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、O、N、S、P等元素, 在生态系统中是在无机环境与生物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元素的循环具有全球性, 怎样开通博客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 二氧化碳 三碳化合物 葡萄糖 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。
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SO2，通过降水SO2以H2SO4的形式(即酸雨)返回土壤和水体中, 对生物造成危害（见下图）。
（四）物质循环中微生物的作用
4.1 C循环中微生物的作用
Kg是公斤吗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CO2忆江南的诗意是什么形式存在。在C的循环过程中, 初级生产者把CO2转化为有机碳, 初级生产者主要是绿植物, 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CO2, 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劲组词组, 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（NH3）, 植物能直接吸收少量的NH3, 但NH3不能在植物体内积累, 因为氨的浓度过高对植物有毒害作用, 所以NH3要转化为铵态氮（NH4+）或在硝化细菌作用下转化为硝态氮（NO3-）, 才能被植物大量吸收。植物体内的含氮化合物沿食物链、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NH3。NH3可重复被植物吸收，未被吸收的NO3-在O2不足时被反
硝化细菌还原成NO2-和N2, 返回大气中。
4.3 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
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 犹太教 | 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 | |
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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,种和种之间、种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配偶的。有一种萤火虫(photinus 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。
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