闫永彬 Yong-Bin YAN, Ph.D. 清华大学 生物科学与技术系 现代生物学导论 16 生物与环境 （书上第16章） 闫永彬 Yong-Bin YAN, Ph.D. 清华大学 生物科学与技术系

生命世界从微观到宏观的组织层次 生态学（Ecology）： 研究生物与环境相互依赖、制约和 协调关系的科学。 1869年，德国进化论者海克尔创立 1950s后，数学的引入发展成定量科学 细胞 组织 器官 个体 种群 群落 生态系统 生物圈

16.1 生态系统概述 16.1.1 概念 生态系统（ecosystem） 生物群落与其生存环境之间, 以及生物种群相互之间密切联系、相互作用，通过物质交换、能量转换和信息传递，成为占据一定空间、具有一定结构、执行一定功能的动态平衡整体，称为生态系统。

16.1.2 生态系统的基本组分 生物组分——生物群落（biotic community） 在一定地理区域内，生活在同一环境 下的各种动物、植物和微生物等的种群， 彼此相互作用，组成具有独特成分、结构 和功能的不同种群集合体。

群落中物种的多样性和优势种 群落结构：垂直分布、水平分布、时间 分布 生态位（ecological niche）

生态位不同于栖息地： 栖息地代表种群的“住址”，而生态位是种群赖以生存的“职业”；生态位除了说明栖息地外，还说明这一物种在这一群落中的营养地位，所需的物理和生物条件以及在时间和季节变化时的节律性变化等 生态位相似的物种，发生竞争。 生态位的多样性是群落结构相对稳定的基础。

环境组分 无机与物理性环境因子： 辐射（光）、温度、湿度与水分、化 学因素（大气成分、水中盐分、酸碱度）、 土壤等。 环境组分 无机与物理性环境因子： 辐射（光）、温度、湿度与水分、化 学因素（大气成分、水中盐分、酸碱度）、 土壤等。

生物对环境因子的耐受性和限制因子 每种生物对环境因子的耐受范围，称生 生物对环境因子的耐受性和限制因子 每种生物对环境因子的耐受范围，称生 态幅（ecological amplitude）； 各种生物的生长速度受它所需环境因子 最低量因素的限制，称为最低量定律 （low of minimum）

16. 1. 3 种内与种间关系 捕食（predation） 竞争（competition） 寄生（parasitism） 16.1.3 种内与种间关系 捕食（predation） 竞争（competition） 寄生（parasitism） 共栖（commensalism） 合作（protocooperation）与 互利共生（mutualism） 化学互助和拮抗

16.1.4 生态系统的基本特征 生物群落是生态系统的组成核心； 生态系统具有一定的地区特点和空 间结构； 生态系统表现明显的时间特征，具 有从简单到复杂，从低级到高级的 发展规律；

生态系统的代谢活动是通过物流与能 流过程实现的； 生态系统在结构和功能方面具有复杂 的动态平衡特征； 生态系统具有不同程度的开放性，不 断地与外界进行物质和能量交换及信 息传递，从而维持系统的有序状态。

16.2 生态系统的食物链和食物网 16.2.1 食物链和食物网的概念 生态系统中储存于有机物中的化学能，通过一系列吃与被吃的关系，把生物与生物紧密地联系起来，这种以食物营养关系彼此联系起来的生物序列，称为食物链（food chain）。 生物群落中错综复杂的食物关系，使多条食物链彼此交联，形成食物网（food web）。

16.2.2 食物链中的功能类群  生产者（producers）  消费者（consumers）  还原者或称分解者（decomposer） 16.2.3 食物链的类型  捕食食物链  碎食食物链  寄生性食物链  腐生性食物链

16.2.4 食物链的基本特点 同一食物链中常包含有食性和其它生活习性极不相同的多种生物； 同一生态系统中，可能有多条食物链，长短不同，营养级数目不等； 不同生态系统，各类食物链的比重不同； 生态系统中，各类食物链总是协同起作用的。 食物网不仅维持生态系统的相对平衡，并推动生物进化，是自然界发展演化的动力

16.3 生态系统的能量流动、物质循环和信息传递 16.3.1 生态系统能量流动  生态系统能量存在的形式 16.3 生态系统的能量流动、物质循环和信息传递 16.3.1 生态系统能量流动  生态系统能量存在的形式 辐射能、化学能、机械能、电能、生物能 生态系统的能量流动遵循热力学定律 能量守恒与转化 生态系统是一个开放系统，通过光合作用引入负熵；通过呼吸，把正熵值转到环境。

16.3.1 生态系统中的能源和能流（energy flow） 能流和营养水平（trophic levels） 地球上依赖于绿色植物和各种藻类利用日光进行光合作用，每年生产约1 700亿吨有机物。 各类生物以地球生态系统初级生产者的总生产量/年为起点，能量按食物链顺序的流动，即能流 能流过程中，各类生物所处的地位称为营养水平。营养水平和食物链的环节是有限的（通常4 ~5个）

能量转化效率和生态金字塔 能量转化效率：指某一营养级所固定的能量与上一营养级所携有的能量之比。 十分之一定律：营养水平每上升一级所得能量只有原来营养水平的10%。 生态金字塔（ecological pyramid） 生态系统中，当能量传递其营养级由低向高推进时，每级的个体数目、生物量或所含能量呈递减式塔型分布，称生态金字塔。

从106 千卡太阳光照开始,生态系统中能量效率大约为10%。

16.3.2 生态系统中的物质循环 物质循环的有关概念 16.3.2 生态系统中的物质循环 物质循环的有关概念 生物地球化学循环（biogeochemical cycle） 在生态系统乃至生物圈内，各种化学元素沿特定途径，从环境到生物体，又从生物体再回归到环境，这种不断流动和循环过程。 水循环、气体循环（碳、氧、氮的循环）、沉淀循环（钙、钾、纳、镁、磷等盐类的循环） 生物富集作用（biological enrichment） 生态系统中同一营养级上众多种群或个体，从环境中积蓄某种元素或难于分解的化合物，致使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象。例：DDT的富集

16.3.3 生态系统中的信息传递 (了解) 生态系统中信息流（传递、接受和感应）存在于不同组织水平，是生物长期进化的结果。 16.3.3 生态系统中的信息传递 (了解) 生态系统中信息流（传递、接受和感应）存在于不同组织水平，是生物长期进化的结果。 生态系统中的信息种类 物理信息：声、光、电、热等 化学信息：代谢分泌物、植物次生代谢物等 营养信息：影响生物的迁徙等 行为信息 生态系统中信息传递的特征 具有可传扩性、永续性； 具有时效性、分享性与转化性

生态系统中的信息传递  动物之间的信息传递是通过神经系统和内分泌系统进行的；  动物之间的信息传递决定生物的多种行为。  取食：视觉、味觉、听觉信号对动物 取食的影响  居住：物理信号和食物信号影响栖息地的选择。  防护行为：拟态（imicry）、警戒色、保护色 性行为：性外激素（pheromone）； 生物的群集作用：食物、环境和信息素的作用。

16.4 生物圈和群落型 16.4.1 生物圈 生物圈地球上的生物和它们所生活的环境的总称。 生物圈包括水域、岩层表面、土壤和大 气圈的下部。 生物圈是最大的生态系统

16.4 生物圈和群落型 16.4.2 生物群落型（biome） 陆生群落型 热带雨林、亚热带常绿阔叶林、温带落叶阔叶林、北方针叶林或泰加林、温带草原、荒漠、苔原 水生群落型 淡水生物群落：流水和静水 海洋生物群落：地球表面的70%，平均 深度4 000M

16.5 生态平衡及其重大问题 16.5.1 生态平衡 （ecological equilibrium） 16.5 生态平衡及其重大问题 16.5.1 生态平衡 （ecological equilibrium） 概念： 一个生态系统在长时间内，其结构和功能相对稳定，物质与能量的输入、输出接近平衡，在外来干扰下，通过自然调节（或人为调控）能恢复原初的稳定状态。 生态平衡是动态的平衡过程。自然界生态系统的发展过程与各类群落的演替过程是一致的，因此生态平衡是长期生态适应的结果。 生态平衡失调 当外来干扰超过生态系统自我调节能力，而不能恢复到原初的稳定状态。

16.5.2 生态系统退化（了解） 问题是怎样产生的 全球变化 各国政府采取的相应对策 国际全球变化重要研究计划 - 人口和技术能力的增长，造成自然生态系统的破坏在全世界范围内有增无减，尤其在经济发展中国家更为严重； - 城市化、资源开发造成新的废弃地如建筑废地、农田撂荒地、垃圾填埋场、矿山废弃地等； 列出世界范围内受威胁的生态系统清单、受害等级、分布面积，并在此基础上开展这类生态系统的恢复与抚育工作为当前最为紧迫的任务 全球变化 各国政府采取的相应对策 国际全球变化重要研究计划

恢复生态学理论(了解） 生态因子原理 [地球上的一切植物群落及其组成的植物种类的存在都时刻离不开它们所需要的外界生态因子，如日光、温度、水分、矿物质、氧气和二氧化碳等] 最小因子定律 [在构成对生物必要组成部分的众多生态因子中,其中某一种的量缺少成为限制因子] 种间关系原理 [种间关系原理则强调在长期的自然演化过程中存在的生物物种之间存在的各种关系，主要是正相关关系(相生或共生)和负相关关系(相克或竞争)] 群落演替理论 [群落演替包括正向演替(向顶极群落发展)和逆向演替(向反顶极群落发展, 即退化)。在具体实践中应考虑在人工辅助下，群落正向演替的能力以期获得最大的生物生产力或生物多样性]

课外科普读物 夏勒：《最后的熊猫》 蕾切尔·卡逊：《寂静的春天》

生态系统 概念 组成 基本特征 食物链与食物网 特点 生态系统的能量流动、物质循环 能流的特点和规律 生态平衡 本节重点 生态系统 概念 组成 基本特征 食物链与食物网 特点 生态系统的能量流动、物质循环 能流的特点和规律 生态平衡

Thanks for your attention! 下节内容：吴庆余老师 Thanks for your attention!