科学名词及解释—第二讲 生命支持系统(1)

2.1 生命支持系统

生命支持系统（Life support system）：

地球生态系统，以有机界为一方，包括植物、动物、微生物及人类社会，以无生命的自然界（物理环境）为一方，包括太阳能、地热能、大气、水、土壤、岩石，以及由它们的相互作用而形成的生成物、中间产物、组合环境和条件；二者互相作用、互相影响，共同构成了生命支持系统的基本骨架。其研究内容主要包括：①无机界的要素组合匹配与要素组合条件能够提供给生命界生存与发展的能力，主要强调无机界的贡献大小；②生命界在其生存发展过程中，对无机界的影响和调节，主要强调生命界的改造作用；③二者相互作用的综合特征描述，主要强调耦合。

环境（Environment）：

某一特定生物体或生物群体以外的空间，是直接或间接影响生物体或生物群体生存的一切事物的总和。

大气圈（Atmosphere）：

又叫大气层，是因重力关系而围绕着地球的一层混合气体，是地球最外部的气体圈层。大气层的成分主要有氮气，占78．1%；氧气占20．9%；氩气占0．93%；还有少量的二氧化碳、稀有气体（氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气）和水蒸气。大气层的空气密度随高度而减小，越高空气越稀薄。大气层的厚度大约在1000千米以上，但没有明显的界限。整个大气层随高度不同表现出不同的特点，分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层，再上面是星际空间。

对流层在大气层的最低层，紧靠地球表面，其厚度大约为10至20千米。对流层的大气受地球影响较大，云、雾、雨等现象都发生在这一层内，水蒸气也几乎都在这一层内存在,还存在大部分的固体杂质。这一层的气温随高度的增加而降低，大约每升高1000米，温度下降5～6℃；动、植物的生存，人类的绝大部分活动，也在这一层内，因为这一层的空气对流很明显，故称对流层。对流层以上是平流层，大约距地球表面20至50千米。平流层的空气比较稳定，大气是平稳流动的，故称为平流层。在平流层内水蒸气和尘埃很少，并且在30千米以下是同温层，其温度在－55℃左右，温度基本不变，在30千米至50千米内温度随高度增加而略微升高。平流层以上是中间层，大约距地球表面50至85千米，这里的空气已经很稀薄，突出的特征是气温随高度增加而迅速降低，空气的垂直对流强烈。中间层以上是暖层，大约距地球表面100至800千米层最突出的特征是当太阳光照射时，太阳光中的紫外线被该层中的氧原子大量吸收，因此温度升高，故称暖层。散逸层在暖层之上，为带电粒子所组成。

水圈（Hydrosphere）：

是地球表面和接近地球表面的各种形态的水的总称，是地球外圈中作用最为活跃的一个圈层，也是一个连续不规则的圈层。地球上的水以气态、液态和固态三种形式存在于空中、地表和地下，这些水不停地运动着和相互联系着，以水循环的方式共同构成水圈。按照水体

存在的方式可以将水圈划分为：海洋、河流、地下水、冰川、湖泊等五种主要类型。水圈的上限可视为对流层顶，下限为深层地下水所及的深度。

岩石圈（Lithosphere）：

是地球上部相对于软流圈而言的坚硬的岩石圈层。厚约60~120公里，为地震高波速带。包括地壳的全部和上地幔的顶部，由花岗质岩、玄武质岩和超基性岩组成。其下为地震波低速带、部分熔融层和厚度100公里的软流圈。

生物圈（Biosphere）：

或者叫生态圈，是地球上生活的(生物的)有机体存在和与其他有机体以及非生命(非生物的)环境相互作用的部分。生物圈包括大部分水圈和部分低层大气圈和上岩石圈，向下达最深的大洋底部，大约海平面20公里以下，向上达最高的山峰。如果地球是一个苹果，地球的生态圈不会比苹果皮厚。生态学的目标就是理解空气、水、土壤和有机体在地球上薄的、支持生命的皮肤中的相互关系。

太阳（Sun）：

太阳只是宇宙中一颗十分普通的恒星，但太阳是太阳系中唯一的，会发光的恒星，是太阳系的中心天体，太阳系质量的99.86%都集中在太阳。太阳系中，包含我们的地球在内的八大行星、一些矮行星、彗星和其它无数的太阳系小天体，都在太阳的强大引力作用下环绕太阳运行。太阳因为高温的缘故，所有的物质都是气体和等离子体，阳光是太阳上的核反应发出的黑体辐射光，经很长的距离射向地球，再经大气层过滤后到地面，阳光是地球能量的主要来源。

太阳是一个由（H2，占72%）和氦（He2，占28%）组成的高温高压巨大的火球，它不停地以电磁波的形式从各个方向向宇宙空间释放能量。在无垠的宇宙空间里，地球的球面十分小，它所获得的能量只有太阳辐射出的一亿分之一。相当一部分这些能量或者被反射或大气中的化学物质吸收。大部分到达对流层的能量是可见光、红外辐射和少量没有被平流层中的臭氧吸收的紫外线。大学34%的到达对流层的太阳能被云、化学物质、尘埃、陆地和水体反射回太空。66%的其他大部分太阳能温暖对流层和地面，蒸发水分和使其通过生态圈循环，形成风等。只有非常一小部分（大约0.023%）被绿色植物和细菌捕获，为光合作用合成大部分生命形态维持生命需要的有机化合物提供燃料。大部分没有被反射的太阳辐射在于地球的相互作用过程中被降级成为红外辐射（也就是我们感受到的热）。这些热量以多快的速度流经大气并返回太空中，收到平流层的热量捕获气体（温室气体），如水蒸气、二氧化碳、甲烷、氮氧化合物和臭氧的影响。没有大气这床热毯，即众所周知的自然温室效应，地球将和火星一样寒冷，生命是无法存在的。

地球上的生命依赖三个相互联系的因素：

高质量(有用的)能量的单向流动：来自于太阳，首先通过物质和活的生物在他们的相互取食，然后以低质量的能量形态进入环境(大部分热在低温时传播给空气或水分子)，最终以红外辐射的方式完全返回太空中。

物质或者养分的循环：养分循环与生命：有机体生存、发育或繁殖所需要的所有原子、离子或者分子叫做养分。一些元素，如C、O、H、N、P、S、K、Ca、Mg和Fe需要的数量非常大，但另外一些元素，如Na、Zn、Cu、Cl和I等则只需要少量甚至衡量。每一个化学循环都可以看成是物质和太阳能（用来驱动这个循环）的输入和他们的流和通量通过部分生物圈所构成的系统。在每一个化学循环，被降级的能量流以热量的方式输入大气，最终返回太空，同时输出的物质回到系统中不断重复该循环。

重力：大部分是由地球和太阳之间的吸引形成的，地球引力讯息地球留住大气层，并在物质循环中使化学物质的向下运动。

三种基本类型的生物地球化学循环：

大气循环：大部分人类熟知的元素以气体状态存在于大气中。

沉积循环：一种元素没有气态，或者其气态化合物不是构成其补充的重要部分。元素循环十分慢，主要是在局地、区域，或者从陆地向海洋沉积物迁移，然后通过数百万年到数亿年的长周期的地壳的地质抬升重回陆地。

水循环：水以固态冰、液态水和水蒸气通过生态圈循环。

能量(Energy)：

度量物质运动的一种物理量。相应于不同形式的运动，能量分为机械能、分子内能、电能、化学能、原子能等。亦简称能。

熵(Entropy)：

熵是对系统的随机性和无序的度量。一个物质的样品无序程度越高，其熵就高；越有序，则熵越低。

封闭系统：

能量――不包括物质――在系统和其环境之间交换。地球是一个封闭系统，它从太阳吸收能量，但基本上没有物质进入太空，同时从太空中获得的物质（大部分是宇宙尘埃，偶尔会有流星重进地球）也几乎可以忽略。

开放系统：

开放系统中，如活的有机体，物质和能量都在系统和环境之间交换。人体就是一个开放系统：将物质（空气、食物和水）和能量摄入体内，转换和使用这些输入来维持生命和健康。与此同时，将废物（尿、粪便、死的皮肤细胞、呼出的空气、蒸发的汗水）和低质量的热量输送到环境中。