Bao ton da dang sinh hoc 3

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 n

Nguyễn Mộng

Chương 3

Bảo tồn ở cấp quần thể và loài

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

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

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

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

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

 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

Ne

21

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

 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

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

Nguyên tắc 50/500 không dễ áp dụng 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 population size)

Một quần thể có kích thước hiệu quả nhỏ hơn kích thước thực

tế vì:

Tỷ lệ giới tính không tương xứng (unequal sex ratio): do ngẫu nhiên mà quần thể có thể có tỷ lệ không tương xứng giữa con đực và con cái

• Các loài đơn giao (monogamous) như loài ngỗng

• Ở những nhóm động vật tạp giao khác (polygamuos), ví

dụ như ở hải cẩu Ảnh hưởng của số lượng không tương xứng giữa con đực và con cái đến kích thước thực Ne có thể mô tả theo công thức: Ne=

Trong đó Nm và Nf là số cá thể đực và cái trong quần thể

f m

f m

N N

N N

+

4

Nguyễn Mộng

Ví dụ: một quần thể có 100 cá thể, trong đó tỷ lệ đực cái là 1: 9.

Kích thước quần thể hiệu quả sẽ là:

Sự biến động về sản phẩm sinh sản: ở nhiều loài, số lượng con non của từng cá thể thường có sự khác nhau đáng kể Điều này càng đúng hơn với 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

Những dao động bất thường và những cản trở quần thể:

Đối với một số loài, kích thước quần thể dao động đáng kể từ thế hệ này sang thế hệ khác, làm cho kích thước quần thể có hiệu quả sẽ dao động trong khoảng từ thấp nhất đến cao nhất Như vậy chỉ cần một năm có sự suy giảm lớn về số lượng cá thể trong quần thể sẽ kéo theo sự giảm sút đáng kể của Ne Nguyên tắc này kéo theo một hiện tượng gọi là cản trở quần thể, khi một quần thể bị giảm kích thước nghiêm trọng thì những allen hiếm trong quần thể sẽ bị mất đi nếu không có cá thể nào mang những allen này sống sót và sinh sản

Một loại cản trở đặc biệt thường gọi là hiệu ứng lập đàn (founder effect) sẽ xuất hiện khi một vài cá thể rời bỏ quần thể lớn để thành lập một quần thể mới Quần thể mới này thường có ít tính biến dị di truyền so với quần thể lớn nguyên thủy

2 Biến đổi về số lượng cá thể trong quần thể

Trong điều kiện môi trường ổn định lý tưởng, một quần thể

sẽ phát triển cho 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 nào kích thước quần thể còn lớn thì trị số trung bình sẽ cung cấp những chỉ số chính xác về hiện trạng đang tiếp diễn trong quần thể Tương tự, tỷ lệ chết trung bình trong một quần thể có thể được xác định thông qua nghiên cứu một số lượng lớn các cá thể trong quần thể

Nguyễn Mộng

 Khi kích thước quần thể giảm dưới 50 cá thể, sự khác nhau ở mỗi

cá thể về sức sống được thể hiện bằng tỷ lệ sinh và tỷ lệ chết sẽ gây nên dao động kích thước quần thể một cách ngẫu nhiên Do vậy, mỗi khi quần thể bị thu nhỏ lại thì sự biến động số lượng

quần thể sẽ trở thành một yếu tố quan trọng và quần thể đó rất

dễ bị tuyệt chủng

 Các đàn động vật ăn cỏ hay các đàn chim có thể không có khả năng tìm kiếm thức ăn hay tự bảo vệ mình khi số lượng cá thể trong quần thể của chúng bị giảm xuống đến một mức nhất

định Những động vật săn bắt mồi theo bầy có thể cần phải có một số lượng cá thể nhất định nào đó thì mới săn mồi có hiệu

quả

 Nhiều quần thể của loài động vật sống trong những khu phân bố rộng lớn như gấu hay cá voi có thể không tìm được bạn đời cho mình một khi mật độ quần thể ở mức quá thấp Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Allee (Allee effect)

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 một cách bất thường như hạn hán, bão tố,

lũ lụt, động đất, núi lửa, cháy và hiện tượng chết theo chu kỳ trong các quần xã sinh vật, cũng gây nên những dao động lớn trong cấu trúc quần thể

Mặc dù xác suất xảy ra thiên tai trong một năm là rất thấp, song trong hàng thập kỷ hay thế kỷ thì hoàn toàn có thể xảy ra

3 Sự biến đổi môi trường và các thiên tai

Nguyễn Mộng

Qua các nỗ lực mô hình hoá do Menges (1992) thực hiện đã cho thấy sự biến đổi ngẫu nhiên về môi trường làm gia tăng tỷ lệ

tuyệt chủng của các quần thể cở vừa và nhỏ

Menges đã đưa các thông số biến đổi môi trường vào một số mô hình quần thể cây cọ Trong trường hợp mô hình chỉ xem xét sự biến đổi về số lượng quần thể thì kết quả đã cho thấy với kích

thước nhỏ nhất mà quần thể có thể tồn tại trong vòng 100 năm là

140 cá thể Tuy nhiên, khi đưa thêm các yếu tố biến đổi các

thông số môi trường vào thì giá trị này đã tăng lên 380 cá thể

4 Những cơn lốc tuyệt chủng (Extinction vortices)

Một quần thể càng nhỏ thì nó càng dễ bị tổn thương bởi những biến đổi về số lượng, các yếu tố môi trường và các yếu tố di truyền; ảnh hưởng của các yếu tố này có xu hướng làm cho quần thể giảm kích thước, dần trở nên nhỏ hơn rồi bị tuyệt chủng với tốc độ được ví như là một cơn lốc tuyệt chủng

Biến đổi môi trường, biến động số lượng quần thể và mất tính biến dị di truyền luôn tác động với nhau, sự thu hẹp kích thước quần thể do một yếu tố gây ra sẽ làm tăng tính mẫn cảm với các yếu tố khác

Khi kích thước quần thể đã bị thu nhỏ thì hậu quả thông thường là tuyệt diệt, trừ khi có các điều kiện cực kỳ thích hợp cho sự gia tăng kích thước quần thể

Cơn lốc tuyệt chủng

Quần thể nhỏ

Giao phối gần Phân ly di truyền

Mất biến dị

di truyền

Tỷ lệ sinh thấp

Tỷ lệ tử cao

Quần thể nhỏ hơn

Giảm sức

sống và khả

năng thích

ứng

The Extinction Vortex

Kích thước nhỏ

Giảm tỷ lệ tăng trưởng

Giảm khả năng sinh sản và sống sót

Gia tăng giao phối nội dòng và trôi dạt di truyền

Nguyễn Mộng

Quần thể biến thái (Metapopulation)

• Trải qua thời gian, quần thể của một loài có thể bị mất đi do

tuyệt chủng cục bộ ở một vùng nào đó và các quần thể mới

có thể sẽ được hình thành ở những vùng thích hợp gần đó

Hệ thống tạm thời này hay những quần thể biến động số lượng được liên kết với nhau nhờ sự di nhập được gọi là quần thể biến thái.

• Quần thể biến thái là tập hợp các quần thể nhỏ

(sub-populations) của một loài sống biệt lập trong mỗi mảnh nhỏ của nơi cư trú trong một vùng sinh cảnh, tồn tại được do

sự cân bằng giữa tuyệt chủng cục bộ và phục hồi của các quần thể, nhờ vào sự di nhập các cá thể từ một hoặc một vài quần thể này tới các quần thể khác

Quần thể gốc có nơi ở thích hợpQuần thể vệ tinh có chất lượng nơi ở thấp

Cá thể sinh vật trong các quần thể

Quần thể biến thái

Nguyễn Mộng

Quần thể biến thái (Metapopulation)

 Các quần thể mà ở đấy có tỷ lệ gia tăng số lượng cá thể cao, tạo ra một số lượng cá thể dư thừa được gọi là các quần thể trung tâm hay quần thể gốc (source- population) Số lượng cá thể dư thừa từ các quần thể trung tâm này, sẽ di nhập vào các quần thể có tỷ lệ gia tăng

số lượng cá thể thấp, thường bị tuyệt chủng cục bộ, được gọi là các quần thể vệ tinh (hay quần thể suy thoái - sink population) Các quần thể vệ tinh do chất lượng nơi cư trú thấp nên có thể tuyệt chủng nếu không có sự di nhập cá thể từ các quần thể trung tâm

 Sự di nhập các cá thể từ quần thể trung tâm tới các quần thể vệ tinh bảo đảm cho sự tồn tại của quần thể biến thái

 Đối với các quần thể biến thái, sự phá huỷ nơi cư trú của một quần thể trung tâm có thể sẽ dẫn đến sự tuyệt chủng của các quần thể vệ tinh, vốn là những quần thể phụ thuộc nhiều vào quần thể trung tâm Những nhiễu động do con người tạo ra gây cản trở cho sự di nhập của các cá thể cũng có thể làm giảm tốc độ nhập cư giữa các khu vực cư trú khác nhau của loài và từ đó làm giảm, thậm chí làm mất đi khả năng tái lập quần thể sau khi xảy ra sự tuyệt chủng cục bộ

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 khi thực ra theo nguyên tắc khoa học thì việc tìm hiểu chỉ một loài nào đó sẽ 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