生物與環(huán)境11版課件

泰坦尼克號(hào)中冰冷的北極冰水吞掉了很多人的生命。在液態(tài)的水中血液和組織怎么會(huì)凍結(jié)成固體呢?為什么極地海魚的血液和組織中鹽濃度不高?在如此低溫下這些魚是如何存活的?第二章生物與環(huán)境生物與環(huán)境概要生態(tài)因子及其限制作用主要環(huán)境因子及生物的適應(yīng)水溫度光礦物營(yíng)養(yǎng)生物對(duì)極端環(huán)境的適應(yīng)攝食對(duì)策馴化

1.生物與環(huán)境概要細(xì)菌是生態(tài)系統(tǒng)中的生物化學(xué)專家某些細(xì)菌能夠同化分子氮，用來(lái)合成蛋白質(zhì)和核酸另一些能夠利用無(wú)機(jī)化合物，例如硫化氫作為能量來(lái)源細(xì)菌廣泛的代謝能力使它們能夠完成許多獨(dú)特的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程生物環(huán)境:大環(huán)境和小環(huán)境大環(huán)境-地區(qū)環(huán)境、地球環(huán)境和宇宙環(huán)境,如不同氣候的地理區(qū)域,影響到生物的生存與分布,產(chǎn)生了生物種類的一定組合特征或生物群系,例如熱帶森林,溫帶森林和苔原小環(huán)境-對(duì)生物有直接影響的鄰接環(huán)境,即指小范圍內(nèi)的特定棲息地.每類生物有一個(gè)受環(huán)境條件限制的活動(dòng)空間趨同適應(yīng)不同種類的生物，由于長(zhǎng)期生活在相同或相似的環(huán)境條件下，通過變異、選擇和適應(yīng)，在形態(tài)、生理、發(fā)育以及適應(yīng)方式和途徑等方面表現(xiàn)出相似性的現(xiàn)象。蘆薈與仙人掌均具有發(fā)達(dá)的貯水組織適應(yīng)的類型趨異適應(yīng)親緣關(guān)系相近的同種生物，長(zhǎng)期生活在不同的環(huán)境條件下，形成了不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理特性、適應(yīng)方式和途徑等。又稱為輻射適應(yīng)。不同海拔中萎陵菜的形態(tài)具有差別棲息地與生態(tài)位生態(tài)位代表生物能夠耐受的條件范圍，它們的生活方式，即在生態(tài)系統(tǒng)中的作用。每一個(gè)物種都具有獨(dú)特生態(tài)位。2生態(tài)因子及其限制作用生態(tài)因子及限制因子Liebig最小因子定律Shelford耐性定律生態(tài)幅生態(tài)因子的類型2.蒙恰斯基(1958)根據(jù)生態(tài)因子的穩(wěn)定性將生態(tài)因子分為穩(wěn)定因子：如地心引力、地磁力、太陽(yáng)輻射常數(shù)等較恒定。變動(dòng)因子：變動(dòng)因子包括周期變動(dòng)因子和非周期變動(dòng)因子。3.Smith（1935）將生態(tài)因子分為：密度制約因子（densitydependentfactors）非密度制約因子（densityindependentfactors）生態(tài)因子的限制性作用限制因子:生物的生存和繁殖依賴于各種生態(tài)因子的綜合作用,其中限制生物生存和繁殖的關(guān)鍵性因子.任何一種生態(tài)因子只要接近或超過生物的耐受范圍,它就會(huì)成為這種生物的限制因子.例如,氧氣對(duì)陸生動(dòng)物來(lái)說,數(shù)量多,含量穩(wěn)定,且容易得到,因此一般不會(huì)成為限制因子(寄生生物、土壤生物和高山生物除外).但是氧氣在水體中的含量有限,且經(jīng)常波動(dòng),常常成為水生生物的限制因子.2.2Ligbig最小因子定律

Ligbig最小因子定律-每一種植物都需要一定種類和一定數(shù)量的營(yíng)養(yǎng)元素,在植物生長(zhǎng)所必需的元素中,供給量最少的元素決定植物的產(chǎn)量.“一個(gè)有多塊木板拼成的水桶，當(dāng)其中一塊木板較短時(shí)，不管其他木板多高，木桶裝水的總量是受最小木板制約的”。2.3Shelford耐性定律Shelford耐性定律-美國(guó)生態(tài)學(xué)家V.E.Shelford1913年指出:生物的存在與繁殖,要依賴于綜合環(huán)境因子的存在,只要其中一項(xiàng)因子的量不足或過多,超過了某種生物的耐受限度,則該物種不能生存,甚至滅絕.注意：生物耐性限度因發(fā)育時(shí)期、季節(jié)、環(huán)境條件不同而變化生物耐性限度可以改變,因?yàn)樯飳?duì)環(huán)境的緩慢變化有一定的調(diào)整適應(yīng)能力,甚至能逐漸適應(yīng)于極端環(huán)境,如高山雪蓮,溫泉中的細(xì)菌;影響生物的各因子之間,存在明顯的相互關(guān)聯(lián).如,生物對(duì)溫度的耐性限度與濕度有密切聯(lián)系.美國(guó)生態(tài)學(xué)家E.P.Pianka(1978)指出,一種生物在什么濕度下適合度最大要取決于溫度,同樣在溫度梯度上的最適點(diǎn)則取決于濕度.廣生態(tài)幅物種和狹生態(tài)幅物種（引自孫儒泳等，1993）非生物因子的生理耐受范圍對(duì)植物和動(dòng)物的分布顯然具有重要影響告訴我們一種生物不能分布在什么地方，卻不能準(zhǔn)確地告訴我們生物將會(huì)分布在什么地方水的高粘性阻礙了一些海洋生物的運(yùn)動(dòng)時(shí)，一些微小的海洋動(dòng)物進(jìn)化出長(zhǎng)的絲狀附肢來(lái)阻止下沉。微小的單細(xì)胞藻類，大量地漂浮在湖泊和海洋的表面，它們含有小油滴，補(bǔ)償了自然下沉的趨勢(shì)。3.生物的適應(yīng)3.1生物對(duì)水分的適應(yīng)快速游動(dòng)的水生動(dòng)物進(jìn)化出流線型體形，減少了在密度大的和粘性的的介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力。植物對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)當(dāng)葉的水勢(shì)下降時(shí),圍繞著氣孔的細(xì)胞輕微地萎陷,關(guān)閉氣孔,以防止進(jìn)一步的水分散失,也阻止了CO2進(jìn)入葉中.植物可通過表面覆蓋厚而不透水的蠟質(zhì)表皮以及使氣孔凹進(jìn)深的陷窩并覆蓋毛來(lái)降低蒸騰作用.生物對(duì)冰凍的適應(yīng)形成高濃度的可溶性甘油或糖蛋白來(lái)降低結(jié)冰溫度

超冷冰一般是圍繞著某個(gè)物體形成的,它可以是一個(gè)小的冰晶或其他顆粒,即冰核.沒有冰核時(shí),純水能夠冷卻到熔點(diǎn)以下20度而不結(jié)冰.已記錄到爬行動(dòng)物超冷狀態(tài)的溫度是-8度,無(wú)脊椎動(dòng)物是-18度這些冷適應(yīng)動(dòng)物血液中的糖蛋白通過包被冰晶而阻止冰的形成.3.2溫度的生態(tài)作用及生物的適應(yīng)

3.2.1冰凍的耐受性貝格曼規(guī)律-來(lái)自寒冷氣候的內(nèi)溫動(dòng)物,往往比來(lái)自溫暖氣候的內(nèi)溫動(dòng)物個(gè)體更大,導(dǎo)致相對(duì)體表面積變小,使單位體重的熱散失減少,有利于抗寒。阿倫定律(Allen’srule)-寒冷地區(qū)內(nèi)溫動(dòng)物身體的突出部分,如四肢、尾巴和外耳有變小變短的趨勢(shì)北極狐赤狐大耳狐3.2.2熱的耐受性熱給予生命系統(tǒng)高的動(dòng)能,引起生物分子以較快的速率運(yùn)動(dòng)和改變形狀.通過增加分子的運(yùn)動(dòng)速率,加速化學(xué)反應(yīng).在生理范圍內(nèi),溫度每升高10度,大部分生理過程速率增加2-4倍.但過高的溫度可影響蛋白質(zhì)和其他的生物分子穩(wěn)定性,不能正常行使功能或維持結(jié)構(gòu).加利福尼亞南部莫哈韋荒漠幾乎無(wú)雨，灼燒般的夏季炎熱和令人戰(zhàn)抖的冬季嚴(yán)寒適應(yīng)熱和干旱環(huán)境的植物,通過增加散熱表面,以及靠表面密集的毛和刺避免陽(yáng)光直射的傷害.刺和毛保持潮濕和降低蒸發(fā).由于厚的葉周層也阻礙熱量散失,因此,在涼爽的干旱環(huán)境中,毛普遍存在,而在炎熱荒漠中較少.棕曲嘴鷦鷯對(duì)溫度變化的適應(yīng)鷦鷯沒有飲水源,必須避免從環(huán)境中吸取太多的熱3.3生物對(duì)未來(lái)環(huán)境溫度變化的響應(yīng)？生物圈中許多物理因子都會(huì)由于人類活動(dòng)的直接或間接影響而變化.目前認(rèn)為,到2050年(按1990年的釋放水平)地球平均溫度將上升1.5-3度全球變暖對(duì)生物地理分布產(chǎn)生什么影響?3.3光的生態(tài)作用及生物的適應(yīng)3.3.1光的生態(tài)作用生物圈能量的主要來(lái)源綠色植物，藻類和某些細(xì)菌吸收光，并可通過光合作用同化其能量，但并不是所有照射到地球表面的光都能以這種方式被利用。3.3.2太陽(yáng)光的光譜組成紅外光和溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)對(duì)于生命最大的益處是維持地球溫度在合適范圍內(nèi).然而,由于砍伐森林和燃燒化石燃料,將過多的二氧化碳釋放到大氣中,加強(qiáng)了溫室效應(yīng),使地球表面變的越來(lái)越溫暖.植物的吸收光譜近大洋表面的藻類如綠藻,主要生活在多巖石的海濱淺水中,有和陸生植物相似的色素,主要吸收藍(lán)光和紅光,反射綠光.深水中的紅藻另有一種色素,使它在光合作用中更有效地利用綠光.3.3.3植物的光合途徑

（1）C3光合作用大多數(shù)植物,光合作用的第一步是把CO2轉(zhuǎn)化成一種有機(jī)分子,即3PG或磷酸甘油酸:CO2+RuBP(核酮糖二磷酸)23PG1碳5碳3碳RuBP羧化酶23PGCO2+RuBP高氧和低CO2RuBP羧化酶當(dāng)葉中CO2水平下降和光合作用產(chǎn)生的氧增加時(shí),碳的同化趨向于自身的抑制.植物張開氣孔會(huì)減輕這種狀態(tài),但是這自然會(huì)導(dǎo)致大量的水分散失.C3植物：小麥、水青岡三羧酸循環(huán)（卡爾文循環(huán)）磷酸核酮糖磷酸糖類中間體其它糖類1，6-二磷酸果糖磷酸甘油酸（PAG）磷酸甘油醛1，5-二磷酸核酮糖（RuBP）CO2（2）C4光合作用熱氣候中的許多植物修改了C3光合作用,即在二氧化碳的同化中采用了不同的開始步驟.葉肉細(xì)胞:CO2+PEP(磷酸烯醇丙酮酸)OAA(草酰乙酸)PEP羧化酶具有高二氧化碳親和力圍繞葉脈的特殊細(xì)胞維管束鞘細(xì)胞CO2進(jìn)入卡爾文循環(huán),與C3植物中所進(jìn)行的過程相同.C4植物玉米（3）CAM植物的碳同化作用某些多汁的植物在水脅迫環(huán)境中,用同C4植物一樣的生物化學(xué)途徑,但是把CO2同化與卡爾文循環(huán)分別在白天和晚上進(jìn)行.這種方式在景天科植物中發(fā)現(xiàn).CO2最初以4碳有機(jī)酸的形式(蘋果酸及草酰乙酸)同化和儲(chǔ)存,從而取名為景天酸代謝.在荒漠涼爽的黑夜中,CAM植物張開氣孔進(jìn)行氣體交換,此時(shí)水分蒸發(fā)最小,CO2同化為草酰乙酸及蘋果酸,葉組織以高濃度儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)的液泡中.白天,氣孔關(guān)閉,儲(chǔ)存的有機(jī)酸逐步再循環(huán),釋放出CO2進(jìn)入卡爾文循環(huán).CAM光合作用導(dǎo)致極端高的水分利用效率,并使某些類型的植物能夠在相對(duì)于其他常見物種過熱和過于干旱的棲息地中生存.CAM植物景天科3.3.4植物光合作用對(duì)光照水平的適應(yīng)3.4礦物營(yíng)養(yǎng)植物獲得的礦物質(zhì)主要為:氮、磷、鉀和鈣,它們以離子形式溶解于土壤水中.植物對(duì)大量元素的吸收的主要受根吸收能力的限制.適應(yīng)貧瘠土壤的物種能應(yīng)付低營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)量的土壤,可能通過和真菌類建立共生關(guān)系,增強(qiáng)了礦物質(zhì)的吸收.斑塊狀分布的土壤營(yíng)養(yǎng)物對(duì)植物生長(zhǎng)的影響3.5生物對(duì)極端環(huán)境的適應(yīng)遷移鳥類的遷徙鳥類通過長(zhǎng)途遷徙獲得適宜的生活環(huán)境。圖為東亞-澳大利亞涉禽遷飛路線。貯存降雨稀少時(shí)期,荒漠仙人掌吸水膨脹,營(yíng)養(yǎng)物豐盛時(shí),吸收營(yíng)養(yǎng)物多于其需要,等土壤營(yíng)養(yǎng)物被耗盡時(shí)再利用貯存.休眠休眠-生物的潛伏、蟄伏或不活動(dòng)狀態(tài)，是抵御不利環(huán)境的一種有效的生理機(jī)制。進(jìn)入休眠狀態(tài)的動(dòng)植物可以忍耐比其生態(tài)幅度寬的多的環(huán)境條件。例如，溫帶木本植物的冬眠，休眠中的樹木可以順利度過冬季的低溫。木本植物的休眠與光周期有關(guān)，短日照可促進(jìn)休眠，長(zhǎng)日照可促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)。樹木進(jìn)入冬眠狀態(tài)受制于日照長(zhǎng)度而不是溫度，這在很大程度上使植物免受初冬溫度波動(dòng)的危害3.6攝食對(duì)策搜尋食物的范圍越大,對(duì)雙親潛在可利用的食物數(shù)量越多.但移動(dòng)更長(zhǎng)的距離也增加了時(shí)間、能量的耗費(fèi)和旅途的風(fēng)險(xiǎn).雙親離巢尋食有最佳離巢距離嗎?雙親每次尋食回來(lái)應(yīng)帶給巢中子女多少食物呢?3.6.1最佳攝食模型能夠使分送食物給子女的速率最大化,是通過花費(fèi)中間時(shí)間用于在取食區(qū)域的旅程上,同時(shí)帶回少于最大量的食物來(lái)實(shí)現(xiàn)這一最大化的.3.6.2生物實(shí)際上在多大范圍內(nèi)最佳地收集食物?牛津大學(xué)行為生態(tài)學(xué)家AlexKacelnik的實(shí)驗(yàn):訓(xùn)練它光顧供食店,這里有能通過準(zhǔn)確記錄時(shí)間間隔的塑料管給它提供的蠕蟲.Kacelnik調(diào)整時(shí)間,使相鄰的下一餐蟲間隔更長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn),模仿隨歐瓊鳥嘴的填滿,它抓住蛆的時(shí)間間隔加長(zhǎng).然后在離巢不同距離處擺放供給臺(tái),觀察歐瓊鳥在旅程時(shí)間不同時(shí)會(huì)等待多少蟲.正如期望的，當(dāng)行程時(shí)間增加時(shí),歐瓊鳥增加了食物的載重量.歐瓊鳥是最好的經(jīng)濟(jì)學(xué)家,至少在搜集食物時(shí)3.6.3風(fēng)險(xiǎn)-敏感攝食供食地區(qū)的價(jià)值,不僅取決于個(gè)體能夠搜集食物的速率,還取決于地區(qū)的相對(duì)安全性.每次活動(dòng)意味著有死亡的風(fēng)險(xiǎn).因額外的食物增加被捕食的風(fēng)險(xiǎn),是完全不值得的.你會(huì)選擇一個(gè)可預(yù)測(cè)的較低質(zhì)量的食物供應(yīng),還是選擇平均水平較高但更易變的食物供應(yīng)?3.6.4獵物選擇攝食決策也包括選擇什么樣的獵物品種.一個(gè)活躍覓食個(gè)體,如食蟲鳥在樹葉間飛來(lái)飛去,連續(xù)遇到不同類型潛在食物的多樣性.每種類型的食物基于其營(yíng)養(yǎng)和能量,以及處理的難度和毒素的潛在危險(xiǎn),形成固有的價(jià)值.3.7馴化冬季生長(zhǎng)厚毛皮，干旱季節(jié)生長(zhǎng)較小的樹葉，高海拔增加血液紅細(xì)胞數(shù)量，隨不同溫度產(chǎn)生最適宜的酶，或在不同的溫度下保持液態(tài)的脂肪，全部都是馴化的形式。馴化-個(gè)體生理耐受范圍的改變。由于這些變化牽涉到身體結(jié)構(gòu)和代謝器官的改變，需要數(shù)日到數(shù)周的時(shí)間，因此，馴化是對(duì)季節(jié)和環(huán)境中持久穩(wěn)固變化的一種策略。馴化是可逆的，允許生物跟隨其環(huán)境變化。通過產(chǎn)生適應(yīng)不同溫度的適酶和其他分子，冷血?jiǎng)游锬軌蛘{(diào)整其活性