Nguyễn Mộng Khoa Môi trường, ĐHKH Huế Chương 3. Bảo tồn ở cấp quần thể và loài Nguyễn Mộng Khoa Môi trường, ĐHKH Huế 1. Những bất cập của quần thể nhỏ Một loài đặc biệt dễ bị tuyệt chủng khi chỉ có một vài quần thể nhỏ. Sự tuyệt chủng nhanh chóng của các quần thể có kích thước nhỏ đã dẫn đến khái niệm quần thể tối thiểu của một loài có thể sống được (Minimum Viable Population - MVP), nói lên số lượng nhỏ nhất của các cá thể trong quần thể nào đó có khả năng tồn tại qua một quãng thời gian xác định. Shaffer (1981) “Mỗi quần thể tối thiểu có thể sống được của bất kỳ một loài nào là một quần thể cách ly nhỏ nhất có 99% cơ hội tiếp tục tồn tại trong suốt 1.000 năm nữa, bất chấp những tác động không lường trước do thiên tai cũng như những biến động về quần thể, môi trường và di truyền”. Điểm mấu chốt của MVP - quần thể tối thiểu có thể sống được - là căn cứ theo chỉ số này có thể dự tính số lượng cá thể cần thiết để bảo tồn một loài. Nguyễn Mộng Khoa Môi trường, ĐHKH Huế Nguyên tắc chung là cố gắng bảo vệ 500 -1.000 cá thể cho các loài động vật có xương sống để bảo tồn sự biến dị di truyền. Đối với những loài có độ dao động kích thước quần thể lớn, ví dụ như đối với một số loài động vật không xương sống và các loài cây hàng năm, thì người ta cho rằng sự bảo tồn một quần thể gồm khoảng 10.000 cá thể sẽ là một chiến lược đem lại hiệu quả. Diện tích dao động tối thiểu (Minimum Dynamic Area - MDA): có thể ước tính được bằng cách nghiên cứu các kích thước khác nhau về nơi cư trú của các cá thể hay các nhóm quần thể trong loài. Người ta đã ước tính được rằng, để bảo tồn những quần thể tối thiểu của các loài thú cần bảo tồn một diện tích vào khoảng từ 10.000 đến 100.000 ha. Nguyễn Mộng Khoa Môi trường, ĐHKH Huế Tuy có ngoại lệ, song cần có các quần thể lớn để bảo tồn hầu hết các loài vì những loài nào có quần thể nhỏ đều có nguy cơ bị tuyệt diệt. Các quần thể nhỏ dễ bị suy giảm nhanh về số lượng và bị tuyệt chủng cục bộ vì 3 nguyên nhân chính như sau: • Những vấn đề về mặt di truyền; • Những dao động về số lượng quần thể do những biến động ngẫu nhiên trong tỷ lệ sinh và tỷ lệ chết; • Những nhiễu động môi trường do những biến đổi về sự bắt mồi, cạnh tranh, dịch bệnh, nguồn thức ăn cũng như các rủi ro về thiên tai xảy ra bất thường như cháy, lũ lụt hay hạn hán Nguyễn Mộng Khoa Môi trường, ĐHKH Huế 1.1. Những vấn đề về mặt di truyền  Mất tính biến dị di truyền  Biến đổi về số lượng cá thể trong quần thể  Sự biến đổi môi trường và các thiên tai  Những cơn lốc tuyệt chủng Nguyễn Mộng Khoa Môi trường, ĐHKH Huế 1. Mất tính biến dị di truyền Tính biến dị di truyền có tầm quan trọng đặc biệt vì nó cho phép quần thể sinh vật thích nghi được với những biến đổi của môi trường. Biến dị di truyền xảy ra do các cá thể có những dạng gene khác nhau được gọi là allen. Các cá thể có thể có những allen nhất định hoặc tổ hợp của các allen mang những đặc điểm cần thiết cho phép chúng tồn tại trong những điều kiện mới. Trong một quần thể, một số allen nhất định có thể thay đổi tần số xuất hiện, từ dạng rất phổ biến cho đến rất hiếm. Các allen mới xuất hiện trong quần thể thông qua đột biến. Trong các quần thể nhỏ, tần số xuất hiện của các allen có thể thay đổi một cách ngẫu nhiên từ thế hệ này sang thế hệ khác tùy thuộc vào cá thể được giao phối. Quá trình trên gọi là sự phân ly gen (genetic drift). Khi một allen có tần suất xuất hiện thấp trong một quần thể nhỏ thì xác suất mất mát ngẫu nhiên trong từng thế hệ là đáng kể. Nguyễn Mộng Khoa Môi trường, ĐHKH Huế  Khi xem xét một ví dụ có tính lý thuyết về một quần thể cách ly mà trong đó có 2 allen trong một gen, Wright đã đưa ra phương trình biễu diễn khả năng giảm sút tính dị hợp tử (các cá thể có hai dạng allen khác nhau trên cùng một gen) trong một thế hệ (∆F) cho một quần thể các con trưởng thành đang sinh sản (Ne):  ∆F =  Theo phương trình này, nếu quần thể gồm 50 cá thể thì mỗi thế hệ có thể giảm 1% tính dị hợp tử do mất đi những allen hiếm và nếu quần thể có 10 cá thể thì mỗi thế hệ sẽ giảm đi 5%. Phương tình trên cho thấy thuộc tính biến dị di truyền có thể mất đi một cách đáng kể trong những quần thể nhỏ và sống cách ly. Ne2 1 Nguyễn Mộng Khoa Môi trường, ĐHKH Huế Các quần thể nhỏ có sự phân ly di truyền thường mẫn cảm hơn với các ảnh hưởng có hại đến gen, ví dụ:  Suy thoái do giao phối nội dòng (inbreeding depression): có rất nhiều cơ chế khác nhau nhằm ngăn chặn sự giao phối nội dòng trong quần thể tự nhiên. Trong các quần thể lớn của hầu hết các loài động vật, các cá thể thường không giao phối với các cá thể đồng huyết tộc gần mình. Sự giao phối nội dòng sẽ gây nên sự suy thoái cận dòng đặc trưng bởi việc ít con cái, hoặc con cái không khoẻ mạnh hay vô sinh.  Một cách lý giải hợp lý nhất cho sự suy thoái do giao phối nội dòng là biểu hiện những allen nguy hại được di truyền lại từ cha mẹ. Nguyễn Mộng Khoa Môi trường, ĐHKH Huế  Suy thoái do giao phối xa (outbreeding depression): trong tự nhiên, các cá thể thuộc các loài khác nhau hiếm khi giao phối với nhau bởi một loạt các cơ chế cách ly về tập tính, sinh lý và hình thái.  Khi một loài trở nên hiếm hay nơi cư trú của nó bị hủy hoại thì sự giao phối xa có thể xảy ra. Kết quả là con cái của chúng thường yếu hay bất thụ do thiếu sự tương đồng của các nhiễm sắc thể cũng như không có hệ enzym thích hợp. Những con lai này sẽ không bao giờ có được tổ hợp chính xác các gen đảm bảo cho các cá thể tồn tại trong những điều kiện nhất định.  Sự suy thoái do giao phối xa đặc biệt quan trọng đối với thực vật trong đó sự thụ phấn bị động xảy ra trong chừng mực nào đó là do sự tình cờ gặp phấn hoa của loài khác. Một loài cây hiếm mọc gần một loài cây phổ biến khác có họ hàng gần có thể sẽ bị phấn hoa của cây phổ biến lấn át, dẫn đến sự ra đời của dòng con cái bất thụ hay làm mờ đi sự khác biệt giữa các loài Nguyễn Mộng Khoa Môi trường, ĐHKH Huế Mất tính mềm dẻo tiến hóa: những allen hiếm và những tổ hợp allen bất thường tuy chưa thể hiện ngay những ưu điểm của mình song rất có thể lại vô cùng thích hợp trong những điều kiện môi trường trong tương lai. Sự suy thoái tính biến dị di truyền trong những quần thể cực nhỏ có thể sẽ hạn chế khả năng phản ứng của quần thể với những biến đổi dài hạn của môi trường như ô nhiễm, các dịch bệnh mới hay sự biến đổi khí hậu toàn cầu. Một khi không có đủ tính biến dị di truyền, các loài có thể bị tuyệt diệt [...]... (Autecology)  Sinh lý học: các cá thể của một loài cần bao nhiêu lượng thức ăn, nước, muối khoáng và các chất cần thiết khác để có thể tồn tại, sinh trưởng và sinh sản? Mỗi cá thể sử dụng nguồn nói trên với hiệu suất như thế nào? Loài có thể dễ bị tổn thương trong các điều kiện khí hậu khắc nghiệt như nóng, lạnh và gió mưa?  Biến động số lượng quần thể: kích thước quần thể có hiện tại là bao nhiêu và... thực vật mà trong đó một số cây chỉ có thể sinh ra một vài hạt trong khi đó có những cây khác lại sinh ra hàng ngàn hạt Việc sinh ra một số con cái không đồng đều trong quần thể sẽ dẫn đến sự suy giảm đáng kể của Ne do một số ít cá thể trong thế hệ hiện tại đã tạo nên sự không cân đối trong quỹ gen của thế hệ tiếp theo Nguyễn Mộng Khoa Môi trường, ĐHKH Huế Những dao động bất thường và những cản trở quần... được gọi là Sinh thái học cá thể (Autecology) Dưới đây là các nhóm câu hỏi về sinh thái học cá thể cần được làm sáng tỏ khi tiến hành thiết kế và thực hiện một cách có hiệu quả những chương trình bảo tồn ở mức quần thể Nguyễn Mộng Khoa Môi trường, ĐHKH Huế Sinh thái học cá thể (Autecology)     Môi trường: loài này được tìm thấy trong những dạng cư trú nào và diện tích mỗi nơi cư trú đó là bao nhiêu?... tác sinh học: loài cần loại thức ăn gì và các nhu cầu khác cần có là gì? Những loài cạnh tranh thức ăn và các nhu cầu khác? Có những vật ăn mồi, sâu hại và các ký sinh trùng nào có tác động đến kích thước quần thể loài? Hình thái học: với kích thước, hình dạng, màu sắc và bề mặt cơ thể như thế nào thì cho phép loài tồn tại trong môi trường sinh sống của nó? Nguyễn Mộng Khoa Môi trường, ĐHKH Huế Sinh. .. lệ đực cái là 1: 9 Kích thước quần thể hiệu quả sẽ là: 4(10 X 90) Ne = = 36 10 + 90 Điều đó có nghĩa là một quần thể có 100 cá thể bao gồm 10 con đực và 90 con cái, sẽ mất biến dị di truyền nhanh như là một quần thể chỉ có 18 con đực và 18 con cái hay gồm 36 cá thể Nguyễn Mộng Khoa Môi trường, ĐHKH Huế Sự biến động về sản phẩm sinh sản: ở nhiều loài, số lượng con non của từng cá thể thường có sự khác... trường, ĐHKH Huế Sinh thái học cá thể (Autecology)   Điểm then chốt để bảo tồn và quản lý một loài hiếm, đang có nguy cơ tuyệt chủng là phải có hiểu biết đầy đủ về mối quan hệ sinh học của loài đó với môi trường chung quanh và tình trạng quần thể của loài đó Những thông tin như thế thường được gọi là lịch sử tự nhiên (natural history), hoặc đôi khi được gọi một cách đơn giản là Sinh thái học (Ecology),... trong thực tế vì nhiều cá thể trong một quần thể lại không sinh sản được vì những lý do như tuổi tác, sức khoẻ yếu, vô sinh, suy dinh dưỡng, cơ thể nhỏ bé hoặc do các cấu trúc xã hội đã cản trở không cho một vài cá thể tìm ra “bạn đời” của mình Do những yếu tố nêu trên nên kích thước quần thể có hiệu quả (Ne) của những cá thể trong độ tuổi sinh sản thường là nhỏ hơn kích thước thực của quần thể (actual... đến khi đạt mức cao nhất khả năng chịu tải của môi trường Tới ngưỡng này, tỷ lệ sinh trung bình trên một cá thể là sẽ ngang bằng với tỷ lệ chết trung bình và sẽ không có sự thay đổi nào về kích thước của quần thể Trong thực tế, các cá thể của một quần thể thường không sinh ra một số lượng con cái trung bình mà hoặc là không sinh sản, hoặc số con cái ít hơn bình quân, hoặc là nhiều hơn bình quân Chừng... thể ở mức quá thấp Hiện tượng này Nguyễn được gọi là hiệu ứng Allee (Allee effect) Mộng  Khoa Môi trường, ĐHKH Huế 3 Sự biến đổi môi trường và các thiên tai Những biến đổi ngẫu nhiên về môi trường sinh học và vật lý có thể gây nên những biến đổi về cấu trúc quần thể của một loài Những dao động về điều kiện tự nhiên (môi trường vật lý) cũng có thể ảnh hưởng đến quần thể của loài Các thiên tai xảy ra... trước đây là bao nhiêu? Số lượng cá thể có ổn định không hay tăng lên hoặc giảm đi?  Tập tính: từng cá thể có cần hành động như thế nào để loài có thể tồn tại được trong môi trường sống của mình? Các cá thể của loài giao phối và sinh sản như thế nào? Các cá thể của loài có quan hệ tương hổ với nhau như thế nào, hợp tác với nhau hay cạnh tranh?  Di truyền học: những biến đổi về hình thái và sinh lý giữa . bộ vì 3 nguyên nhân chính như sau: • Những vấn đề về mặt di truyền; • Những dao động về số lượng quần thể do những biến động ngẫu nhiên trong tỷ lệ sinh. là: 4(10 X 90) 4(10 X 90) 10 + 90 10 + 90 = 36 = 36 Ne = Ne = Điều đó có nghĩa là một quần thể có 100 cá thể bao gồm 10 con đực và 90 con cái, sẽ mất biến