简述生物对极端温度的适应优秀PPT.ppt

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1、 个体生态学-生物与环境l环境与生态因子l生物与环境关系的基本原理l生物与主要生态因子的相互关系l参考文献参考文献l思索题思索题环境与生态因子l环境概念l生态因子的类型l自然环境的基本特征环境概念环境概念l环境(environment)和环境因子(environmentalfactors)：环境是指某一特定生物体或生物群体以外的空间,以及干脆、间接影响该生物体或生物群体生存的一切事物的总和，由很多环境要素构成，这些环境要素称环境因子。l条件(conditions)和资源(resources)：环境因子可分为条件和资源二类，不行消耗的称条件，可被消耗的称资源。l生态因子(ecologicalfa

2、ctors)：环境中对生物的生长、发育、生殖、行为和分布有着干脆或间接影响的环境要素。生态因子是环境中对生物起作用的因子，而环境因子则是指生物体外部的全部要素。生态因子的类型l生态因子通常分为非生物因子和生物因子两大类l生物因子（biOticfactors）：有机体（同种和异种）l非生物因子（abioticfactors）：温度、光、湿度、pH、氧气等l有的学者将生态因子分为五类l气候因子(climaticfactors)、土壤因子(edaphicfactors)、地形因子(topographicfactors)、生物因子、人为因子(anthropogenicfactors)lBegon等将非

3、生物因子分为条件和资源两类l条件：温度、湿度、pH等l资源：养分物质、水、辐射能等生态因子的类型lSimith等将生态因子分成密度制约因子和非密度制约因子密度制约因子(densityindependentfactors)：食物、天敌等生物因子非密度制约因子(densitydependentfactors)：温度、降水、气候等因子l（蒙恰斯基）将生态因子分为稳定因子和变动物因子稳定因子(steadyfactors)：地心引力、地磁、太阳辐射常数等长年恒定的因子变动物因子(variablefactors)：周期性变动：春夏秋冬、潮夕涨落；非周期性变动：风、降水、捕食生态因子的空间分布特征l纬度地带

4、性：从赤道到两极，整个地球表面具有过渡状的分带性规律。l太阳辐射量差异太阳辐射热量带水分差异植被分带土壤分带l自然地理带：赤道、热带、亚热带、暖温带、温带、寒温带、亚寒带、寒带l植被地带性分布l垂直地带性：因太阳辐射和水热状况随着地形高度的不同而不同，生物和气候自山麓至山顶呈垂直地带分异的规律性变更(干燥空气,-1/100m;潮湿空气,-0.6/100m)。l经度地带性：地球内在因素如大地构造形成地貌和海洋分异引起经度地带性分异。如北美大陆和欧亚大陆。生物与环境关系的基本原理l生态因子作用的特点l生物对非生物因子的耐受限度l生物对各生态因子耐受性之间的相互关系l生物对生态因子耐受限度的调整l生

5、态位生态因子作用的特点l综合性:如气候的作用l非等价性（主导因子作用）:塜雉孵卵的温度限制；渔业高密度养殖增氧l干脆性和间接性：食物，降水l限定性（因子作用的阶段性）：中华绒螯蟹的孵化l生态因子的不行替代性和互补性：水体内的钙和锶生物对非生物因子的耐受限度l“最小因子定律”(Liebigslawofminimum)l植物的生长取决于那些处于最低量的养分元素，这些处于最低量的养分元素称最小因子（JustusvonLiebig,1840,德国）。l两个补充条件（Odum,1983）：1）严格的稳定状态；2）因子补偿作用(factorcompensation)：生物在确定程度和范围内，能够削减温度、

6、光、水等生态因子的限制作用。l“耐受性定律”(Shelfordslawoftolerance)(V.E.Shelford,1913，美国)l每种生物对一种生态因子都有一个耐受范围，即一个生态学上的最低点和一个生态学上的最高点，在最高点和最低点之间的范围就称为生态幅(ecologicalamplitude)或生态价(ecologicalvalence)。l限制因子(limitingfactors)l在众多生态因子中，任何接近或超过某种生物的耐受性极限而阻挡其生存、生长、繁殖或扩散的因子称限制因子l限制因子概念的意义l为分析生物与环境相互作用的困难关系奠定了一个便利的基点；l有助于把握问题的本质，

7、找寻解决问题的薄弱环节。种种群群数数量量数量很低数量很低种群消逝种群消逝种群消逝种群消逝数量很低数量很低数量最高数量最高不能耐受区不能耐受区 生理受抑制生理受抑制生理受抑制生理受抑制 不能耐受区不能耐受区最适区最适区环境梯度环境梯度高高低低耐受性下限耐受性下限耐受性上限耐受性上限生物种的耐受性限度图解（仿生物种的耐受性限度图解（仿Smith,1980Smith,1980）生物对各生态因子耐受性之间的相互关系l对生物产生影响的各种生态因子之间存在明显的相互影响：如温湿的关系；湿度和溶氧的关系；温度和盐的协同作用l生物因子和非生物因子之间也是相互影响的：物种之间的竞争产生的生态位分别生物对生态因子

8、耐受限度的调整l驯化l内稳态l适应驯化l试验驯化(acclimation)与气候驯化(acclimatization)：驯化(acclimation/acclimatization)：生物在试验自然条件下，诱发的生理补偿变更，前者须要较短的时间，后者须要较长的时间。有机体对试验环境条件变更产生的生理调整反应称试验驯化；有机体对自然环境条件变更产生的生理调整反应称气候驯化，试验驯化是对环境条件变更的一种生理上而非遗传上的可逆反应。l驯化的应用：植物的引种栽培内稳态l内稳态(homeostasis):生物系统通过内在的调整机制使内环境保持相对稳定。l内稳态通过形态、行为和生理适应实现。l大多数内稳

9、态机制依靠于负反馈过程。依靠三个基本组成成份：接受器；限制中心；效应器。负反馈过程（维持哺乳动物血液渗透性）负反馈过程（维持哺乳动物血液渗透性）接受器接受器（下丘脑）（下丘脑）限制中心限制中心（下丘脑）（下丘脑）效应器效应器（肾脏）（肾脏）血液血液太浓太浓饮水饮水血液渗透性上升血液渗透性上升口渴反应口渴反应血液血液太稀太稀失水反应失水反应血液渗透性下降血液渗透性下降失水失水适应l适应(adapatation)：生物对环境压力的调整过程。分基因型适应和表型适应两类，后者又包括可逆适应和不行逆适应。如桦尺蠖在污染地区的色型变更。l适应方式（形态、生理、行为的适应）：l形态适应：爱护、爱护色、警戒色

10、与拟态l行为适应：运动、繁殖、迁移和迁徙、防卫和抗敌l生理适应：生物钟、休眠、生理生化变更l养分适应：食性的泛化与特化l适应组合(adaptivesuites):生物对非生物环境条件表现出一整套协同的适应特性，称适应组合。如骆驼和仙人掌对燥热干旱环境的适应。l趋同适应和趋异适应l胁迫适应趋同适应和趋异适应l生活型l生态型生态位l生态位(niche)与栖息地(habitat)生态位有机体在环境中占据的地位；栖息地有机体所处的物理环境。l超体积生态位(hypovolume)生态位的每一个环境变量称一维，生态位空间的环境变量可以是多个，超过3个维度的生态位空间称超体积生态位。l基础生态位(funda

11、mentalniche)和实际生态位(realizedniche)物种理论上占据的生态位空间称基础生态位；实际占有的生态位空间称实际生态位。生物与主要生态因子的相互关系l生物与光的关系l生物与温度的关系l生物与水的关系l生物与土壤的关系生物与光的关系l太阳辐射及其变更规律l光质变更对生物的影响l光强度变更对生物的影响l光周期现象l地球自转时，赤道旁边照射的时间长（日周期）l地球公转时，夏天北半球照射的时间长；冬天南半球照射的时间长（季节周期）l低纬度地区有较为恒定的热量，高纬度比低纬度地区接受的能量更少2327夏至夏至NSWENWES2327冬至冬至太阳辐射的变更规律太阳辐射的变更规律(自自A

12、.Mackenzie et.Al.,1999)太阳辐射能(仿仿A.Mackenzie et.al,1999)A.Mackenzie et.al,1999)l光的性质：波长1504000nm,分紫外光、可见光和红外光三类，波长在380760nm之间的光为可见光。绿色植物的光合作用有效范围是380700nm之间。紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线400630100025004000波长波长(nm)能能量量强强度度光质变更对生物的影响l海洋植物光合作用色素对光谱变更具有明显的适应性:l海水表层植物色素吸取蓝、红光；l深水植物光合色素有效地利用绿光。l高山植物对紫外光作用的适应，发展了特殊的莲座状叶

13、丛。l动物不同动物发展不同的色觉。光强度变更对生物的影响l植物光合作用率在光补偿点旁边与光强度成正比，但达光饱和点后,不随光强增加。l水生生物水生植物在水中的分布与光照强度有关。l陆生生物对不同光照强度的适应产生阳性植物和阴性植物和耐阴性植物。l阳性植物(cheliophytes)、阴性植物(sciophytes)和耐阴性植物(shadeplant)：阳性植物对光要求比较迫切，只有在足够光照条件下才能进行正常生长；阴性植物对光的须要远较阳性植物低，光补偿点低，呼吸作用、蒸腾作用都较弱，抗高温顺干旱实力较低；耐阴性植物对光照具有较广泛的适应实力，对光的须要介于前两类植物之间。l动物光照强度影响动

14、物的行为，昼行性动物在白天强光下活动，夜行性动物在夜晚或弱光下活动。光光合合作作用用率率光光合合作作用用率率光强度光强度光强度光强度净生产力净生产力光合作用光合作用呼吸作用呼吸作用ABABACP光补偿点光补偿点CPCPabspsp光饱和点光饱和点B光补偿点光补偿点(compensationpoint)光饱和点光饱和点(saturatepoint)：光合作用：光合作用强度和呼吸作用强度相当处的光强度为光补偿点；当光照强度达到确强度和呼吸作用强度相当处的光强度为光补偿点；当光照强度达到确定水平后，光合产物不再增加或增加得很少，该处的光强度即为光饱定水平后，光合产物不再增加或增加得很少，该处的光强度

15、即为光饱和点。和点。植物的光补偿点示意图植物的光补偿点示意图植物的光补偿点示意图植物的光补偿点示意图(仿仿仿仿Emberlin,1983)Emberlin,1983)生物的光周期现象l光周期现象(photoperiodism)：Garner等人(1920)发觉明相暗相的交替与长短对植物的开花牢固有很大的影响。这种植物对自然界昼夜长短规律性变更的反应，称光周期现象。l植物光周期现象对繁殖(开花)的影响：区分为长日照植物和短日照植物。l长日照植物(long-dayplants)和短日照植物(short-dayplants)：日照超过确定数值才开花的植物称长日照植物；短日照短于确定数值才开花的植物称

16、短日照植物，一般须要较长的黑暗才能开花。前者如小麦、油菜，后者如苍耳、水稻。l动物光周期现象对鸟类等迁徙影响；对繁殖的影响：区分为长日照动物和短日照动物。l长日照动物(long-dayanimals)和短日照动物(short-dayanimals)：在温带和高纬度地区很多鸟兽在春夏之际白昼渐渐延长的季节繁殖后代，称长日照动物；与些相反，一些动物只有在白昼逐步缩短的秋冬之际才起先性腺发育和进行繁殖，称短日照动物。前者如雪貂、野兔、刺猬；后者如绵羊、山羊和鹿等。生物与温度的关系l温度对生物的作用(温度的生态学意义)l极端温度对生物的影响l生物对极端温度的适应温度对生物的作用l温度与生物生长：温度是

17、最重要的生态因子之一，参与生命活动的各种酶都有其最低、最适和最高温度，即三基点温度；不同生物的三基点不同；在确定温度范围内，生物生长的速率与温度成正比；外温的季节性变更引起植物和变温动物生长加速和减弱的交替，形成年轮；外温影响动物的生长规模。l温度与生物发育：温度与生物发育最普遍的规律是有效积温。l温度与生物的繁殖和遗传性：植物春化，动物繁殖的早迟。l温度与生物分布：很多物种的分布范围与温度区相关。有效积温法则及其意义l有效积温法则l植物在生长发育过程中必需从环境摄取确定的热量才能完成某一发育阶段的发育过程，而且各个发育阶段所需的总热量是一个常数，称总积温或有效积温，因此可用公式：NTK表示，

18、考虑到生物起先发育的温度，又可写成：N(TC)K,TCKN，其中，N为发育历期，即生长发育所需时间，T为发育期间的平均温度，C是发育起点温度，又称生物学零度，K是总积温（常数）。l有效积温法则的意义l预料生物发生的世代数；l预料生物地理分布的北界；l预料害虫来年的发生程历；l制定农业气候区划，合理支配作物；l应用积温预报农时。极端温度对生物的影响l低温对生物的影响：当温度低于临界(下限)温度，生物便会因低温而寒害和冻害。冻害缘由：冰结晶使原生质裂开损坏胞内和胞间的微细结构；溶剂水结冰，电解质浓度变更，引起细胞渗透压变更，导致蛋白质变性；脱水使蛋白质沉淀；代谢失调。l高温对生物的影响：当温度超过

19、临界（上限）温度，对生物产生有害作用，如蛋白质变性、酶失活、破坏水份平衡、氧供应不足、神经系统麻痹等。生物对极端温度的适应l生物对低温的适应：保暖、抗冻形态、生理、行为的适应l生物对高温的适应：抗辐射、保水、散热形态、生理、行为的适应生物对低温的适应l形态上的适应植物：芽具鳞片、体具蜡粉、植株矮小；动物：增加隔热层，体形增大（贝格曼规律），外露部分减小（阿伦规律）。l阿伦规律(Allensrule):寒冷地区的内温动物较暖和地区内温动物外露部分（如四肢、尾、耳朵及鼻）有明显趋于缩小的现象，称阿伦规律，是削减散热的适应。l贝格曼规律(Bergmansrule):生活在寒冷气候中的内温动物的身体比

20、生活在暖和气候中的同类个体更大，这种趋向称贝格曼规律，是削减散热的适应。l约旦规律(Jordansrule):鱼类的脊椎骨数目在低温水域比在暖和水域的多。l生理上的适应植物：削减细胞中的水分和增加细胞中有机质的浓度以降低冰点，增加红外线和可见光的吸取带（高山和极地植物）；动物：超冷和耐受冻结，当环境温度偏离热中性区增加体内产热，维持体温恒定，局部异温等。l行为上的适应迁移和冬眠休眠等。生物对高温的适应l形态上的适应植物：密毛、鳞片滤光；体色反光；叶缘向上或短暂折叠，削减辐射损害；干和茎具厚的木栓层，绝热。动物：体形变小，外露部分增大；腿长将体抬离地面；背部具厚的脂肪隔热层。l生理上的适应植物：

21、降低细胞含水量，增加糖或盐浓度，减缓代谢率；蒸腾作用旺盛，降低体温；反射红外光。动物：放宽恒温范围；贮存热量，削减内外温差。l行为上的适应植物：关闭气孔。动物：休眠，穴居，昼伏夜出等。生物与水的关系l水的生物学意义l生物体的水分获得与损失途径l生物对水因子的适应水的生物学意义l水是生物体不行缺少的组成成份；l水是生物体全部代谢活动的介质；l水为生物创建稳定的温度环境；l生物起源于水环境。生物体的水分获得与损失途径l水分的丢失途径l植物蒸发（蒸腾作用、扩散作用）失水，分泌失水。l动物蒸发失水，排泄、分泌失水。l水分获得途径l植物根部吸取，叶面吸取。l动物食物，体表吸取，代谢水。生物对水因子的适应

22、生物对水因子的适应l水生植物对水环境的适应水生植物对水环境的适应l陆生植物水平衡的调整机制陆生植物水平衡的调整机制l水生动物水平衡的调整机制水生动物水平衡的调整机制l陆生动物水平衡的调整机制陆生动物水平衡的调整机制水生植物对水因子的适应l适应方式l有发达的通气组织;l机械组织不发达或退化;l叶片薄而长,以增加光合和吸取养分物质的面积。l生态类型l沉水植物l浮水植物l挺水植物陆生植物对水因子的适应l陆生植物的水平衡调整机制l形态适应：l发达的根系；l叶面小；l单子叶植物中一些具扇状的运动细胞，可使叶面卷曲；l具发达的贮水组织；l生理适应：l水分运输的动力l原生质的渗透浓度高。l陆生植物的生态类型

23、l湿生植物l中生植物l旱生植物l等渗(isosmoticorganism)：体内和体外的渗透压相等，水和盐以大致相等的速度在体内外之间扩散。仅排泄失水，通过食物、饮水、代谢水获得水，泌盐器官排出多余的盐分。l高渗(hyperosmoticorganism)：体内的渗透压高于体外，水由环境中向体内扩散，体内的盐分向外扩散。通过排泄作用排出多余的水，盐分通过食物和组织摄入。l低渗(hypoosmoticorganism)：体内渗透压低于体外，水分向外扩散，盐分进入体内。通过食物、代谢水和饮水获得水，多种多样的泌盐组织排出多余的盐分。水生动物的水平衡调整机制水生动物的水平衡调整机制水生动物的水平衡调

24、整机制水生动物的水平衡调整机制(自自自自M.C.Molles,Jr,1999)M.C.Molles,Jr,1999)l海洋动物鲨鱼和无脊椎动物：等渗硬骨鱼：低渗l淡水动物硬骨鱼：高渗l河口动物洄游鱼类：变渗透压水生动物的渗透压调整方式水生动物的渗透压调整方式水生动物的渗透压调整方式水生动物的渗透压调整方式(自自自自M.C.Molles,Jr,1999)M.C.Molles,Jr,1999)l水调整：l失水:水分通过鳃扩散至四周环境.l补水：通过饮水获得大量的水，l盐调整：l增盐：饮水和摄食摄入盐，l排盐：泌氯细胞将盐排出；肾脏通过排泄作用排出盐海洋硬骨鱼咸水蚊类的渗透压调整海洋硬骨鱼咸水蚊类的

25、渗透压调整海洋硬骨鱼咸水蚊类的渗透压调整海洋硬骨鱼咸水蚊类的渗透压调整陆生动物的水平衡调整机制l失水的主要途径：l皮肤蒸发、呼吸失水、排泄失水l补充水的主要途径：l食物、代谢水、饮水l保水机制l减小皮肤的透水性l削减身体的表面蒸发l削减呼吸失水l削减排泄失水l利用代谢水l生态类型l喜湿l耐旱生物与土壤的关系l土壤的生态学意义l土壤的理化性质及其对生物的影响土壤的生态学意义l为陆生植物供应基底，为土壤生物供应栖息场所；l供应生物生活所必需遥矿质元素为水分；l供应植物生长所需的水热肥气；l维持丰富的土壤生物区系；l生态系统的很多很重要的生态过程都是在土壤中进行。土壤的理化性质及其对生物的影响l土壤

26、的物理性质及其对生物的影响l土壤是由固体、液体和气体组成的三相系统，固体占85以上，依据土粒的直径大小，可将土粒分为：粗砂、细砂、粉砂和粘粒，其组合百分比称土壤质地，依据土壤质地,可将土壤分为：砂土、壤土和粘土。l土壤质地和土壤温度影响植物生长和土壤动物的水平及垂直分布。l土壤的化学性质及其对生物的影响l土壤酸碱度：过碱性和酸性不利于植物生长，酸性还不利于细菌生长。l土壤有机质：植物重要碳源和氮源。l土壤无机元素：植物生长的13种重要元素来源（7种大量元素：、氮、磷、钾、硫、钙、镁、铁；6种微量元素：锰、锌、铜、钼、硼、氯）思索题-名词说明11.贝格曼定律（Bergmanslaw）12.驯化（

27、acclimationandaccimatization）13.极端温度（extremetemperature）14.代谢水（metabolicwater）15.等渗动物（isosmoticanimal）16.外温动物（ectotherms）17.过冷现象（supercooling）18.滞育（diapause）*19.因子补偿作用（factorcompensation）*20.临界光周期（criticalphotoperiod）*21.长日照生物22.异速增长*思索题-问答题1.试试述述光光与与动动物物亲亲密密有有关关的的几几种种生生物物节节律律，并并简简述述其其生生态适应意义。态适应意义。

28、2.简简述述陆陆栖栖动动物物的的保保水水机机制制。（简简述述陆陆生生动动物物在在水水代代谢谢方面的适应性特征。）方面的适应性特征。）3.简述耐受性定律及其补充原理。简述耐受性定律及其补充原理。*4.举例说明限制因子概念在生态学探讨中的重要性。举例说明限制因子概念在生态学探讨中的重要性。5.从从动动植植物物对对日日照照长长度度变变更更的的适适应应动动身身说说明明生生物物的的光光周周期现象。期现象。6.简述光照强度与陆生动植物的关系。简述光照强度与陆生动植物的关系。7.从从形形态态、生生理理和和行行为为三三个个方方面面阐阐述述生生物物对对高高温温环环境境的的适应。（简述生物对极端温度的适应。）适应

29、。（简述生物对极端温度的适应。）8.简述水生动物（鱼类）的水平衡调整机制。简述水生动物（鱼类）的水平衡调整机制。思索题-问答题9.简简述述环环境境因因子子的的分分类类类类型型及及其其生生态态作作用用特特点点。（如如何何看看待待生态因子的作用？）生态因子的作用？）10.简述有效积温法则，评述其意义和局限性。简述有效积温法则，评述其意义和局限性。11.为为什什么么动动物物在在高高温温环环境境下下维维持持恒恒定定体体温温比比在在低低温温下下困困难难？它们对高温环境的适应性特征有哪些？它们对高温环境的适应性特征有哪些？*12.以某种动物或类群为例，说明其适应环境的主要方式。以某种动物或类群为例，说明其适应环境的主要方式。*13.试述全球环境的地带性规律及其形成缘由。试述全球环境的地带性规律及其形成缘由。14.简述生物对环境适应的基本方式及其意义。简述生物对环境适应的基本方式及其意义。15.简述温度的生态作用。简述温度的生态作用。16.生物如何适应不同的水环境？生物如何适应不同的水环境？比较比较Liebig最小因子法则和最小因子法则和Shelford耐受性法则的异同。耐受性法则的异同。