生命科学与可持续发展.docx

生命科学归根到底是要回答什么是生命这个问题。日常生活中，人们可以很容易地区分生物与非生物。但是从科学的角度，什么是生命确实是一个很难全面而准确的问题，可以说至今还没有一个为多数科学家所接受的生命的定义。这是因为人们很难用简单的概括来定义如此复杂而又丰富多彩的生命现象，同时人们对生命现象包括一些生命的基本问题还有许多不明了的地方（如生物进化机制），也就自然难于对其本质进行中肯的科学归纳。生物种类非常多，数量非常巨大，生命现象十分错综复杂，可以从错综复杂的生命现象中提出生物的一些共性，即生命的属性，现列举如下：（1）化学成分的同一性（2）严整有序的结构（3）新陈代谢（4）生长特性（5）遗传和繁殖能力（6）应激能力（7）进化（一）从生物学角度的定义生命是由核酸和蛋白质等物质组成的多分子体系，它具有不断自我更新、繁殖后代以及对外界产生反应的能力。（二）从物理学角度的定义 “负熵”根据热力学第二定律：任何自发过程总是朝着使体系越来越混乱，越来越无序的方向，即朝着熵增加的方向变化。生命的演化过程总是朝着熵减少的方向进行，一旦负熵的增加趋近于零，生命将趋向终结，走向死亡。(三)生命的几种“定义”（1）生命的物质基础是蛋白质和核酸。（2）生命运动的本质特征是不断自我更新，是一个不断与外界进行物质和能量交换的开放系统。（3）生命是物质的运动，是物质运动的一种高级的特殊实在形式。环境：某一特定生物体或生物群体以外的空间及直接、间接影响该生物体或生物群体生存的一切事务的总和。 环境总是针对某一生物体或生物群体而言的，离开了这个主体或中心也就无所谓环境。在环境科学中，一般以人类为主体，环境是指围绕的空间以及其中可影响人类生活和发展的各种因素的总和，在生物科学中，一般以生物为主体，环境是指围绕着生物体和群体的空间及其中一切事物的总和。 生态因子：指环境中对生物的生长、发育、生殖、行为和分布有着直接或间接影响的环境要素，如温度，阳光、湿度、大气及其相关生物等 生态因子是生物生存所不可缺少的环境条件，也称生物的生存条件。生态因子也可认为是环境因子中对生物起作用的因子，而环境则是指生物体外部的全部环境要素。 （二）生物因子的分类 在任何一种生物的生存环境中都存在着很多生态因子，它们彼此之间相互制约，相互组合，构成了多种多样的生存环境，为各类生物的生存和进化创造了不计其数的生境类型。生态因子据其性质可归纳为： 1.非生物因子1）气候因子：如温度、湿度、光、降雨、风、气压和雷电等2）土壤因子：土壤因子包括土壤结构、土壤有机和无机成分的理化性质和土壤生物等3）地形因子：如地面的起伏、山脉的坡度和阴坡阳坡等 2.生物因子 生物种内和种间相互关系，如捕食、寄生、竞争和共生等。有时为了强调人的作用的特殊性和重要性，把人为因子从生物因子中分离出来。 （三）生态因子作用的特点1.综和性每个生态因子都是在与其他生态因子的相互影响、相互制约中起作用的、任何一个因子的变化都会在不同程度上引起其他因子的变化。2.非等价性对生物起作用的诸多因子是非等价的，其中必有12是起主要作用的主导因子。3.不可替代性和互补性生物因子虽非等价，但都不可缺少，一个因子的缺失不能由另一个因子来替代。但某一因子的数量不足有时可以靠另外一个因子的加强而得到调剂和补偿。4.限定性生物在生长发育的不同阶段往往需要不同的生态因子或生态因子的不同强度，因此某一生态因子的有益作用常常只限于生物生长发育的特定阶段。 （四）生物对生物因子的耐受限度耐受法则，就是生物对每一种生态因子都有其耐受的上限和下限，上下限之间就是生物对这种生态因子的耐受范围。耐受性法则可以形象地用一个钟形曲线来表示。对同一生态因子，不同种类的生物耐受范围是很不相同的。根据生物对生态因子耐受范围的宽窄，可将生物区分为广温性和狭温性、广湿性和狭湿性、广盐性和狭盐性、广食性和狭食性、广光性和狭光性、广栖性和狭栖性等。一般说来，如果一种生物对生态因子的耐受范围都是广的，那么这种生物在自然界的分布也一定很广，反之亦然。（一） 什么是生态系统（Ecosystem）？ 在自然界，任何生物群落都不是孤立存在的，它们总是通过能量和物质的交换与其生存的环境不可分割地相互联系相互作用着，共同形成一种统一的整体，这样的整体就是生态系统。换句话说，生态系统就是在一定地区内，生物和它们的非生物环境（物理环境）之间进行着连续的能量和物质交换所形成的一个生态学功能单位。 按照生态系统的上述定义，我们既可以从类型上去理解，例如森林、草原、荒漠、冻原、沼泽、河流、海洋、湖泊、农田和城市等；也可以从区域上理解它，例如分布有森林、灌丛、草地和溪流的一个山地地区或是包含着农田、人工林、草地、河流、池塘和村落与城镇的一片平原地区都是生态系统。整个地理壳便是由大大小小各种不同的生态系统镶嵌而成。生态系统是地理壳的基本组成单位，它的面积大小很悬殊，其中最大的生态系统就是生物圈，它实质上等于地理壳。 任何一个能够维持其机能正常运转的生态系统必须依赖外界环境提供输入（太阳辐射能和营养物质）和接受输出（热、排泄物等），其行为经常受到外部环境的影响，所以它是一个开放系统。但是生态系统并不是完全被动地接受环境的影响，在正常情况下即在一定限度内，其本身都具有反馈机能，使它能够自动调节，逐渐修复与调整因外界干扰而受到的损伤，维持正常的结构与功能，保持其相对平衡状态。因此，它又是一个控制系统或反馈系统。 生态系统概念的提出，使我们对生命自然界的认识提到了更高一级水平。它的研究为我们观察分析复杂的自然界提供了有力的手段，并且成为解决现代人类所面临的环境污染、人口增长和自然资源的利用与保护等重大问题的理论基础之一。 生态系统具有以下特征： 1.具有自我调节能力。 2.能量流动、物质循环和信息传递是生态系统的三大功能。 3.生态系统中营养级数目一般不会超过45个。 4.生态系统是一个半开放的动态系统，要经历一个从简单到复杂，从不成熟到成熟的演变过程，其早期阶段和晚期阶段具有不同特性。 （二）生态系统中的三大功能类群 生态系统是一个多成分的极其复杂的大系统。一个完全的生态系统由四类成分构成，即非生物成分和生物有机体因获取能量的方式与所起作用不同而划分的生产者、消费者和分解者三个类群。 1.非生物成分 包括太阳辐射能、H2O、CO2、O2、N2、矿物盐类以及其他元素和化合物。它们是生物赖以生存的物质和能量的源泉，并共同组成大气、水和土壤环境，成为生物活动的场所。 2.生产者 有机体包括所有的绿色植物。它们通过叶绿素吸收太阳光能进行光合作用，把从环境中摄取的无机物质合成为有机物质，并将太阳光能转化为化学能贮存在有机物质中，为地球上其他一切生物提供得以生存的食物。它们是有机物质的最初制造者，是自养的。 3.消费者 有机体消费者有机体指动物。它们不能自己生产食物，只能直接或间接利用植物所制造的现成有机物，取得营养物质和能量，维持其生存。所以是异养的消费者。根据其食性不同又分为： （1）植食动物 直接采食植物以获得能量的动物，如牛、马、羊、象、食草昆虫和啮齿类等，是第一性消费者。 （2）肉食动物 以捕捉动物为主要食物的动物叫做肉食动物。其中捕食植食动物者，是第一级肉食动物、第二性消费者。如蛙、蝙蝠、某些鸟类等。以第一级肉食动物为食物的动物，如狐、狼等，是第二级肉食动物、第三性消费者，这些动物一般体躯较大而强壮，数量较少。狮、虎、鹰等凶猛动物主要以第二级肉食动物和植食动物为生，是第三级肉食动物或第四性消费者，有时它们被称为顶部肉食动物，其数量更少。有些动物的食性并无严格限定，它们是既食动物又吃植物的杂食性动物，如某些鸟类、鲤鱼等。 4.分解者 有机体主要指细菌、真菌和一些原生动物。它们依靠分解动植物的排泄物和死亡的有机残体取得能量和营养物质，同时把复杂的有机物降解为简单的无机化合物或元素，归还到环境中，被生产者有机体再次利用，所以它们又称为还原者有机体。分解者有机体广泛分布于生态系统中，时刻不停地促使自然界的物质发生循环。 在自然界，每一个生态系统一般都具有上述四种组分。从理论上讲，任何一个自我维持的生态系统，只要有非生物物质、吸收外界能量的自养生产者和能使自养生物死亡之后进行腐烂的分解者这些基本成分就够了，消费者有机体并不是必要成分。它们的存在只不过使生态系统更为丰富多彩而已。 （三）食物链和食物网 食物链：植物所固定的能量通过一系列的取食和被取食关系在生态系统中传递，我们把生物之间存在的这种单方向营养和能量传递关系称为食物链。食物链是生态系统营养结构的具体表现形式之一。分为牧食食物链和腐食食物链。后者是动植物死亡后被细菌和真菌所分解，能量直接自生产者或死亡的动物残体流向分解者。在热带雨林和浅水生态系统中该类食物链占有重要地位。在牧食食物链中，包括有各种消费者动物，它是通过活的有机体以捕食与被捕食的关系建立的，能量沿着生产者到各级消费者的途径流动。一般说来，生态系统中能量在沿着牧食食物链传递时，从一个环节到另一个环节，能量大约要损失90。 食物网：在生态系统的生物之间存在着一种远比食物链更错综复杂的普遍联系，像一个无形的食物网把所有生物都包括在内，使它们有着直接或间接的联系，这就是食物网。（四）营养级和生态金字塔 营养级：指处于食物链某一环节上的全部生物种的总和，因此营养级之间的关系是指一类生物和处于不同营养层次上另一类生物之间的关系。绿色植物首先固定了太阳能和制造有机物质，供本身和其他消费者有机体利用，它们属第一营养级。第一性消费者植食动物是第二营养级，蚱蜢和牛都是植食动物，处于同一营养级。螳螂吃蚱蜢，猫头鹰吃田鼠，这两种捕食者动物都是第二性消费者，占据第三营养级。吃螳螂的鸟和吃猫头鹰的貂是第三性消费者，占第四营养级。还可以有第四性消费者和第五营养级。不同的生态系统往往具有不同数目的营养级，一般为35个营养级。在一个生态系统中，不同营养级的组合就是营养结构 生态金字塔：指各个营养级之间某种数量关系，这种数量关系可采用生物量单位、能量单位或个体数量单位，采用这些单位构成的生态金字塔分别称为生物量金字塔、能量金字塔和数量金字塔。 （五）生态效率 生态效率：指各种能流参数在各营养级之间和内部的比值关系。 （六）生态系统的自我调节 生态系统的一个重要特点是它常常趋向于达到一种稳态或平衡状态，这种稳态是靠自我调节过程来实现的。调节主要是通过反馈进行的。 反馈：当生态系统中某一成分发生变化时，它必然会引起其他成分的出现相应的变化，这种变化又会反过来影响最初发生变化的那种成分，使其变化减弱或增强，这种过程就叫反馈。负反馈能够使生态系统趋于平衡或稳态。 生态系统中的反馈现象十分复杂，既表现在生物组分与环境之间，也表现于生物各组分之间和结构与功能之间，等等。前者在第三节种群部分已有叙述。生物组分之间的反馈现象。在一个生态系统中，当被捕食者动物数量很多时，捕食者动物因获得充足食物而大量发展；捕食者数量增多后，被捕食者数量又减少；接着，捕食者动物由于得不到足够食物，数量自然减少。二者互为因果，彼此消长，维持着个体数量的大致平衡。这仅是以两个种群数量的相互制约关系的简单例子。说明在无外力干扰下，反馈机制和自我调节的作用，而实际情况要复杂得多。所以当生态系统受到外界干扰破坏时，只要不过分严重，一般都可通过自我调节使系统得到修复，维持其稳定与平衡。 但是，生态系统的自我调节能力是有限度的。当外界压力很大，使系统的变化超过了自我调节能力的限度即“生态阈限”时，它的自我调节能力随之下降，以至消失。此时，系统结构被破坏，功能受阻，以致整个系统受到伤害甚至崩溃，此即通常所说的生态平衡失调。（七）生态平衡 象自然界任何事物一样，生态系统也处在不断变化发展之中，实际上它是一种动态系统。大量事实证明，只要给以足够的时间和在外部环境保持相对稳定的情况下，生态系统总是按照一定规律向着组成、结构和功能更加复杂化的方向演进的。在发展的早期阶段，系统的生物种类成分少，结构简单，食物链短，对外界干扰反应敏感，抵御能力小，所以是比较脆弱而不稳定的。当生态系统逐渐演替进入到成熟时期，生物种类多，食物链较长，结构复杂，功能效率高，对外界的干扰压力有较强的抗御能力，因而稳定程度高。这是由于系统经过长期的演化，通过自然选择和生态适应，各种生物都占据有一定的生态位，彼此间关系比较协调而依赖紧密，并与非生物环境共同形成结构较为完整、功能比较完善的自然整体，外来生物种的侵入比较困难；此时，还由于复杂的食物网结构使能量和物质通过多种途径进行流动，一个环节或途径发生了损伤或中断，可以由其他方