生物与环境 课件

2.1 生态因子及限制作用
2.1.1 生态因子概念及分类 生态因子的概念 环境要素中对生物起作用的因子,如光照、温度、水分、食物等. 生态因子的分类 按其性质:气候因子(温度、水分、光照等)、土壤因子(土壤结构、土壤成 分的理化性质及土壤生物等)、地形因子(海拔高度、坡度等)、生物因 子(包括动物、植物和微生物之间的各种相互作用)和人为因子(人类活 动的破坏) 按有无生命特征: 生物因子和非生物因子 按生态因子对种群数量变动的作用:密度制约因子和非密度制约因子.前者 如食物、天敌等生物因子,其对动物种群数量影响的强度随其种群密度 而变化,从而调节了种群数量;后者指温度、降水等气候因子,它们的影 响强度不随其种群密度而变化 按生态因子的稳定性及作用特点:稳定因子和变动因子.前者指地心引力、 地磁、太阳常数等恒定因子,它们决定了生物的分布.后者分为两类:周 期性变动因子,如一年四季变化和潮汐涨落等,主要影响生物分布;非周 期性变动因子,如风、降雨、捕食等,主要影响生物的数量

泰坦尼克号中冰冷的北极冰水吞掉了很多人的生命。 在液态的水中血液和组织怎么会冻结成固体呢?
答案:可溶性物质降低了冻结温度。海水含3.5%可溶性盐， -2度结冰。大多数脊椎动物的血液和组织，所含盐浓度 比海水低，结冰温度比海水高。
为什么极地海鱼的血液和组织中盐浓度不高? 在如此低 温下这些鱼是如何存活的? 极地鱼不用盐来防止体液冻结，盐会干扰生物化学过程。 维持低盐水平的内部环境，允许机体更迅速和有效地代 谢和运动。南极鱼通过增加血液和组织中化合物的水平 来降低对冰冻的敏感性，例如甘油.



尽管生物环境的一些物理性质对生命不利，但是 生物对许多问题都有解决办法。
第二章 生物与环境




生态系统中的生物与环境 生态因子及其限制作用 主要环境因子生态作用及生物的适应 水 温度 光 矿物营养 生物对极端环境的适应 摄食对策 驯化
1. 生态系统中的生物与环境


如何区分生物和非生物？
陆生植物对水分的获取




大部分陆生植物从土壤得到需要的水分.土壤中水 的数量及植物对它的可利用性随土壤的物理结构 而变化. 土壤由粘粒(直径<0.002mm)、粉粒(0.002-0.05mm) 和沙粒(>0.05mm)以及有机质颗粒所组成.当土壤 颗粒的大小下降时,一定体积土壤中的颗粒总表面 积增加.具有丰富粘粒和粉粒的土壤比粗沙土壤蓄 水多. 植物根容易吸取松散附着在土壤颗粒上的水分,但 随土壤颗粒表面的靠拢,使水被强大的吸附力紧紧 地黏附在土壤颗粒上. 水势测量了一种物质从另一种物质中吸取水的能 力. 水向水势较低的方向(更负)移动.
发达的储水组织

如南美的瓶子树：可储水4吨以上。它的树干两头 细中间粗，最粗的地方直径达5米，纺锤树的上端 有少数生叶子的枝条。远远看去，这种树又象一 个插着枝条的花瓶，因此又叫瓶子树。 旱季时，人们常砍棵纺锤树作为饮水的来源。若 以每人平均每天饮水6斤计算，砍一棵纺锤树至少 可供四口之家饮用半年。
每类生物有一个受环境条件限制的活动空间


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地球表面是非均质的,就气候而言,温度沿纬度或 海拔高度呈梯度分布,从赤道往两极每移动一个纬 度(平均111km)或从低海拔到高海拔每升高100m, 气温降低0.5-0.7º C 降水则受到海陆分布与大气环流影响,各地变化甚 大;加之地表形态、母岩性质及基质状况的不同, 使地表呈现多样性. 每个生物种在其形成背景的基础上都有自己的分 布区,这是它的生态幅及其环境相互作用所决定的， 地球上几乎没有任何不同生物种的分布区是完全 重叠的.

1.2 环境的概念及类型
环境：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。

环境主体：以人为主体;以生物为主体 环境的性质：自然环境;半自然环境(人类破坏） 社会环境 环境范围大小: 大环境和小环境 大环境-地区环境、地球环境和宇宙环境,如不同 气候的地理区域,影响到生物的生存与分布,产生 了生物种类的一定组合特征或生物群系,例如热带 森林,温带森林和苔原 小环境-对生物有直接影响的邻接环境,即指小范 围内的特定栖息地.
首先，与自然系统不同，活的生物有目的地生存。其结构、 生理和行为直接用于获得能量、资源和产生后代; 生命受物 理和化学条件的制约，就像建筑物受建筑材料性质的制约 一样。 其次，生命是自然界的一个特殊部分，但它和物理环境存 在一种持续的紧张状态。生物最终从阳光中获得能量，从 土壤和水中获得营养物质，并且必须忍受环境中极端的温 度、湿度、盐度和其他物理因子

2.1.2 生态因子的作用特征

综合作用：植物生长：光，温度，水分，土壤养分 主导因子作用: 光和作用：光强; 春化作用：温度; 阶段性作用:春化：光照长短不起作用;鱼类的洄游:大马哈鱼生
活在海洋中，生殖季节在淡水产卵
不可替代性和补偿性作用：总体生态因子是不可替
代的，但局部可以补偿;光和作用，光照不足，可增加二氧化碳补足

1.1 不同的生物在自然系统中具有不同的功能
早期的生态系统是受各种不同形态的细菌所统治的，是其 他所有其他生命形式的祖先。如某些光合细菌同化CO2 产 生O2，使大气和海洋中O2浓度上升，并进化出更加复杂， 具有高代谢需求的生命形式。
地球约形成于46亿年前。 生命-35亿年前，水蒸气， H2S, N2, CH4, NH3, H2, 在 紫外辐射条件下形成蛋白质 和核酸分子。 光合自养生物-30亿年前 绿色植物-4亿年前
(2) 水的热稳定性 蒸发一定数量水所需能量，是使其温度升高1度 所需能量的500倍。结冰所耗能量是使同等数量水温 降低1度所耗能量的80倍。水的这种特性使大部分水 体在冬天都不会结冰。 (3) 粘性 水密度大(空气密度的800倍)，对生物提供了支 持作用，但水还具有粘性，阻止流动或生物在其内 运动。
生态幅

在自然界,由于长期自然选择的结果,每个种都适 应于一定的环境,并有其特定的适应范围.例如,熊 猫仅见于秦巴山区,大象只生长在热带丛林,野兔、 麻雀的分布则广的多 生态幅：每个种对环境因子适应范围的大小。

在自然界,生物种往往并不处于其最适生境下,因 为生物间的相互作用,常常妨碍它们去利用最适宜 的环境条件,因此,生理最适点与生态最适点常常 是不一致
1.3 栖息地与生态位
栖息地是指它们生活的地方，用清楚的物理特征 进行描述，常常是动物和植物的主要生活型。
生态位代表生物能够耐受的条件范围，它们的生活方式， 即在生态系统中的作用。每一个物种都具有独特生态位。
2 生态因子及其限制作用
生态因子及限制因子 Liebig 最小因子定律 Shelford 耐性定律 生态幅
限制因子概念的主要价值是使生态学家掌握一把研究生物与 环境复杂关系的钥匙,因为各种生态因子对生物来说并非同 等重要,生态学家一旦找到了限制因子,就意味找到了影响生 物生存和发展的关键性因子。
2.2 Ligbig 最小因子定律
Ligbig 最小因子定律-德国化学家B J Liebig 1840年在 《有机化学及其在农业和生理学中的应用》认为每 一种植物都需要一定种类和一定数量的营养元素, 在植物生长所必需的元素中,供给量最少的元素决定 植物的产量. E.P. Odum(1973)给出了补充: 这一定律只适用于稳定状态, 即能量和物质的流入 和流出处于平稳的情况下才适用; 要考虑生态因子之间的相互作用，同一个生态因子, 由于伴随的其他因子不同,对生物所处的作用也不同。 如光强度不足时, CO2 浓度的提高可得到部分补偿, 使光合作用强度有所提高。因而，最低因子不是绝 对的.
植物利用太阳光生产有机质，叶捕获太阳光能；茎支持地 上部分。叶进行光合作用时，也通过蒸发向大气散失水分。 通过根系从土壤中吸收水分，补偿光合作用所丢掉的水分。 动物取食别的生物或其残留物 微生物是高效的分解者
细菌是生物化学专家
某些细菌能同化N2合成 蛋白质和核酸 另一些利用无机化合物， 如H2S为能量来源 细菌广泛的代谢能力使 它们能够完成许多独特 的生物化学转化过程
植物从土壤中吸收水分的过程
植物把水输送到叶是通过根茎中心的 木质部细胞空腔首尾相接形成的输水 管. 水穿过木质部从根到叶,叶的水势 必须超过根的水势,足以抵抗根细胞的 渗透势、重力和木质部成分的阻力向 上吸取水. 当水从叶片细胞表面蒸发到大气中时, 叶产生了水势,这个过程称为蒸腾作 用.20度的干燥空气具有-134.96 MPa的 水势. 植物的根系吸水,一是由根压引起的主 动吸水,一是由蒸腾拉力引起的被动吸 水.早春,多年生植物叶片还未开放以 前及土壤水分充足,大气湿度大, 蒸腾 作用小时,根压是主要动力.植物生长 旺盛时期,蒸腾强度较大时以蒸腾拉力 被动吸水为主.
温度、湿度结合考虑，在中湿和中温条件下，生物耐受限度最高。
3.主要生态因子的作用及生物的适应
3.1 水因子生态作用及生物的适应 3.1.1 水因子的生态作用及特性: 水是生物体的重要组成部分 水是新陈代谢的直接参与者 水是光合作用的原料。 水是很好的溶剂，许多化学元素都是在水溶液中被生物吸收。 （1）温度越低密度越大 当温度低于4度时，温度越低， 水密度越大。水结冰时体积增 加而密度减少，因此，冰漂浮 在水面，这不仅能使冰滑动， 还能阻止湖泊和海洋底部结冰， 使水生植物和动物能在冬天找 到一个避难所。

直接作用和间接作用：地形（起伏程度，坡向，坡度，
海拔，经纬度）对生物作用不是直接的，通过影响光照，温度，水， 雨水等间接影响生物; 新疆的天山：阴坡森林，阳坡草地
2.1.3 生态因子的限制性作用
限制因子: 生物的生存和繁殖依赖于各种生态因子
的综合作用,其中限制生物生存和繁殖的关键性因子. 任何一种生态因子只要接近或超过生物的耐受范围, 它就会成为这种生物的限制因子. 例如,氧气对陆生动物来说,数量多,含量稳定,且容 易得到,因此一般不会成为限制因子(寄生生物、土 壤生物和高山生物除外).但是氧气在水体中的含量 有限,且经常波动,常常成为水生生物的限制因子.
3.1.2 生物对水因子的适应
当水的高粘性阻碍了一些海洋生物 的运动时，一些微小的海洋动物进 化出长的丝状附肢来阻止下沉，就 像降落伞减缓了身体在空气中的降 落一样。
微小的单细胞藻类，大量地漂浮在湖泊 和海洋的表面，它们含有小油滴，补偿 了自然下沉的趋势。大部分脂肪和油的 密度为0.9-0.93g/cm3。
快速游动的水生动物进化出流线型体形，减少了在密 度大的和粘性的的介质中运动时的阻力。在开阔海洋 中的鮻鱼和其他游动迅速的鱼，身体比例非常均衡， 可在水中快速游动。


猴面包树属木棉科 , 它树形高大雄伟 , 寿命长达 5000 年 , 是 典型的非洲植物。当生长到一定年限后 , 猴面包树不是越长 越粗 , 而且还有变细的趋势 ! 猴面包树木质部分非常疏松 , 木质细胞里充满了水。在非洲 的旱季, 中午气候极为炎热、干燥 , 植物的蒸腾作用非常剧 烈。在这种情况下 , 猴面包树的根部来不及吸水 , 损失了大 量的水分 , 因此 , 导管细胞就被挤瘪 , 树干慢慢变细
2.3 Shelford 耐性定律
Shelford 耐性定律- 美国生态学家V.E.Shelford 1913年指出:生 物的存在与繁殖,要依赖于综合环境因子的存在,只要其中一 项因子的量不足或过多,超过了某种生物的耐受限度,则该物 种不能生存,甚至灭绝. 注意： 生物耐性限度因发育时期、季节、环境条件不同而变化 生物耐性限度可以改变,因为生物对环境的缓慢变化有一定 的调整适应能力,甚至能逐渐适应于极端环境,如高山雪莲, 温泉中的细菌; 影响生物的各因子之间,存在明显的相互关联.如,生物对温 度的耐性限度与湿度有密切联系.美国生态学家E.P.Pianka (1978)指出,一种生物在什么湿度下适合度最大要取决于温 度,同样在温度梯度上的最适点则取决于湿度.