专题十个体种群群落生态系统和生物多样性1

【知识联系框架】【重点知识联系与剖析】一、种群及其数量变动1．种群的概念及其基本特征种群是在一定空间中的同种个体的集群，作为一个种群不仅占有一定的空间，而且具有一定的结构，同一种群内的个体间具有交换基因的能力。种群虽然是有同种个体组成，但不等于个体数量的简单相加，从个体层次到种群层次是一个质的飞跃，因为种群具有个体所没有的一些“群体特征”，如种群密度、年龄组成、性别比例、出生率、死亡率、平均寿命等。生物物种的生存、发展和进化都是以种群为基本单位进行的。因此个体与种群的关系是一个部分与整体的关系。2．种群的数量变动及其影响因素种群数量的变化包括增长、波动、稳定和下降等，这里主要介绍一点有关种群的增长方面的知识。种群数量的增长有两种基本模式：指数式增长和逻辑斯谛增长。指数式增长：在食物（养料）和空间条件充裕，气候适宜、没有敌害等理想条件下，不受资源和空间的限制，种群的数量往往会连续增长。以某种动物为例，假定种群的数量为NO，年增长率为，该种群每年的增长速率都保持不变，那么一年后该种群的数量应为：N1=N0·二年后该种群的数量N2=N1·=N0·2t年后该种群的数量应为N1=N0·t图10-1如用坐标表示，横坐标表示时间，纵坐标表示种群数量，那么种群的增长就会成“J”形曲线。如图10-1所示。种群的指数式增长模式在理论上是存在的，但在自然生态系统中几乎是不可能存在的，因为资源、空间和食物不可能是无限的，即使在实验条件下也无法做到。逻辑斯谛增长：在自然条件下，环境条件是有限的，因此种群不可能按指数式增长模式增长。当种群在一个有限的环境中增长时，随着种群密度的上升，个体间对有限空间、食物和其他生活条件的种内斗争必将加剧，以该种群为食的捕食者的数量也会增加，这就会使这个种群的出生率降低，死亡率增高，从而使种群数量的增长率下降。当种群数量达到环境条件所允许的最大容纳量时，种群数量将停止增长。有时会在最大容纳量上下保持相对稳定。据此生态学家逻辑斯谛建立了种群在有限环境条件的种群数量增长的数学模，称为逻辑斯谛方程。它是一个微分方程，dtdN=rN(KNK)。式中dN/dt是在某一时间、某一种群数量条件下的瞬时增长率；r是内禀增长率，即该种群的最大增长潜力；K为环境的容纳量；N为某一时间的种群数量。按此方程绘制的曲线如图10-2所示。曲线成“S”形。在N=1/2K时，“S”形曲线有一个拐点A。在对野生动植物资源的合理开发和利用方面，一般将种群的数量控制在环境容纳量的一半，即1/2K值时，此时种群增长速度最快，可提供的资源数量也最多，而又不影响资源的再生。当种群数量大于1/2K时，种群增长的速度将开始下降。所以在开发动植物资源时，种群数量大于1/2K时就可以猎取一定数量的该生物资源，而且获得的量最大，当过度猎取导致种群数量小于1/2K时，种群的增长速度将减慢，获取的资源数量将减少，而且还会影响资源的再生。种群数量的增长速度是由出生率、死亡率、迁入和迁出决定的，所以凡是影响到出生率、死亡率、迁入和迁出的因素都可影响种群数量的变化，如气候、食物、被捕食，传染病等。3．微生物群体的生长规律（以细菌为例）根据微生物的生长速率不同，可以将生长曲线粗分为4个时期：调整期、对数期、稳定期、衰亡期。(1)调整期①形成原因：刚刚接种到培养液中的细菌，由于新旧环境差异，在细菌的细胞内就要重新合成相应的诱导酶，以适应新环境。诱导酶合成的调节是一种缓慢的粗调节，必须消耗一定的时间，因此出现短暂调整期。②细胞特点：细胞不分裂，体积增大。除合成诱导酶外还大量合成细胞分裂所需的其他各种酶和ATP等成份。(2)对数期①形成原因：一方面，调整期为细胞分裂做了充分准备。另一方面，营养物质丰富，空间宽裕，PH、温度、O2均适宜，即细胞处于无任何环境阻力的理想条件下；细菌个体间无种内竞争，种群年龄组成为增长型，绝大多数细菌细胞内合成代谢远远大于分解代谢。因此出生率远远大于死亡率，导致细菌种群密度上升。此阶段生长曲线表现为种群数量呈对数上升(N=N0·t,其中Nt为t时刻细菌总数。N0为初始细菌数，为实际增长率，t为每个初始细菌增殖到t时刻的个体数)，即“J型生长曲线”。②细胞特点：细胞代谢旺盛，生长繁殖速率快，由于无种内竞争现象，所以细菌个体的形态和生理特性稳定，常作为生产用的菌种和科研材料。(3)稳定期①形成原因：随着种群密度增大，培养环境发生变化：营养物的耗尽、营养物的比例失调、有害代谢产物的积累、pH变化，进而使细菌种群进入稳定期，在稳定期，环境阻力明显加大。种群内竞争加剧。此时，年龄组成为稳定型，合成代谢=分解代谢，出生率=死亡率，活菌数目达到最高。此时种群密度是环境所能负担的最高(K值)，即环境的量。此阶段生长曲线已不符合“J”型增长，变得较为平缓，整个生长曲线呈“S”型。②细胞特点：活菌数目达到最高峰，细胞内大量积累代谢产物，特别是次级代谢产物，某些细菌的芽孢也是这个时期形成的，是发酵产物的最佳收获期。(4)衰亡期①形成原因：营养物质过度消耗，有害代谢产物大量积累、pH剧烈变化，外界环境对继续生长越来越不利，阻力进一步加大，种内竞争剧烈。分解代谢远远大于合成代谢，继而导致菌体死亡、出生率远远小于死亡率、呈负生长、种群密度显著下降。此阶段生长曲线迅速下降。②细胞特点：剧烈的种内竞争使得细胞出现多种形态，甚至畸形。有些细胞的水解酶活力增强，导致细胞自溶，并释放出次级代谢产物如抗生素及芽孢。4．影响微生物生长的环境因素微生物的生长除受密度因素制约外，其变动往往也与一些非密度因素有关，例如温度、O、pH等。(1)温度：由于微生物的生命活动是由一系列生物化学反应组成的，而这些反应受温度的影响极为明显，因此，温度是影响微生物生长最重要的因素之一。最适生长温度有时也简称为“最适温度”，其意义是某菌分裂代谢时最短或生长速率最高时的培养温度。但是，对同一微生物来说，其不同的生理生化过程有着不同的最适温度，也就是说，最适生长温度，不等于生长量最高时的培养温度，也不等于发酵速度最高时的培养温度或累积代谢产物量最高时的培养温度，更不等于累积某一代谢产物量最高时的培养温度。(2)氧气：环境中氧含量的状况，对不同代谢类型的微生物群体的生长，具有不同的影响。因此细菌种群培养时应选择恰当的溶氧度。按照微生物与氧的关系。可分为：必须在有分子氧的条件下才能生长二、群落及群落的结构特征生物群落是指具有直接或间接关系的多种生物种群的有规律的组合，具有复杂的种间关系。组成群落的各种生物种群不是任意地拼凑在一起的，而有规律组合在一起才能形成一个稳定的群落。如在农田生态系统中的各种生物种群是根据人们的需要组合在一起的，而不是由于他们的复杂的营养关系组合在一起，所以农田生态系统极不稳定，离开了人的因素就很容易被草年生态系统所替代。生物群落有一定的生态环境，在不同的生态环境中有不同的生物群落。生态环境越优越，组成群落的物种种类数量就越多，反之则越少。任何群落都有一定的空间结构。构成群落的每个生物种群都需要一个较为特定的生态条件；在不同的结构层次上，有不同的生态条件，如光照强度、温度、湿度、食物和种类等。所以群落中的每个种群都选择生活在群落中的具有适宜生态条件的结构层次上，就构成了群落的空间结构。群落的结构有水平结构和垂直结构之分。群落的结构越复杂，对生态系统中的资源的利用就越充分，如森林生态系统对光能的利用率就比农田生态系统和草原生态系统高得多。群落的结构越复杂，群落内部的生态位就越多，群落内部各种生物之间的竞争就相对不那么激烈，群落的结构也就相对稳定一些。三、生态系统1．生态系统的概念及其类型关于生态系统的概念有两种理解。一是指生物群落与无机环境相互作用的自然系统，是无机环境与生物群落的有机结合，与生态系统的成分联系起来，生物群落包括生产者、消费者和分解者，无机环境是指非生物物质和能量；另一种理解是指在一定的空间和时间内，在各种生物之间以及生物与无机环境之间通过能量流动和物质循环而相互作用的自然系统，这是从生态系统的功能方面来理解生态系统的概念，即生态系统中的各成分之间通过物质循环和能量流动而联系在一起的一个有机整体。关于生态系统的类型，重点掌握各种类型生态系统的基本特征和分布地域。如森林生态系统是分布在水资源充沛的地区，特征是动植物种类繁多，群落的结构复杂，种群的密度和群落的结构能够长期处于较稳定的状态；草原生态系统是分布在水资源贫乏的地区，特征是动植物种类少，群落结构简单，系统不稳定；农田生态系统是人工建立的生态系统，农作物是其主要成分，其他的动植物种类较少，特点是必须要有人的参与才能维持其稳定。2．生态系统的结构生态系统的结构包括生态系统的成分和生态系统的营养结构。①生态系统的成分由两部分组成；非生物成分和生物成分。非生物成分是指阳光、空气、水分和矿物质等的非生物物质和能量。生物部分包括生产者、消费者和分解者。生产者以绿色植物为主，是生态系统的主要成分，属于自养型生物，在营养结构中总是处于第一营养级。消费者主要是指各种动物，它们的生存直接或间接依赖于绿色植物通过光合作用制造的有机物，消费者属于异养型生物。分解者主要是指细菌、真菌等营腐生生活的微生物，也包括一些营腐生生活的动物，如蚯蚓等。分解者能将动植物的尸体、排泄物和残落物中的复杂有机物分解成为简单的无机物。分解者在生态系统中是一种不可缺少的成分，如果缺少分解者，物质循环将会中断。②生态系统的营养结构是指食物链和食物网，食物链是指生态系统中各种生物之间由于食物关系而形成的一种联系，由于生态系统中动物的食物来源大都不是单一的，而是多种多样的，所以在生态系统中许多食物链常交错成网状，形成复杂的营养关系。3．生态系统的功能生态系统的功能主要是进行能量流动和物质循环①生态系统的能量流动。生态系统中的能量归根到底来自太阳能，生态系统中绿色植物通过光合作用所固定的太阳能便是流经这个生态系统的总能量。每个营养级所具有的能量一般流向3个方面：一部分是被该营养级的生物本身的生命活动所消耗的；一部分尸体、排泄物和残落被分解者分解后以热能的形式释放出来；还有一部分被下一个营养级的生物所同化而流人下一个营养级。能量流动的特点是单向的、不循环的，而且是逐级递减的。能量在沿食物链流动时传递的平均效率为10％～20％。②生态系统的物质循环。物质循环是指组成生物体的C、H、O、N等基本元素在生态系统内的生物群落和无机环境之间所形成的反复的循环运动。地球上最大的生态系统是生物圈，所以物质循环带有全球性，称为生物地球化学循环。重点掌握碳循环过程，如图10-3所示。图10-3③物质循环和能量流动的关系。生态系统的能量流动是随着物质循环而进行的，二者互为因果、相辅相成，具有不可分割的联系。生态系统的各成分中，通过能量流动和物质循环而紧密地联系在一起，形成一个统一的整体。4．生物多样性地球上所有的植物、动物和微生物，它们所拥有的全部基因以及各种各样的生态系统，共同构成了生物多样性。生物多样性包括遗传多样性。物种多样性和生态系统多样性。遗传多样性是指种内基因的变化，包括分子、细胞和个体三个水平的遗传变异度，它是生命进化和物种分化的基础。物种多样性是指某特定地理区域内动物、植物及微生物种类的丰富性，它是人类生存和发展的基础。物种资源是农、林、牧、副、渔各类经营的主要对象，它为人类提供了必要的生活物质。生态系统多样性是指生物及其生存环境所构成的综合体。生态系统的类型极其多样，但是所有生态系统都保持着各自的生态过程。生态过程主要是指生态系统的组成、结构与功能在时间上的变化和生态系统的生物组分之间及其环境之间的相互作用或相互关系。不论是对一个小的生态系统而言或是从全球范围来看，这些生态过程对于所有生物的生存、进化和持续发展都是至关重要的。保护生物多样性就是在基因、物种和生态系统三个层次上采取保护战略和保护措施。5．生态平衡生态系统发展到一定的阶段，它的生产者、消费和分解者之间能够较长时间地保持着一种动态的平衡，也就是它的能量流动和物质循环能够较长时间地保持着一种动态的平衡。①生态平