生态系统与其三大功能.docx

生态系统与其三大功能地球上所有生物及其生存的环境构成了生态系统能量流动、物质循环、 信息传递是生态系统的三大功能，它们共同维持着生态系统的正常运转其中单 向且不循环的能量流动是整个生态系统正常运转的动力了解能量流动、物质循 环、信息传递的相关原理，对于当前粮食危机及全球性环境问题的解决和有关生 态学问题的分析都具有重要的指导意义一、生态系统中的物质循环生物所需的物质如水、C、H、0、N、S、P等兀素，在生态系统中是在无机 环境与生物群落之间被反复利用的, 因此称之为物质循环生态系统中这些无机 物和兀素的循环具有全球性， 所以也称之为生物地球化学循环我们可以通过研究生态系统中的碳循环、氮循环、硫循环以及其中微生物的 作用来认识和了解物质循环一）碳循环碳循环的基本路线（见下图）是从大气圈到植物和动物， 再从动、植物通向 分解者， 最后又回到大气圈在碳循环过程中， 实际还伴随着能量的流动过程其物质变化形式可归结为二氧化吟三碳化合物七葡萄4二氧化碳无机环境与生物间以二氧化碳的形式进行交换变化过程主要是二氧化碳主 要通过气孔进入植物体二氧化碳在植物体内与五碳化合物固定为三碳化合物， 并进一步被还原为葡萄糖， 五碳化合物是植物体内光合作用过程中的衍生物和 参加者。

由于气孔同时也是植物体内水散失的门户， 温度过高失水过多时， 气孔 关闭, 因此进人植物体内二氧化碳减少 , 导致三碳化合物降低, 葡萄糖合成速 率下降, 五碳化合物、含量上升任何生物的生活过程中都需要能量的供给, 其 能量来自体内有机物的分解动物等异养生物体内的有机物来自体外有机物的同 化动植物体内的葡萄糖等含碳有机物分解时, 首先发生在细胞质基质, 然后在 线粒体中彻底氧化好氧型细菌则在细胞的细胞膜上完成, 无氧分解葡萄糖发生 在细胞质基质, 不同生物产物不同有的为葡萄糖, 有的为酒精和二氧化碳, 但 碳的终产物为二氧化碳而回归环境二）氮循环大气圈是氮进行交换的主要场所 , 但氮气不能为大多数生物所直接利用 , 必须依靠某些生物如固氮菌及蓝藻等才能固定下来或通过工业方法将氮固定 氮的利用和循环过程（见下图）中固氮微生物和起硝化及反硝化作的微生物是不 可缺少的 . +其物质变化形式可归结为氮氨根和硝酸根离子氨基酸尿素和尿酸 氮气 一大气中的氮气不能被植物直接利用, 其可溶性化合态才能被同化, 该过程 称为氮的固定包括天然、工业、生物三种途径, 已知有固氮能力的生物主要是 细菌和藻类, 固氮菌均为异养需氧, 部分菌可与其他生物形成共生。

离子态的氨 态氮和离子态的硝态氮相比后者更易吸收 , 离子态的氮在植物体内通过合成作 用和氨基转换形成各种氨基酸, 进而合成各种植物蛋白质植物蛋白质通过消化 分解为氨基酸被吸收进人异养型生物体内氨基酸的利用有三种途径合成各种动 物蛋白质通过氨基转换形成新的氨基酸但最终通过脱氨基作用以尿酸、尿素的形 式排出体外尿酸、尿素会被某些菌转化成氨而释放出来, 该过程为氨化作用, 是个放能的过程,被这些菌用以维持生命活动, 故这些菌均为异养型同时, 某 些细菌和真菌能把硝酸盐转化成氮气 , 该过程称反硝化作用, 由兼性厌氧菌在 缺氧的情况下完成, 氮元素虽是氨基酸和核酸的必需元素 , 但过度的工业固氮 导致两方面的氮素污染水体富营养化、空气污染三）硫循环从大气中硫的来源看, 主要来自化石嫩料燃烧所形成的 SO ，通过降水 SO22以HSO的形式（即酸雨）返回土壤和水体中，对生物造成危害（见下图）24（四）物质循环中微生物的作用4.1 C 循环中微生物的作用在组成生物体的大量元素中,C是最基本的元素，接近生命有机体干物质重 量的50%,碳循环是最重要的物质循环，也是生物圈总循环的基础大气中C元 素以CO形式存在。

在C的循环过程中，初级生产者把CO转化为有机碳，初级22 生产者主要是绿色植物， 还包括很多自养微生物， 例如硝化细菌、光合菌等有 机碳被异养消费者利用， 并进一步进行循环， 部分有机化合物经呼吸作用被转 化为 CO， 初级生产者和其他营养级的生物残体最终被分解者分解而转化成分2 解者包括一些体型较大的蚯蚓、蜣螂等异养宏体动物和微生物参与，但微生物的 作用最重要， 在有的情况下， 宏体生物和微生物都能分解简单的有机物和生物 多聚物（淀粉、果胶、蛋白质等）， 但微生物是唯一在厌氧条件下进行有机物分 解的生物， 微生物能使非常丰富的生物多聚物得到分解， 腐殖质、蜡和许多人造 化合物只有微生物才能分解4.2 N 循环中微生物的作用及比较氮是植物肥料三要素之一，它在植物营养中占有极其重要的地位 , 作物产 量的高低首要的因素是氮素的供应，空气中氮素的含量高达 79%左右, 但植物不 能利用空气中游离的氮植物的氮素来源于土壤, 土壤可通过两种途径获得氮, 一种是含氮肥料的施用, 另一种是生物固氮, 且以生物固氮为主能固氮的生物 是一些原核生物, 例如共生的根瘤菌、自生的圆褐固氮菌, 将空气中的氮还原成 氨（NH ）,植物能直接吸收少量的NH,但NH不能在植物体内积累，因为氨的3 3 3浓度过高对植物有毒害作用，所以NH要转化为铵态氮（NH+）或在硝化细菌作34用下转化为硝态氮（NO-）,才能被植物大量吸收。

植物体内的含氮化合物沿食3 物链、食物网被多级利用,最后以尿素或随动植物遗体被分解者分解, 分解者中 大量微生物将含氮的有机物分解成NHNH可重复被植物吸收，未被吸收的NO-3 3 3 在02不足时被反硝化细菌还原成NO -和 N,返回大气中224.3 循环中微生物的作用硫是生命有机体的重要组成部分, 大约占干物质的 1%硫循环每一步都有 微生物的参与作用特别是生物尸体和残留物中含硫蛋白质会经微生物作用释放 出多等含硫气体, 一般腐生细菌都具有分解有机硫化物的能力二、生态系统中的能量流动生态系统中能量的输入、传递和散失的过程称为生态系统中的能量流动任 何一个生态系统的总能量均来自于生产者固定的全部的太阳能（输入）生态系 统中的能量流动其起点是从生产者固定太阳能开始的 , 沿食物链流经生态系统 各营养级生物（传递）能量流动的特点：1） 单向流动：食物链中，相邻营养级中吃与被吃的关系不可逆转，能量不 能倒流2） 逐级递减：每个营养级的生物量总有一部分不能被下一营养级所利用； 每个营养级的生物都会因自身呼吸而消耗一部分能量流入各级消费者的总能量是指各级消费者在进行同化作用过程中所同化的 物质中含有的能量总和 , 同时各营养级的生物还会将一部分能量保存在本营养 级内，供生存所需（未利用的能量）。

大家知道, 生物间的能量沿着捕食链、寄生链、腐生链进行着单向传递, 在 食物链中能量的传递效率在 10%~20%之间, 因此, 沿营养级逐级递减而能量的 传递是以物质为载体, 一定能量的获得必依赖于一定物质的同化, 因此, 按能 量的传递效率 , 我们可以计算相应物质沿营养级的同化量 , 这也是各种考试中 常涉及的知识点但需强调弄清的是, 物质在生物间究竟是同能量一样单向传递, 还是能往复循环呢？物质在生物间能否不以无机环境为介质而靠捕食链、寄生 链、腐生链重复利用呢？请看生产者、消费者、分解者三者之间的食物关系分解者很明显, 生物间既不存在能量的重复利用 , 也不存在物质直接的相互获取, 都 只能单向传递, 物质在生物间的重复利用必以无机环境为介质正因为如此, 所 谓物质循环是指生物与外界环境之间的循环过程 , 在生态系统内物质同能量传 递一样是单向的能量流动和物质循环的关系项目能量流动物质循环内容主要以有机物形式循环主要以无机化合物形式循环方向单向反复循环规律逐级递减；传递效率10%~20%在一定范围内能自我调节范围各级生态系统生物圈联系互为因果，相辅相成，不可分割三、信息传递生态系统的信息传递是生态系统的基本功能之一。

在生态系统中,物质循环 是生态系统的基础,能量流动是生态系统的动力,信息传递则决定着能量流动和 物质循环的方向和状态在生态系统中,种群和种群之间、种群内部个体和个体之间,甚至生物和环境之间都有信息传递 生态系统信息传递的形式主要有物理信息、化学信息、营养信息和行为信息3.1 物理信息生态系统中以物理过程为传递形式的信息称为物理信息生态系统中的各种 光、声、热、电、磁等都是物理信息;动物的视觉、听觉、冷觉、热觉和触觉是 典型的物理信息感受的过程这些物理信息有的表示识别,有的表示威胁、挑战, 有的向对方炫耀自己的优势,有的表示从属,有的则为了配对等3.1.1 光信息萤火虫的闪光、蝴蝶的飞舞、花朵艳丽的色彩等都属于光信息萤火虫在夜晚是依据发光器官所发出的闪光来寻找配偶的有一种萤火虫(pho tinus pyralis) 雄萤到处飞来飞去,但严格地每隔518 s 发光一次,雌萤则停歇在草叶 上以发光相应答,每次发光间隔时间与雄萤相同,但总是在雄萤发光2 s 后才发 光据研究,每一种萤火虫的发光频率都不相同,这极好地避免了种间信号混淆和 种间杂交3.1.2 声音信息人们最熟悉的声音莫过于鸟类宛转多变的叫声了,鸟类和昆虫的鸣叫声非常 类似于萤火虫的闪光，都具有物种各自的特异性。

澳大利亚蝉可发出800 Hz的低 频声, 其声音强度在80 dB 以上, 由于雌蝉的感受器对800 Hz 的低频声最为敏感 和具有最大的指向性，所以常常被吸引到鸣叫着的雄蝉群体中来3.1.3 热信息生活在南美洲的响尾蛇,头部有个颊窝，能够感知01001 °C温差的变化;响尾 蛇能够准确地捕食动物， 主要就是靠颊窝对温差的敏感性3.1.4 触觉信息有些动物交配行为的完成有赖于触觉信息雄园蛛在生殖季节走近蛛网,在 网边用前足按一定的力度和节律牵动雌蛛所结网的蛛丝雌蛛立即作出反应,也 像有美食一样冲了过来这时, 雄蛛会暂时退到蛛网的外面雄蛛等到雌蛛回到 网中央后,它会又一次弹起蛛网当雌蛛确认是雄蛛的求偶信号时,就会做好交配 准备, 安静地等在网的中央雄蛛一面不停地拨动蛛网, 一面爬向雌蛛, 完成与雌 蛛的交配3.1.5 磁信息由于生物生活在太阳和地球的磁场内,少不了要受到磁力的影响生物对磁 场有不同的感受能力,常常被称为是生物的第六感觉候鸟在天空中成群结队、 南北长途往返飞行能够准确到达目的地,特别是信鸽千里传书而不误,在这些行 为中,动物就是通过感知电磁场的变化,从而确定自己所处方位和运动方向的。

3.2 化学信息生态系统的各个层次都有生物代谢产生的化学物质参与信息传递,这种传递 信息的化学物质通称为化学信息如酶、维生素、生长素、抗生素、性外激素, 甚至尿和粪便等都属于传递信息的化学物质化学信息深深地影响着生物种间和 种内的关系有的相互制约,有的相互促进,有的相互吸引,有的相互排斥化学 信息在生态系统中广泛存在,对它研究近几年发展迅速,并逐步形成一个分支学 科———化学生态学动物的嗅觉、味觉是典型的化学信息感受过程动物根据味觉信息要判断食 物可吃还是不可吃,好吃还是不好吃,从而作出吃还是不吃、多吃还是少吃的决定, 而这些对于维持它的生命是至关重要的我们知道,狗具有非常发达的嗅觉,能够 感受空气中一些化学物质所携带的气味信息 ,这对于狗在寻找和选择食物 ,发现 敌害,躲避不良环境的行为中起着重要作用3.2.1 动物与植物之间的化学信息植物给人们的印象似乎只能呆在那里等待被动物吃掉,然而,事实并非如此, 如植物的苦味是一个重要的化学信息,对许多植食动物来说,可以起到拒食作用, 不过这种苦味对。