宏观第七讲：生物与环境（生物与环境）

宏观第七讲：生物与环境（生物与环境），是《现代生物科学导论》中有关环境的内容，可以是对高中生物选择性必修二的拓展补充。

宏观第七讲：生物与环境

• 生态学
  • 定义：研究生物与环境相互关系的科学。
  • 分类
    • 从生命系统的结构层次分类
      • 个体生态学
      • 种群生态学
      • 生态系统生态学
  • 生物圈（Biosphere）：地球上生物和其生活环境的总称。
• 个体生态学
  • 概念
    • 环境：周围一切客观存在都是其存在的环境
    • 生态因子：对生物生存不可缺少的环境条件。
      • 研究生态因子对生物个体的影响，如在形态、生理、生化和行 为方面的生态适应机制 。
      • 主要影响个体生存和繁殖、种群分布和数量、群落结构和功能等。各 个生态因子不仅本身起作用，而且相互发生作用，既受 周围其它因子的影响，反过来又影响其它因子。
      • 分类
        • 非生物因子
          • 光、温度、湿度、降水、土壤、 大气等
          • 气候因子
        • 生物因子
          • 生物种内和种间的相互关系，共生， 寄生，附生等。
        • 人为因子
          • 人类的垦殖、放牧和采伐，环境污染等
      • 特点（*）
        • 综合性
          • 因子之间互相影响
            • 没有说一定是相互作用的
            • 举例：光照影响温度
        • 非等价性
          • 对生物的影响是有某些因子为主导
            • 举例：春化作用（种子萌发前的低温环境促使其发生）中的温度
        • 不可替代性和互补性
          • 因子非等价但不可缺少，但数 量不足或可由其他因子补偿。
          • 举例：光照不足对光合作用的影响，可通过C02浓度提高 获得补偿
        • 阶段性
          • 生物对因子的需求是阶段性的。
            • 举例：低温对种子的春化作用是不可少的，但之后是有害 的。
  • 生态幅和限制性因子
    • 生态幅
      • 各种生物对生态因子（如温度）所能耐受的上限与下限之间的幅度称为生态幅
      • 它反映了生物对环境因素的适应能力
    • 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就是 限制因子。
    • 最低因子定律/耐受性定律
      • 最低因子：
        • 植物的生长取决于处在最小量状态的营养成分
          • “木桶原理”
      • 耐受性定律：
        • 任何一个生态因子在数量或质量上不足或过多，即当其接近或达到某种生物耐受限度时，就会使该种生物衰退或不能生存。
        • 意义：是最低因子定律的进一步发展，考虑了生态因子的上限和量上的变化，估计了生物的耐受性问题，允许生态因子之间互作用（替代和补偿等）
        • 提高耐受性的对策（*）
          • 1. 驯化
            • 自然驯化
              • 自然条件下诱发的生理补偿变化，长时间完成
            • 人工驯化
              • 实验条件下诱发的生理补偿机制，短时间完成
          • 2. 适应
            • 生物在生存竞争中适应环境条件而形成一定性状的 现象，长时间完成。
          • 3. 休眠
            • 生物抵御暂时不利环境条件的一种非常有效的生理 机制
            • 动物：冬眠，夏眠，日眠
            • 植物：种子休眠是代谢率几乎为零
        • 内稳态机制提高了耐受范围
• 种群生态学
  • 定义
    • 种群：由一定时间内占有一定区域的一群所有同种个体组成的生物系统。
    • 种群生态学：一种研究种群数量动态与环境相互作用关系的科学。
  • 特征
    • 数量特征
      • 相互关系图
      • (种群)密度
        • def.一定时间内，单位面积上或单位空间内的个体数
      • 数量
      • 增长率：（出生率+迁入率）-（死亡率+迁出率）
      • 出生率和死亡率
      • 年龄比例
        • 物种存活曲线
          • 概念：以时间间隔作横坐标，以存活数 目为纵坐标，所得到的曲线称存活曲线。它可以反映出不同生物种群不同 年龄段数量变化的规律。
          • 举例
      • 性别比例
      • 迁入率和迁出率
    • 分布状况
      • 随机型
      • 群聚（密集)型
      • 均匀型
    • 遗传适度
• 群落生态学
  • 定义
    • 群落(community):在一定时间内居住于一定环境中的相互作用着的各种生物的总和
    • 群落生态学：一种研究群落与环境相互关系的科学
  • 生物群落的分类
    • 按植物生活型分类
      • 森林
        • 热带雨林
        • 亚热带常绿阔叶林
        • 温带落叶阔叶林
        • 泰加林（针叶林、山地森林）
      • 草原
      • 荒漠
    • 按地理气候分类
      • 热带群落
      • 亚热带群落
      • 温带群落
  • 群落的特征（*）
    • 物种多样性
      • 种的组成是区别不同群落的首要特征
    • 物种间的相互影响
      • 构成群落的种群之间必须相互协调、平衡
        • 同一群落中不同种群间相互作用方式（生物因子的类型）（*）
          • 竞争
            • 注：物种间叫竞争 物种内叫斗争
            • 生长在同一空间的种群，在长期共同进化中， 对资源加以适当分配，以避免竞争。
              • 其实竞争是少数的，这是由于生态位的分化
          • 捕食
            • 捕食者/被捕食关系使双方发展出多种适应性策略（共进化）。
              • 举例：猞猁和雪兔的负相关性曲线
              • 拟态、保护色、变色
          • 共生
            • 对双方有利，但不能分开生活
              • 如地衣（藻类和真菌的共生关系）
              • 如白蚁和消化道中的分解纤维素的细菌
                • 获得方法：白衣幼虫吃老白蚁的粪便
          • 中性
            • 彼此互不影响
          • 合作(原始共生)
            • 对双方有利，分开后能独立生活
              • 如犀牛和牛尾鸟
          • 附生(偏利共生)
            • 对A有益，对B无影响
              • 如在海葵旁生活的小丑鱼，靠着树木长得兰花
          • 偏害
            • 对A有害，对B没什么影响
              • 比如大榕树和下方小草的关系
          • 寄生
            • 如：螟蛉有子，蜾蠃负之，这不是寄生，是捕食； 蚊子吸血，黄蜂产卵与蛾幼虫体内
    • 结构特征
      • 生物群落具有一系列的结构特点，包括
        • （空间）形态结构
          • 水平型
          • 垂直型
        • 生态结构（生态位）
          • 平面结构
          • 垂直结构
          • 时间结构
          • 食物链结构
          • 生态位（niche）描述各种生物种群在群落中的空间和时间上的特定地位及其机能关系，包 含生活方式：食物、气候、需求等等。
            • 群落中生态位相似的物种是要发生竞争的，夺取生态位。
              • 稳定群落中占据相同生态位的两个物种，其中一个终究要灭亡。
              • 种群间避免直接竞争，从而保证了群落稳定。
              • 种群在对群落的时间、空间和资源利用方面，以及相互作用的可能类型方面，都趋于互相补充而不是直接竞争，从而保证了群落在一个较长时间有较高的生长力，更大的稳定性。
              • 竞争可以导致多样性而不是灭绝。竞争排斥在自然开放系统中， 很可能是例外而不是规律，因为，物种常常能够转换它们的功能生态位去避免竞争的有害效应。
        • 营养结构
          • 1、生产者 2、消费者 3、分解者
          • 能量流动的特征：逐级递减，单向传递
    • 动态特征
      • 生物群落的运动形式包括
        • 季节动态和年际动态
        • 演替与演化（*）
          • 群落（生态）演替：一个生物群落被另一个生物群落代替的过程
            • 特征
              • 1. 群落结构与功能的定向性变化
              • 2. 优势种的变更
              • 3. 在顶级群落形成之前其演替过程持续进行
            • 原因：环境变化、繁殖体的散布、物种间相互作用、新种类不断发生、人类活动的影响
            • 最终阶段：顶极群落
              • 表现
                • 1、出生率和死亡率达到平衡
                • 2、能量的输入与输出以及生产量和消耗量（如呼吸）也都达到了平衡
            • 分类
              • 初生演替
                • 例子很少：冰川泥，火山爆发，裸岩等
              • 次生演替
                • 特例：泥石流（周围环境尤其是土壤环境没有变化）
            • 举例
              • 水生演替
                • 浮水植物--->沉水植物--->浮叶根生植物--->直立水生植物--->湿生草本植物--->木本植物
                  • 在这种情况下，地衣又被称为“先驱物种”
              • 树林演替
                • 初生：裸岩--->地衣苔藓--->草本植物--->灌木--->树林
                • 次生：草本植物--->灌木--->树林
• 生态系统生态学
  • 系统构成三要件： 由许多成分组成 各成分间互相联系和作用 具有独立的、特定的功能
  • 更强调功能性质的特点
  • 定义
    • 生态系统：在一定空间中共同栖居着的所有生物与其环境之间通过不断进行物质循环和能量流动而形成的统一整体。也叫做“生物地理群落（Biogeoconsis）”
    • 生态系统生态学：一种研究神态系统中物质循环和能量流动的科学
  • 生态系统结构
  • 生态系统的能量流动（*）
    • 特征(*)
      • 逐级减少
        • （***）能量传递效率：10%（~20%）
          • 结果：食物链一般不超过5个营养级
      • 单方向性（单向流动）
    • 路径：沿着食物链（生产者--->消费者--->分解者）的方向
      • 也就是说在生态工程中不存在能量从分解者到消费者的情况,同时也注意到能量不会从高营养级流向低营养级：猪笼草捕食只反映了对氮源的摄取，并不能获得昆虫的能量
  • 生态系统的物质循环（*）
    • 类型：物质循环涉及大气圈、地圈和水圈，所以称为生物地球化学循环 (Biogeochemical Cycle)。
      • 水循环
        • Diagram shows how water flows between atmosphere, land and ocean. Most water evaporates from the ocean, while a large part also rains back into it. Most of what rains on the land is evaporated back into the atmosphere or is respired by plants in the process of photosynthesis. Only a small part returns to the sea by river.
      • 气体型循环（N,C）
      • 沉淀型循环（P）
    • 特点
      • 循环往复（可循环利用）
      • 物质守恒
    • 富集效应：生物浓缩与生物放大 （有毒有害物质，在食物链营养级上进行循环流动并逐级浓缩富集；在生物体代谢过程中不能被排泄而被生物体同化，长期停留于生物体内；有些有毒有害物质不能分解 而相反经生态系统循环后使毒性增加。）
      • e.g.DDT(Silent Spring)
      • 生物浓缩
        • 对于污染物而言是首次被获得
        • 有机体直接从水中摄取污染物
      • 生物放大
        • 污染物被一级级重复获得、富集
        • 有机物通过食物链从水中摄取污染物
  • 生态系统的信息传递
    • 信息种类
      • 物理信息
      • 化学信息
      • 营养信息
      • 行为信息
    • 动物之间的信息传递
      • 捕食
      • 居住
      • 防卫
      • 性行为
      • 群集
  • 生态平衡与生态危机
    • 生态平衡
      • 一段时间内：
      • （1）生物种类和数量相对稳定
      • （2）生物与环境之间的能量流动、物质循环。信息交流保持稳定
        • 物质与能量输入输出达到平衡
        • 物质与能量的循环和流动保持适合的比例和速度
      • （3）生态系统具有良好的自我调节能力整体性和动态平衡
    • 生态平衡的破坏与失调
      • 1. 生物种类成分的改变
      • 2. 生态系统结构的破坏
    • 生态危机举例： 切尔诺贝利核事故； 印度博帕尔毒气事故； 波斯湾原油泄漏； 美国拉夫运河事件； 德克萨斯垃圾带； 雨林滥伐 过度捕捞 极地冻土侵蚀 工业采矿 金斯敦发电站倒塌事故
  • 保护生物多样性
    • 注意与生物多样性（第一讲）相联系
    • 生物多样性丧失及其原因
      • 1||| 栖息地丧失和片断化
      • 2||| 掠夺式的过度利用
      • 3||| 环境污染
      • 4||| 农业和林业的品种单一化
      • 5||| 外来种的引入
        • 生物入侵危害
          • 1、入侵种严重破坏生物的多样性，并加速当地物种 的灭绝。
          • 2、对植物土壤的水分及其他营养成份，以及生物群 落的结构稳定性及遗传多样性等方面造成影响，从 而破坏当地的生态平衡。
          • 3、因其可能携带的病原微生物而对其他生物的生存 甚至对人类健康构成直接威胁。
          • 4、外来物种入还会给受害各国造成巨大的经济损失
    • 保护目标：是通过不减少基因和物种多样性，不毁坏重要的生境和生态系统的方式，来保 护和利用生物资源，以保证生物多样性持续发展。
    • 保护方式
      • 就地保护
      • 迁地保护
• 能量流动和物质循环的关系