第2章 生物与环境

第二章生物与环境第一节环境的概念及其类型一、环境的概念指某一特定生物体或生物群体以外的空间，以及直接或间接影响该生物体或生物群体生存的一切事物的总和。二、环境的类型1.按环境主体分：以人为主；以生物为主2.按环境性质分：自然环境、半自然环境、人工环境3.按环境的范围大小分：宇宙环境、地球环境、区域环境、微环境和内环境三、环境因子分类1.Daubenmire(1947,1959)：气候类、土壤类和生物类2.Dajoz(1962)：第一性周期因子、次生性周期因子及非周期性因子3.Gill(1975)：将非生物环境因子分为3个层次：如，温度；风暴；放牧三、环境因子与生态因子环境因子：指生物体外部的全部环境要素。生态因子：环境因子中对生物起作用的因子。第二节生态因子作用分析一、生态因子作用的一般特征1.综合作用2.主导因子作用3.直接作用和间接作用4.阶段性作用5.不可替代性和补偿作用二、生态因子的限制性作用1.限制因子2.Liebig最小因子定律3.Shelford耐性定律4.生态幅5.生物内稳态及耐性限度的调整即生物控制自身体内环境使其保持相对稳定的机制。虹鳟鱼---驯化乌龟晒太阳6.指示生物对环境中的污染物或某些因素能产生非一般性反应或特殊信息的生物体。它可以将受到的各种影响以不同症状表现出来，以此表征环境质量状况。摇蚊幼虫—水质海州香薷---铜矿第三节生态因子的生态作用及生物的适应一、光因子的生态作用及生物的适应1.光照度的生态作用与生物的适应黄化现象2.光质的生态作用与生物的适应2.1植物陆生植物主要吸收红光和蓝光，高山紫外抑制茎的伸长；海水表层绿色植物也吸收红光和蓝光；海水深层红藻、紫菜等有效利用绿光。2.2动物灵长类、鸟类、鱼类、节肢动物等都有很发达的色觉，应加强这方面的研究。不同发育阶段对光质反应不同，如红光促进鸡的繁殖，抑制啄肛，短波光（蓝光）有助于生长。鱼类对绿、蓝、红光比较敏感。臭氧和紫外线臭氧从地面分布到70千米高空，在大约20千米高的大气中最为密集，这一区域的臭氧几乎环绕整个地球，因此被称做臭氧层。日本科学家小组表示，由于氢氯碳制冷剂和其他消耗臭氧的气体排放量减少，南极上空的臭氧层洞将来有可能缩小，并有可能于2050年消失。红外光和温室效应3.生物对光周期的适应3.1光照周期：一天之中白天和黑夜的相对长度。北半球：夏至最长，冬至最短。南半球：相反赤道：昼夜平分两极：半年白天，半年黑夜。（1）植物：光周期影响植物的生长发育和繁殖，根据其开花与光照周期的关系，将植物分为：长日照植物：日照时间超过一定数值（因种而异）才能开花。如冬小麦、油菜、萝卜。短日照植物：日照时间少于一定数值（因种而异）才能开花。如玉米、大豆、烟草、棉、麻等。中性植物：光照时间与开花无关。如黄瓜、番茄、蒲公英等。时令花卉的培育采用的技术之一就是人工限光、补光。3.2光对生物的作用（2）动物：光周期对动物的影响表现在以下几个方面：决定动物的迁徙、迁移或洄游的时间；影响鸟兽换羽、毛（短光照、限食、限水）；影响动物的生殖时间。鸟类在长光照一个月后可繁殖；影响动物的冬眠和滞育（常与温度有关）。二、温度因子的生态作用及生物的适应1.温度因子的生态作用植物和某些变温动物完成某一发育阶段所需总热量（有效积温）是一个常数。K=N*(T-T0)或T=T0+K/N温度T与发育时间N呈双曲线关系，由于发育速度V=1/N,所以，T=T0+KV，温度与发育速度呈线性关系。2.生物对极端温度的适应2.1生物对低温环境的适应南极鳕鱼：拥有抗冻蛋白，-1.87℃贝格曼定律：恒温动物在寒冷地区个体较大。东北虎最大的猫科动物，平均体长为2.8米左右，尾长约1米，平均体重400千克中国特有种，体长1.6～2.9米，体重180～200千克华南虎阿伦定律：恒温动物在寒冷环境中突出部位（耳、四肢、尾）有变短的趋势。南非狐北极狐2.生物对极端温度的适应2.2生物对高温环境的适应形态上，难以奏效。生理上，放松对恒温的要求，提高体温。行为上，夜出加穴居。嗜热菌❙animalsmayalsoavoidhightemperaturesby:reducingactivityseekingcoolmicroclimatesmigratingseasonallytocoolerclimates3.温度与生物的地理分布3.1极端温度是限制生物分布的首要因素。高温：白桦、云杉不能在华北平原生长；苹果、梨、桃不能在热带开花结果；黄山松分布在1000-1200m以上；菜粉蝶不能忍受26℃以上的气温。低温：橡胶分布区低于北纬24°40ˊ（云南盈江），海拔960m以下；剑麻是北纬26°，海拔900米以下；椰子是24°30ˊ（厦门），海拔640m以下（海南）；东亚飞蝗的北界为等温线13.6℃。3.温度与生物的地理分布3.2有效积温足够完成一个生活周期的地方才能分布。昆虫大发生时常暂时地超越其分布北界；温度对恒温动物分布限制小，可通过其食物等生态因子而影响其分布。4.变温与温周期现象变温:对于植物体内物质的转移和积累具有良好作用。温周期现象：在自然条件下气温是呈周期性变化的，许多生物适应温度的某种节律性变化，并通过遗传成为其生物学特性。5.物候学竺可桢生物钟6.休眠动物冬眠睡莲三、水因子的生态作用及生物的适应1.水因子的生态作用（1）水是生物生存的重要条件（2）水对动植物生长发育的影响（3）水对动植物数量和分布的影响三、水因子的生态作用及生物的适应2.生物对水因子的适应2.1植物对水因子的适应水生植物的类型水生植物的适应特征：发达的通气组织机械组织不发达甚至脱化水下叶片很薄，且多分裂成带状、线状氧：在水中是稀少的每升大气中含量：0.21L;水中最大为：0.01L(1%)红树林陆生植物的类型湿生植物：不能长时间忍受缺水，抗旱能力差，多生长在水边或潮湿的环境中。如水稻、秋海棠。中生植物：适于生长在水分条件适中的环境中，形态结构及适应性介于湿生植物与旱生植物之间，种类最多、分布最广和数量最大的陆生植物。旱生植物：生长在干旱环境中，能忍受较长时间的干旱，且能维护水分平衡和正常的生长发育。水稻秋海棠mirabills的硬革叶片善吸水蒸腾作用促进水从根移动到叶控制叶子水分散失是对干旱环境的适应仙人掌气孔桫椤气孔旱生植物的适应特征形态适应发达的根系、叶面积很小、发达的储水组织生理适应原生质渗透压特别高2.生物对水因子的适应2.2动物对水因子的适应2.2.1水生动物保持盐分与水分的平衡是水生动物适应环境的基础主要通过调节体内的渗透压来维持与环境的水分平衡淡水动物和海洋动物的差异淡水动物对水环境的适应淡水动物对环境是高渗性(淡水的渗透浓度为2-3mmol/l，而动物体液或血液渗透浓度高)，导致水不断渗入动物体内，过剩的水不断排出体外，保持水分平衡。补充丢失的盐分方法：食物鳃主动吸收盐类海洋动物对水环境的适应等渗动物这些动物不会由于渗透作用而失水或得水，但随代谢废物的排泄损失一部分水。补充水分方法：从食物中得到；饮用海水并排出海水中的溶质；食物氧化过程中产生代谢水低渗动物由于渗透作用失去一些水，会从食物、代谢中或海水摄入更多的水，其中喝水是主要来源。保持低渗：喝水同时吸入盐，对多余的盐类排除方法：尿液量；鳃通过主动作用把盐类排出体外高渗动物体外的水会渗透到体内，不需要饮水、食物和代谢过程中摄取水，而是借助于排泄器官把体内的过剩水排出一种小桡足动物地中海鳃足虫2.2.2陆生动物对水因子的适应形态结构适应昆虫具有几丁质的体壁，防止水分的过量蒸发；两栖类动物体表分泌粘液以保持湿润；哺乳动物有皮质腺和毛，防止体内水分过多蒸发。行为的适应沙漠动物昼伏夜出：沙漠地区夏季昼夜地表温度相差很大，因此地面和地下的相对湿度和蒸发力相差很大迁徙：在水分和食物不足时，迁移到别处。生理适应储水的胃；储藏丰富的脂肪，在消耗过程中产生大量的水分；血液中具有特殊的脂肪和蛋白质，不易脱水。CellsoftheCamel'sStomach四、空气因子的生态作用及生物的适应1.空气与生物生长发育1）二氧化碳与光合作用2）氧气与呼吸2.风对植物的生态作用与生物的适应五、土壤因子的生态作用及生物的适应（一）土壤的形成、组成及性质土壤的物理性质：质地结构、水分、空气、温度；土壤的化学性质：酸碱性和氧化还原反应、土壤有机质、土壤矿质元素（二）土壤的生态作用及生物的适应土壤是许多生物的栖息场所。土壤是生物进化的过渡环境。土壤是植物生长的基质和营养库。土壤是污染物转化的重要场地。2.植物对土壤因子的适应2.1根据对土壤酸度的反应---酸性土植物和中性土植物2.2根据对土壤含盐量的反应---盐碱土植物2.3根据对土壤中矿质的反应---钙质土植物和嫌钙质土植物2.4根据对风沙基质的关系---沙生植物盐土植物（1）聚盐性植物（2）泌盐性植物（3）不透盐性植物桐花树泌盐现象滨藜碱菀生物对环境的改造作用—Gaia假说假说内容：地球表面的温度和化学组成是受地球表面的生命总体（生物圈）主动调节的。生物如何主动调节地球表面的环境？地球大气的成分、温度和氧化还原状态等受天文的、生物的或其他的干扰而发生变化，产生偏离，生物通过改变其生长和代谢，如光合作用吸收CO2释放O2，呼吸作用吸收O2释放CO2，以及排泄废物、分解等，对偏离作出反应，缓和地球表面的这些变化。J.Lovelock(英)20世纪60年代提出第四节生物通过许多物理刺激来感觉环境为了在复杂和多变的环境中有正常的功能，生物必须能够感觉环境的变化，检测和定为物体，操纵景观。趣味调侃：植物为何不长眼睛？1.感觉电磁辐射蟒蛇的陷器，探测红外线，适于黑夜攻击目标。自然光下（左）、紫外光下（右）的银莲花法布尔的《蝉》被选入中学语文课本时，删去了“蝉的音乐”部分。在这个部分，法布尔介绍了他做的一个著名实验。一般人认为蝉发音是为了喊叫同伴，但法布尔认为这个意见是错误的。2.感觉声音其实蝉并非聋子，它身上也长着类似人类耳鼓的膜可以感觉声波，只不过能探测的声波频率范围比较窄，大致在3000~1.5万赫兹之间，但是这已足够让它们很清楚地听到其同种发出的声响。蝙蝠耳鼻叶的电脑模型机器蝙蝠侠用耳朵看世界3.感觉气味4.感觉电场密西西比匙吻鲟电鳐5.感觉物理接触鲶鱼的触须一种“瞎眼”昆虫的触须