中科大生命科学导论-第5讲生命能量环境

第5讲生命的能量环境沈显生中国科学技术大学生命学院[e-mail]主要内容•一、生命能量代谢的特点•二、生命的能量环境•三、光的生态作用规律•四、温度的生态作用规律一、生命能量代谢的特点•生命能量的本质为化学能，能量的传递、转化的形式ATP;•生命获得能量途径为光合磷酸化，氧化磷酸化，无氧呼吸，氧化磷酸化解偶联；•环境温度直接影响生命能量的代谢速率；•人为什么要吃饭？二、生命的能量环境环境是直接或间接影响某一特定生命体生存的一切事物的总和。生态因子：环境中对生物的生长、发育、生殖、行为和分布有着直接或间接影响的环境要素，如温度、湿度、食物、氧气等。生态因子的分类：气候因子、土壤因子、地形因子、生物因子、人为因子。生态因子的3要素：大小（数量）、质量、性能。环境的类型根据性质：自然环境、半自然环境和社会环境根据范围：宇宙环境、地球环境、区域环境、微环境和内环境根据因子作用：物质环境、能量环境。生物对生境的适应策略生物对生境的适应策略RainShadows山脉影响局部降雨模式加利福尼亚环境对植物表型的影响菊科的植物耆蒿在不同海拔与不同生境下的表现型（环境饰变）生态适应幅度的改变——驯化生物对环境的适应•趋同适应——亲缘较远的不同物种适应相同或相似环境，形成了相似的形态外貌（生活型，常绿植物、落叶植物）。•趋异适应——亲缘相近或相同的物种长期适应不同的环境，形成了不同的形态外貌或生理上出现差异（生态型，水稻的趋异适应）。三、光的生态作用规律•光的变化规律（自学：年变化，日变化）•一、光对植物的作用•二、光对动物的作用根据植物开花的光周期反应，可把植物分为3种类型短日植物:日照长度短于临界日长条件下开花的植物，如水稻,菊花长日植物:日照长度长于临界日长条件下才能开花的植物，如小麦,波菜日中性植物:开花不受日照时间影响长日植物与短日植物的确定，取决于对临界日长的正负反应。光是控制植物生长发育的最重要的环境因子植物开花还同时受到诱导周期数的影响。诱导周期数就是光周期敏感植物开花诱导所需的光周期数（天数）。光质对开花诱导也有影响。红光是诱导长日植物开花和抑制短日植物开花最有效的光质，同时，红光效应可以被远红光（红外光）所逆转。植物感受光周期刺激的部位是叶片的实验被诱导的叶片中形成了刺激开花的物质（成花素）。CO(Constans)基因感受光照，并参与诱导FT(FloweringlocusT)基因在叶片表达，FT蛋白运送到茎尖调控花芽分化。生物学通报，2007,14（2）植物体黄化和花的诱导光照条件下，胞内的原叶绿素酸酯还原成为叶绿素酸酯，后者进一步形成叶绿素；黑暗条件下，不能合成叶绿素，表现为植物体黄化。光是重要的环境信号，可以调控组织的分化和器官的发育。光对植物的成花诱导（成花素）是最为典型的现象。光对动物的信号作用•根据恒温动物的繁殖分为：长日照动物——在春夏交配繁殖，鸟、兽短日照动物——在秋交配繁殖，山羊、鹿无光周期反应——家鼠、猪•昆虫对光周期的反应长日照昆虫——玉米螟、棉铃虫、瓢虫短日照昆虫——家蚕、小麦吸浆虫中间型昆虫——桃小食心虫无光周期反应——苹果舞毒蛾、丁香天蛾光能在生产中的应用•农业上彩色薄膜•人工温室（山东利用温室种香蕉）•立体温室•养鸡场照明•养鸭场雏鸭24小时照明•花卉生产……四、温度的生态作用规律•地球上温度变化规律（自学）•温度对生命影响的本质（酶活性）•动物和植物对温度环境的适应•生物适应温度变化的规律123地表的增温过程1.太阳辐射S2.地面辐射Ee3.大气逆辐射Ea太阳高度角abcNsR=(S+S’)(1-α)+Ea-Ee温度变化的规律温度年较差的变化规律动物体温类型的划分•根据血液温度高低：温血动物/冷血动物•根据血液温度变化：常（恒）温动物/变温动物•据血液温度（能量）来源：内温动物/外温动物温度耗氧量热中性区内温动物耗氧与环境温度关系在一定环境温度范围内，耗氧量维持在基础代谢率水平的能力。温度对动物的影响小型动物对温度的行为适应动物对极端温度的主动适应•动物休眠——冬眠；夏眠。冬眠——处在休眠（代谢率最低，体温最低1℃）状态过冬(有冻死的)。夏眠——处在昏睡（维持基础代谢，体温接近正常）状态渡过高温或缺水夏天。•恒温动物的休眠——真冬眠和假冬眠。真冬眠——代谢降低，体温高于环境1-2℃，当到0℃时，褐色脂肪团颤动产热会激醒动物，以免冻死。（黄鼠，蝙蝠）假冬眠——深睡，体温变化不大，体温略低（熊，臭鼬）动物的逆流热交换保温机制脑温低核温高降温过程非洲瞪羚大脑的温度变化脊柱生物学零度与积温•生物学零度——各种生物都有一个代谢活动的最低温度。低于该温度生物受到伤害。香蕉18℃•积温——在生物某发育阶段或生活史，逐天的温度累计值。（1）活动积温——大于0℃的积温。（2）有效积温——大于生物学零度的积温。K=N(T-C)积温定律：每种生物某发育阶段或生活史，需要的有效积温是个常数（固定值）。如何求C值？根据K1=K2得到N1(T1-C)=N2(T2-C)发育速度V温度与时间成反比0.020.12温度与速度成正比T=K/N+CT=KV+CNTV=1/N春化作用•二年生植物在营养生长时期需要经过一定时间的低温刺激后，才能转为生殖生长。•冬小麦：春性0-120C5-15天弱冬性0-70C15-30天冬性0-70C30-35天强冬性0-30C50-60天•我国小麦产区从南到北，品种依次为春性、弱冬性、冬性、强冬性。•问题：如果在华北种春性冬小麦，在南方种强冬性小麦，各自会出现什么情况？变温与植物生长•变温有利于：植物生长植物开花植物种子萌发块根和块茎的生长提高产品的品质变温与形态（紫罗兰叶恒温时全缘，变温时缺刻）变温与生态分布（郁金香喜变温；但红杉喜恒温）在太平洋东岸，南北各有1种大型裸子植物。北半球——红杉南半球——南洋杉物候与物候定律•物候——生物长期适应原产地的气候条件，形成了与此相适应的发育节律。•Hopkins定律：在北美洲温带地区，自南向北1度，自东向西5度，自山下向上400英尺，同种植物的物候阶段在春季推迟4天；在秋季提前4天。•Mashoum家族的发现：祖孙5代人，在连续192年对房前7棵乔木进行观察，结果（1）物候有周期，约12年。（2）物候的迟与早，与1-5月的降水有关系。例如，我国榆钱的成熟期也是自南向北的依次变化日本樱花的物候特征引种的原则与经验•原则：气候相似性原则。•经验：草本植物比木本植物容易引种成功。短日作物：（秋季收割，玉米）南北温差大南种北引——生育期延长——引早熟品种北种南引——生育期缩短——引晚熟品种长日作物：（春季收割，小麦）南北温差小南种北引——生育期缩短——引晚熟品种北种南引——生育期延长——引早熟品种海拔高度的影响：（温度的作用）高向低引——生育期缩短——引晚熟品种低向高引——生育期延长——引早熟品种生物对温度适应的3个定律•Bergman定律：同种恒温动物的身体，在寒冷地区个体大，在温暖地区个体小。如：野猪，老虎……•Alen定律：同种恒温动物的突出部分，在寒冷地区小，在温暖地区大。如：北极狐、赤狐、非洲大耳狐•Jordan定律：水生同种脊椎动物，在寒冷水域个体大，在温暖地区个体小。归纳生命的能量环境•生物对体外能量环境的适应策略：形态、颜色、行为、繁殖、生活史。•生物对体内能量环境的适应策略：组织结构、生理生化、体制与寿命、主动调节机制。•生物从不浪费能量，达到最经济、最优化利用能量。•能量在生命的各个层次中都发挥重要作用，并遵循热力学第一（守恒）和第二定律（熵律）。主要内容回顾•一、生命能量代谢的特点•二、生命的能量环境•三、光的生态作用规律•四、温度的生态作用规律