A-level 生物/生物基础/能量和生态系统

定义和概述

本章主要讲述生态学——整个生物群落之间以及与环境之间相互作用的科学。在本章中需要记住两个重点——能量在生态系统中的流动以及物质在这些系统中的使用和再利用。在本章正式开始之前，有必要定义一些您可能不熟悉的术语。

表 1：重要的生态学术语

术语	定义	示例
栖息地	生物居住的地方。	毛虫的栖息地可能在树叶内部。
种群	同一物种的生物群，在同一地点（同一时间），可以相互交配。	一片树林中所有的橡树
群落	栖息地中所有生物。	一片林地中的所有生物，包括树木和生活在其中的动物。
生态系统	一个相对独立的、相互作用的生物群落，包括它们生活和相互作用的环境。	树林中包含的一切，包括流入生态系统的能量（如阳光）
生态位	生物在生态系统中的作用	橡树的生态位是产生碳水化合物和其他有机物质，这些物质被用作生态系统中其他生物的食物。

能量流动

每个生物体都需要持续的能量才能存活——它驱动着许多控制细胞代谢的化学反应，如果这些反应停止，细胞就会死亡。细胞的直接能量来源是 ATP（三磷酸腺苷 [1]），当需要时，它通过水解分解，其能量用于细胞过程。

ATP 并非无限量地免费提供——它必须由其他有机分子（如我们在第 2 章中讨论的那些分子）产生——当这些分子分解时，它们的能量用于在呼吸过程中产生 ATP。这导致我们提出了一个问题，这些碳水化合物、脂类和蛋白质等中的能量来自哪里？这个过程从植物开始——在植物叶片的叶肉细胞内，捕获阳光作为能量来驱动光合作用。结合空气中的二氧化碳和土壤中的水，产生碳水化合物和其他有机化学物质，因此，从阳光中获取的能量被转化为例如碳水化合物分子的化学能。

它是如何到达我们的？当我们和其他动物食用这些植物时，我们摄入碳水化合物并将其用于 ATP。因此，进行光合作用的植物非常重要——它们是生产者。消费者，包括所有动物、真菌和许多微生物，都消耗植物产生的有机化学物质。

食物链

食物链通常是能量从生产者流向消费者的方式的图解表示，箭头始终指示能量流动的方向（例如，植物会有指向兔子的箭头）。食物链中的不同位置称为营养级。食物网是食物链的扩展——它显示了食物链元素之间的相互关系。

通常既作为初级消费者又作为高级消费者摄食的动物，例如人类，被称为杂食动物。根据它们所吃的食物，它们被认为占据食物链中的不同位置。在食物网的表示方式中，它显示了食物网中所有能量如何流向一组称为分解者的生物。这些生物大多生活在土壤中，它们在生态系统中的作用是摄食碎屑（废弃物，包括死去的生物）。它们在氮循环中非常重要，稍后将详细介绍。

能量损失

随着能量在食物链中流动，其中一些能量在每个层次都会通过热量和其他各种方式损失。在生态系统接收到的阳光中，只有一小部分用于光合作用。这是由于阳光无法到达叶片、从叶片反射、穿过叶片而不接触叶绿素分子以及未使用错误波长的光造成的。此外，在光合作用过程中将能量转化为碳水化合物时也会损失能量。请参见图片：[2]

一旦进入植物，化学能就可以被初级消费者消耗，但植物必须进行呼吸才能存活，因此至少有一半的能量损失于热量和转化为 ATP 的过程中。即使初级消费者确实吃了植物，仍然会有更多的能量损失——并非所有植物的所有部分都能被吃掉，即使是可以吃掉的那些部分，有些也无法消化。此外，在消化过程中，热量可能会从消费者的消化系统中损失。类似的损失在整个食物链中都会发生。请参见图表：[3]

有机分子循环

除了能量外，生物体还需要物质来构建其体内的结构——例如氢、碳和氧。蛋白质需要氮，有些需要硫，而磷是核苷酸的重要组成部分。其他需要的元素包括镁、钙、碘和铁。所有这些离子都从一个生物体传递到另一个生物体，并在生物体之间循环利用。您需要了解的基础知识示例是氮循环。

氮循环

氮，以其分子形式存在，是由两个氮原子以三键共价键结合（N=N）——这种形式反应性非常低，大多数生物体无法以这种形式利用它。尽管如此，氮对于所有生物体都是必不可少的，因为它在核酸和蛋白质中都有应用。在氮能够被利用之前，它必须从 N₂ 转化为更具反应性的形式，例如氨 (NH₃) 或硝酸盐 (NO₃^-)。这个过程称为固氮作用。

                                                    The nitrogen cycle

固氮作用

细菌

只有原核生物（参见第 1 章）能够进行固氮作用，其中最著名的之一是一种被称为根瘤菌的细菌。根瘤菌可以自由地生活在土壤中以及许多植物（特别是豆科植物）的根部，当它自由地生活在土壤中时，其能力受到严重限制，因此根瘤菌与其寄生的植物之间存在着互利共生关系——它们互相帮助，从而使自身受益。

当豆科植物发芽时，根部会产生一种称为凝集素的蛋白质，该蛋白质与根瘤菌表面上的多糖结合，导致细菌侵入根部，并沿着根毛扩散。它们刺激植物形成根瘤，根瘤菌在其中生存。一种称为固氮酶的酶有助于催化氮气转化为铵离子——这个过程需要氢气、ATP 和厌氧条件。氢气是 NADP 的副产物，ATP 来自植物对蔗糖的代谢。厌氧条件再次由植物维持——通过产生一种称为豆血红蛋白的蛋白质，这是一种对氧气具有高亲和力的分子，它利用扩散到根瘤中的氧气。

大气

当闪电击中时，巨大的能量通过导致氮分子与氧气反应，形成氮氧化物。这些氮氧化物溶解在雨水中并被带入地下，如果出现雷暴和强降雨，它们可以成为重要的固氮来源。

哈伯法

哈伯法是一种用于生产化肥的工业过程——氮气和氢气反应生成氨气，这种氨气通常被转化为硝酸铵——使用最广泛的无机肥料。

生物对固定氮的利用

根瘤中固定的氮，有时与其他固氮来源（土壤中的硝酸根离子，在根部转化为亚硝酸根，然后转化为氨）结合，用于合成氨基酸，然后从根部运输到木质部，并分配到植物的各个部位，并在细胞内用于合成蛋白质。

动物不能进行固氮作用，因此只能将氮作为有机分子的一部分来利用——我们的氮来自食物中的蛋白质。在消化过程中，氨基酸（蛋白质分解产物）被血液吸收并分布到全身。任何多余的氨基酸将在肝脏中脱氨，并通过尿液排出体外。

硝酸盐返回土壤

当生物体死亡时，被称为分解者的生物群会将细胞中的蛋白质分解成氨基酸，并将氮以氨的形式释放到土壤中。氨也通过排泄物进入土壤——氨的产生称为氨化作用。然后，这种氨被硝化细菌（包括亚硝化单胞菌和硝化细菌）转化为亚硝酸盐，然后转化为硝酸盐。这些细菌从硝化作用中获取能量，与固氮作用不同，硝化作用可以在有氧条件下发生。出于这个原因，沼泽土壤通常缺乏硝酸盐——例如田间的低洼地。

反硝化作用

这些细菌通过将硝酸盐转化回氮气来为自己提供能量，从而逆转固氮作用的过程，使氮循环得以继续。