环境和营养的关系.docxVIP

第七章 能量和营养关系 动植物获取能量的事例在自然界中随处可见。珊瑚礁的边缘附近，有一种半埋在沙子中的蝎鱼，它扇动着的鳃盖是唯一能够表明其存在的线索。蝎鱼的头部看起来很像一个生长有藻类的石头，以至于有些微小的海虾聚集到它周围，并在附近的水流中悠闲地游动。这时珊瑚礁附近的一条小鱼发现了这些海虾，然后飞奔过去捕食它们。与此同时，隐藏在沙子中的一条蝎鱼张开嘴，以闪电般的速度把这条小鱼吞下肚。然而，在这条蝎鱼重新埋藏在沙土中之前，一条大约2米长的鳗鱼，从珊瑚礁处冲向蝎鱼，用刮胡刀般锋利的牙齿抓住它，并吞咽下去（图7.1）。 有一种具有宽大的叶子和纤细的茎的草本植物，生长在光线较弱的雨林的底层。我们很难理解它们如何能够在如此暗淡的光线下生存。然而，正如你所看到的，一小束强烈的太阳光穿透雨林天蓬似的树荫中的一个不易发现的空隙，然后照射到该植物的叶片上。随后，这个植物的光合作用系统借用此时的有利条件，并且几分钟后就能利用叶片光斑中所蕴含的太阳能进行光合作用。这些草本植物的附近，生长有一种枝干强壮的树木，它们长的足够高大，能够从天蓬似的树荫中显露出来，并且被认为是雨林中的巨型植物，貌似比雨林中其他种类的底层草本植物有一种更牢固的地位。然而，一种生长于其附近的小型藤本植物，它向着阳光在树干上盘绕，并利用树干的支撑作用，快速向上生长。很快，这株藤本植物将会覆盖并杀死这棵树，重终使该树成为支撑其攀缘的棚。 不论是在珊瑚礁、雨林、还是一块遗弃的城市空地上，生物都忙于积极地搜寻能量和营养。对于大多数生物，生命可归结为利用能量和营养繁衍子孙后代。营养是一个生物为了生存必须从环境中获得的原料，但不同生物利用的能量具有不同的形式，如光，有机分子或无机分子。 我们如何给生物分类呢？我们通常以它们共有的进化历史为基础来分类，产生了诸如哺乳动物、昆虫、针叶树和蓝科植物等类群。然而，我们也可以根据它们的营养（取食）生物学来分类生物。使用无机碳源和能量的生物称为自养生物。光合自养生物以二氧化碳（CO2）为碳源，光为能源，来合成分子中含有碳的有机化合物，如糖类、氨基酸和脂肪。华能合成自养生物则以CO2作为碳源，无机化学物如硫化氢（H2S）作为能源来合成有机分子。异养生物是一种以有机分子作为碳源和能源的有机体。 原核生物比其他生物种类展现出更丰富的营养多样化。原核生物，它们的细胞中没有由细胞膜包围的细胞核以及细胞器，包括细菌和古生菌。古生菌是一类以结构、生理以及其他的生物学特征为基础，区别于细菌的原核生物。尽管首次在与极端环境有关的地方中被发现，古生菌现在已经广泛地闻名于整个生物圈。尤其是在海洋中，原生生物既有自养的种类，也有异养的种类。多数植物是自养的，所有的真菌和动物是异养的。相比之下，原核生物包括光合自养生物、化能自养生物以及异养生物，作为一种类群，它们是营养最多样化的生物。 一些生态学上原核生物营养多样化的重大来自于对海生原核生物的研究。例如，来自蒙特雷湾水族馆研究所和德克萨斯大学医学院的Oded Beja 和Edward Delong以及他们的研究小组发现了有光包括视紫质产生的能量广泛地分布在海洋中（Beja et al.2000,Beja et al.2001）。视紫质是一种在动物的眼睛、细菌和古生菌中发现的能够吸收色素的光。存在细菌和古生菌中的视紫质具有多种功能，包括参与ATP合成的质子泵，即产生一种高能分子。细菌视紫质的光敏感适应光质的基本变动是一个特别令人感兴趣的发现。例如，来自于清澈深海中的细菌视紫质主要强烈吸收可见光谱上蓝光范围的光，而来自临海浅水处的细菌视紫质主要强烈吸收绿光范围的光。像这样和那样的众多发现迅猛地在我们理解生物圈是如何运行方面引起突破性变革。 概念 7.1 光合自养生物以CO2为碳源，光为能源来合成有机分子。 7.2 化能合成自养生物使用CO2作为碳源，无机分子作为能源合成有机分子。 7.3 异养生物利用有机分子作为碳源和能源。 7.4 生物的能量摄入速率受限。 7.5 最佳食物理论最为一个最优进食模式来模拟生物进食行为。 7.1 光合自养生物 光合自养生物以CO2作为碳源，光作为能源来合成有机分子。因为能进行光合作用的生物利用光作为能源，我们首先需要了解光。这是我们接下来要研究的主题。 生物圈的太阳能 正如我们在第二章和第三章了解到的，太阳能形成风和海洋气流，并且每年一度的光强度变化推动了四季的交替。在第五章，我们也讨论过生物是如何使用太阳光调节体温。根据些讨论，我们将在这里探讨以光作为能源的光合作用。 光以波的形式在空间传播，具有波的所有属性，例如频率和波长。然而，当光和其他物质相互作用时，它不再是波，可被视为一种微粒。光的微粒，可称为带有能量的光量子。较长的光波，例如红外光，比短光波如可见光和紫外光携带的能量少。