第二节生物与温度的关系

一.地球上温度的分布太阳辐射是地球表面的热源。大气温度主要取决于太阳辐射量和地球表面水陆分布。(一)地表大气温度的分布与变化第二节生物与温度的关系低纬度太阳辐射量大,气温高。随纬度增加，太阳辐射量减少,（极地只有赤道的40%），地表气温下降。大约纬度每增加1度，年平均温度降低0.5℃。因此，从赤道到北极形成了热带、亚热带、温带和寒带。1影响温度空间分布的因素：（1）海洋：由于水的比热大于空气，海洋可调节海岸区域温度，使同一纬度不同地区的温度有很大差异。（2）山脉：地表温度受山脉走向、地形变化及海拔高度的影响。东西走向的山脉，对南北暖冷气流常具阻挡作用，使山坡两侧温度明显不同。如秦岭山脉。封闭山谷与盆地，白天受热强烈,地面温度增高,夜晚冷空气沿山坡下沉,形成逆温现象。昼夜温差极大。气温随海拔升高而降低，在干燥空气中海拔每升高100m，气温下降1℃，潮湿空气中下降0.6℃。温度的时间变化指日变化和年变化。日变化：于13-14时气温达到最高，于凌晨日出前降至最低。最高和最低气温之差称日较差。日较差受纬度、海拔高度、地形、及地面性质等因素影响。2温度的时间变化四季变化：一年内最热月和最冷月的平均温度之差，称年较差。年较差受纬度、海陆位置及地形等众多因素的影响。一般来说，大陆性气候越明显的地方气温年较差越大，纬度越高气温年较差越大。3土壤和水体温度变化（1）土壤：不同性质的土壤，热容量和热导率不同，随气温变化温度变化模式也不同。随土壤深度，土壤最高温和最低温出现时间后延。（2）水：水热容大，温度变化小于气温，随深度增加，变化幅度更小。温带深水湖泊，由于水温的季节变化，春秋季水体出现垂直混合，使初级生产力升高。贰温度的生态作用1生物体内的生化反应过程必须在一定温度范围内才能正常进行2环境中温度的改变会引起其它生态因子的改变，如湿度、降水、风、水中溶氧含量等的改变，从而间接影响生物。三极端温度对生物的影响： 1极端低温对生物的影响：冷害：温度在冰点以上，但低于喜温生物对温度的耐受下限而使生物受害或死亡。它可能是通过破坏了膜结构造成的，它是喜温生物向北方引种和扩张分布区的主要障碍。冻害：冰点以下低温使生物体内形成冰晶，蛋白质失活变性造成生物受害或死亡。生物对冻害的适应:耐受冻结与超冷现象耐受冻结（freezingtolerance)少数动物能够耐受一定程度的身体冻结，而避免低温伤害。如潮间带贝类。超冷现象（supercooling):动物（昆虫）体液温度下降到冰点以下而不结冰的现象。如小叶蜂，极地鱼类等。2极端高温对生物的影响：高温可能导致动植物的机体脱水，蛋白质凝固变形，酶失活或者代谢的组分不平衡，最终导致细胞死亡。四温度对生物（植物和变温动物）生长、发育和繁殖的影响1酶反应速度：外温动物及植物的代谢速度随温度变化而变化。其代谢速度随温度增加通常用温度系数Q10来描述：公式：Q10=T℃体温时的代谢率/(T-10)℃体温时的代谢率即：温度每升高10℃，变温动物与植物代谢率的变化。242832360100200300400500Figure8.Specificoxygenconsumptionofresting20-60gjuvenilesoft-shelledturtleinair,relatedtotemperatureStandardrespirationrate[mlO2/(kg.h)]Temperature()℃Y=8.2217×100.04589TR2=0.982,P0.00123-30度下Q10=2.5，30度以上Q10为3.4。2发育和生长：（1）发育阈温度或生物学零度（biologicalzero）：生物开始生长发育的温度。菜白蝶在温度阀10℃以上，从卵到蛹的发育（2）有效积温法则：K：有效积温，N:发育历期，T：发育期间平均环境温度，C：生物学零度。有效积温法则的公式：K=N(T-C)植物和变温动物在生长发育过程中必须从环境中摄取一定的热量才能完成某一阶段的发育，这个发育阶段所需要的总热量是一常数，称为有效积温。该规律称为有效积温法则不同物种，完成发育所需积温不同。一般起源于或适于高纬度地区种植的植物，所需有效积温较少，反之则较多。例如，麦子需要有效积温1000~1600日度，棉花、玉米为2000~4000日度，椰子约5000日度。练习题：A,B,C三种昆虫，在25℃下完成发育分别需要20、18、10天。在15℃下完成发育分别需要50、40、30天，有关其生物学零度，正确的排列顺序是：aABCbBACcCABdACB(答案：c)有效积温法则在农业上的应用:（1）可预测某地区害虫发生的世代数；（2）可作为农业规划、引种、作物布局、预测农时的重要依据；（3）预测生物地理分布北界；（4）预测害虫来年发生程度;(5)利用天敌昆虫进行害虫防治时，可以用来计算天敌昆虫合适的释放时间局限性：发育速率与温度并不都是直线关系；发育还受其它生态因子影响；发育起点温度通常在恒温下获得，而自然界是变温的。3春化作用（Vernalizationeffect)低温作为一种刺激物起作用，诱导或促进植物的发育和开花。这种经过低温诱导的植物的发育或繁殖，称为春化作用。例如，如冬小麦的种子经历了预寒冷后可缩短萌发到开花的时间。甜菜不经过春化作用则无法开花。种子萌发时感受低温的部位是胚，营养体时期的感受部位为茎尖。4温度对动物繁殖的影响温度会影响昆虫的产卵量、交配和卵的孵化率，如水稻害虫三化螟在温度29度、湿度90%时产卵最多。麦二叉蚜在25度下孵出幼虫最多。温度可影响鱼类的最小性成熟年龄、繁殖期、孵化率等。（一）温度与动物类型：根据有机体和环境温度的相互关系，动物可划分为：温血动物和冷血动物；或分为常温动物（homeothermic）和变温动物(poikilothermic)。根据有机体热能的主要来源，还可分为外温动物(ectothermic)和内温动物(endothermic)。异温动物(heterothermy)：常温动物中具有休眠习性，在冬眠过程中体温降低的动物(熊）。五生物对温度的适应影响生物体温的因素猫有袋类鸭嘴兽针鼹鼠蜥蜴（二）生物对低温的适应:（1）形态适应：芽和叶片受到油脂类物质保护、表面有蜡粉和密毛、植株矮小，常呈垫状或莲花状。（2）生理适应：减少细胞中水分，增加糖类、脂肪和色素等物质以降低冰点、增加抗寒能力。 1植物对低温的适应2内温动物对低温的适应 （1）形态适应A贝格曼规律（Bergmann’srule)：高纬度地区的恒温动物个体比低纬度同类个体大。例如东北虎的颅骨长331-345mm，而华南虎的仅283-318mm长。B阿伦规律：高纬度地区的恒温动物个体身体突出部分，如四肢、尾巴和外耳有变小变短的趋势。C寒冷地区的内温动物在冬季增加了羽、毛的密度、提高了羽、毛的质量，增加了皮下脂肪的厚度。（2）内温动物的生理适应：A增加产热：颤抖性产热与非颤抖性产热 颤抖性产热（ST）：产生在骨骼肌中，由肌原纤维非自主的有节律的收缩，由高级神经中枢控制。非颤抖性产热（NST）：不涉及肌肉活动而释放化学能的产热机制.NST主要发生在褐色脂肪组织（BAT）中.图2-20在冰上，鸟的脚和腿皮肤温度。血管的解剖结构使动脉血管（A）和静脉血管（B）间有逆流热交换。箭头表明血流方向，横箭头指热传递。在S点以下的分支血管可收缩，从而减少血流和热丢失（引自Ricklefsetal.,2000）B逆流热交换机制：肢体中动静脉血管的几何排列，增加了逆流热交换。动物体温呈现空间异温性C局部异温性：肢体末端温度比核心温度低，减少了体表热 散失。D热中性区：适应低温的内温动物热中性区宽，下临界点温度低、下临界点温度以下曲线斜率小（增加产热）。热中性区（ThermalNeutralZone):在某一环境温度范围内，动物代谢率最低，耗氧量不随环境温度而改变，这个最低代谢区的环境温度称热中性区。E适应性低体温，冬眠 (5)动物的行为适应：迁徙、集群、穴居（三）生物对高温的适应（2）植物的生理适应：降低细胞含水量，增加糖或盐的浓度，这有利于减慢代谢率，增加原生质的抗凝结能力；靠旺盛的蒸腾作用避免植物体过热。1植物的高温适应（1）植物的形态适应：生有密绒毛和鳞片；体色呈白、银白，叶片发光；叶片垂直主轴排列，使叶缘向光；在高温条件下叶片对折；树干和根茎生有厚的木栓层，具绝热和保护作用。2动物的高温适应：（1）形态适应皮毛在高温下起隔热作用；夏季毛色变浅，具光泽；有些可利用热窗散热；多数哺乳动物的精巢持久的或季节性的下降到腹腔外，比体核温低几度。有蹄动物的颈动脉在脑下部形成复杂的小动脉网，包围在从较冷的鼻区过来的静脉血管外面，通过逆流热交换而降温，使脑血液温度比总动脉血低3℃（2）生理适应：放松恒温性，使体温有较大幅度的波动。（5）行为适应：穴居；昼伏夜出；夏眠或夏季滞育夏眠的肺鱼（四）生物对周期性变温的适应1许多生物在昼夜变温环境中比在恒温环境中发育更好。如黑蝗2大多数植物种子，在昼夜变温中萌发率高，有些需光萌发的种子，经变温处理后，在暗处也能萌发。3植物在昼夜变温中，生长、开花结实及产品质量均有提高。六温度与物种分布1对变温动物和植物的分布，有低温限制与高温限制。（1）低温限制：低温限制生物向高纬度和高海拔地区分布。如橡胶、椰子只能生长在热带。玉米分布在气温15℃以上的天数必需超过70天的地区。野生茜草分布的北界是1月等温线为4.5℃的地区。东亚飞蝗的北界为等温线13.6℃的地区。（2）高温限制： 高温限制生物向低纬度和低海拔地区分布。如春化作用限制苹果，梨、桃在热带地区栽种。在长江流域地区，黄山松只能生长在海拔1000~1200m以上的高山。菜粉蝶的分布南限是26℃，因为夏季气温超过26℃时，其卵和幼虫全部死亡。2温度变化也可能和其它的环境因素或资源紧密联系影响生物分布。3温度和降水是影响地球生物群落分布的两个最重要因子。东非比霸鹟的冬季分布图。粗黑线为月平均最低-4度等温线。如图所示为A、B、C、D四种动物的代谢耗氧率随温度变化的实验结果。试判断下面哪种说法是不正确的？a动物A的体温随环境温度而改变b动物C的热中性区小于动物Bc动物B、C、D栖息地的纬度由低到高依次为B、C、Dd动物A的代谢率小于动物D下图比较了两类牛的外形A型和B型。两种牛哪一种能更好地适应和耐受高温？