A-level 生物/生物基礎/能量和生態系統

定義和概述

本章主要講述生態學——整個生物群落之間以及與環境之間相互作用的科學。在本章中需要記住兩個重點——能量在生態系統中的流動以及物質在這些系統中的使用和再利用。在本章正式開始之前，有必要定義一些您可能不熟悉的術語。

表 1：重要的生態學術語

術語	定義	示例
棲息地	生物居住的地方。	毛蟲的棲息地可能在樹葉內部。
種群	同一物種的生物群，在同一地點（同一時間），可以相互交配。	一片樹林中所有的橡樹
群落	棲息地中所有生物。	一片林地中的所有生物，包括樹木和生活在其中的動物。
生態系統	一個相對獨立的、相互作用的生物群落，包括它們生活和相互作用的環境。	樹林中包含的一切，包括流入生態系統的能量（如陽光）
生態位	生物在生態系統中的作用	橡樹的生態位是產生碳水化合物和其他有機物質，這些物質被用作生態系統中其他生物的食物。

能量流動

每個生物體都需要持續的能量才能存活——它驅動著許多控制細胞代謝的化學反應，如果這些反應停止，細胞就會死亡。細胞的直接能量來源是 ATP（三磷酸腺苷 [1]），當需要時，它透過水解分解，其能量用於細胞過程。

ATP 並非無限量地免費提供——它必須由其他有機分子（如我們在第 2 章中討論的那些分子）產生——當這些分子分解時，它們的能量用於在呼吸過程中產生 ATP。這導致我們提出了一個問題，這些碳水化合物、脂類和蛋白質等中的能量來自哪裡？這個過程從植物開始——在植物葉片的葉肉細胞內，捕獲陽光作為能量來驅動光合作用。結合空氣中的二氧化碳和土壤中的水，產生碳水化合物和其他有機化學物質，因此，從陽光中獲取的能量被轉化為例如碳水化合物分子的化學能。

它是如何到達我們的？當我們和其他動物食用這些植物時，我們攝入碳水化合物並將其用於 ATP。因此，進行光合作用的植物非常重要——它們是生產者。消費者，包括所有動物、真菌和許多微生物，都消耗植物產生的有機化學物質。

食物鏈

食物鏈通常是能量從生產者流向消費者的方式的圖解表示，箭頭始終指示能量流動的方向（例如，植物會有指向兔子的箭頭）。食物鏈中的不同位置稱為營養級。食物網是食物鏈的擴充套件——它顯示了食物鏈元素之間的相互關係。

通常既作為初級消費者又作為高階消費者攝食的動物，例如人類，被稱為雜食動物。根據它們所吃的食物，它們被認為佔據食物鏈中的不同位置。在食物網的表示方式中，它顯示了食物網中所有能量如何流向一組稱為分解者的生物。這些生物大多生活在土壤中，它們在生態系統中的作用是攝食碎屑（廢棄物，包括死去的生物）。它們在氮迴圈中非常重要，稍後將詳細介紹。

能量損失

隨著能量在食物鏈中流動，其中一些能量在每個層次都會透過熱量和其他各種方式損失。在生態系統接收到的陽光中，只有一小部分用於光合作用。這是由於陽光無法到達葉片、從葉片反射、穿過葉片而不接觸葉綠素分子以及未使用錯誤波長的光造成的。此外，在光合作用過程中將能量轉化為碳水化合物時也會損失能量。請參見圖片：[2]

一旦進入植物，化學能就可以被初級消費者消耗，但植物必須進行呼吸才能存活，因此至少有一半的能量損失於熱量和轉化為 ATP 的過程中。即使初級消費者確實吃了植物，仍然會有更多的能量損失——並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，有些也無法消化。此外，在消化過程中，熱量可能會從消費者的消化系統中損失。類似的損失在整個食物鏈中都會發生。請參見圖表：[3]

有機分子迴圈

除了能量外，生物體還需要物質來構建其體內的結構——例如氫、碳和氧。蛋白質需要氮，有些需要硫，而磷是核苷酸的重要組成部分。其他需要的元素包括鎂、鈣、碘和鐵。所有這些離子都從一個生物體傳遞到另一個生物體，並在生物體之間迴圈利用。您需要了解的基礎知識示例是氮迴圈。

氮迴圈

氮，以其分子形式存在，是由兩個氮原子以三鍵共價鍵結合（N=N）——這種形式反應性非常低，大多數生物體無法以這種形式利用它。儘管如此，氮對於所有生物體都是必不可少的，因為它在核酸和蛋白質中都有應用。在氮能夠被利用之前，它必須從 N₂ 轉化為更具反應性的形式，例如氨 (NH₃) 或硝酸鹽 (NO₃^-)。這個過程稱為固氮作用。

                                                    The nitrogen cycle

固氮作用

細菌

只有原核生物（參見第 1 章）能夠進行固氮作用，其中最著名的之一是一種被稱為根瘤菌的細菌。根瘤菌可以自由地生活在土壤中以及許多植物（特別是豆科植物）的根部，當它自由地生活在土壤中時，其能力受到嚴重限制，因此根瘤菌與其寄生的植物之間存在著互利共生關係——它們互相幫助，從而使自身受益。

當豆科植物發芽時，根部會產生一種稱為凝集素的蛋白質，該蛋白質與根瘤菌表面上的多糖結合，導致細菌侵入根部，並沿著根毛擴散。它們刺激植物形成根瘤，根瘤菌在其中生存。一種稱為固氮酶的酶有助於催化氮氣轉化為銨離子——這個過程需要氫氣、ATP 和厭氧條件。氫氣是 NADP 的副產物，ATP 來自植物對蔗糖的代謝。厭氧條件再次由植物維持——透過產生一種稱為豆血紅蛋白的蛋白質，這是一種對氧氣具有高親和力的分子，它利用擴散到根瘤中的氧氣。

大氣

當閃電擊中時，巨大的能量透過導致氮分子與氧氣反應，形成氮氧化物。這些氮氧化物溶解在雨水中並被帶入地下，如果出現雷暴和強降雨，它們可以成為重要的固氮來源。

哈伯法

哈伯法是一種用於生產化肥的工業過程——氮氣和氫氣反應生成氨氣，這種氨氣通常被轉化為硝酸銨——使用最廣泛的無機肥料。

生物對固定氮的利用

根瘤中固定的氮，有時與其他固氮來源（土壤中的硝酸根離子，在根部轉化為亞硝酸根，然後轉化為氨）結合，用於合成氨基酸，然後從根部運輸到木質部，並分配到植物的各個部位，並在細胞內用於合成蛋白質。

動物不能進行固氮作用，因此只能將氮作為有機分子的一部分來利用——我們的氮來自食物中的蛋白質。在消化過程中，氨基酸（蛋白質分解產物）被血液吸收並分佈到全身。任何多餘的氨基酸將在肝臟中脫氨，並透過尿液排出體外。

硝酸鹽返回土壤

當生物體死亡時，被稱為分解者的生物群會將細胞中的蛋白質分解成氨基酸，並將氮以氨的形式釋放到土壤中。氨也透過排洩物進入土壤——氨的產生稱為氨化作用。然後，這種氨被硝化細菌（包括亞硝化單胞菌和硝化細菌）轉化為亞硝酸鹽，然後轉化為硝酸鹽。這些細菌從硝化作用中獲取能量，與固氮作用不同，硝化作用可以在有氧條件下發生。出於這個原因，沼澤土壤通常缺乏硝酸鹽——例如田間的低窪地。

反硝化作用

這些細菌透過將硝酸鹽轉化回氮氣來為自己提供能量，從而逆轉固氮作用的過程，使氮迴圈得以繼續。