高中地球科学/生态系统

生态系统由生物以及这些生物在一个区域内所需的非生物组成。能量在一个方向上流经生态系统。营养物质循环通过生态系统的不同部分，并且可以在许多点进入或离开生态系统。

课程目标

讨论化学和物理因素对生物的重要意义。
描述不同物种在生态系统中的作用。
描述生态系统的功能，以及不同物种如何在不同的生态系统中扮演不同的角色。
描述能量从食物链的最低营养级到最高营养级的传递，包括每个营养级能量的损失。
讨论物质如何在营养级之间循环，以及物质如何在任何时候进入或离开食物网。

生物群落

种群由在给定时间和地点一起出现的单个物种的所有个体组成。物种是一种可以相互交配并产生可育后代的单一类型的生物。所有在同一地区共同生活的种群构成一个群落。生态系统是群落中所有生物以及它们相互作用的物理和化学因素。生态系统中的生物被称为生物因素。生物包括细菌、藻类、真菌、植物（图18.1）和动物。动物包括无脊椎动物（图18.2），没有脊椎的动物和脊椎动物（图18.3），有脊椎的动物。

物理和化学特征是非生物因素。非生物因素包括生物生存所需的资源，如光、氧气、水、二氧化碳、良好的土壤以及氮、磷和其他营养物质。非生物因素还包括非物质或生物的环境特征，如生存空间和合适的温度范围。

生物必须谋生，就像律师或芭蕾舞演员一样。这意味着每个生物个体必须获得足够的能量来维持生命并希望能够繁殖。一个物种谋生的方式被称为其生态位。生态位的一个例子是作为一个顶级食肉动物谋生，这种动物以其他动物为食，但不会被其他任何动物吃掉。这个生态位可以由非洲草原上的狮子、苔原上的狼或海洋中的金枪鱼来填补。

每个物种都占据一个生态位，而且生态位几乎总是被生态系统填满。

生物的栖息地是它居住的地方。栖息地的重要特征包括气候、食物、水和其他资源的可用性以及其他因素，如天气。栖息地可能是仙人掌上的一个洞，也可能是热带雨林中蕨类植物的下面。它可能是一个广阔的稀树草原。

生态系统中的角色

存在许多不同类型的生态系统（图18.4）。一些生态系统的例子包括热带雨林、灌木丛、苔原和沙漠。这些词语与生物群落所使用的词语相同。这是因为气候条件决定了哪些生态系统存在于哪些位置。特定的生物群落包含所有具有相似气候和生物的生态系统。

**图18.5**: 管虫与化能合成细菌有共生关系。细菌为虫子提供食物，而虫子管为细菌提供住所。

不同的生物生活在每种不同的生态系统中。蜥蜴在沙漠中茁壮成长，但没有任何爬行动物可以在极地生态系统中生存。大型动物通常在寒冷的气候中比在炎热的气候中表现更好。尽管如此，每个生态系统都有生物所扮演的相同的一般角色。只是填补这些生态位的生物是不同的。例如，每个生态系统都必须有一些生物以化学能量的形式生产食物。这些生物主要是海洋中的藻类、陆地上的植物以及深海热泉中的细菌。

生产食物的生物在每个生态系统中都极其重要。生物类型之间最根本的区别在于它们是否能够生产自己的能量。能够生产自身食物的生物被称为生产者。相反，利用生产者创造的食物能量的生物被称为消费者。

生产者有两种类型。几乎所有的生产者都通过光合作用从太阳获取能量并将其转化为化学能量（食物）。光合生物利用二氧化碳（CO₂）和水（H₂O）来生产糖(C₆H₁₂O₆)和氧气（O₂）。这种食物可以立即使用，也可以储存起来以备将来使用。

一小部分生产者在不使用任何阳光的情况下，从化学物质中创造出可用的化学能量。在海洋深处，在被称为热液喷口的深海热泉中，几种类型的细菌分解化学物质来产生食物能量。这个过程被称为化能合成（图18.5）。

消费者有很多类型。食草动物直接吃生产者（图18.6）。这些动物分解植物结构以获取它们需要的物质和能量。许多其他消费者吃动物。这些被称为食肉动物。食肉动物可以吃食草动物，也可以吃其他食肉动物。杂食动物吃植物和动物，以及真菌、细菌和其他界别的生物。

生物之间存在着许多类型的食物关系。捕食者是一种杀死并吃掉另一种动物的动物（图18.7）。它杀死的动物是它的猎物。

食腐动物是吃已经死亡的生物的动物。秃鹫和鬣狗只是两种食腐动物。分解者分解死去的生物或活生物的废物，将营养物质返还给生态系统。许多分解者是细菌，但也有一些其他的分解者，包括真菌（图18.8）。分解者是回收者；它们使死去的生物中的营养物质可供活的生物利用。

生态系统中的能量流动

能量既不能被创造也不能被毁灭。能量只能从一种形式转化为另一种形式。这是一个如此基本的自然规律，以至于它有自己的名字：能量守恒定律。植物不会凭空创造化学能量。相反，它们从非生物因素（包括阳光）中创造化学能量。因此，它们将太阳能转化为化学能。利用化能合成的生物从化学能开始，创造出可用的化学能。生产者创造了食物能量后，它就会传递给消费者、食腐动物和分解者。

能量只在一个方向上流经生态系统。能量随着生产者的出现而进入生态系统。在几乎所有生态系统中，阳光都是最初的能量来源。这种能量从一个营养级或能量级上的生物传递到下一个营养级上的生物。生产者始终是第一个营养级，食草动物是第二个营养级，以食草动物为食的食肉动物是第三个营养级，等等。

平均而言，到达一个营养级的 90% 的能量被用来为该营养级上的生物提供能量。它们需要能量来运动、加热自身和繁殖。因此，第二个营养级上的动物可利用的能量只有第一个营养级上的生物的大约 10%。它们利用了接收到的能量的大约 90%，因此第三个营养级上的生物可利用的能量只有第二个营养级上的生物的大约 10%。这个 10% 规则一直延续到更高的营养级，因此生态系统中下一个更高营养级可利用的能量越来越少。

从一个营养级传递能量到下一个营养级的生物集合被称为食物链（图18.9）。在这个简单的描述中，所有生物都在一个营养级上进食。第三个营养级上的动物只吃第二个营养级上的动物，而第二个营养级上的动物只吃第一个营养级上的动物。但是，许多杂食动物在多个营养级上进食，它们的饮食中包括植物和动物。

由于只有 10% 的能量被传递到食物链中，因此每个营养级只能维持更少的生物。像美洲豹这样的顶级捕食者必须拥有非常大的狩猎范围，以便能够获得足够的能量来维持生命。由于这个原因，顶级食肉动物相对于食草动物来说非常少。结果就是每个营养级的生物数量看起来像金字塔。金字塔底部的低级营养级上的生物数量远远超过金字塔顶部的较高营养级上的生物数量。

食物链通常只有四五个营养级，因为没有足够的能量来支撑第六个营养级的生物。海洋动物的食物链比陆地动物的食物链更长，因为海洋环境更加稳定。较高营养级的生物也往往比较低营养级的生物更大。原因很简单：鲸鱼必须能够吃浮游生物，但浮游生物不需要能够吃鲸鱼。有时多个较小的捕食者会共同捕食较大的猎物，因此较高营养级的生物比较低营养级的生物更小。这适用于狼群，它们作为一个整体共同捕猎驼鹿。

由于有些生物在多个营养级觅食，因此食物链无法充分描述生态系统中能量的传递。更准确的描述是食物网（图 18.10）。食物网认识到许多生物在多个营养级觅食。食物网包括生产者、消费者和分解者之间的关系。

**图 18.10**：北极食物网。除了生物体之外，还包括一些非生物成分（氮、矿物盐）和非生物部分（粪便）。

所有生物都依赖于两个相互关联的全球食物网。一个的基础是浮游植物，微小的海洋生产者。这些微小的生物被浮游动物吃掉。浮游动物是微小的动物，反过来又被小鱼吃掉，然后又被大鱼吃掉。陆地植物构成了第二个食物网的基础。它们被草食动物吃掉，草食动物被肉食动物吃掉，等等。生活在陆地的鸟类或熊可能会吃鱼，这将两个食物网连接起来。人类是这两个食物网的重要组成部分；我们处于食物网的顶端，因为没有任何东西吃我们。这意味着我们是顶级掠食者。

生态系统中的物质流动

生态系统中的物质流动不像能量流动。物质可以在任何级别进入生态系统，也可以在任何级别离开生态系统。它在营养级之间以及生态系统和物理环境之间自由循环。营养物质是离子，对于生物体的生长至关重要。营养物质，如氮和磷，对植物细胞生长很重要。动物使用二氧化硅和钙来构建贝壳和骨骼。细胞需要硝酸盐和磷酸盐来制造蛋白质和其他生化物质。从营养物质中，生物体制造组织和复杂的分子，如碳水化合物、脂类、蛋白质和核酸。

营养物质可能来自岩石和矿物质的分解进入生态系统。它们进入土壤，被植物吸收。营养物质可以从其他地区带入，例如被溪流带入湖泊。当一种生物吃掉另一种生物时，它会获得所有营养物质。营养物质也可以从生态系统中循环出来。腐烂的树叶可能被溪流带出生态系统。营养物质可能会被风吹出生态系统。

分解者在使营养物质可供生物利用方面发挥着关键作用。腐食者吃掉死去的生物后，几乎总是会留下一些死去的动物或植物的残留部分。分解者完成了分解死生物的过程。它们将死生物转化为营养物质和二氧化碳，它们会将二氧化碳呼吸到空气中。然后，这些剩余的营养物质就可以供其他生物利用。没有分解者，地球上的生命就无法继续。死组织将保持原样，最终营养物质会耗尽。分解者分解组织，并将营养物质归还到地面。如果没有分解者，地球上的生命早就灭绝了。

物种之间的关系

物种之间有不同类型的关系。竞争发生在试图利用相同资源的物种之间。当竞争过多时，一种物种可能会迁移或适应，以便它使用略微不同的资源。例如，它可能会生活在树梢上并吃掉灌木上稍微高一点的叶子。如果竞争没有结束，一种物种就会灭绝。每个生态位只能被一个物种占据。

物种之间的一些关系对至少两种相互作用的物种中的一种是有益的。这些关系被称为共生，并且有三种类型。在互利共生中，这种关系对两种物种都有益（图 18.11）。大多数植物-传粉者关系都是互利共生的。传粉者，例如蜂鸟，会获得食物。植物会将花粉捕获在鸟类的羽毛中，因此花粉会散布到遥远的花朵中，帮助它们繁殖。

在偏利共生中，这种关系对一种物种有利，但不会伤害或帮助另一种物种（图 18.12）。一只鸟可能会在树洞里筑巢。这对树木既不伤害也不有利，但它为鸟类及其幼崽提供了保护。

在寄生中，寄生虫物种受益，而宿主受到伤害（图 18.13）。寄生虫通常不会杀死它们的宿主，因为死亡的宿主对寄生虫不再有用。寄生虫和宿主的一个明显例子是橡树上的槲寄生。槲寄生通过一根进入树枝的根部获得水和养分。然后树木支撑着槲寄生，但树木并没有死亡，即使它的生长和繁殖受到寄生虫的轻微损害。人类可以寄宿寄生虫，例如引起血吸虫病的扁虫。

课程总结

每个物种都在生态系统中扮演一个生态位。每个生态系统都有相同的生态位，尽管并非总是相同的物种来填充它们。
每个生态系统都有生产者、消费者和分解者。分解者分解死组织，使营养物质可供生物体利用。
在每个营养级都会损失能量，因此顶级捕食者很少见。食物关系比食物链复杂得多，因为有些生物从多个营养级觅食。
因此，需要食物网来显示生态系统中所有捕食者/猎物相互作用。

复习问题

种群、群落和生态系统有什么区别？
生态位和栖息地有什么区别？
为什么不同生态系统中的角色相同，但填充它们的物种却经常不同？
为什么深海生态系统中没有生产者？如果没有生产者，能量来自哪里？能量的最终来源是什么？
捕食者是草食动物、肉食动物还是杂食动物？猎物呢？
生物学家常说细菌是地球上最重要的生物。为什么这么说？
为什么你在徒步旅行时看到兔子比看到狮子可能性大得多？
与第 1 个营养级的生物相比，第 5 个营养级的生物有多少能量？这如何决定食物链的长度？
为什么食物网比食物链更能代表生物的摄食关系？
为什么能量在生态系统中只能单向传递，而营养物质却循环往复？
为什么捕食者会杀死猎物，而寄生虫很少杀死宿主？

词汇

非生物: 生态系统的非生物特征包括空间、营养物质、空气和水。
生物: 生态系统的生物特征包括病毒、植物、动物和细菌。
肉食动物: 仅以其他动物为食的动物。
化能合成: 通过分解化学物质来创造食物能量。
偏利共生: 两种物种之间的一种关系，其中一种物种获益，而另一种物种没有受到伤害。
群落: 生态系统中所有生物；所有共同生活的物种的所有种群。
竞争: 两种物种或同一物种的个体之间为争夺相同资源而产生的竞争。
消费者: 一种生物不能创造自己的化学能量，而是以其他生物为食。
分解者: 一种生物，它将死生物的组织分解成各种成分，包括其他生物可以利用的营养物质。
生态系统: 一个地区的所有生物及其生存所需的物理和化学因素。
食物链: 一个能量通路，包括所有作为食物能量传递链中的一环的生物体，从生产者开始，一直传递到消费者。
食物网: 相互交织的食物链，显示每个生物体从不同的营养级获取食物，更能反映现实情况。
栖息地: 生物体生存的地方；栖息地具有独特的特征，如气候或资源可用性。
食草动物: 只吃生产者的动物。
无脊椎动物: 没有脊椎的动物。
互利共生: 两种物种之间的一种共生关系，其中两种物种都受益。
生态位: 生物体在其群落中的“工作”。
杂食动物: 一种以植物（生产者）和其他消费者（动物）为食的生物体。
寄生: 两种物种之间的一种共生关系，其中存在寄生虫和宿主。寄生虫从宿主获取营养。在寄生关系中，宿主会受到伤害，但通常不会被杀死。
光合作用: 植物利用二氧化碳和水生产糖和氧气的过程：6CO₂ + 12H₂O + 太阳能 C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O。
种群: 在特定时间和地点共同出现的某个物种的所有个体。
捕食者: 捕杀并吃掉其他动物的动物。
猎物: 可能被捕食者杀死并吃掉的动物。
生产者: 创造化学能量作为食物的生物体。大多数生产者使用光合作用，但极少数使用化学合成。
食腐动物: 吃已经死亡的动物的动物。
物种: 生物分类，包括可以或正在杂交并产生可育后代的生物体；同一物种的成员共享相同的基因库。
共生: 两种物种之间的关系，其中至少一个物种受益。
营养级: 食物链或食物网中的能量等级。
脊椎动物: 有脊椎的动物。

需要考虑的几点

如果两个物种试图占据相同的生态位，会发生什么？
每个生态系统都有生产者、消费者和分解者，但至少有一个例外。除了热液喷口，深海生态系统缺少什么？
人类在食物网中处于什么位置？
大多数人类是杂食动物，但我们吃的大部分食物处于较高的营养级。由于生态系统通常只能支持少量顶级捕食者，而低等生物的数量却很多，为什么会有这么多人？

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