Mô phỏng chuỗi và lưới thức ăn

Đây là một lưới thức ăn cả lớp cùng lập trên máy chiếu, TV hoặc bảng tương tác. Thầy cô chọn đồng cỏ, ao hoặc rừng, rồi kéo từ một sinh vật tới sinh vật ăn nó: một mũi tên hiện ra, chỉ đúng chiều đi của năng lượng. Vẽ ngược, chẳng hạn thỏ ăn cáo, mũi tên sẽ bật lại kèm một gợi ý ngắn. Mỗi khi thêm mũi tên, từng sinh vật được ghi vai trò (sinh vật sản xuất, sinh vật tiêu thụ bậc 1, 2, 3, sinh vật phân giải) và chuỗi thức ăn dài nhất sáng lên. Sau đó chuyển sang phần Cân bằng, bấm Chạy, cho một loài biến mất: cả lớp thấy ảnh hưởng lan dần ra cả lưới.

Cách dùng

• Chọn môi trường: Đồng cỏ, Ao hoặc Rừng ở trên cùng. Mỗi nơi có Mặt Trời, hai loài sinh vật sản xuất, tám hoặc chín loài động vật và một hoặc hai loài sinh vật phân giải. Mũi tên của mỗi môi trường được giữ riêng.
• Vẽ mũi tên: chạm vào một sinh vật rồi kéo tới sinh vật ăn nó. Thả tay, mũi tên đúng sẽ ở lại. Mũi tên sai bật về và gợi ý cho biết vì sao: vẽ ngược chiều, cây xanh không ăn động vật, không có gì ăn Mặt Trời, hoặc "ở môi trường này không ăn". Trên bảng cảm ứng, nhiều ngón tay vẽ được cùng lúc.
• Mặt Trời và sinh vật phân giải: kéo từ Mặt Trời tới cây xanh (ánh sáng cho cây năng lượng), và từ bất kỳ cây hay con vật nào tới nấm hoặc vi khuẩn (chúng phân giải xác của sinh vật đó). Mũi tên phân giải là nét đứt, màu nhạt hơn để lưới thức ăn vẫn dễ nhìn.
• Xoá mũi tên: chạm vào mũi tên. "Hoàn tác" đưa lại thay đổi vừa rồi; nút thùng rác xoá hết các mũi tên.
• Hiện cả lưới: điền đủ mọi mũi tên đúng, để bắt đầu nhanh hoặc để kiểm tra lưới của lớp.
• Chạm vào một sinh vật: bảng bên phải cho biết nó là gì, ăn gì và bị loài nào ăn, theo các mũi tên trên bảng. Các mũi tên khác mờ đi để dễ theo dõi.
• Cân bằng: bấm "2 · Cân bằng" rồi bấm Chạy. Chạm một sinh vật và bấm "Biến mất"; bấm "Quay lại" để nó trở về. Thanh dưới mỗi sinh vật và biểu đồ cho biết số lượng mỗi loài so với lúc đầu.
• Bàn phím và máy chiếu: nút toàn màn hình ở góc trên bên phải làm mọi thứ to ra. Phím mũi tên để chọn sinh vật, Enter để bắt đầu mũi tên, Enter lần nữa để nối tới sinh vật ăn nó, Delete để hoàn tác, phím cách để chạy và dừng ở phần Cân bằng.

Chuỗi thức ăn: ai ăn ai

Chuỗi thức ăn là một dãy nhiều loài sinh vật có quan hệ dinh dưỡng với nhau: mỗi loài là mắt xích, vừa ăn loài đứng trước, vừa bị loài đứng sau ăn. Mũi tên có nghĩa là "bị ăn bởi", nên luôn đi từ thức ăn tới sinh vật ăn nó:

cỏ → châu chấu → ếch → rắn → diều hâu

Mọi chuỗi thức ăn đều bắt đầu từ sinh vật sản xuất: cây xanh (hoặc tảo) tự tạo chất hữu cơ từ ánh sáng, nước và khí carbon dioxide nhờ quang hợp. Động vật không làm được như vậy, nên chúng là sinh vật tiêu thụ: lấy năng lượng bằng cách ăn.

• Sinh vật tiêu thụ bậc 1 ăn sinh vật sản xuất (châu chấu, thỏ). Động vật chỉ ăn thực vật gọi là động vật ăn thực vật.
• Sinh vật tiêu thụ bậc 2 ăn sinh vật tiêu thụ bậc 1 (ếch ăn châu chấu).
• Sinh vật tiêu thụ bậc 3 ăn sinh vật tiêu thụ bậc 2 (rắn ăn ếch), và cứ thế tới mắt xích cuối, loài không bị loài nào trong môi trường đó săn (diều hâu, cò, cú mèo).
• Sinh vật phân giải (nấm, vi khuẩn) phân giải xác thực vật, xác động vật và chất thải thành chất khoáng, trả lại cho đất hoặc nước để cây xanh dùng lại.

Mỗi mắt xích thuộc một bậc dinh dưỡng. Mô phỏng đếm số mắt xích của chuỗi dài nhất: cỏ → châu chấu → ếch → rắn → diều hâu có năm mắt xích, nối bởi bốn mũi tên. Khi hiện cả lưới, chuỗi dài nhất có năm mắt xích ở đồng cỏ và ở ao, bốn mắt xích ở rừng.

Lưới thức ăn: các chuỗi đan vào nhau

Ngoài tự nhiên, một loài thường ăn nhiều loại thức ăn, nên các chuỗi thức ăn trong một môi trường có nhiều mắt xích chung và đan thành lưới thức ăn. Ở đồng cỏ, chuột ăn hạt và cỏ (sinh vật tiêu thụ bậc 1) và ăn cả châu chấu (sinh vật tiêu thụ bậc 2): một loài ăn tạp có thể đứng ở nhiều bậc. Mô phỏng thể hiện điều đó bằng vòng tròn hai màu và nhãn "SV tiêu thụ bậc 1, 2". Diều hâu ăn rắn, chuột, thỏ và chim sẻ nên cùng lúc là sinh vật tiêu thụ bậc 2, 3 và 4.

Vì sao loài ở cuối chuỗi luôn ít? Qua mỗi bậc dinh dưỡng, phần lớn năng lượng được dùng cho hoạt động sống (di chuyển, giữ ấm) hoặc mất đi dưới dạng nhiệt, chỉ khoảng một phần mười được chuyển lên bậc sau. Vì vậy chuỗi thức ăn hiếm khi dài quá bốn, năm mắt xích, và một cánh đồng có rất nhiều cỏ nhưng chỉ vài con diều hâu.

Cân bằng: khi một loài biến mất

Ở phần Cân bằng, lưới thức ăn cả lớp vừa vẽ chạy thành một mô hình số lượng cá thể. Sau mỗi bước, số lượng mỗi loài thay đổi bằng số sinh ra trừ số chết đi:

• thực vật tăng lên cho tới khi kín chỗ (tăng trưởng logistic: rN(1 − N/K), K là sức chứa của môi trường);
• mỗi loài động vật ăn thức ăn của nó, nhưng ăn nhiều tới đâu cũng có giới hạn, một phần thức ăn chuyển thành con non, một phần cá thể chết đi hoặc bị giới hạn khi quá đông;
• con vật ăn bao nhiêu thì loài làm thức ăn bị giảm bấy nhiêu;
• sinh vật phân giải sống nhờ xác sinh vật và giữ cho đất màu mỡ: không có chúng, sức chứa của cây xanh giảm xuống.

Đây là ý tưởng vật ăn thịt và con mồi của Lotka–Volterra, cộng thêm các giới hạn giúp hệ sinh thái thật ổn định. Lúc bắt đầu, mọi loài đứng yên ở 100%: lưới thức ăn đang cân bằng. Sau đó thử bỏ một loài:

1. Một loài sinh vật sản xuất. Bỏ tảo ở ao: rận nước và nòng nọc chỉ ăn tảo nên chết hết. Cá mương mất thức ăn và giảm theo, rồi tới lượt cò, loài săn chúng, cũng bị đói. Bỏ cỏ ở đồng cỏ: châu chấu, thỏ, chuột giảm, rồi tới các loài ăn chúng.
2. Một loài ăn thịt. Bỏ cáo: thỏ và chuột tăng lên rồi ăn nhiều cỏ hơn. Có khi kết quả bất ngờ: ở rừng, bỏ bụi quả mọng làm chim cổ đỏ chết đói, và vì ít chim ăn sâu nên sâu bướm lại tăng.
3. Sinh vật phân giải. Bỏ vi khuẩn ở ao: không còn gì trả chất khoáng cho nước, tảo và bèo tấm giảm dần, cả lưới giảm theo.

Số liệu là tương đối (100% là số lượng lúc đầu), không phải số con thật. Mô hình cho thấy chiều thay đổi và cách ảnh hưởng lan ra, đúng điều bài học cần.

Gợi ý dạy trên lớp

Mô phỏng hợp với các nội dung sau trong chương trình GDPT 2018:

• Khoa học 4, chủ đề Sinh vật và môi trường: chuỗi thức ăn, vẽ sơ đồ chuỗi thức ăn đơn giản, vai trò của thực vật là sinh vật sản xuất.
• Khoa học 5, chủ đề Sinh vật và môi trường: mối liên hệ giữa sinh vật với nhau và với môi trường, vì sao cần bảo vệ sự cân bằng của tự nhiên.
• KHTN 8, chủ đề Sinh vật và môi trường: hệ sinh thái, các thành phần của hệ sinh thái, chuỗi thức ăn và lưới thức ăn, sinh vật sản xuất, sinh vật tiêu thụ, sinh vật phân giải, cân bằng tự nhiên.

Một tiết học mẫu:

1. Khởi động (3 phút): mở Đồng cỏ khi chưa có mũi tên. Hỏi: "Thỏ ăn gì? Con gì ăn thỏ?" Mời một học sinh lên vẽ cỏ → thỏ → cáo.
2. Vẽ ngược chiều (3 phút): nhờ một học sinh vẽ mũi tên từ cáo tới thỏ. Mũi tên bật lại. Hỏi: "Vì sao mũi tên phải chỉ vào cáo chứ không phải vào thỏ?" (Mũi tên cho biết năng lượng đi về đâu.)
3. Thi lập chuỗi (10 phút): hai học sinh cùng lên bảng, mỗi em dùng một ngón tay vẽ, cả lớp gợi ý mắt xích tiếp theo. Đội nào lập được chuỗi dài nhất? Ô trạng thái ghi ngay.
4. Phân loại (5 phút): chỉ vào ếch, chuột, diều hâu. "Sinh vật sản xuất hay tiêu thụ? Bậc mấy?" Chạm để kiểm tra, rồi hỏi vì sao chuột có hai màu.
5. Dự đoán rồi mới bỏ (10 phút): chuyển sang Cân bằng, bấm Chạy. Trước khi bấm "Biến mất" ở cỏ, hỏi: "Loài nào giảm trước? Có loài nào tăng không?" Rồi quan sát các thanh và biểu đồ. Thử tiếp với cáo, rồi với vi khuẩn.
6. Ôn tập (10 phút): bấm "Tạo game ôn tập" để có ngay một trò chơi cả lớp chơi trên cùng màn hình, chia đội, điện thoại của bạn làm điều khiển.

Câu hỏi thường gặp

Mũi tên trong chuỗi thức ăn chỉ theo chiều nào?

Từ thức ăn tới sinh vật ăn nó: cỏ → thỏ nghĩa là "cỏ bị thỏ ăn". Mũi tên cho biết chiều đi của năng lượng. Học sinh hay vẽ ngược ("thỏ ăn cỏ" nên mũi tên từ thỏ sang cỏ), vì vậy mô phỏng cho các mũi tên đó bật lại kèm gợi ý.

Chuỗi thức ăn và lưới thức ăn khác nhau thế nào?

Chuỗi thức ăn là một đường ăn duy nhất, từ sinh vật sản xuất tới mắt xích cuối. Lưới thức ăn gồm tất cả các chuỗi thức ăn có mắt xích chung trong một môi trường, vì đa số loài ăn nhiều thức ăn và bị nhiều loài khác ăn. Lưới bền vững hơn một chuỗi đơn lẻ: thiếu một loại thức ăn, con vật còn có thể ăn loại khác.

Mặt Trời có phải là một mắt xích trong chuỗi thức ăn không?

Mặt Trời không phải sinh vật nên không tính là mắt xích, nhưng là nguồn năng lượng: cây xanh dùng ánh sáng để quang hợp. Mô phỏng cho học sinh vẽ mũi tên từ Mặt Trời tới cây xanh và gọi Mặt Trời là nguồn năng lượng. Chuỗi dài nhất được tính từ sinh vật sản xuất.

Sinh vật phân giải nằm ở đâu trong lưới thức ăn?

Sinh vật phân giải (nấm, vi khuẩn) sống nhờ xác và chất thải của mọi bậc dinh dưỡng, nên mũi tên từ cả sinh vật sản xuất lẫn sinh vật tiêu thụ đều đi tới chúng. Chúng trả chất khoáng lại cho đất và nước để cây dùng. Ở phần Cân bằng, bỏ sinh vật phân giải thì cây xanh giảm dần.

Số lượng các loài trong mô phỏng có thật không?

Số liệu được tính bằng một loại mô hình có thật (Lotka–Volterra, thực vật tăng trưởng logistic, con vật ăn có giới hạn và bị giới hạn khi quá đông), nhưng môi trường và các tốc độ đã được đơn giản hoá cho lớp học, nên số liệu là tương đối: 100% là lúc đầu. Điều quan trọng là chiều thay đổi của mỗi loài và cách ảnh hưởng lan ra cả lưới.

Có cần cài đặt không, dùng trên bảng tương tác được không?

Không cần cài đặt hay đăng ký, mô phỏng chạy ngay trên trình duyệt và miễn phí. Trên bảng tương tác cảm ứng, mỗi ngón tay vẽ được một mũi tên riêng, nên hai học sinh có thể cùng lập lưới một lúc. Trên điện thoại, bảng thông tin nằm dưới lưới thức ăn.