六、代谢系统
新陈代谢（简称代谢）是生物进行物质交换（有炁粒交换、炁流交换和炁体交换三个方面。炁粒交换和炁流交换在西学里叫做物质交换和能量交换）的过程，是生物生存的基本条件。生物通过新陈代谢不断进行自我更新，维持生命活动。有体内的新陈代谢和与环境外的新陈代谢。生物的代谢实际上就是细胞的新陈代谢。循环、消化、呼吸和排泄四个系统与新陈代谢有直接关系。植物和动物的代谢方式有所不同。
新陈代谢的基本类型。新陈代谢的方式有同化作用（合成代谢）和异化作用（分解代谢）两种，前者起到把环境物质（包括炁粒、炁流和炁体）变成生物体物质，后者把生物体物质变成环境物质。异化释放能量，同化需要能量。同化作用强则利于长身体，异化作用强则损耗身体。同化作用有自养型和异养型，异化作用有需氧型和厌氧型。自养型是生物能够直接从外界吸收无机物变成有机物，吸收外界能量变成生物能的代谢类型。例如植物进行光合作用制造有机物和转化太阳能，例如硝化细胞把氨变成硝酸和亚硝酸，最后变成蛋白质；异养型是不能把外界无机物变成有机物，需要吸收外界有机物转变成自身有机物的代谢。例如动物、营腐生和寄生菌类；需氧型是一种有氧呼吸，吸收氧气产生二氧化碳和能量。绝大多数生物都是这种类型；厌氧型是一种无氧呼吸型，依靠酶进行分解生产能量。例如寄生虫、乳酸菌、酵母菌。微生物的厌氧呼吸叫做发酵，广泛应用于酿造工业，生产乳酸、酒精、酱油等。
（一）、绿色植物的新陈代谢
绿色植物以无机物为食，在生活过程中不断进行着水分代谢、矿物质代谢、有机物代谢、能量代谢。光合作用和呼吸作用是有机物代谢及能量代谢的基本方式。植物通过代谢实现无机物和有机物的炁粒变换，同时实现生物能和环境能量（光能、热能、波能、场能、射线能等）的炁流变换。
1、水分代谢。
一般植物的含水量约为60~80%，甚至90%以上。一株玉米一天需要消耗水2kg左右，一生需要200kg水。禾草类植物每生产500克干物质约需要水150~200kg。这些水都需要进行水分代谢才能够得到。
绿色植物的吸水器官主要是根，最主要的部位是根毛区的细胞。
细胞通过吸胀作用（由于有大量的亲水物质存在：纤维素、淀粉和蛋白质）和渗透作用（由于半透膜的选择性扩散，小分子能够通过，大分子不能够通过）吸收水分。细胞膜和液泡膜都是选择透过性膜。植物细胞有细胞壁存在，细胞壁是硬性物质，伸缩性比较小。当细胞吸水或者失水时，细胞壁会发生质壁分离和复原的情况。细胞吸水能力=渗透压—膨胀压—外界溶液的渗透压。根部吸收的水通过导管运送到植物各个部分。
植物的水分主要通过叶子的气孔蒸腾到空气里，占99%左右，只有1%的水留在植物内参与光合作用和其他代谢过程。植物失水是有利的，它导致植物内的导管产生负压，是使植物继续吸水和输送水的主要动力，同时促进无机物的运送，还有散热作用，防止日晒引起的高温烧伤。
图6.38水的新陈代谢
2、矿质代谢。
植物生活必需的化学元素有16种以上：C、H、O、N、S、P、K、Ca、Mg，Fe、Mn、B、Zn、Cu、Mo、Cl等。前面9种是大量元素，后面7种是微量元素。矿质元素是除了C、H、O以外的其它元素，都是以离子态被根系吸收的。这些离子溶解在水里，根系吸收土壤里的水的时候就把矿质吸收进来了，并且随着水分输送到植物的各个部分。根细胞进行呼吸时，会产生CO2，并且离解成H+和HCO3-。这些离子和土壤里的离子进行交换，叫做交换吸附。通过扩散作用，远处的离子向根部移动过来。根部的离子进入根内是一种主动运输过程，是需要消耗细胞的能量的。根对离子的吸收是有选择性的，这个同根细胞的载体的种类和数量有关。这种吸收对元素有富集作用，例如海带富集碘，番茄富集钙，水稻富集硅。根的选择性吸收还会使土壤的酸碱性发生变化，因此分为生理酸性盐、生理碱性盐和生理中性盐。生理酸性盐不宜施在酸性土壤里，生理碱性盐不宜施在碱性土壤里，长期使用会对植物产生不利影响。
3、光合作用。
绿色植物通过光合作用把二氧化碳、水和光能炁流变成葡萄糖、氧气和三磷酸腺苷（ATP，一种高能有机物，是贮存能量的主要炁粒），需要有叶绿体的参与。光合作用是在叶绿体中进行的，叶绿体是进行光合作用的细胞器。植物通过光合作用把无机物变成有机物，是动物的食物来源；利用光能生产化学能（最后变成生物能）。在酶的作用下，ATP分解形成ADP（二磷酸腺苷）、磷酸和能量，这些能量最后贮藏在葡萄糖里。全球的植物一年可以生产大约五千亿吨的有机物，所以绿色植物是绿色工厂，是自动空气净化器。全世界的氧气消耗量是每秒钟1万吨，二氧化碳生产量是每年50亿吨以上，还有其它废气和粉尘。光合作用消耗二氧化碳生产氧气，使二者维持相对稳定，更是动物生存的必要条件。就这样动物消耗氧气生产二氧化碳，植物消耗二氧化碳生产氧气，维持生物界的稳定发展。生物所需要的能量几乎都是来源于太阳能（主要是太阳光和热），植物把阳光变成了植物能，生物再利用植物生产能量（释放能量）。从物质转换的过程看，光合作用是生物界最基本的物质代谢，是生物界赖以生存的根本条件。
4、呼吸作用。
这是光合作用的反过程。光合作用是合成过程，它把无机物和阳光变成有机物和生物能；呼吸作用是分解过程，它把有机物变成无机物和能量。呼吸作用是生物的重要的生命活动，能够为植物提供能量，作为细胞分裂、植物生长、矿质吸收、炁粒合成等需要的能量。分为有氧呼吸和无氧呼吸：有氧呼吸是在氧气作用下把糖类等有机物（主要是葡萄糖）彻底分解变成二氧化碳、水、ATP和大量的能量，主要在线粒体进行，是高等植物进行呼吸作用的主要形式，ATP贮存了近一半的能量，其余能量以热能的方式散失了；无氧呼吸是在无氧条件下把糖类等有机物进行不彻底氧化变成其它的小分子有机物（酒精、乳酸）和少量的能量，对于微生物叫做发酵。
（二）、动物的新陈代谢
1、动物细胞的新陈代谢。
动物没有叶绿素，不能够进行光合作用把无机物变成有机物和能量，必须以植物为食物才能维持生活。因此有特殊的代谢方式。动物的代谢主要就是有机物的代谢。
单细胞原生动物生活在水里，可以直接与环境进行物质交换（炁粒交换和炁流交换），通过细胞的孔道吸收水中的氧和营养物质（有机物），把二氧化碳和废物排泄出去。
多细胞动物由许多个细胞组成，例如人有许多亿个细胞，绝大部分是被皮肤包裹在里面的，不能够与环境进行直接的物质和能量（炁粒和炁流）交流，必须经过呼吸系统和循环系统才能够进行气体交换。气体是新陈代谢中必须的物质。
细胞生活在体液里，从体液中汲取炁粒（营养物质、氧气）、炁流（能量物质）、炁子（内能物质）和炁体（能源物质），同时把所产生的废物（例如二氧化碳等废炁粒，体热等废炁流）排除出去，让体液带到各个器官，最后排出体外。
2、人的新陈代谢。
人体有大量的体液，占体重的65%，存在于细胞内的叫做细胞内液（简称细胞液），存在于细胞外的叫做细胞外液。细胞外液有组织液、血浆和淋巴等，构成了人体的内环境，细胞就生活在这些液体里。细胞与内环境进行物质（炁粒和炁流）交换，内环境与外环境进行物质交换，实现新陈代谢活动。消化系统和呼吸系统吸收的物质有炁粒（食物和气体）、炁体、炁流，经过组织液，再经过血液和淋巴进入细胞。
新陈代谢有物质代谢和能量代谢（物质转换和能量转换。正确地应该叫做炁粒代谢和炁流代谢，都是物质代谢）两种情况。新陈代谢的每一个步骤都需要酶的作用，酶维持和促进了新陈代谢的进行。酶不足或者缺乏时就会发生代谢紊乱而出现病症。两种代谢是同时进行的。
炁粒代谢有蛋白质、糖类、脂肪、水、无机盐等的代谢。人一生需要消耗水50吨、糖类10吨、脂类1吨、蛋白质1.6吨。食物蛋白质经过消化酶的作用被消化变成氨基酸，氨基酸被细胞利用来合成人体蛋白质。人体蛋白质被分解酶分解变成尿素排出体外，能量为人体利用。蛋白质是保证脑细胞功能的重要物质，全身的蛋白质约80天更换一次，脑细胞中的蛋白质3个小时更新一次，大脑对蛋白质的需要是很大的。因为蛋白质在体内不能够贮存，体内转化也不能够满足需要，因此要食一定量的蛋白质。食物淀粉经过消化酶作用变成葡萄糖。葡萄糖或者被吸收形成血糖，血糖可以转变成脂肪贮存起来、合成糖元（肝脏和肌肉是合成糖元的主要器官），或者被分解成为能量（生物能）、二氧化碳和水，或者被转变成脂肪。肝脏的糖元用于补偿血糖的消耗，肌肉的糖元用于为肌肉提供能量。人体脂肪主要直接来自食物脂肪，也有由血糖转变而成的。成年人的脂肪约占体重的10~30%，女子比男子多一些。食物脂肪经过消化酶变成甘油和脂肪酸，经过酶作用变成脂肪、能量、二氧化碳和水。水和无机盐吸入血液，被细胞吸收利用，经过肾和皮肤排出体外。饮食要尽量杂，不要偏食，使营养均衡。气体交换也是一种物质交换，单细胞生物用皮肤呼吸进行交换气体，多细胞生物通过呼吸系统和循环系统进行气体交换。空气里的气体（主要是氧气）通过呼吸道进入肺部，进入血液，进入体内循环，进入细胞，被细胞利用，转变成为另外一种气体（主要是二氧化碳）；之后气体从细胞呼出，进入血液，进入循环，进入肺部，通过呼吸道出去。肺部的气体交换叫做外呼吸，细胞的气体交换叫做内呼吸。
炁流代谢就是人体的吸能和释能过程，总是伴随着物质代谢过程而产生的。炁流代谢产生热或者吸收热，使体温升高或者降低。人体所需要的能量来自食物。食物在人体内释放的热量，蛋白质和糖类都是4.1千卡/克，脂肪为9.3千卡/克。人体需要的能量有70%是由糖类供给的。人体的基础代谢（静卧、清醒、空腹、环境温度为20℃时的代谢）对于中等身材的成年男子约为1400千卡，出现异常就说明身体有病了。进行能量传送的物质叫做高能化合物，主要是ATP（三磷酸腺苷）。ADP吸收食物释放出来的能量转变成ATP，ATP水解变成ADP释放能量。人体释放的能量用于生命活动，例如肌肉收缩、神经传导、生物电、合成代谢、吸收分泌等。正常情况下进行的是有氧呼吸，当组织缺氧时，则进行无氧呼吸。无氧呼吸只是有机物的降解，没有完全氧化，所释放的能量比较少。
体温。人的正常体温是37℃左右。各种酶的适宜温度是30~40℃之间，体温低则代谢能力减弱，体温过高（42℃以上）则代谢能力停止。正常体温是进行正常生命活动的重要条件。体温由产热量决定。通过神经系统等的调节作用，使产热和散热维持相对平衡。人体产热的是内脏和肌肉。安静时主要由内脏提供，剧烈运动使肌肉生产大量的热，可以达到总热量的90%以上，比安静时高出10~15倍。散热主要是通过皮肤。皮肤的血管收缩、不出汗就保温，否则就散热降温。气温达到35℃以上时，流汗是散热的主要途径。人体调节温度是有一定限度的。热量散发不出体温太高就会中暑、发高烧，热量缺少体温就会降低。发烧不是只有坏处，也有好处，就是能动员免疫系统来抵抗感染物，抑制感染物的生长。发烧会消耗大量能量，体温上升1℃新陈代谢就会增加10%。
（三）、生物与环境
新陈代谢需要生物同环境发生关系，生物的生存也需要同环境发生关系。生物同环境的关系有生物对环境的作用和环境对生物的作用。这些作用形成了生态系统、生物链系统、食物链系统等。因此生物和环境之间需要一个平衡关系，这种关系叫做生态平衡。用易学的眼光看，地球也是一个生物，自然保护就是保护地球。煤是植物被埋经过百千万年的物理化学和生物作用形成的，琥珀是树脂变成的。20米厚的植物遗体才能够形成1米厚的煤。一种植物需要几十亿年才能够形成。植物有向性：向光、向地、向水、向肥。是植物进化过程中的适应现象。
人类的食物来自生物，有植物的粮食、蔬菜、水果，有动物的肉、蛋、乳。我们的衣服主要也来自生物，有植物的棉麻丝，有动物的皮毛。生物尸体经过微生物分解成为无机物，成为植物的食物，植物利用无机物合成有机物，成为动物的食物。植物、动物和微生物之间存在密切的关系，保证了空气中氧气、二氧化碳、水和无机盐等炁粒物质的循环，生物起到净化和稳定环境的作用。生物体型体色和环境相似，是生物进化，自然选择的结果。空气中氧气约占21%，二氧化碳约占0.03%。大气层的氧气总量约1.5×1015吨。绿色植物吸收44克二氧化碳就释放32克氧气，起到维持大气中氧气和二氧化碳的平衡稳定的作用，对生物的生存创造了必要的条件。5万亩森林的蓄水量相当于一个100万立方米的水库，一片森林就是一个绿色水库。如果森林覆盖率达到30%左右，而且分布均匀，就能够起到防御自然灾害保证农业稳定发展的作用。森林能够净化空气，1公顷阔叶林每天可以吸收二氧化碳约1吨，释放氧气约0.73吨，1公顷公园绿地一天吸收二氧化碳900kg，设法氧气600kg，1公顷柳杉林每天可以吸收二氧化硫60公斤，1公顷松树林一年可以吸尘34吨。森林是繁育动物的地方。
环境对生物作用的因素叫做生态因素，有非生物因素和生物因素。一个生态系统是由生物环境和非生物环境组成的。非生物因素包括阳光、空气、风、水分、土壤、温度、湿度、无机物等，生物因素包括同种生物和不同种生物（动物、植物和微生物）的作用。植物把无机物转变成为有机物，把非生物转变成生物，动物以植物为食，微生物以动物和植物为食，把生物转变成非生物，微生物自然死亡化为无机物，构成食物链，许多条食物链构成食物网。食物链的种类：捕食食物链、碎食食物链、寄生食物链、腐生食物链四种。植物和微生物食环境里的无机物和动植物的尸体，动物食环境里的植物、动物、微生物以及无机物，实现循环转化。物质循环（炁粒和炁流循环）是生态系统的重要功能，使非生物化成生物，使生物还原为非生物，实现物质的相互利用。动物、植物、微生物和环境四者实现资源的合理利用，构成生态平衡。平衡一旦破坏，就会建立新的平衡。由于生物链作用，生物圈内的每消失一种植物，将引起20~30种动物消失。在生物圈中，绿色植物是最大的生产者，动物是消费者，微生物是分解者。动物分植食动物、肉食动物、杂食动物、食腐动物。微生物是个体小，繁殖快，结构简单的低等生物，但是作用很大，在生物圈只有重要作用，是生态系统的分解者。寄生性微生物属于消费者。有些微生物属于生产者，能够利用无机物变成有机物。用于发酵生产食物和药物（医药和农药）、沼气、有机酸、酶剂、菌肥、采油、冶金、治污、疫苗等。有些会致病，使食物变坏。生物有各自适应环境的生存方式。“适者生存”，只有适应环境的才能够生存。在一个食物链环节，一般只能传递10~20%的能量。生态系统具有一定的自我调节能力，人为干预常会导致不良后果。
生物链形成生物圈。人是生物圈中的重要成员，能够改善环境，更加能够破坏环境，对生物圈影响巨大。人类对生物圈的影响是最大的因素，尤其是在西学诞生扩张以后更为严峻了。人类的生产活动，例如开垦荒地、采伐森林、兴修水利水库、发展工农业、开采矿藏、兴建城市等等，都会严重使环境恶化，例如耕地减少、土地沙化、森林锐减、水土流失、物种灭绝、环境污染等。土壤是由石头风化形成的，形成1cm厚的表土需要100~400年的时间，成为能够耕种的成熟土壤需要更长的时间。水土的严重流失对植物的生存造成了巨大的威胁，仅黄河和长江每年就带走泥沙26亿吨，相当于冲走600万亩良田。农业生产使用的化肥农药，导致了药害，也严重破坏了环境，相应地提出了生态农业、绿色农业、生物制虫、沼气池等对策。工业三废（废渣、废水、废气）污染，使生态环境遭受到前所未有的严重破坏。废气污染了空气，严重地影响了大气质量，废水和废渣污染了土地和水源。化学污染，装修房子使室内空气受到了严重污染（化学物质和放射线），严重影响了健康，对儿童影响更大，儿童的白血病患者中，有不少是在半年内装修过房子的。厨房污染：厨房通风不好，废气油烟会污染室内空气。为了保持生态平衡，需要合理开发利用和改造自然，保护环境，绿化环境。地球上的各种资源都是十分有限的，人口增长必定会造成对粮食、淡水、土地、能源、矿产资源等的需求增加。1996年，全球每天有8亿人挨饿，在发展中国家有1/5的人吃不饱。全世界每年有600万6岁以下的儿童饿死，有约30个国家陷入粮食危机里。目前世界岁有约一半以上的地区缺乏淡水闹水荒。水污染十分严重。2006年，世界人口为65亿，并且以每年0.8亿人的速度增长。中国就占了13亿人口，占22%，淡水只占8%，有约2.8万亿立方米，人均只有世界的1/4，居109位，是一个贫水国。为了限制人口膨胀，制订了计划生育政策以控制人口的增长。酸雨面积占国土面积的29%。认识到人类对环境的严重破坏，各种自然保护法的实施对维持环境有重大作用。各种生物形成生物圈，绿色植物是生物圈中最基本最重要的生物，对生物圈的存在和发展有决定性作用。植树造林对维持生物圈中绿色植物有重要意义。动物灭绝速度加快，全世界鸟类和兽类在1600~1700年的百年内只灭绝1种，1850~1950年的百年内灭绝了10种，之后平均每3年就有2种鸟灭绝。
多种生物和环境一起形成了生态系统的多样性，整个生态系统构成了生物圈。生物圈分为陆地、湿地和海洋三大类生态系统。陆地生态系统又进一步分为荒漠、草原和森林等，荒漠生态系统又可以细分为沙漠、盐碱土荒漠等。湿地是“地球之肾”，是多功能的生态系统，海洋海岸带湿地、内陆湿地和人工湿地。有30多种类型的湿地，包括沼泽、湖泊、河流、海岸、人工湿地等。每一块区域（森林、池塘、草地、农田等）都是一个小生态系统。我们把生物物种多样性、遗传多样性和生态系统多样性统称为生物多样性。
动物对维持生态平衡有重要关系。动物的多样性是关键的，它们之间起到制约关系。猫头鹰是老鼠的天敌，1只猫头鹰1年可以吃掉约500只老鼠，这些老鼠可以吃掉1吨的粮食，1窝燕子一个夏季可以吃掉25万只昆虫，1窝山雀16天可以吃掉2千只昆虫，一只杜鹃一天可以吃掉100只松毛虫，啄木鸟能够吃掉90%越冬的害虫。