北师大环境工程概论讲义02生态系统与能量.docx

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1、第二章生态系统与能量 Theoriginoflife生命的起源 Whatisecology什么是生态学species种,population种群,comunity群落,ecosyste生态系统,IandSCaPe景观,biosphere生物圈 Theenergyoflife生命的能量Thefirstlawofthermodynamics热力学笫一定律Thesecondlawofthermodynamics热力学笫二定律photosynthesisandcellularrespiration光合作用与细胞呼吸 Theflowofenergythroughecosystem生态系统中的能量流动Pr

2、odUCerS生产者,COnSUmerS消费者,anddecomposers分解者Thepathofenergyflow能量流动:whoeatswhominecosystem生态系统中谁吃谁Ecologicalpyramids生态金字塔Productivityofproducers生产者的生产力 地球约形成于46亿年前,(3840)亿年前形成了地球的外壳。当时,地球表面为还原性大气,主要由水蒸气、H2S、N2、CH4、NH3及H2等组成,缺少02,大气层较薄,没有臭氧层,那时紫外线很强烈,昼夜之间以及季节之间的温差很大。 1953年,科学家在实验室中让混有氨、甲烷和氢的水流经一个电弧(模拟太阳

3、紫外辐射),一星期后得到了甘氨酸、丙氨酸等氨基酸,由此推论,在还原性大气形成的各种有机物随着时间的推移越聚越多,有的会形成较为复杂的化合物,最后形成蛋白质和能够自我复制的核酸分子,这就是生命的开始,这一过程大约发生在35亿年以前。 这时,原始生命形态只能依靠分解复杂化合物时所释放的能量来维持生存,而太阳的紫外辐射又把简单物质再次变为复杂化合物。因此,最初的生命是靠化学反应得到发生和发展,故称为化学进化阶段。 从具有生命活性的大分子到细胞,是生命进化中的关键一步,细胞生命一旦出现,就从化学进化过渡到生物学进化,进化过程就由变异、遗传、选择等因素所驱动。从生命大分子到细胞的进化过程,是生命起源研究

4、的难点,尽管已出现一些假说,但具体过程还不十分清楚。 从南非前寒武纪中期斯瓦茨兰系岩石中获得的丝状与球形微生物化石证明,约在30亿年之前就已形成光合自养生物,这种光合自养生物以蓝绿藻(CyanOPhyta)为主,它们在原始海洋里逐渐繁殖、要延,消耗C02,产生分子氧,这一过程几乎进行了28亿年。 当氧化大气出现,臭氧层形成,紫外线被截断,生命再也不能单纯依靠化学演化发展,因为这时原始生命发生的能量(紫外线)已感不足,已经得到进化的生物很快会把自然发生的有机分子消耗掉。 氧化大气的形成为绿色植物的登陆创造了条件;高空臭氧层的出现,使陆生生物的生命有了保隙。大约在4亿年前,绿色植物登陆成功,此后,

5、陆地上出现了一片繁荣景象。Q生命诞生、细胞的形成3538亿年前,海洋孕育原始生物O单细胞生物在地球上繁衍、原始生态系统的建立原核生物占主体的阶段(3520亿年前)真核生物占主体的阶段(206亿年前)3多细胞生物出现利多样化表达、生物圈覆盖整个地球多细胞植物、多细胞动物的诞生(65.5亿年前)“寒武纪大爆发”(约5.35.5亿年前)物种“爆发”“志留纪大爆发”(约4.3亿年前)一一生命从海洋扩展到陆地Q人类诞生、文明的发展约4001000万年前,人类诞生文化史:100万年 从生物的基本结构单位细胞的水平来考察,有的生物还不具备细胞形态;在已经具有细胞形态的生物中,有原核细胞构成的、有由真核细胞构

6、成的; 从组织结构看,布单细胞生物、多细胞生物。 而多细胞生物又根据组织器官的分化和发展而分为多种类型;从营养方式来看,有光合自养、吸收异养、腐蚀性异养、吞食异养; 从生物在生态系统的作用看,有生产者、消费者、分解者等等。 生物学家根据生物的发展历史、形态结构特征、营养方式以及它们在生态系统中的作用等,将生物分成若干界。现在比较通行的认识是将地球上的生物界划分为五界:细菌、蓝菌等原核生物是原核生物界;单细胞的真核生物是原生生物界;光合自养的植物界;吸收异养的真菌界;吞食异养的动物界。 原核细胞的主要特征是没有线粒体、质体等模细胞器,染色体只是一个环状的DNA分子,不含组蛋白及其它蛋白质,没有核

7、膜。原核生物主要是细菌 真核细胞是结构更为复杂的细胞它有线粒体等膜细胞器,有包以双层膜的细胞核把核内的遗传物质与细胞质分开。 病毒是一种非细胞生命形态,它由一个核酸长链和蛋白质外壳构成,病毒没有自己的代谢机构,没有前系统。因此病毒离开了宿主细胞,就成了没有任何生命活动、也不能独立自我繁殖的化学物质O植物从单细胞绿藻到被子植物是沿着适应光合作用的的方向发展的。高等植物中发生了植物的根(固定和吸收器官)、茎(支持器官卜叶(光和器官)的分化。叶柄和众多分支的茎支持片状的叶向四面展开,以获得最大的光照和吸收面积,细胞也逐渐分化成专门用于光合作用、输导和覆盖等各种组织。大多数植物的通过有性生殖,形成配子

8、体和抱子体世代交替的生活史。植物是生态系统中最主要的生产者,也是地球上氧气的主要来源。O真菌是以吸收为主要营养方式的真核生物,真菌有细胞壁,细胞壁含有几丁质,也含有纤维素。真菌没有质体和光合色素。真菌的繁殖能力很强,繁殖方式多样,主要是以无性或有性生殖产生的各种抱子作为繁殖单位。真菌分布非常广泛,在生态系统中,真菌是重要的分解者 动物是以吞食为营养方式的真核生物。吞食异养包括捕获、吞食、消化和吸收等一些列复杂的过程,动物体的结构是沿着适应吞食异养的方向发展的。单细胞动物吞入食物后形成食物泡。食物在食物泡中被消化,然后透过膜而进入细胞质中,细胞质中溶酶体与之融合,就是细胞内消化。 所有不是植物、

9、动物和真菌的真核生物就原生生物. 生命的历史经历了几个重要阶段 最初的生命应是非细胞形态的生命,在细胞出现之前,必须有个非细胞或前细胞”的阶段,如病毒。 从非细胞到细胞是生物发展的第二个重要阶段。早期的细胞是原核细胞,早期的生物称为原核生物(细菌、蓝藻)。原核细胞构造简单;没有核膜,没有复杂的细胞器。 从原核到真核是生物发展的第三个重要阶段。真核细胞具有核膜,整个细胞分化为细胞核和细胞质两个部分:细胞核内具有复杂的染色体装置,成为遗传中心;细胞质内具有复杂的细胞器结构,成为代谢中心。由核质分化的真核细胞,其机体水平远远高出于原核细胞。 从单细胞真核生物到多细胞生物是生命史上的第四个重要阶段。随

10、着多细胞体形的出现,发展了复杂的组织结构和器官系统,最后产生了高级的被子植物和哺乳动物。 植物、菌类和动物组成为生态系统的三个环节。绿色植物是自养生物,是自然界的生产者。它们通过叶绿素进行光合作用,把无机物质合成有机养料,供应自己,又供应异养生物。菌类是异养生物,是自然界的分解者。它们从植物得到食料,又把有机食料分解为无机物质,反过来为植物供应生产原料。动物亦是异养生物,它们是消费者,是地球上最后出现的一类生物。KingdOm界例:Phyla CIaSS 纲Order FamiIy 科GenUS 属Species 属名Animalia动物界Chordata脊索动物门Mammalia哺乳纲Cam

11、ivora食肉目Felidae猫科Panthera豹属pardus种名Pantherapardus金钱豹 生态学是研究生物及环境间相互关系的科学。生物包括动物、植物、微生物及人类本身,即不同的生物系统,而环境则指生物生活中的无机因素、生物因素和人类社会共同构成的环境系统。 有机生物:一种个体生命形式,如植物、动物、细菌、原生生物或者真菌;一个由有机器官、细胞器或其它部件组成的并在一起共同运作以进行生命历程的整体 物种:一种基本的生物分类,级别低于属或亚属,由能够进行杂交(混种)的相关有机体组成. 种群,族群:构成某一群体或生活在某一栖居地的所有生物 群落:一群植物和动物,在有比较相似的环境条件

12、的特定区域生活和相互影响 生态系统:群落与其自然环境 景观:包含几个生态系统的一个区域 生物群落区:大区域或全球性生物群居地,如草地或沙漠,主要以占优势植物和最常见的气候为特征生物圈:含有所有有机生物的地表圈层生态系统是个热力学系统 与能量有关的两个重要原理,是热力学第一定律和第二定律。它们虽然在数学上可以作出严格的定义,在这里,仅作一般的叙述。热力学第一定律是指,能量既不能创造,也不能消灭,只能从一种形式转化为另一种形式。所以,进入一个系统的全部能量,最终要释放出去或贮存在该系统之内。 虽然总的能量收支应当是平衡的,但能量形式可以转换。食物中的化学能可以转化为机械能。绿色植物能够吸收太阳的光

13、能,借助光合作用,把太阳能转化为化学能。苹火虫能够吸收化学能,并把它转变为光能;电鳗则把化学能转变为电能。但在这些转化中,必须考虑到能量的总和。能量是单向流 生态系统能量的流动是单一方向的。能量以光能的状态进入生态系统后,就不能再以光的形式存在,而是以热的形式不断地逸散于环境之中。热力学第二定律注意到宇宙在每一个地方都趋向于均匀的端。它只能向自由能减少的方向进行而不能逆转。所以,从宏观上看,燃总是日益增加。 能量在生态系统中流动,很大一部分被各个营养级的生物利用。与此同时,通过呼吸作用以热的形式散失。散失到空间的热能不能再回到生态系统中参与流动。因为至今尚未发现以热能作为能源合成有机物的生物。

14、 能流的单一方向性主要表现在三个方面:太阳的辐射能以光能的形式输人生态系统后,通过光合作用被植物所固定,此后不能再以光能的形式返P1;自养生物被异养生物摄食后,能量就由自养生物流到异养生物体内,也不能再返PI给自养生物;从总的能流途径而言,能量只是一次性流经生态系统,是不可逆的。Photosynthesis光合作用 在绿色植物或其它有机物中,以光作为能量来源,用二氧化碳和水合成碳氢化合物的过程。大部分形式的光合作用都释放氧气作为副产品Cellularrespiration细胞呼吸作用 活细胞通过有机物质的氧化作用产生能量的一系列新陈代谢过程生态系统的组成与结构,以池塘和草地作为实例一、非生物环

15、境 非生物环境包括参加物质循环的无机元素和化合物(如C、N、CO2、02、Ca、P、K)、联系生物和非生物成分的有机物质(如蛋白质、糖类、脂类和腐殖质等)和气候或其他物理条件(如温度、压力)。二、生产者PrOdUCer 生产者是能以简单的无机物制造食物的自养生物(aulotrOPhs)。对于淡水池塘来说,生产者主要分为: (1)有根的植物或漂浮植物:通常只生活于浅水中。 (2)体形小的浮游植物:主要是藻类,分布在光线能够透人的水层中。一般用肉眼看不到。但对水池来讲,比有根植物更重要,是有机物质的主要制造者。因此,池塘中几乎一切生命都依赖它们。 对草地来说,生产者是有根的绿色植物。三、消费者CO

16、nSUmer所谓消费者是针对生产者而言,即它们不能从无机物质制造有机物质,而是直接或间接依赖于生产者所制造的有机物质,因此属于异养生物(heterotrophs)。 消费者按其营养方式上的不同又可分为: (1)食草动物(herbivores):是直接以植物体为营养的动物。在池塘中有两大类,即浮游动物和某些底栖动物,后者如环节动物,它们直接依赖生产者而生存。草地上的食草动物,如一些食草性昆虫和食草性哺乳动物。食草动物可以统称为二级消费(primaryconsumers)o (2)食肉动物(CamiVoreS):即以食草动物为食者。例如,池塘中某些以浮游动物为食的鱼类,在草地上也有以食草动物为食的

17、捕食性鸟兽。以食草性动物为食的食肉动物,可以统称为二级消费者(SeCOndaryconsumers), (3)大型食肉动物或顶极食肉动物(IOPcarnivores):即以食肉动物为食者。例如池塘中的黑鱼或锻鱼,草地上的鹰隼等猛禽。它们可统称为三级消费者(IertiaryCOnSUme。四、分解者decomposer 分解者是异养生物,其作用是把动植物残体的复杂有机物分解为生产者能重新利用的简单化合物,并释放出能量,其作用正与生产者相反。分解者在生态系统中的作用是极为重要的,如果没有它们,动植物尸体将会堆积成灾,物质不能循环,生态系统将毁灭。分解作用不是一类生物所能完成的,往往有一系列复杂的过

18、程,各个阶段由不同的生物去完成。池塘中的分解者有两类:一类是细菌和真菌;另一类是蟹、软体动物和蠕虫等无脊椎动物。草地中也有生活在枯枝落叶和土壤上层的细菌和真菌,还有蚯蚓、蜻等无脊椎动物,它们也在进行着分解作用。 从一个陆地生态系统(草地)和一个水生生态系统(池塘)的比较中,我们可以看到,尽管它们的外貌和物种的组成很不相同,但就营养方式来说,同样可以划分为生产者、消费者和分解者,这三者是生态系统中的生物成分(bioticcomponents),加上非生物成分(abioticcomponents),称为组成生态系统的四大基本成分。有的学者把非生物成分再分为三类,即参加物质循环的无机物质、联系生物和

19、非物成分的有机物质及气候状况,如此,组成生态系统的就有六大基本成分了。食物链和食物网 生产者所固定的能量和物质,通过一系列取食和被食的关系在生态系统中传递,各种生物按其食物关系排列的链状顺序称为食物链(fbodchain)。水体生态系统中的食物链如:浮游植物一浮游动物一草食性鱼类一肉食性鱼类。食物链彼此交错连结行成一个网状结构,这就是食物网(fbodweb)。DDT等杀虫剂通过食物链的逐步浓缩,能充分说明生态系统食物网和物质流研究的理论和实践意义。有研究证明DDT在水中浓度为5.0X105(g,浮游植物含4.0X10-8g,蛤中4.2X10-7g,到银鸥达75.5XlO-6g,扩大了百万倍,这

20、个作用称为生物扩大作用(biologicalmanification)。营养级越高,积累剂量越大。 生态系统中的食物链不是固定不变的,它不仅在进化历史上有改变,在短时间内也有改变。动物在个体发育的不同阶段里,食物的改变(如蛙)就会引起食物链的改变。动物食性的季节性特点,杂食性动物,或在不同年份中,由于自然界食物条件改变而引起主要食物组成变化等,都能使食物网的结构有所变化。因此,食物链往往具有暂时的性质,只有在生物群落组成中成为核心的、数量上占优势的种类,食物联系才是比较稳定的。 生态系统中的食物链不是固定不变的,它不仅在进化历史上有改变,在短时间内也有改变。动物在个体发育的不同阶段里,食物的改

21、变(如蛙)就会引起食物链的改变。动物食性的季节性特点,杂食性动物,或在不同年份中,由于自然界食物条件改变而引起主要食物组成变化等,都能使食物网的结构有所变化。因此,食物链往往具有暂时的性质,只有在生物群落组成中成为核心的、数量上占优势的种类,食物联系才是比较稳定的。 一般地说,具有复杂食物网的生态系统,一种生物的消失不致引起整个生态系统的失调,但食物网简单的系统,尤其是在生态系统功能上起关键作用的种,一旦消失或受严重破坏,就可能引起这个系统的剧烈波动。例如,如果构成苔原生态系统食物链基础的地衣,因大气中一氧化硫含量的超标,就会导致生产力毁灭性破坏,整个系统遭灾。生态系统中,一般均有两类食物链,

22、即捕食食物链(grazingfoodchain)和碎屑食物链(detritaifoodchain),前者以植食动物吃植物的活体开始,后者从分解动植物尸体或粪便中有机物质颗粒开始。生态系统中的寄生物和食腐动物形成助食物链。许多寄生物有复杂生活史,与生态系统中其它生物的食物关系尤其复杂,有的寄生物还有超级寄生组成寄生食物链。食物链和食物网是物种和物种之间的营养关系,这种关系错综复杂,无法用图解的方法完全表示,为了便于进行定量的能流和物质循环研究,生态学家提出了营养级(trophicIeVelS)的概念。一个营养级是指处于食物链某一环节上的所有生物种的总和。例如,作为生产者的绿色植物和所有自养生物都

23、位于食物链的起点,共同构成第一营养级。所有以生产者(主要是绿色植物)为食的动物都属于第二营养级,即草食动物营养级。第三营养级包括所有以草食动物为食的肉食动物。以此类推,还可以有第四营养级(即二级肉食动物营养级)和第五营养级。生态系统中的能是单向的,通过各个营养级的能量是逐级减少的,减少的原因是各营养级消费者不可能百分之百地利用前一营养组曲生物量,总有一部分会自然死亡和被分解者所利用;各营养级的同化率也不是百分之百的,总有一部分变成排泄物而留于环境中,被分解生物所利用;各营养级生物要维持自身的生命活动,总要消耗一部分能量,这部分能量变成热能而耗散掉.这一点很重要。生物群落及在其中的各种生物之所以

24、能维持有序的状态,就得依赖于这些能量的消耗。这就是说,生态系统要维持正常的功能,就必须有永恒不断的太阳能的输入,用以平衡各营养级生物维持生命活动的消耗,只要这个输入一中断,生态系统便会丧失其功能。由于能流在通过各营养级时会急剧地减少,所以食物链就不可能太长,生态系统中的营养级一般只有四、五级,很少有超过六级的。能量通过营养级逐级减少,所以如果把通过各营养级的能流量,由低到高划成图,就成为一个金字塔形,称为能量锥体或金字塔(PyramidOfeiIergy)。同样如果以生物量或个体数目来表示,可能得到生物量锥体(PyramidOfbiOmaSS)和数量锥体(pyramidofnumbers)o一

25、般说来,能量锥体最能保持金字塔形,而生物量锥体有时有倒置的情况。例如,海洋生态系统中,生产者(浮游植物)的个体很小,生活史很短,根据某一刻调查的生物量,常低于浮游动物的生物量。这样,按上法绘制的生物量锥体就倒置过来。当然,这并不是说流过的能量在生产者的环节要比消费者的环节低,而是由于浮游植物个体小代谢快,生命短,某一时刻的现量反而要比浮游动物少,但一年中的总能流量还是较浮游动物多。数量锥体倒置的情况就更多一些,如果消费者个体小而生产者个体大,如昆虫和树木,昆虫的个体数量就多于树木。同样,对于寄生者来说,寄生者的数量也往往多于宿主,这样就会使锥体的这些环节倒置过来。但能量锥体则不可能出现倒置的情形。

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