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COnSUmer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(