môi trường nước nghèo O2 nên hàm lượng hemoglobine trong máu tăng lên gấp 10 lần bình thường.
Ngòai khí O2, còn phải kể đến khí CO2 hòa tan trong nước. Ở trong môi trường nước, hàm lượng khí CO2 hòa tan cao hơn nhiều so với không khí. Khí CO2 trong nước ở dạng tự do hoặc ở dạng kết hợp với các muối carbonat và bicarbonat. Trong nước biển hàm lượng khí CO2 hòa tan là 40
- 50cm3/lít. Nước biển được xem là kho chứa khí CO2 quan trọng trong thiên nhiên. Khí CO2 trong nước đóng vai trò qua trọng trong quang hợp
của thực vật ở nước, hàm lượng khí CO2 tham gia gián tiếp việc tạo thành các vỏ bọc, xương, mai ... của các động vật sống trong nước.
- Các muối hòa tan trong nước :
Nước tự nhiện có một hàm lượng muối hòa tan thay đổi. Tùy theo hàm lượng muối NaCl (Natri clorua) mà ta phân biệt ba loại nước: nước ngọt, nước lợ, nước biển.
Nước ngọt chứa một hàm lượng các muối khoáng 0,5g/lít, nước biển hàm lượng muối đạt 55g/lít. Nước lợ có đặc trưng là giao động lớn qua lại các mùa trong năm và hàm lượng muối là 8 - 16g/lít.
Phần lớn các sinh vật ở nước có áp suất thẩm thấu phụ thuộc vào nồng độ muối của môi trường nước xung quanh (biến thẩm thấu - poikiloiosmotic). Để giữ cân bằng muối chúng tránh những nơi có nồng độ muối không thích hợp. Ngoài ra có những động vật mà áp suất thẩm thấu trong cơ thể không phụ thuộc vào nồng độ muối của môi trường ngoài (đẳng thẩm thấu - homoiosmotic) như cá, giáp xác cao, sâu bọ ở nước.
Trong nước có ion Ca (Calcium) đóng vai trò quan trọng đối với sinh vật sống trong môi trường này. Ta phân biệt nước cứng là nước giàu Ca (trên 25mg/lít) và nước mềm là nước nghèo Ca (dưới 9mg/lít). Hàm lượng Ca ở trong nước ảnh hưởng lớn đến đời sống động vật thân mềm, giáp xác, cá ... Hàm lượng Ca trong nước cũng có ảnh hưởng đến đời sống thực vật.
Tùy theo khả năng chịu đựng được sự biến đổi của nồng độ muối và người ta chia sinh vật ở nước thành hai nhóm: nhóm rộng muối (Euryhaline) và nhóm hẹp muối (Stenohaline). Ở các vùng cửa sống nơi có hàm lượng muối giao động lớn, những sinh vật sống ở vùng này là những loài chịu muối rộng.
Độ muối và độ pH của nước đã ảnh hưởng đến hình thái, sinh lý, tập tính sinh hoạt và sự phân bố địa lý của sinh vật. Giáp xác Artemia salma nuôi trong các môi trường có nông độ muối (độ mặn) khác nhau có kích thước khác nhau
Trong số các muối có trong nước đáng lưu ý là các muối dinh dưỡng, đó là các muối photphat và nitrat. Chúng có vai trò quan trọng trong việc tổng hợp các protein của sinh vật. Chúng được xem là nhân tố giới hạn đối với sự quang hợp của thực vật (tảo, rong...) ở nước và năng suất ở các vực nước. Hàm lượng hai loại muối này giao động rất rõ theo mùa ở môi trường nước biển.
- Chế độ nhiệt ở trong nước ít thay đổi hơn trên cạn, tính chất này có liên quan đến tính chất vật lý của nước. Biên độ giao động nhiệt ở các lớp nước không quá 10 - 150C, ở các vực nước nội địa dưới 300C. Nhiệt độ ổn định ở các lớp nước sâu.
Do sống trong môi trường có nhiệt độ tương đối ổn định nên các sinh vật thủy sinh là những sinh vật chịu nhiệt hẹp, chỉ gặp các loài chịu nhiệt rộng ở các vực nước nhỏ nội địa...
- Chế độ ánh sáng trong nước: Năng lượng ánh sáng đi vào nước sẽ yếu đi nhiều vì các tia sáng bị phản chiếu. Những tia sáng có độ dài sóng khác nhau được nước hấp thụ không như nhau. Tia sáng đỏ bị hấp thụ ngay tầng nước trên cùng rồi đến các tia sáng da cam, vàng, lục, lam ... và xuống sâu nhất là tia xanh tím. Chính sự phân bố không đồng đều của các tia sáng là nguyên nhân gây ra sự phân bố khác nhau theo chiều sâu của các loài thực vật ở nước. Phần lớn thực vật có hoa và tảo lục phân bố rất nông vì chúng hấp thụ tia đỏ.
Tảo nâu phân bố sâu (từ độ sâu 10-40m) nhờ chúng có sắc tố phụ màu nâu (phytoxanthine), tảo đỏ phân bố sâu hơn (có thể từ 60 - 100m) vì chúng có sắc tố màu đỏ (phycoerythrine) và màu lam (phycocyanine) hấp thụ được các tia sáng xuống sâu.
Do ánh sáng trong nước yếu là nguyên nhân sự phân hóa yếu của các đặc điểm giải phẫu của lá cây sống chìm trong nước (lá không có mô giậu hay mô giậu gồm một lớp tế bào rất ngắn, diệp lục có trong lớp tế bào biểu bì nhờ đó tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng).
Đối với động vật, màu sắc của chúng thay đổi theo sự phân bố của ánh sáng, các loài động vật ở vùng triều có màu sắc sặc sỡ nhất, còn các động vật ở các lớp nước sâu hoặc trong hang có màu tối.
Khả năng định hướng của động vật thủy sinh kém hơn động vật trên cạn vì trong nước có thời gian chiếu sáng ngắn.
Để thích nghi trong điều kiện ánh sáng không đủ, nhiều loài động vật đã sử dụng âm thanh làm phương tiện định hướng như sứa, cá, thân mềm, giáp xác, cua, tôm. Tín hiệu âm thanh trước hết dùng để liên hệ trong quần thể như định hướng trong đàn, thu hút giới tính ... Ngoài ra, động vật ở nước còn có một khả năng định hướng khác như là cảm ứng bằng mùi vị, nhiều loài động vật tìm nơi đẻ trứng hoặc sinh trưởng một các chính xác bằng cách này.
Ngoài các đặc điểm cơ bản nêu trên, thì các nhân tố vật lý của môi trường nước như tỷ trọng, áp suất, tỷ nhiệt, dòng chảy và các chất lơ lững trong nước cũng một phần nào ảnh hưởng đến sinh vật ở nước và các loài sinh vật này có một thích nghi nhất định. Ví dụ như đối với yếu tố áp suất: các sinh vật sống ở các lớp nước sâu nơi có áp suất lớn nên các loài sinh vật này có các thích nghi như cơ thể của chúng thường dẹp, ống tiêu hóa rất lớn hoặc như đối với dòng chảy khác nhau, lát cắt ngang thân của các loài cá sống ở sông cùng thay đổi, có hình tròn ở nơi có nước chảy và dẹp nơi nước đứng ...
- Tác động phối hợp giữa nhiệt độ và độ ẩm lên đời sống sinh vật, cách thành lập thủy nhiệt đồ và khí hậu đồ:
Nhiệt độ và độ ẩm hay lượng mưa là hai nhân tố sinh thái quan trọng của khí hậu, có tác động liên quan chặt chẽ với nhau, cùng ảnh hưởng lên đời sống và sự phân bố của các loài sinh vật cũng như những tổ chức cao hơn như quần thể, quần xã sinh vật và hệ sinh thái. Trong mối tác động tương hỗ giữa chúng lên đời sống thì ảnh hưởng của chúng không chỉ phụ thuộc vào những giá trị tương đối mà cả vào những giá trị tuyệt đối của mỗi yếu tố. Chẳng hạn, nhiệt độ có thể trở thành yếu tố giới hạn đối với cơ thể nếu độ ẩm lại gần với các cực trị của nó, nghĩa là cực cao hoặc cực thấp. Cũng đúng như vậy, độ ẩm tác động mạnh lên cơ thể khi nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp.
Sự tác động phối hợp của hai nhân tố này quyết định đến chế độ khí hậu của một vùng địa lý xác định và do đó, quy định giới hạn tồn tại của các quần xã sinh vật, trước hết đối với thảm thực vật. Sự phân bố của các khu sinh học (đồng rêu, rừng lá rộng, rừng lá kim, hoang mạc...) là dẫn xuất chính của hai yếu tố nhiệt độ - lượng mưa của các vùng trên trái đất.
Đối với mỗi loài sinh vật ta có thể tìm được giới hạn thích hợp đồng thời của hai nhân tố đó. Khi xác định được nhiệt độ và độ ẩm cực thuận sẽ tăng tuổi thọ, làm tăng tốc độ phát triển và sức sinh sản cao nhất đồng thời hạn chế mức độ tử vong cho cây trồng và vật nuôi, mặt khác có thể nắm vững được điều kiện thích hợp nhất đối với sự phát triển của sâu bọ để tìm biện pháp diệt trừ.
Để mô tả mối quan hệ nhiệt - ẩm quy định đời sống của một loài hay ở mức tổ chức cao hơn người ta thiết lập bản đồ nhiệt ẩm hay còn gọi là khí hậu đồ. Trên các trục của hệ toạ độ thường, ta đặt các điểm tương quan giữa nhiệt độ và độ ẩm (hay lượng mưa) theo giá trị trung bình của chúng theo thời gian rồi nối chúng lại với nhau, ta sẽ có 1 hình đa giác. Đó là khí hậu đồ của 1 vùng sinh thái xác định trong năm. Khí hậu đồ được ứng dụng trong nhiều mục đích như để so sánh khí hậu của các vùng với nhau giúp cho việc thuần hoá, di giống các đối tượng giống cây trồng - vật nuôi, hoặc so sánh điều kiện khí hậu thuộc nhiều năm khác nhau để dự báo sự biến động số lượng của động vật, nhất là tình hình sâu bệnh.
Ngoài ra, người ta còn thành lập biểu đồ của các cặp yếu tố khác như “nhiệt độ - muối” ở môi trường biển. Do vậy, biểu đồ của các cặp yếu tố còn có tên chung là “Sinh thái đồ”.
Thảo Hiên (Theo giáo trình sinh thái học)
Nước là nguyên liệu cho cây trong quá trình quang hợp tạo ra các chất hữu cơ. Nước là môi trường hoà tan chất vô cơ và phương tiện vận chuyển chất vô cơ và hữu cơ trong cây, vận chuyển máu và các chất dinh dưỡng ở động vật.
Nước tham gia vào quá trình trao đổi năng lượng và điều hòa nhiệt độ cơ thể.
Cuối cùng nước giữ vai trò tích cực trong việc phát tán nòi giống của các sinh vật, nước còn là môi trường sống của nhiều loài sinh vật.
Các dạng nước trong khí quyển và tác dụng của chúng đối với sinh vật :
- Mù (sương mù): gồm những giọt nước nhỏ li ti xuất hiện vào lúc sáng sớm trong điều kiện trời trong, gió lặng thành một tấm màn trắng trải dài trên mặt đất và sẽ tan đi khi mặt trời mọc. Ở những nơi có thảm thực vật dày đặc (rừng, đồng cỏ, savan) có nhiều mù. Mù có tác dụng làm tăng độ ẩm không khí, thuận lợi cho sự sinh trưởng của thực vật và sâu bọ.
- Sương: sương thường được hình thành vào ban đêm. Đối với thực vật sương có tác động tốt vì đó là nguồn bổ sung độ ẩm cho cây khi trời khô nóng, cây thường bị héo. Đối với những vùng khô hạn như núi đá vôi, sa mạc, sương là nguồn cung cấp nước chủ yếu cho sinh vật trong vùng.
- Sương muối: được hình thành trong điều kiện thời tiết khô lạnh vào ban đêm, thành những tinh thể trắng như muối. Sương muối gây tổn hại lớn cho thực vật nhất là các loài cây trồng.
- Mưa. Đóng vai trò quan trọng nhất trong việc cung cấp nước cho các cơ thể sống. Có các dạng như sau :
+ Mưa rào : thường xuất hiện ở các vùng nhiệt đới, thời gian mưa không kéo dài nhưng lượng nước lớn. Tuy cung cấp rất nhiều nước nhưng mưa rào cũng gây nhiều thiệt hại như các chồi non của cây bị hư thối, ngăn chặn sự nảy mầm của hạt giống và các chồi mầm dưới đất do mưa lớn làm lớp đất mặt bị nén chặt. Hoạt động của hệ động vật và vinh sinh vật ở trong đất bị xáo trộn; nơi ở của nhiều loài động vật bị phá hủy (hang, ổ). Ngoài ra mưa lớn còn gây ra nạn xói mòn và rửa trôi lớp đất mặt và đất bị thoái hóa thành đất lateritic.
+ Mưa đá: thường xuất hiện vào mùa nóng, gây tác hại đối với thực vật, nhất là cây trồng và động vật.
+ Mưa phùn: cung cấp một lượng nước ít cho cây nhưng kéo dài nhiều ngày nên duy trì được độ ẩm, hạn chế được sự thoát hơi nước của thực vật.
- Tuyết: ở vùng ôn đới, lớp tuyết phủ trên mặt đất có tác dụng nhiều mặt, đó là tấm thảm xốp cách nhiệt, bảo vệ cho các chồi cây trên mặt đất và động vật nhỏ.
- Độ ẩm không khí: một trong những dạng nước có tác dụng đến đời sống sinh vật. Độ ẩm không khí được đặc trưng bằng những đại lượng sau:
+ Độ ẩm tuyệt đối (HA): là lượng hơi nước chứa trong 1m3 không khí tính bằng gam ở một thời điểm nhất định và tính theo công thức sau : HA =(0,623 x 1293xe)/(760(1+αt) =1,062/(1+at) g/m3
Trong đó 0,623 là tỷ trọng hơi nước so với không khí, 1293 là trọng lượng khô của không khí ở nhiệt độ 00C và áp lực 760 mm Hg, (a là là hệ số nở của các chất khí bằng 1/276, t là nhiệt độ của không khí, e là áp suất của hơi nước chứa trong không khí tính bằng mmHg.
+ Độ ẩm tương đối: là tỷ số phần trăm áp suất hơi nước thực tế (a) trên áp suất hơi nước bảo hòa A trong cùng một nhiệt độ. Ví dụ: ở 150C - áp suất hơi nước bảo hòa A = 12,73mmHg, áp suất hơi nước thực tế là 9,56 mmHg. Độ ẩm tương đối của không khí : d = 9,56/12,73 = 0,75 hay d = 75%
Độ ẩm tương đối của không khí thay đổi tùy theo nhiệt độ, cho nên cùng một lượng nước trong không khí mà nhiệt độ khác nhau thì độ ẩm tương đối khác nhau.
Độ hụt bão hoà là hiệu số giữa áp suất hơi nước trong điều kiện bão hoà và áp suất hơi nước trong thực tế. Độ hụt bão hoà có ý nghĩa sinh thái rất quan trọng bởi sự bốc hơi nước thường tỷ lệ thuận với độ hụt bão hoà chứ không phụ thuộc vào độ ẩm tương đối.
Độ ẩm không khí có ảnh hưởng nhiều đến các sinh vật, nhất là các sinh vật ở trên cạn. Một số loài sinh vật để đảm bảo cho hoạt động sống bình thường cần độ ẩm tương đối. Đối với thực vật, khi độ ẩm thấp, cường độ thoát hơi nước tăng, cây bị héo. Còn nếu độ ẩm cao quá mức thì thời gian ra hoa, kết quả của cây bị chậm lại. Yêu cầu về độ ẩm của các loài thực vật không giống nhau, ví dụ như cây samu sinh trưởng tốt ở nơi có độ ẩm cao, cây phi lao chịu được độ ẩm tương đối thấp. Ngoài ra độ ẩm còn ảnh hưởng đến sự phân bố của thực vật, ví dụ cây mỡ đòi hỏi không khí ẩm hơn cây chè, nên sự phân bố tự nhiên của cây mỡ thu hẹp trong một khu vực nhất định. Tuy vậy, khi nghiên cứu sự phân bố của sinh vật không nên dựa vào chỉ số độ ẩm mà phải dựa vào chỉ số khô hạn.
Đối với động vật, khi độ ẩm tương đối thấp làm chậm sự trao đổi chất, ngoài ra độ ẩm còn ảnh hưởng đến hoạt động chung của động vật. Muỗi Culex fatigans chỉ hút máu khi độ ẩm tương đối trên 40%. Loài cánh cứng ăn gỗ Passaluscornutus sống thành từng nhóm nhỏ dưới vỏ cây khô, khi độ ẩm tăng hoạt động của chúng giảm đi, khi độ ẩm giảm hoạt động của chúng tăng lên.
Trên quan điểm sinh thái thì các loài ẩm sinh đều thuộc nhóm hẹp ẩm.
Độ ẩm ảnh hưởng rất mạnh lên chức năng sống của cơ thể. Gamintor đã nghiên cứu ảnh hưởng đó ở loài châu chấu Locusta migratoria, một loài côn trùng gây tổn hại kinh tế cho nhiều nước. Ông đã chỉ ra rằng ở độ ẩm tương đối 70% tốc độ chín sinh dục và sinh sản của loài này đạt tối đa.
Ở trên cạn, sự phân bố nước không đồng đều trong các môi trường có các điều kiện sinh thái khác nhau, đòi hỏi các cơ thể sống phải có phương thức duy trì sự cân bằng nước.
Sự cân bằng nước được xác định bằng hiệu số giữa sự hút nước với sự mất nước. Các nhóm thực vật khác nhau thì quá trình hút nước cũng như mất nước không giống nhau.
Thực vật bậc thấp lấy nước qua toàn bộ bề mặt cơ thể, còn thực vật bậc cao, ngành Rêu lấy nước trong đất bằng rễ giả, các ngành còn lại có rễ thật, là cơ quan chuyên hóa để lấy nước trong đất. Ngoài ra ở thực vật bậc cao có một số loài sống bì sinh trong rừng nhiệt đới, có khả năng hấp thụ nước qua bề mặt lá và các rễ khí sinh. Ở các loài phong lan thuộc họ Lan (Orchidaceae) có rễ khí sinh được bao bọc bởi một màng biểu bì nhiều lớp xốp, màng này khi trời mưa hút nước, khi trời khô ráo thì chứa đầy không khí. Ngoài ra ở nhiều loài sống bì sinh còn phát triển các mô chứa nước chuyên hóa.
Có những dẫn liệu cho rằng gai của một số cây mọng nước (như cây xương rồng: Cactus) có khả năng hút nước dạng giọt như những mao quản nhờ cấu trúc hiển vi đặc biệt. Người ta dùng những giọt nước có chứa các nguyên tố đánh dấu nhỏ trên gai của xương rồng, sau đó thấy trong mô của chúng có chứa nguyên tố này.
Sự mất nước ở thực vật chủ yếu là bằng con đường thoát hơi nước. Tốc độ mất nước được biểu thị bằng cường độ thoát hơi nước. Số lượng nước thoát ra trong một giờ trên một đơn vị khối lượng lá của thực vật (biểu thị bằng gam / đơn vị diện tích lá / thời gian). Nước trong cơ thể thực vật thường thoát ra ngoài dưới dạng hơi nước qua lỗ khí là chủ yếu.
Giá trị sinh thái của quá trình thoát hơi nước không chỉ về cường độ mà còn đặc trưng thay đổi theo thời gian - ngày đêm và theo mùa.
Tương ứng với sự điều chỉnh chế độ nước, tất cả các thực vật trên cạn được chia ra làm hai nhóm cơ bản : thực vật vững bền về nước (thực vật hằng cân bằng nước) và thực vật linh động về nước (thực vật thân nước).
- Thực vật vững bền về nước (thực vật hằng cân bằng nước): là nhóm thực vật duy trì sự cân bằng nước trong suốt cả ngày. Lỗ khí của chúng phản ứng rất nhạy đối với sự thiếu nước, nên hạn chế được lượng hơi nước thoát ra ngoài. Hệ rễ cũng có khả năng lấy nước tốt. Chúng dự trữ nước trong tất cả các bộ phận (rễ, vỏ thân, gỗ và lá) và ổn định được sự cân bằng nước. Nhóm này gồm nhiều loại cây gỗ, các loài cỏ thuộc họ Lúa (Poaceae), họ Đậu (Fabaceae), các cây sống trong bóng và cây mọng nước.
- Thực vật linh động về nước (thực vật thân nước) là nhóm thực vật không thể điều hòa sự vận chuyển nước, hay đúng hơn là không có khả năng điều chỉnh tích cực chế độ nước của mình, lượng nước trong mô phụ thuộc nhiều vào độ ẩm của môi trường xung quanh. Chúng hút nước ở dạng sương, sương mù, nước mưa dễ dàng và chúng cũng sử dụng phóng khoáng các loại nước đó. Trong thời kỳ khô ráo, chúng có thể mất hết nước và sống tiềm sinh. Thuộc nhóm này có các loài tảo lục sống trên vỏ cây; đất ẩm trong rừng, rêu, dương xỉ và cả một vài loài thực vật có hoa.
Các nhóm thực vật liên quan đến chế độ nước: theo độ tập trung đến các nơi ở có chế độ nước khác nhau mà người ta chia thực vật trên cạn ra 4 nhóm sinh thái cơ bản : nhóm cây ngập nước định kỳ, nhóm cây ưa ẩm, nhóm cây chịu hạn và nhóm cây trung sinh.
- Nhóm cây ngập nước định kỳ. Bao gồm những loài thực vật sống trên đất bùn dọc bờ sông, cửa sông, cửa biển chịu tác động định kỳ của thủy triều. Đây là môi trường không thuận lợi đối với nhiều loài thực vật trên cạn. Chỉ có một số loài có khả năng thích nghi. Đặc biệt là ở các bãi lầy ven biển, cửa sông vùng nhiệt đới có những loài cây gỗ, cây bụi hình thành nên quần xã rừng ngập nước mặn, nước lợ định kỳ - gọi là rừng ngập mặn. Các loài cây này có nhiều đặc điểm thích nghi về cấu trúc và chức năng để sống trong môi trường lầy, mặn, thiếu oxy. Cụ thể là chúng có rễ hô hấp hoặc các lỗ vỏ, có rễ chống hoặc rễ bạnh, có tuyến tiết muối và về sinh sản có hiện tượng thai sinh (cây con sinh ra trên cây mẹ, các cây thuộc họ Đước - Rhizophoraceae).
- Nhóm cây ẩm sinh: bao gồm những cây sống trên đất ẩm (bờ ruộng, bờ ao, bờ suối, trong rừng ẩm). Môi trường sống của chúng bão hòa hơi nước, do vậy chúng không có những bộ phận bảo vệ sự bay thoát hơi nước.
Nhóm cây này phân biệt hai nhóm nhỏ: nhóm cây ưa ẩm chịu bóng và nhóm cây ưa ẩm ưa sáng. Ở hai nhóm cây này có các đặc điểm hình thái giải phẩu và nơi sống khác nhau.
+ Nhóm cây ưa ẩm chịu bóng bao gồm phần lớn là những cây sống ở dưới tán rừng ẩm, ven suối. Ở 2 mặt lá có lỗ khí nhưng ít, lỗ khí luôn luôn mở, nhiều khi có các lỗ nước (thuỷ khổng) ở mép lá, lá rộng; mỏng, màu lục đậm do có hạt diệp lục lớn, bề mặt lá có tầng cutin mỏng, mô giậu kém hoặc không phát triển. Khi mất nước cây bị héo rất nhanh.
+ Nhóm cây ưa ẩm ưa sáng, các loài cây này có một số tính chất của cây ưa sáng như có lá nhỏ, cứng; dày, ít diệp lục nhưng không chịu được hạn. Chúng thường phân bố ven hồ, ven bờ ruộng (như cây rau bợ nước (Marsilea quadrifolia), một số loài thuộc họ Cói (Cyperaceae).
- Nhóm cây hạn sinh: là những loài thực vật sống được trong những điều kiện khô hạn nghiêm trọng và kéo dài, lúc đó quá trình trao đổi chất của chúng yếu nhưng không đình chỉ. Chúng phân bố ở sa mạc và bán sa mạc, thảo nguyên, savan và vùng đất cát ven biển.
Ở vùng nhiệt đới, điều kiện khô hạn thường gắn liền với cường độ chiếu sáng mạnh, nhiệt độ cao nên những cây chịu hạn cũng là những cây ưa sáng và chịu nóng.
Cây chịu hạn được chia làm hai dạng chủ yếu: dạng cây mọng nước và dạng cây lá cứng.
+ Dạng cây mọng nước bao gồm các cây thân thảo, cây nhỏ trong các họ Thầu dầu (Euphorbiaceae), họ Xương rồng (Cactaceae), họ Rau muối (Chenopodiaceae), họ Dứa (Bromeliaceae), họ Thuốc bỏng (Crassulariaceae), họ Hành (Liliaceae) ... Chúng sống ở các vùng sa mạc và những nơi khô hạn kéo dài. Lá cây mọng nước có đặc điểm lá dày, có tầng cutin dày, trên mặt lá có một lớp sáp hoặc được phủ lông dày, lỗ khí nằm sát biểu bì, có nhiều tế bào lớn chứa nước trong phần thịt lá. Ngòai ra nhiều cây có lá tiêu giảm thành dạng vảy nhỏ, hoặc biến thành gai như cây xương rồng, lúc đó thân làm nhiệm vụ quang hợp vì có chứa nhiều diệp lục, hệ rễ ăn nông và rộng.
Hoạt động sinh lý của cây mọng nước yếu và do trao đổi chất với môi trường ngoài ít nên sinh trưởng rất chậm. Cây mọng nước chịu đựng được nhiệt độ cao rất tốt, chúng có thể chịu được nhiệt độ 60 - 650C, đó là do chúng giữ được lượng nước liên kết lớn, lượng nước liên kết trong cơ thể chúng có thể đạt tới 60 - 65% tổng lượng nước trong cơ thể (cây mọng nước chứa từ 90-98% nước so với khối lượng cơ thể)
+ Cây lá cứng: bao gồm phần lớn thuộc họ Lúa (Poaceae), họ Cói (Cyperaceae), một số loài cây gỗ thuộc họ Thông (Pinaceae), họ Phi lao (Casuarinaceae), họ Sổ (Dilleniaceae) ... chúng thường sống ở những vùng có khí hậu khô theo mùa, savan, thảo nguyên, ...
Cây lá cứng có lá hẹp, nhỏ. Lá được phủ nhiều lông trắng bạc có tác dụng cách nhiệt. Tế bào biểu bì có thành dày, tầng cutin dày, gân lá phát triển. Ở một số loài cây, mặt trên lá có tế bào cơ có tác dụng làm cho lá có thể cuộn lại để hạn chế sự tiếp xúc của lỗ khí với khí hậu nóng. Một số loài có lá biến thành gai hoặc thùy lá biến thành gai ...Cây lá cứng có chất nguyên sinh có khả năng chịu hạn cao, lực hút của rễ mạnh; nhờ vậy mà khi gặp khô hạn chúng có thể hút được nước. Cường độ thoát hơi nước cao có tác dụng chống nóng cho cây.
- Nhóm cây trung sinh: nhóm cây này có những tính chất trung gian giữa cây hạn sinh và cây ẩm sinh. Chúng phân bố rất rộng từ vùng ông đới đến vùng nhiệt đới chẳng hạn như những loài cây gỗ thường xanh ở vùng nhiệt đới, rừng thường xanh ẩm á nhiệt đới, cây lá rộng xanh mùa hè ở rừng ôn đới ... Phần lớn cây nông nghiệp là cây trung sinh.
Lá của cây trung sinh có kích thước trung bình, mỏng, lớp biểu bì và cutin mỏng, mô dẫn và mô cơ phát triển vừa, lỗ khí thường chỉ có ở mặt dưới lá. Bộ rễ không phát triển. Cường độ thoát hơi nước không cao, lỗ khí có khả năng điều tiết sự mất nước nhưng vì tầng cutin mỏng nên lượng nước thoát ra ngoài tương đối lớn.
Các nhóm động vật có liên quan đến chế độ nước trên cạn. Tùy theo sự đáp ứng của động vật với chế độ nước (nhu cầu về nước), có thể chia động vật thành các nhóm sau :
- Động vật ẩm sinh (ưa ẩm): gồm những động vật có yêu cầu về độ ẩm hay lượng nước trong thức ăn cao, các loài động vật chỉ sống được ở môi trường cạn có độ ẩm cao hoặc không khí bão hòa hay gần bão hòa hơi nước. Khi độ ẩm quá thấp, chúng không thể sống được vì trong cơ thể của chúng thiếu cơ chế dự trữ và giữa nước. Hầu hết ếch, nhái trưởng thành, giun ít tơ, một số động vật ở đất, ở hang ... thuộc nhóm này.
- Động vật hạn sinh (ưa khô): các động vật sống trong môi trường thiếu nước như sa mạc, núi đá vôi, đất cát ven biển ... chúng có khả năng chịu độ ẩm thấp, thiếu nước lâu dài. Khả năng thích nghi của động vật đối với điều kiện khô hạn rất đa dạng, nhất là những tập tính sinh lý sinh thái. Các động vật này nhờ có cơ chế tích trữ nước và bảo vệ nước chống bốc hơi, sử dụng thức ăn khô. Hoặc ở chúng có vỏ bọc không thấm nước, nhiều loài (gậm nhắm, sơn dương...) sống ở hoang mạc có các tuyến mồ hôi kém phát triển. Chúng có nhu cầu nước thấp, lấy nước từ thức ăn, thải phân khô, bài tiết ít nước tiểu, một số (lạc đà) sử dụng cả nước nội bào (ô xy hoá mỡ dự trữ). Ngoài ra còn có nhiều loài động vật tránh khô nóng bằng cách ngủ hè hay đào hang trong đất. Sên (Helix desertorum) có thể sống 4 năm liền bằng cách ngủ hè khi khí hậu quá khô. Các động vật sa mạc như các loài bò sát đất cát; sâu bọ cánh cứng, châu chấu sa mạc thuộc nhóm này.
- Động vật trung sinh: bao gồm các loài động vật trung gian giữa hai nhóm trên, có yêu cầu vừa phải về nước hoặc độ ẩm. Nhóm này có đặc tính là chịu được sự thay đổi luân phiên của độ ẩm giữa mùa mưa và mùa khô. Phần lớn các loài động vật ở vùng ôn đới và nhiệt đới gió mùa thuộc nhóm này.
Các đặc điểm cơ bản của môi trường nước và sự thích nghi của sinh vật. Các phần trước, chúng ta đã tìm hiểu đặc điểm của môi trường trên cạn cũng như những đặc điểm của sinh vật sống trong môi trường này. Phần này nhằm giới thiệu về một số đặc điểm sinh thái cơ bản của môi trường nước và đặc điểm của sinh vật ở nước (sinh vật thủy sinh).
Nước có nhiệt dung lớn (bằng 1) nên khả năng dẫn nhiệt kém, tính ổn định nhiệt cao, nước nguyên chất sôi ở 1000C, đóng băng ở 00C, trọng lượng riêng lớn nhất ở 40C, khi đóng băng hoặc khi tan băng nước thải ra hoặc hấp thụ một năng lượng tương ứng là 80 cal/gam, khi bốc hơi nước cần 540 cal/gam, còn khi thăng hoa cần 679 calo/gam.
- Độ đậm đặc của nước: Nước có độ đậm đặc lớn hơn không khí nhiều lần, vì thế có tác dụng nâng đỡ cho các cơ thể sống. Do tính phân cực cao, nước đã tạo ra độ nhớt, sức căng bề mặt và khả năng hoà tan các chất và khí rất cao.
Nước không ngừng vần động theo chiều ngang và chiều thẳng đứng do nhiều nguyên nhân.
Các sinh vật sông trôi nổi trong tầng nước (Plankton) thường có trọng lượng riêng xấp xỉ bằng trọng lượng riêng của nước, như các tảo đơn bào, động vật nguyên sinh, một số giáp xác, ấu trùng động vật đáy ... có những đặc điểm thích nghi gần giống nhau, có tác dụng nâng cao khả năng di chuyển trên mặt nước và chống lại sự chìm xuống. Các thích nghi đó có thể là :
+ Cơ thể có hình dạng đặc biệt như có dạng dẹp, kéo dài cơ thể, hình thành nhiều mấu và sơ gai có tác dụng tăng diện tích cơ thể tiếp xúc với nước.
+ Giảm tỷ trọng cơ thể bằng cách tích lũy lipid và hình thành túi bơi.
+ Nhiều loài động vật nhờ có hệ cơ phát triển, cơ thể thuôn hình thoi nhọn nên bơi nhanh trong nước (một số các loài cá).
Những thực vật sống trong nước có đặc điểm sinh thái là có thân dài, mảnh, lá mỏng hoặc chia nhiều thùy; nhiều sợi, có tác dụng làm giảm tác động cơ học của dòng chảy. Mô cơ kém phát triển, các yếu tố cơ tập trung ở phần trung tâm, đặc điểm này giúp cho cây có khoảng gian bào phát triển có tác dụng chứa khí và nâng đỡ cây.
Nhờ tác dụng nâng đỡ tốt của nước mà nhiều động thực vật thuỷ sinh có kích thước và khối lượng rất lớn. Ví dụ tảo thảm (Macrocystic pyrifera) ở vùng biển Thái Bình Dương có thể dài tới trăm mét, nặng 40 - 60kg.
- Lượng oxy (oxygen - O2) trong nước :
Hệ số khuyếch tán oxy ở trong nước nhỏ hơn trong không khí 320.000 lần, thường hàm lượng O2 không quá 10ml/lít nước, ít hơn không khí 21 lần. O2 xâm nhập vào nước chủ yếu nhờ hoạt động quang hợp của tảo và do khuyếch tán từ không khí, vì thế lớp nước trên có hàm lượng oxy hòa tan nhiều hơn lớp nước dưới. Hàm lượng O2 hòa tan trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ và sự vận động của nước. Hàm lượng khí O2 đã trở thành yếu tố sinh thái giới hạn trong môi trường nước.
Ở biển, tầng đáy sâu thiếu O2, nguyên nhân là khí O2 được các vi sinh vật sống ở đây sử dụng trong các phản ứng oxy - hóa khử.
Tùy theo yêu cầu về hàm lượng O2 hòa tan trong nước, ta chia sinh vật ra các nhóm sinh thái : Nhóm ưa hàm lượng O2 cao (trên 7cm3/lít), nhóm ưa hàm lượng O2 vừa (trên 5 - 7cm3/lít) Nhóm ưa hàm lượng O2 thấp ( 4cm3/lít).
Lòai Daphnia obtusa sống trong môi trường nước nghèo O2 nên hàm lượng hemoglobine trong máu tăng lên gấp 10 lần bình thường.
Ngòai khí O2, còn phải kể đến khí CO2 hòa tan trong nước. Ở trong môi trường nước, hàm lượng khí CO2 hòa tan cao hơn nhiều so với không khí. Khí CO2 trong nước ở dạng tự do hoặc ở dạng kết hợp với các muối carbonat và bicarbonat. Trong nước biển hàm lượng khí CO2 hòa tan là 40
- 50cm3/lít. Nước biển được xem là kho chứa khí CO2 quan trọng trong thiên nhiên. Khí CO2 trong nước đóng vai trò qua trọng trong quang hợp
của thực vật ở nước, hàm lượng khí CO2 tham gia gián tiếp việc tạo thành các vỏ bọc, xương, mai ... của các động vật sống trong nước.
- Các muối hòa tan trong nước :
Nước tự nhiện có một hàm lượng muối hòa tan thay đổi. Tùy theo hàm lượng muối NaCl (Natri clorua) mà ta phân biệt ba loại nước: nước ngọt, nước lợ, nước biển.
Nước ngọt chứa một hàm lượng các muối khoáng 0,5g/lít, nước biển hàm lượng muối đạt 55g/lít. Nước lợ có đặc trưng là giao động lớn qua lại các mùa trong năm và hàm lượng muối là 8 - 16g/lít.
Phần lớn các sinh vật ở nước có áp suất thẩm thấu phụ thuộc vào nồng độ muối của môi trường nước xung quanh (biến thẩm thấu - poikiloiosmotic). Để giữ cân bằng muối chúng tránh những nơi có nồng độ muối không thích hợp. Ngoài ra có những động vật mà áp suất thẩm thấu trong cơ thể không phụ thuộc vào nồng độ muối của môi trường ngoài (đẳng thẩm thấu - homoiosmotic) như cá, giáp xác cao, sâu bọ ở nước.
Trong nước có ion Ca (Calcium) đóng vai trò quan trọng đối với sinh vật sống trong môi trường này. Ta phân biệt nước cứng là nước giàu Ca (trên 25mg/lít) và nước mềm là nước nghèo Ca (dưới 9mg/lít). Hàm lượng Ca ở trong nước ảnh hưởng lớn đến đời sống động vật thân mềm, giáp xác, cá ... Hàm lượng Ca trong nước cũng có ảnh hưởng đến đời sống thực vật.
Tùy theo khả năng chịu đựng được sự biến đổi của nồng độ muối và người ta chia sinh vật ở nước thành hai nhóm: nhóm rộng muối (Euryhaline) và nhóm hẹp muối (Stenohaline). Ở các vùng cửa sống nơi có hàm lượng muối giao động lớn, những sinh vật sống ở vùng này là những loài chịu muối rộng.
Độ muối và độ pH của nước đã ảnh hưởng đến hình thái, sinh lý, tập tính sinh hoạt và sự phân bố địa lý của sinh vật. Giáp xác Artemia salma nuôi trong các môi trường có nông độ muối (độ mặn) khác nhau có kích thước khác nhau
Trong số các muối có trong nước đáng lưu ý là các muối dinh dưỡng, đó là các muối photphat và nitrat. Chúng có vai trò quan trọng trong việc tổng hợp các protein của sinh vật. Chúng được xem là nhân tố giới hạn đối với sự quang hợp của thực vật (tảo, rong...) ở nước và năng suất ở các vực nước. Hàm lượng hai loại muối này giao động rất rõ theo mùa ở môi trường nước biển.
- Chế độ nhiệt ở trong nước ít thay đổi hơn trên cạn, tính chất này có liên quan đến tính chất vật lý của nước. Biên độ giao động nhiệt ở các lớp nước không quá 10 - 150C, ở các vực nước nội địa dưới 300C. Nhiệt độ ổn định ở các lớp nước sâu.
Do sống trong môi trường có nhiệt độ tương đối ổn định nên các sinh vật thủy sinh là những sinh vật chịu nhiệt hẹp, chỉ gặp các loài chịu nhiệt rộng ở các vực nước nhỏ nội địa...
- Chế độ ánh sáng trong nước: Năng lượng ánh sáng đi vào nước sẽ yếu đi nhiều vì các tia sáng bị phản chiếu. Những tia sáng có độ dài sóng khác nhau được nước hấp thụ không như nhau. Tia sáng đỏ bị hấp thụ ngay tầng nước trên cùng rồi đến các tia sáng da cam, vàng, lục, lam ... và xuống sâu nhất là tia xanh tím. Chính sự phân bố không đồng đều của các tia sáng là nguyên nhân gây ra sự phân bố khác nhau theo chiều sâu của các loài thực vật ở nước. Phần lớn thực vật có hoa và tảo lục phân bố rất nông vì chúng hấp thụ tia đỏ.
Tảo nâu phân bố sâu (từ độ sâu 10-40m) nhờ chúng có sắc tố phụ màu nâu (phytoxanthine), tảo đỏ phân bố sâu hơn (có thể từ 60 - 100m) vì chúng có sắc tố màu đỏ (phycoerythrine) và màu lam (phycocyanine) hấp thụ được các tia sáng xuống sâu.
Do ánh sáng trong nước yếu là nguyên nhân sự phân hóa yếu của các đặc điểm giải phẫu của lá cây sống chìm trong nước (lá không có mô giậu hay mô giậu gồm một lớp tế bào rất ngắn, diệp lục có trong lớp tế bào biểu bì nhờ đó tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng).
Đối với động vật, màu sắc của chúng thay đổi theo sự phân bố của ánh sáng, các loài động vật ở vùng triều có màu sắc sặc sỡ nhất, còn các động vật ở các lớp nước sâu hoặc trong hang có màu tối.
Khả năng định hướng của động vật thủy sinh kém hơn động vật trên cạn vì trong nước có thời gian chiếu sáng ngắn.
Để thích nghi trong điều kiện ánh sáng không đủ, nhiều loài động vật đã sử dụng âm thanh làm phương tiện định hướng như sứa, cá, thân mềm, giáp xác, cua, tôm. Tín hiệu âm thanh trước hết dùng để liên hệ trong quần thể như định hướng trong đàn, thu hút giới tính ... Ngoài ra, động vật ở nước còn có một khả năng định hướng khác như là cảm ứng bằng mùi vị, nhiều loài động vật tìm nơi đẻ trứng hoặc sinh trưởng một các chính xác bằng cách này.
Ngoài các đặc điểm cơ bản nêu trên, thì các nhân tố vật lý của môi trường nước như tỷ trọng, áp suất, tỷ nhiệt, dòng chảy và các chất lơ lững trong nước cũng một phần nào ảnh hưởng đến sinh vật ở nước và các loài sinh vật này có một thích nghi nhất định. Ví dụ như đối với yếu tố áp suất: các sinh vật sống ở các lớp nước sâu nơi có áp suất lớn nên các loài sinh vật này có các thích nghi như cơ thể của chúng thường dẹp, ống tiêu hóa rất lớn hoặc như đối với dòng chảy khác nhau, lát cắt ngang thân của các loài cá sống ở sông cùng thay đổi, có hình tròn ở nơi có nước chảy và dẹp nơi nước đứng ...
- Tác động phối hợp giữa nhiệt độ và độ ẩm lên đời sống sinh vật, cách thành lập thủy nhiệt đồ và khí hậu đồ:
Nhiệt độ và độ ẩm hay lượng mưa là hai nhân tố sinh thái quan trọng của khí hậu, có tác động liên quan chặt chẽ với nhau, cùng ảnh hưởng lên đời sống và sự phân bố của các loài sinh vật cũng như những tổ chức cao hơn như quần thể, quần xã sinh vật và hệ sinh thái. Trong mối tác động tương hỗ giữa chúng lên đời sống thì ảnh hưởng của chúng không chỉ phụ thuộc vào những giá trị tương đối mà cả vào những giá trị tuyệt đối của mỗi yếu tố. Chẳng hạn, nhiệt độ có thể trở thành yếu tố giới hạn đối với cơ thể nếu độ ẩm lại gần với các cực trị của nó, nghĩa là cực cao hoặc cực thấp. Cũng đúng như vậy, độ ẩm tác động mạnh lên cơ thể khi nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp.
Sự tác động phối hợp của hai nhân tố này quyết định đến chế độ khí hậu của một vùng địa lý xác định và do đó, quy định giới hạn tồn tại của các quần xã sinh vật, trước hết đối với thảm thực vật. Sự phân bố của các khu sinh học (đồng rêu, rừng lá rộng, rừng lá kim, hoang mạc...) là dẫn xuất chính của hai yếu tố nhiệt độ - lượng mưa của các vùng trên trái đất.
Đối với mỗi loài sinh vật ta có thể tìm được giới hạn thích hợp đồng thời của hai nhân tố đó. Khi xác định được nhiệt độ và độ ẩm cực thuận sẽ tăng tuổi thọ, làm tăng tốc độ phát triển và sức sinh sản cao nhất đồng thời hạn chế mức độ tử vong cho cây trồng và vật nuôi, mặt khác có thể nắm vững được điều kiện thích hợp nhất đối với sự phát triển của sâu bọ để tìm biện pháp diệt trừ.
Để mô tả mối quan hệ nhiệt - ẩm quy định đời sống của một loài hay ở mức tổ chức cao hơn người ta thiết lập bản đồ nhiệt ẩm hay còn gọi là khí hậu đồ. Trên các trục của hệ toạ độ thường, ta đặt các điểm tương quan giữa nhiệt độ và độ ẩm (hay lượng mưa) theo giá trị trung bình của chúng theo thời gian rồi nối chúng lại với nhau, ta sẽ có 1 hình đa giác. Đó là khí hậu đồ của 1 vùng sinh thái xác định trong năm. Khí hậu đồ được ứng dụng trong nhiều mục đích như để so sánh khí hậu của các vùng với nhau giúp cho việc thuần hoá, di giống các đối tượng giống cây trồng - vật nuôi, hoặc so sánh điều kiện khí hậu thuộc nhiều năm khác nhau để dự báo sự biến động số lượng của động vật, nhất là tình hình sâu bệnh.
Ngoài ra, người ta còn thành lập biểu đồ của các cặp yếu tố khác như “nhiệt độ - muối” ở môi trường biển. Do vậy, biểu đồ của các cặp yếu tố còn có tên chung là “Sinh thái đồ”.
Thảo Hiên (Theo giáo trình sinh thái học)
