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第二章生物与环境第一节地球上的生物第二节环境的概念及其类型第三节主要环境因子的生态作用第四节生态因子作用的一般规律第一节地球上的生物生命的产生与进化生物多样性地球自我调节理论一、生命的产生与进化地球生命起源于地球上化学进化过程。近年在地球上约有38．5亿年的最古老的岩石中也发现了类似生物产生的有机碳沉淀痕迹，而类似甲烷菌的早期细胞化石曾发现于35亿年的古老岩石中。地球上生命起源过程一定发生在更早的时期。生命来源于地球之外的地外起源或泛种论假说认为，原始生命形态有可能来自地球之外，譬如由撞击地球的彗星尾部物质形成的流星雨带来等。许多天文物理学家相信氨基酸、核苷酸等复杂有机分子可以在太空形成。多数现代生物学家相信生命起源的化学进化假说，认为原始海洋中的有机分子通过一系列化学进化步骤导致了生命的起源。米勒实验：1953年，混有氨、甲烷和氢的水流经一个电弧（模拟太阳紫外辐射），产生了几种氨基酸；细胞的出现，从具有生物活性的大分子到细胞，是生命进化中的一次飞跃；细胞出现后，生命从化学进化过渡到生物学进化，进化过程演化为遗传、变异、选择；自养生物出现，改变了地球大气环境；生物种的概念种定义的演变：从Ray到Linna识别特种的依据和方法物种性状的变化：铁树生物的协同进化生物的进化生物依赖周围环境。生物进化通过自然选择进行：太平洋上小岛低矮植物的存在，长颈鹿生物的协同进化一、概念一个物种的进化必然会改变作用于其它生物的选择压力，引起其它生物也发生变化，这些变化反过来引起相关物种的进一步变化。两个或多个物种的单独进化常常互相影响，形成一个互相影响的协同进化系统。捕食者和猎物之间的相互作用是最好的实例：鸽子和鹰二、昆虫与植物间的协同进化相似于捕食者与猎物之间的相互作用三、大型食草动物与植物的协同进化长颈鹿和树木。詹森认为：大小动物的食性不同。生物的协同进化四、互惠共生物种间的协同进化对双方都有好处，当离开时双方都能生存。如：绿水螅体内的绿藻虫金合欢树苗与蚂蚁《蓝色星球》中小鱼与有刺鱼的共生生物的协同进化五、协同适应系统协同进化不仅存在于一对物种间，也存在于同一群落的所有成员之间。个体或亲缘个体----相关物种的巨大选择压力-----生态系统的进化.二生物多样性生物多样性的概念定义：生物中的多样化和变异性以及物种生境的生态复杂性。它包括动物、植物和微生物的所有种及其组成的群落和生态系统。生物多样性四个水平一、遗传多样性二、物种多样性三、生态系统多样性四、景观多样性基础保证以生态系统多样性为基础影响生物多样性的因素物种生物量：tilman猜想物种的属性：物种的角色通过量变到质变生物地化循环系统的稳定性：生态系统的物种数目多，物种间的相互作用弱，则系统的抗性大，弹性小。Gaia假说的形成和发展1969年英国的科学家拉弗洛克提出的。1979年《Gaia：对地球上生命的新认识》出版。1988年第二部著作问世。认为地球是一个生物、海洋、大气和土壤组成的复合系统。获得很大的的支持，也有反对。三地球自我调节理论Gaia假说的主要论点：Gaia假说认为地球上所有生物对其环境不断地其着主动调节作用；地球生态系统保持稳定性；地球本身是进化系统：Gaia理论认为进化是渐进和间断的结合，认为自然选择的生物进化是行星自我调节的一个重要部分；地球系统是有机整体；地球生理学是地球进化的方式；Gaia假说中三个重点：Gaia假说认为生命是全球尺度的现象，地球上没有孤立的生命；Gaia假说理论在一定意义上发展了达尔文的观点（进化论）；Gaia理论对于地球物理学而言，提供了一个新的用数学观点考察地球的方法；第二节环境的概念及其类型环境是指某一特定生物体或生物群体以外的空间,以及直接、间接影响该生物体或生物群体生存的一切事物的总和。环境总是针对某一特定主体或中心而言的，是一个相对的概念，离开了这个主体或中心也就无所谓环境，因此环境只具有相对的意义。在生物科学中，环境是指生物的栖息地，以及直接或间接影响生物生存和发展的各种因素。在环境科学中，人类是主体，环境是指围绕着人群的空间以及其中可以直接或间接影响人类生活和发展的各种因素的总体。环境的类型环境这个概念既是具体的，又是相对的。讨论环境时，要包含着特定的主体，离开了主体的环境是没有内容的，同时也是毫无意义的。主体的不同或不明确，往往是造成对环境分类及环境因素分类不同的一个重要原因。按环境的主体分，目前有两种体系，一种是以人为主体，其他的生命物质和非生命物质都被视为环境要素。这类环境称为人类环境。在环境科学中，多数学者都采用这种分类方法。另一种是以生物为主体，生物体以外的所有自然条件称为环境，这是一般生态学书刊上所采用的分类方法。按环境的性质可将环境分成自然环境、半自然环境(被人类破坏后的自然环境)和社会环境3类。按环境的范围大小可将环境分为宇宙环境(或称星际环境)、地球环境、区域环境、微环境和内环境。环境因子的分类根据环境因子特点：将环境因子分为气候类，土壤类，和生物类；7个并列项目：土壤、水分、温度、光照、大气、火和生物因子；GILL（1975）将非生物因子分为三个层次：第一是植物生长必须的环境因子（如光照、温度、水分）；第二是与植物存在无关的地理环境因子（如风暴、火山等）；第三是与植物存在相关的环境因子（如放牧、火成演替等）；生物与环境温水土季节、纬度、昼夜、海拔高沸点、高比热、固态膨胀无机、有机、微生物气结构（1000km)、成分（氮、氧、二氧化碳、水）作用（保护、保温、能源、材料）光光的强度（入射角、纬度、海拔）光的性质（红外线、可见光、紫外线）光的作用（升温、能量、致突变）第三节主要环境因子的生态作用生物与主要生态因子的相互关系生物与光的关系生物与温度的关系生物与水的关系生物与土壤的关系生物与光的关系太阳辐射及其变化规律光强度变化对生物的影响光质变化对生物的影响光周期现象太阳辐射能(仿A.Mackenzieet.al,1999)光的性质：波长150－4000nm,分紫外光、可见光和红外光三类，波长在380－760nm之间的光为可见光。绿色植物的光合作用有效范围是380－700nm之间。紫外线可见光红外线400630100025004000波长(nm)能量强度光强的作用：生长发育、形态建构作用。典型例子—植物黄化现象（eitiolationphenomenon），动物的孵化。光强度变化对生物的影响植物—光合作用率在光补偿点附近与光强度成正比，但达光饱和点后,不随光强增加。水生生物—水生植物在水中的分布与光照强度有关。光合作用率光合作用率光强度光强度净生产力光合作用呼吸作用ABABACP光补偿点CPCPabspsp光饱和点B光补偿点(compensationpoint)光饱和点(saturatepoint)：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；当光照强度达到一定水平后，光合产物不再增加或增加得很少，该处的光强度即为光饱和点。植物的光补偿点示意图(Emberlin,1983)生物随光照强度的适应类型陆生生物—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及阴地植物和阳地植物阳性植物(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；阴性植物对光的需要远较阳性植物低，光补偿点低，呼吸作用、蒸腾作用都较弱，抗高温和干旱能力较低；耐阴性植物对光照具有较广泛的适应能力，对光的需要介于前两类植物之间。动物—光照强度影响动物的行为，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。光质变化对生物的影响海洋植物—光合作用色素对光谱变化具有明显的适应性:海水表层植物色素吸收蓝、红光；深水植物光合色素有效地利用绿光。高山植物—对紫外光作用的适应，发展了特殊的莲座状叶丛。动物生物的光周期现象光周期现象(photoperiodism)：Garner等人(1920)发现明相暗相的交替与长短对植物的开花结实有很大的影响。这种植物对自然界昼夜长短规律性变化的反应，称光周期现象。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。长日照植物(long-dayplants)和短日照植物(short-dayplants)：日照超过一定数值才开花的植物称长日照植物；短日照短于一定数值才开花的植物称短日照植物，一般需要较长的黑暗才能开花。前者如小麦、油菜，后者如苍耳、水稻。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。长日照动物(long-dayanimals)和短日照动物(short-dayanimals)：在温带和高纬度地区许多鸟兽在春夏之际白昼逐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开始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。滞育现象哺乳动物的生殖和换毛生物与温度的关系温度对生物的作用(温度的生态学意义)极端温度对生物的影响生物对极端温度的适应温度对生物的作用温度与生物生长：温度是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；在一定温度范围内，生物生长的速率与温度成正比；外温的季节性变化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。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。温度与生物的繁殖和遗传性：植物春化，动物繁殖的早迟。温度与生物分布：许多物种的分布范围与温度区相关。有效积温法则及其意义有效积温法则植物在生长发育过程中必须从环境摄取一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：N•T＝K表示，考虑到生物开始发育的温度，又可写成：N(T－C)＝K,T＝C＋K／N，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）。有效积温法则的意义预测生物发生的世代数；预测生物地理分布的北界；预测害虫来年的发生历程；制定农业气候区划，合理安排作物；应用积温预报农时。极端温度对生物的影响低温对生物的影响：当温度低于临界(下限)温度，生物便会因低温而寒害和冻害。冻害原因：冰结晶使原生质破裂损坏胞内和胞间的微细结构；溶剂水结冰，电解质浓度改变，引起细胞渗透压变化，导致蛋白质变性；脱水使蛋白质沉淀；代谢失调。生物对极端温度的适应生物对低温的适应：保暖、抗冻－－形态、生理、行为的适应生物对低温的适应形态上的适应－－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）。阿伦规律(Allen’srule)：寒冷地区的内温动物较温暖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，是减少散热的适应。贝格曼规律(Bergman’srule)：生活在寒冷气候中的内温动物的身体比生活在温暖气候中的同类个体更大，这种趋向称贝格曼规律，是减少散热的适应。约旦规律(Jordan’srule)：鱼类的脊椎骨数目在低温水域比在温暖水域的多。生理上的适应－－植物：减少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收带（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。行为上的适应－－迁移和冬眠／休眠等。高温对生物的影响：当温度超过临界（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。生物对高温的适应：抗辐射、保水、散热－－形态、生理、行为的适应生物对高温的适应形态上的适应－－植物：密毛、鳞片滤光；体色反光；叶缘向上或暂时折叠，