*) Cấu trúc quần thể:

Các quần thể sinh vật không đồng nhất về các thành phần và sự phân bố của các cá thể trong không gian. Đặc tính cấu trúc của quần thể được thể hiện trên nhiều khía cạnh khác nhau như kích thước và mật độ, cấu trúc tuổi, cấu trúc giới tính và sinh sản...

1. Kích thước và mật độ của quần thể

1.1. Kích thước

Kích thước của quần thể là số lượng (số cá thể) hay khối lượng (g, kg, tạ ...) hay năng lượng (kcal hay calo) tuyệt đối của quần thể, phù hợp với nguồn sống và không gian mà quần thể chiếm cứ. Những quần thể phân bố trong không gian rộng, nguồn sống dồi dào có số lượng đông hơn so với những quần thể có vùng phân bố hẹp và nguồn sống bị hạn chế.

Trong điều kiện nguồn sống bị giới hạn, những loài có kích thước cá thể nhỏ thường tồn tại trong quần thể đông, nhưng sinh khối (khối lượng sinh vật hay sinh vật lượng) lại thấp, ví dụ: vi khuẩn, các vi tảo..., ngược lại những loài có kích thước cá thể lớn hơn lại có kích thước quần thể nhỏ nhưng sinh khối lại cao, ví dụ như thân mềm, cá, chim, các loài cây gỗ.... Mối quan hệ thuận nghịch giữa số lượng quần thể và kích thước của các cá thể được kiểm soát chủ yếu bởi nguồn nuôi dưỡng của môi trường và đặc tính thích nghi của từng loài, đặc biệt là khả năng tái sản xuất của nó.

Trong một loài, số lượng cá thể của quần thể càng đông thì trường di truyền càng lớn, trị sinh thái đối với các yếu tố môi trường càng được mở rộng. Do vậy, trong điều kiện môi trường càng biến động mạnh thì ở những quần thể lớn, khả năng sống sót của các cá thể cao hơn và quần thể dễ dàng vượt được những thử thách, duy trì được sự tồn tại của mình so với những quần thể có kích thước nhỏ.

Ở vùng vĩ độ thấp, điều kiện môi trường khá ổn định, quần thể thường có kích thước nhỏ hơn so với vùng ôn đới nơi điều kiện môi trường biến động mạnh. Cũng nhờ số lượng ít, nhiều quần thể sinh vật biển của vùng vĩ độ thấp dễ dàng xâm nhập vào các thuỷ vực nội địa, tham gia vào việc hình thành các khu hệ động, thực vật nước ngọt..

Kích thước của quần thể trong một không gian và một thời gian nào đó được diễn tả theo công thức tổng quát sau:

Nt = N0 + B - D + I - E

Trong đó: Nt : Số lượng cá thể của quần thể ở thời điểm t

     N0 : Số lượng cá thể của quần thể ban đầu, t = 0

     B:  Số cá thể do quần thể sinh ra trong khoãng thời gian từ t0 đến t

     D:  Số cá thể của quần thể bị chết trong khoãng thời gian từ t0 đến t

     I:  Số cá thể nhập cư vào quần thể trong khoãng thời gian từ t0 đến t

     E:  Số cá thể di cư khỏi quần thể trong khoãng thời gian từ t0 đến t.  

Trong công thức trên, bản thân mỗi một số hạng cũng mang những thuộc tính riêng, đặc trưng cho loài và biến đổi một cách thích nghi với sự biến động của các yếu tố môi trường.

Ở một số quần thể sinh vật cố định như thực vật bậc cao, trong quá trình khảo sát kích thước quần thể người ta thường bỏ qua hai thông số nhập cư và di cư.

1.2. Mật độ của quần thể

Mật độ của quần thể là số lượng cá thể hay sinh khối, năng lượng của quần thể tính trên một đơn vị diện tích hay thể tích mà quần thể đó sinh sống.

Ví dụ, mật độ của một loài sâu hại lúa được dự báo là 8 con/m2, mật độ dân số ở Tây Nguyên là 52 người/km2, mật độ tảo Skeletonema costatum là 96.000 tế bào/lít. Mật độ được biểu diễn bằng số lượng cá thể chỉ ra khoảng cách trung bình giữa các cá thể với nhau, khối lượng chỉ ra mức độ tập trung của chất sống; còn năng lượng chỉ ra đặc tính nhiệt động học của quần thể. Như vậy, tuỳ theo mục đích nghiên cứu mà người ta sử dụng các đơn vị đo lường mật độ khác nhau.

Mật độ quần thể có ý nghĩa sinh học rất quan trọng, như một tín hiệu sinh học, thông tin cho quần thể về trạng thái số lượng của mình nhiều hay ít để tự điều chỉnh. Khi mật độ quá cao, không gian sống trở nên chật hẹp, mức ô nhiễm tăng; nguồn thức ăn, nước uống suy giảm, sự cạnh tranh trong nội bộ loài tăng. Những hiện tượng trên dẫn đến giảm mức sinh sản, nhưng mức tử vong tăng, và do đó kích thước quần thể tự điều chỉnh theo hướng thu hẹp, phù hợp với sức chịu đựng của môi trường. Nếu mật độ của quần thể lại quá thấp sẽ xuất hiện một bức tranh hoàn toàn ngược lại.

Như vậy mỗi loài, mỗi quần thể của loài trong những điều kiện sống cụ thể của mình đều có một mật độ xác định - một chỉ số đóng vai trò quan trọng trong cơ chế điều chỉnh số lượng của quần thể.

Để xác định mật độ của quần thể, người ta xây dựng nên nhiều phương pháp, phù hợp với những đối tượng nghiên cứu khác nhau.

- Đối với vi sinh vật, phương pháp xác định mật độ là đếm khuẩn lạc trong môi trường nuôi cấy từ một thể tích xác định của dung dịch chứa chúng.

- Đối với thực vật nổi và động vật nổi (phytoplankton và zooplankton), mật độ được xác định bằng cách đếm các cá thể của một thể tích nước xác định trong những phòng đếm đặc biệt trên kính lúp, kính hiển vi...

- Đối với thực vật, động vật đáy (loài ít di động) mật độ được xác định trong các ô tiêu chuẩn. Những ô tiêu chuẩn này được phân bố trên những điểm và tuyến (hoặc lát cắt) chìa khoá trong vùng nghiên cứu.

2. Cấu trúc không gian của quần thể

2.1. Các dạng phân bố của cá thể

Cấu trúc không gian của quần thể được hiểu là sự chiếm cứ không gian của các cá thể. Các cá thể của quần thể phân bố trong không gian theo 3 cách: phân bố đều, phân bố theo nhóm (hay điểm) và phân bố ngẫu nhiên.

Phân bố đều: Gặp ở những nơi môi trường đồng nhất (nguồn sống phân bố đồng đều trong vùng phân bố) và sự cạnh tranh về không gian giữa các cá thể rất mạnh hoặc tính lãnh thổ của các cá thể rất cao.

Phân bố ngẫu nhiên: Gặp trong trường hợp khi môi trường đồng nhất, hoặc các cá thể không có tính lãnh thổ cao, cũng không có xu hướng hợp lại với nhau thành nhóm.

Phân bố theo nhóm rất thường gặp trong thiên nhiên khi môi trường không đồng nhất và các cá thể có khuynh hướng tụ tập lại với nhau thành nhóm hay thành những điểm tập trung. Đây là hình thức phân bố phổ biến trong tự nhiên.

2.2. Sự tụ họp

Trong cấu trúc nội tại của hầu hết các quần thể ở những thời gian khác nhau thường xuất hiện những nhóm cá thể có kích thước khác nhau, tạo nên sự tụ họp của các cá thể. Điều này có liên quan đến những nguyên nhân sau:

+ Do sự khác nhau về điều kiện môi trường cục bộ của nơi sống.

+ Do ảnh hưởng của sự biến đổi điều kiện thời tiết theo ngày đêm hay theo mùa.

+ Liên quan đến quá trình sinh sản của loài .

+ Do tập tính xã hội ở các động vật bậc cao.

Sự tụ họp có thể gia tăng tính cạnh tranh giữa các cá thể về chất dinh dưỡng, thức ăn hay không gian sống, song những  hậu quả không thuận lợi đó lại được điều hoà cân bằng là nhờ chính sự quần tụ tạo điều kiện sống sót cho cả nhóm nói chung.

2.3. Sự cách ly và tính lãnh thổ

Những yếu tố đưa đến sự cách ly hay sự ngăn cách của các cá thể, các cặp hay những nhóm nhỏ của một quần thể trong không gian là do:

+ Sự cạnh tranh về nguồn sống ít ỏi giữa các cá thể

+ Tính lãnh thổ, kể cả những phản ứng tập tính ở động vật bậc cao hay những cơ chế cách ly về mặt hoá học (chất kháng sinh...) ở thực vật, vi sinh vật, động vật bậc thấp.

Trong cả 2 trường hợp đều đưa đến sự phân bố ngẫu nhiên hay phân bố đều của các cá thể trong không gian. Vùng hoạt động của các cá thể, của một cặp hay một nhóm gia đình động vật có xương sống hay không xương sống bậc cao thường bị giới hạn về không gian. Không gian đó được gọi là phần "đất" của gia đình hay cá thể. Nếu phần đất này được bảo vệ nghiêm ngặt, không chồng chéo sang phần của "láng giềng" thì được gọi là lãnh thổ.

Tính lãnh thổ được bộc lộ rõ nét ở động vật có xương sống, một số chân khớp (Arthropoda) có tập tính sinh sản phức tạp, xuất hiện khi xây tổ đẻ trứng và bảo vệ con non.

Ngược với sự tụ họp, sự cách ly của các cá thể trong quần thể có thể làm giảm cạnh tranh về nguồn sống thiết yếu hoặc đảm bảo những cái cần cho những chu kỳ sinh sản phức tạp (ở chim). Trong thiên nhiên cách sống tụ họp và cách ly xuất hiện ngay trong các cá thể của quần thể và biến đổi phụ thuộc vào hoạt động chức năng cũng như các điều kiện khác nhau ở từng giai đoạn của chu kỳ sống. Ví dụ, cách ly lãnh thổ trong khi sinh sản, họp đàn trong trú đông, trong săn mồi.

Ở những nhóm tuổi khác nhau hay khác nhau về giới tính, các cá thể cũng chọn cách sống khác nhau, chẳng hạn như con non thích sống tụ họp, con trưởng thành thích sống cách ly.

3. Thành phần tuổi

Quần thể bao gồm nhiều cá thể do vậy gồm nhiều nhóm tuổi, chúng có quan hệ mật thiết với nhau về mặt sinh học, tạo nên cấu trúc tuổi của quần thể. Tuổi là khái niệm để chỉ thời gian sống và đã sống của cá thể, tuổi được tính theo các đơn vị thời gian khác nhau, tuỳ thuộc vào đời sống cá thể dài hay ngắn (giờ, ngày, tuần, tháng năm hoặc số lần lột xác).

Tỷ lệ giữa các nhóm tuổi của từng thế hệ có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu sinh thái học và trong thực tế sản xuất. Nếu xếp chồng số lượng các nhóm tuổi theo các thế hệ từ non đến già ta có tháp tuổi.

Cấu trúc tuổi của các quần thể khác nhau của loài hay của các loài khác nhau có thể phức tạp hay đơn giản, liên quan với tuổi thọ trung bình của quần thể hay của loài cao hay thấp.

Sự sai khác về tỷ lệ các nhóm tuổi trong quần thể, theo Nikolski (1974) không phải là hiện tượng ngẫu nhiên mà mang tính thích nghi rõ rệt.

Cấu trúc tuổi của quần thể thay đổi theo chu kỳ (chu kỳ ngày đêm, chu kỳ tuần trăng và chu kỳ mùa...) liên quan với sự hình thành những thế hệ mới theo chu kỳ.

Trong điều kiện thuận lợi, cấu trúc tuổi thay đổi theo hướng nâng cao vai trò của nhóm tuổi trẻ, còn trong điều kiện khó khăn thì sự thay đổi theo hướng ngược lại.

Trong điều kiện môi trường không ổn định, tỷ lệ các nhóm tuổi thường biến đổi khác nhau do chúng phản ứng khác nhau với cùng cường độ tác động của các yếu tố môi trường. Khi điều kiện môi trường ổn định, tỷ lệ của các nhóm tuổi của quần thể mới được xác lập một cách ổn định vững chắc và mang đặc trưng của loài.

Trong nghiên cứu sinh thái học người ta chia đời sống của cá thể thành 3 giai đoạn tuổi:

+ giai đoạn tuổi I: trước sinh sản

+ giai đoạn tuổi II: đang sinh sản

+ giai đoạn tuổi III: sau sinh sản.

Do đó trong quần thể hình thành 3 nhóm tuổi tương ứng. Mỗi nhóm có ý nghĩa sinh thái khác nhau, tham gia vào cơ chế điều chỉnh số lượng của quần thể.

- Nhóm trước sinh sản là những cá thể chưa có khả năng sinh sản. Sự tăng trưởng của cá thể xảy ra chủ yếu là tăng kích thước và khối lượng. Cơ quan sinh dục và sản phẩm sinh dục đang phát triển để đạt đến trạng thái thành thục ở dạng trưởng thành. Nhóm này là lực lượng bổ sung cho nhóm sinh sản của quần thể.

- Nhóm đang sinh sản là lực lượng tái sản xuất của quần thể. Tuỳ từng loài mà nhóm này sinh sản 1 lần hay nhiều lần trong đời. Sức sinh sản lớn hay nhỏ phụ thuộc vào tiềm năng sinh học của mỗi loài và thích nghi với mức tử vong cao hay thấp.

- Nhóm sau sinh sản gồm những cá thể không có khả năng sinh sản nữa và chúng có thể sống đến cuối đời.

Khi xếp các nhóm tuổi này kế tiếp lên nhau từ nhóm tuổi I đến nhóm tuổi III, cũng tương tự như khi xếp các thế hệ ta có tháp tuổi, nhưng ở đây cho phép đánh giá xu thế phát triển số lượng của quần thể cũng như một số các ý nghĩa khác.

Trong sinh giới không phải tất cả các loài đều có 3 nhóm tuổi, có loài có đầy đủ cả 3 nhóm tuổi, nhưng cũng có loài chỉ có nhóm tuổi trước sinh sản và nhóm đang sinh sản, không có nhóm tuổi sau sinh sản..

Ở thực vật, một số loài thông sống trên 200 năm, sinh sản trước 10 tuổi, trong khi đó phần lớn thực vật hạt kín cũng với tuổi thọ trên 200 năm, nhưng tuổi trước sinh sản kéo dài tối thiểu 20 năm. Nhìn chung, thời kỳ trước sinh sản của thực vật hạt kín so với đời sống có tỷ lệ 1:10. Những cây có thời kỳ trước sinh sản ngắn thì tuổi thọ cũng thấp, còn loài nào có thời kỳ trước sinh sản dài thì thời kỳ sinh sản và tuổi thọ dài (Kormondy, 1996)

Cấu trúc tuổi và tháp tuổi ở người cũng không sai khác với các tháp chuẩn ở trên. Ở đây cũng có các dạng tháp tuổi đặc trưng cho dân số ở những nước đang phát triển (tháp trẻ), nước phát triển (tháp ổn định) và những nước có dân số "già" (tháp suy thoái).

4. Cấu trúc giới tính

Sự phân chia giới tính là hình thức cao trong sinh sản của sinh giới. Nhờ đó trong sinh sản có sự trao đổi chéo và kết hợp gen giữa các cá thể,  tạo nên thế hệ con cái có sức sống cao hơn.

Cấu trúc giới tính là cơ cấu quan trọng của quần thể, mang đặc tính thích ứng đảm bảo hiệu quả sinh sản của quần thể trong những điều kiện thay đổi của môi trường.

Trong thiên nhiên, tỷ lệ chung giữa con đực và con cái là 1:1, song tỷ lệ này biến đổi khác nhau ở từng loài và khác nhau ở các giai đoạn khác nhau trong đời sống ngay trong một loài, đồng thời còn chịu sự chi phối của các yếu tố môi trường (tập tính sống).

- Cấu trúc giới tính bậc I (giống bậc I): là tỉ lệ giữa số lượng cá thể đực và cái của trứng đã thụ tinh. Tỉ lệ này xấp xỉ 1:1 ở đa số các loài động vật.

- Cấu trúc giới tính bậc II (giống bậc II): là tỉ lệ đực/cái ở giai đoạn trứng nở hoặc con non mới sinh. Tỉ lệ này xấp xỉ 1:1 ở đa số các loài động vật.

- Cấu trúc giới tính bậc III (giống bậc III): là tỉ lệ đực/cái ở giai đoạn cá thể trưởng thành.

 Cấu trúc giới tính bậc III khác nhau ở các loài khác nhau, đặc biệt quan trọng và có liên quan với tập tính sinh dục và tiềm năng sinh sản ở các loài. ở ngỗng, vịt, gà gô Mỹ (Tinamidae), cun cút (Turnicidae), thỏ (Salvilagus) có cấu trúc giới tính bậc III là 60 đực/40 cái. Những loài đa thê (ở nhiều loài như gà, vịt, hươu, nai...) có số lượng cá thể cái nhiều hơn cá thể đực gấp 2-3 lần, thậm chí đến 10 lần. Cấu trúc giới tính bậc III không ổn định mà thay đổi tuỳ tập tính sinh dục và sinh sản của từng loài chẳng hạn như ở thằn lằn, rắn độc, bò cạp...sau mùa sinh dục (giao phối) số lượng cá thể đực giảm xuống, sau đó lại xấp xỉ bằng nhau. Điều này phụ thuộc vào tỷ lệ tử vong không đồng đều giữa cá thể cái và đực. Ngoài ra, tỉ lệ đực cái của quần thể còn thay đổi tuỳ theo điều kiện môi trường, ví dụ như kiến nâu rừng (Formica rufa) đẻ trứng ở nhiệt độ thấp hơn 200C thì trứng nở ra hoàn toàn cá thể cái, nhưng ở những nơi có nhiệt độ cao hơn 200C thì trứng nở ra hoàn toàn cá thể đực.

Ở nhiều loài động vật sinh sản lưỡng tính, nhất là động vật thuỷ sinh, có sự biến đổi luân phiên đều đặn giữa các pha đực và pha cái thì cấu trúc giới tính phụ thuộc vào tuổi của cá thể, ví dụ loài tôm Pandalus borealis tham gia vào đàn đẻ trứng ở pha đầu thường là con đực với tuổi 2,5 năm, sau đó chuyển giới tính vào mùa sinh sản tiếp theo. Loài tôm Solenocera membranaela có tuổi thọ 3 năm, nhưng 2 năm cuối đời hoạt động như cá thể cái do vậy trong quần thể số lượng con đực ở dạng trưởng thành rất ít.

Tỷ lệ giữa cá thể đực và cái trong quần thể phụ thuộc trước hết vào đặc điểm di truyền của loài, ngoài ra còn chịu sự kiểm soát của điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ chiếu sáng và thời gian chiếu sáng. Ví dụ trong điều kiện thí nghiệm với giáp xác bơi nghiêng (Gammarus duebeni) với thời gian được chiếu sáng dài 16 giờ, số lượng cá thể đực nhiều gấp 3-12 lần cá thể cái. Quần thể Gammarus salinus khi nuôi ở điều kiện nhiệt độ 50C, số con đực trong quần thể nhiều gấp 5 lần số con cái, nhưng nếu ở nhiệt độ 230C thì số cá thể cái nhiều gấp 13 lần số cá thể đực.

Tỷ lệ giới tính của quần thể còn biến đổi khác nhau trong những giai đoạn khác nhau của đời sống, nhất là ở các giai đoạn trước sinh sản, đang sinh sản và sau sinh sản.

*) Ứng dụng trong việc điều khiển cấu trúc quần thể ruộng cây trồng cho năng suất cao:

- Cấu trúc tuổi: cho ta biết xu thế tăng của quần thể trong tương lai.

+ Quần thể đang tăng trưởng.

+ Quần thể ổn định: Có các nhóm tuổi tương đương nhau.

+ Quần thể đang suy thoái.

+Dùng tháp tuổi để xác định cấu trúc tuổi.

+ Trong sinh thái, người ta thường sử dụng tuổi sinh thái: Tuổi sinh sản, tuổi sức sinh sản, tuổi sau sản.

- Cấu trúc giới tính:

+ Tỷ lệ đó luôn thay đổi để đảm bảo khả năng sinh sản, hiệu quả sinh sản của chủng quần thể. Khi mật độ tăng thì số cá thể đực tăng và quá trình SS tăng.

+ Trong một quần thể ĐV, tỷ lệ giới tính khác nhau ở từng lứa tuổi và có ý nghĩa rất quan trọng với tập tính sinh dục của QT. Tập tính SD phụ thuộc vào tỷ lệ giới tính của các nhóm tuổi trưởng thành, đảm bảo khả năng SS lớn nhất.

+ Tỷ lệ giới tính là một phản ứng của chủng quần thể với môi trường để điều chỉnh số lượng của quần thể.