Ảnh hưởng của ánh sáng lên đời sống sinh vật

Ảnh hưởng của ánh sáng lên sinh vật

1.  Ý nghĩa của ánh sáng

Ánh sáng là một yếu tố sinh thái, ánh sáng có vai trò quan trọng đối với các cơ thể sống. Ánh sáng là nguồn cung cấp năng lượng cho thực vật tiến hành quang hợp. Một số vi sinh vật dị dưỡng (nấm, vi khuẩn) trong quá trình sinh trưởng và phát triển cũng sử dụng một phần ánh sáng. Ánh sáng điều khiển chu kỳ sống của sinh vật. Tùy theo cường độ và chất lượng của ánh sáng mà nó ảnh hưởng nhiều hay ít đến quá trình trao đổi chất và năng lượng cùng nhiều quá trình sinh lý của các cơ thể sống. Ngoài ra ánh sáng còn ảnh hưởng nhiều đến nhân tố sinh thái khác như nhiệt độ, độ ẩm, không khí đất và địa hình.

- Sự phân bố và thành phần quang phổ của ánh sáng. Tất cả sự sống trên bề mặt Trái Đất tồn tại được là nhờ năng lượng chiếu sáng của Mặt Trời và sinh quyển. Bức xạ mặt trời là một dạng phóng xạ điện từ với một biên độ các bước sóng rộng lớn. Bức xạ mặt trời khi xuyên qua khí quyển đã bị các chất trong khí quyển như O₂, O₃, CO₂, hơi nước ... hấp thụ một phần (khoảng 19% toàn bộbức xạ) ; 34% phản xạ vào khoảng không vũ trụ và 49% lên bề mặt trái đất.

Phần ánh sáng chiếu thẳng xuống mặt đất gọi là ánh sáng trực xạ(ánh sáng mặt trời), còn phần bị bụi, hơi nước ... khuyếch tán gọi là ánh sáng tán xạ. Có khoảng 63% ánh sáng trực xạ và 37% ánh sáng tán xạ. Ánh sáng phân bố không đồng đều trên bề mặt trái đất do độ cong của bề mặt trái đất và độ lệch trục trái đất so với mặt phẳng quỹ đạo của nó quay quanh mặt trời. Do vậy ở các vùng nhiệt đới nguồn năng lượng bức xạ nhận được lớn gấp 5 lần so với vùng cực. Càng lên cao cường độ ánh sáng càng mạnh hơn vùng thấp. Ánh sáng còn thay đổi theo thời gian trong năm, ở các cực của Trái Đất mùa đông không có ánh sáng, mùa hè ánh sáng chiếu liên tục, ở vùng ôn đới có mùa hè ngày kéo dài, mùa đông ngày ngắn. Càng đi về phía xích đạo thì độ dài ngày càng giảm dần.

2. Ảnh hưởng của ánh sáng lên thực vật

Độ dài bước sóng có ý nghĩa sinh thái vô cùng quan trọng đối với sinh vật nói chung và đối với động vật, thực vật nói riêng.

Ánh sáng có ảnh hưởng đến toàn bộ đời sống của thực vật từ khi hạt nảy mầm, sinh trưởng, phát triển cho đến khi cây ra hoa kết trái rồi chết.

Ánh sáng có ảnh hưởng khác nhau đến sự nảy mầm của các loại hạt. Có nhiều loại hạt nảy mầm trong đất không cần ánh sáng, nếu các hạt này bị bỏ ra ngoài ánh sáng thì sự nảy mầm bị ức chế, hoặc không nảy mầm, như hạt cà độc dược, hoặc hạt của một số loài trong họ Hành (Liliaceae). Trái lại có một số hạt giống ở chỗ tối không nảy mầm được tốt như hạt cây phi lao, thuốc lá, cà rốt và phần lớn các cây thuộc họ Lúa (Poaceae).

Ánh sáng có ảnh hưởng nhất định đến hình thái và cấu tạo của cây. Những cây mọc riêng lẽ ngoài rừng hay những cây mọc trong rừng có thân phát triển đều, thẳng, có tán cân đối. Những cây mọc ở bìa rừng hoặc trên đường phố có tường nhà cao tầng, do có tác dụng không đồng đều của ánh sáng ở 4 phía nên tán cây lệch về phía có nhiều ánh sáng. Đặc tính này gọi là tính hướng ánh sáng của cây.

Ánh sáng còn ảnh hưởng đến hệ rễ của cây. Đối với một số loài cây có rễ trong không khí (rễ khí sinh) thì ánh sáng giúp cho quá trình tạo diệp lục trong rễ nên rễ có thể quang hợp như một số loài phong lan trong họ Lan (Orchidaceae). Còn hệ rễ ở dưới đất chịu sự tác động của ánh sáng, rễ của các cây ưa sáng phát triển hơn rễ của cây ưa bóng.

Lá là cơ quan trực tiếp hấp thụ ánh sáng nên chịu ảnh hưởng nhiều đối với sự thay đổi cường độ ánh sáng. Do sự phân bố ánh sáng không đồng đều trên tán cây nên cách sắp xếp lá không giống nhau ở tầng dưới, lá thường nằm ngang để có thểtiếp nhận được nhiều nhất ánh sáng tán xạ; các lá ở tầng trên tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng nên xếp nghiêng nhằm hạn chế bớt diện tích tiếp xúc với cường độ ánh sáng cao.

Ngoài ra cây sinh trưởng trong điều kiện chiếu sáng khác nhau có đặc điểm hình thái, giải phẫu khác nhau. Trên cùng một cây, lá ở ngọn thường dày, nhỏ, cứng, lá được phủ một lớp cutin dày, mô giậu phát triển, có nhiều gân và lá có màu nhạt. Còn lá ở trong tầng bị che bóng có phiến lá lớn, lá mỏng và mềm, có tầng cutin mỏng, có mô giậu kém phát triển, gân ít và lá có màu lục đậm.

Ánh sáng có ảnh hưởng đến quá trình sinh lý của thực vật, trong thành phần quang phổ của ánh sáng, diệp lục chỉ hấp thụmột sốtia sáng.

Bằng những thí nghiệm, Timiriadep đã chứng minh được rằng, những tia sáng bị diệp lục hấp thụ mới phát sinh quang hợp. Cường độ quang hợp lớn nhất khi chiếu tia đỏ là tia mà diệp lục hấp thụ nhiều nhất.

Khả năng quang hợp của các loài thực vật C3 và C4 khác nhau rất đáng kể. Ở thực vật C4 quá trình quang hợp tiếp tục tăng khi cường độ bức xạ vượt ngoài cường độ bình thường trong thiên nhiên (như ở Zea mays, Saccharum officinarum, Sorghum vulgare...). ở thực vật C3, quá trình quang hợp tăng khi cường độ chiếu sáng thấp, nhất là các cây ưa bóng. Thực vật C3 gồm các loài Triticum vulgare,  Secale cereale, Trifolium repens...

Liên quan đến cường độ chiếu sáng, thực vật được chia thành các nhóm cây ưa sáng, cây ưa bóng và cây chịu bóng. Cây ưa sáng tạo nên sản phẩm quang hợp cao khi điều kiện chiếu sáng tăng lên, nhưng nói chung, sản phẩm quang hợp đạt cực đại không phải trong điều kiện chiếu sáng cực đại mà ở cường độ vừa phải (optimum). Ngược lại cây ưa bóng cho sản phẩm quang hợp cao ở cường độ chiếu sáng thấp.

Trung gian giữa 2 nhóm trên là nhóm cây chịu bóng nhưng nhịp điệu quang hợp tăng khi sống ở những nơi được chiếu sáng đầy đủ. Đặc điểm cấu tạo về hình thái, giải phẩu và hoạt động sinh lý của các nhóm cây này hoàn toàn khác nhau thể hiện đặc tính thích nghi của chúng đối với các điều kiện môi trường sống khác nhau. Do đặc tính này mà thực vật có hiện tượng phân tầng và ý nghĩa sinh học rất lớn.

Ánh sáng có ảnh hưởng rõ rệt đến quá trình sinh sản của thực vật. Tương quan giữa thời gian chiếu sáng và che tối trong ngày - đêm gọi là quang chu kỳ. Tương quan này không giống nhau trong các thời kỳ khác nhau trong năm cũng như trên các vĩ tuyến khác nhau. Quang chu kỳ đã được Garner và Alland phát hiện năm 1920. Liên quan đến độ dài chiếu sáng, thực vật còn được chia thành nhóm cây ngày dài và cây ngày ngắn.

Cây ngày dài là cây ra hoa kết trái cần pha sáng nhiều hơn pha tối, còn ngược lại, cây ngày ngắn đòi hỏi độ dài chiếu sáng khi ra hoa kết trái ngắn hơn.

3. Ánh hưởng của ánh sáng đối với động vật

Ánh sáng rất cần thiết cho đời sống động vật. Các loài động vật khác nhau cần thành phần quang phổ, cường độ và thời gian chiếu sáng khác nhau. Tùy theo sự đáp ứng đối với yếu tố ánh sáng mà người ta chia động vật thành hai nhóm :

- Nhóm động vật ưa sáng là những loài động vật chịu được giới hạn rộng về độ dài sáng, cường độ và thời gian chiếu sáng. Nhóm này bao gồm các động vật hoạt động vào ban ngày, thường có cơ quan tiếp nhận ánh sáng. Ở động vật bậc thấp cơ quan này là các tế bào cảm quang, phân bố khắp cơ thể, còn ở động vật bậc cao chúng tập trung thành cơ quan thị giác. Thị giác rất phát triển ở một số nhóm động vật như côn trùng, chân đầu, động vật có xương sống, nhất là ở chim và thú. Do vậy, động vật thường có màu sắc, đôi khi rất sặc sỡ (côn trùng) và được xem như những tín hiệu sinh học

- Nhóm động vật ưa tối bao gồm những loài động vật chỉ có chịu được giới hạn hẹp về độ dài sáng. Nhóm này bao gồm các động vật hoạt động vào ban đêm, sống trong hang động, trong đất hay ở đáy biển sâu. Nhóm động vật này có màu sắc không phát triển và thân thường có màu xỉn đen. Những loài động vật ở dưới biển, nơi thiếu ánh sáng, cơ quan thị giác có khuynh hướng mở to hoặc còn đính trên các cuống thịt, xoay quanh 4 phía để mở rộng tầm nhìn, còn ở những vùng không có ánh sáng, cơ quan thị giác tiêu giảm hoàn toàn, nhường cho sự phát triển cơ quan xúc giác và cơ quan phát sáng.

Ở một số loài động vật có khả năng tiếp nhận những tia sáng khác nhau của quang phổ ánh sáng mặt trời mà mắt người không tiếp thu được.

Một số loài động vật thâm mềm dưới nước sâu và Rắn mai gầm có thể tiếp thu tia hồng ngoại. Ong và một số  loài chim có thể phân biệt được mặt phẳng phân cực ánh sáng mà con người hoàn toàn không nhận biết, ngoài ra chúng còn có thể nhìn thấy được quang phổ vùng sóng ngắn trong đó có cả tia tử ngoại nhưng không nhận biết được tia sáng màu đỏ (có độ dài sóng lớn). Ong chính nhờ tiếp thu được mặt phẳng phân cực ánh sáng nên xác định được vị trí của mình mà định hướng được địa phương thậm chí cả khi Mặt Trời bị mây che lấp.

Nhiều loài động vật định hướng nhờ thị giác trong thời gian di cư. Đặc biệt nhất là chim, những loài chim trú đông bay vượt qua hàng ngàn kilômét đến nơi có khí hậu ấm hơn nhưng không bị chệch hướng.

Qua nhiều công trình nghiên cứu đã chứng minh rằng ánh sáng sau khi kích thích cơ quan thị giác, thông qua trung khu thần kinh gây nên hoạt động nội tiết ở tuyến não thùy, từ đó ảnh hưởng tới sự sinh trưởng và phát dục ở động vật.

Ví dụ:  Để rút ngắn thời gian phát triển ở cá hồi (Salvelinus fontinalles) người ta tăng cường độ chiếu sáng. Hoặc như cá chép nuôi ở những ruộng lúa vùng Quế Lâm (Trung Quốc) do ảnh hưởng của ánh sáng mạnh, nhiệt độ cao, nên tuy cơ thể cá còn nhỏ (150-250 gam) nhưng đã thành thục sinh dục sớm (1 tuổi). Dựa vào hiện tượng đó, ngư dân vùng Quảng Đông (Trung Quốc) đã thúc đẩy cá chép đẻ sớm bằng cách hạ mực nước trong ao nuôi vào mùa xuân để tăng cường độ ánh sáng và nhiệt độ nước cho cá thành thục sinh sản sớm.

Thời gian chiếu sáng của ngày có ảnh hưởng đến hoạt động sinh sản của nhiều loài động vật. Người ta nhận thấy rằng cá hồi (Salvelinus fontinalles) thường đẻ trứng vào mùa thu, nhưng nếu vào mùa xuân tăng cường thời gian chiếu sáng hoặc giảm thời gian chiếu sáng về mùa hè cho giống với điều kiện chiếu sáng mùa thu thì cá vẫn đẻ trứng.

Ở nhiều loài chim vùng ôn đới, cận nhiệt đới, sự chín sinh dục xảy ra khi độ dài ngày tăng.

Một số loài thú như cáo, một số loài thú ăn thịt nhỏ; một số loài gậm nhấm sinh sản vào thời kỳ có ngày dài, ngược lại nhiều loài nhai lại có thời kỳ sinh sản ứng với ngày ngắn.

Ở một số loài côn trùng (một số sâu bọ) khi thời gian chiếu sáng không thích hợp sẽ xuất hiện hiện tượng đình dục (diapause) tức là có thể tạm ngừng hoạt động và phát triển.

Theo giáo trình Sinh thái học