生物學聯賽普通生態(tài)學教案(個體生態(tài)學)

1、生物學基礎知識復習學案生態(tài)學-1全國生物學聯賽輔導教案個體生態(tài)學主編：吳 波 修訂：彭 鵬生態(tài)學（ecology）是研究生物與其環(huán)境相互關系的科學。按照Haeckel最初所給的定義，生態(tài)學是研究有機體與其周圍環(huán)境，包括非生物環(huán)境和生物環(huán)境相互關系的科學。當今社會面臨的五大問題主要包括：人口、環(huán)境、資源（糧食和能源）。當今生態(tài)學研究的三大方向主要包括：（1）全球環(huán)境變化；（2）生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展；（3）生物多樣性的保護。一、環(huán)境與生態(tài)因子的概念1.環(huán)境環(huán)境是指某一特定生物體或生物群體以外的空間及其中可以直接或間接影響生物體或生物群體生存和發(fā)展的一切事物的總和。在生態(tài)學中，環(huán)境是相對于生物這一

2、主體的，環(huán)境是指圍繞著生物體或者生物群體的一切事物的總和；在環(huán)境科學中，環(huán)境是以人類為主體的，環(huán)境是指圍繞著人群的空間以及其中可以直接或間接影響人類生活和發(fā)展的各種因素的總體。由于生態(tài)學以生物的不同層次為對象進行研究，不同層次的對象對應的環(huán)境不同。2.生態(tài)因子環(huán)境因子是從環(huán)境中分離出來的條件單位，如氣候因子、土壤因子、地形因子和生物因子等。生態(tài)因子是在環(huán)境因子中，對生物起直接作用的因子，如對生物形態(tài)、結構、生長、發(fā)育、生理、生化等有影響的環(huán)境因子。生態(tài)因子的總和為生態(tài)環(huán)境。在生態(tài)學中，將有機體生活和發(fā)育不可缺少的生態(tài)因子（食物、熱、O2等對于動物，光、CO2和水對于植物）稱為生存條件。特定群落

3、的生態(tài)因子的總和（無機環(huán)境）稱為生境。（1）生態(tài)因子按照屬性來分：非生物因素：溫度、光、水、pH、氧等理化因子；生物因素：同種和異種生物。（2）生態(tài)因子按照性質來分：氣候因子：非生物因素；土地因子：既包含生物因素，又包含非生物因素；生物因子：生物因素；人為因子：生物因素。（3）生態(tài)因子按照穩(wěn)定性和作用來分：非周期因子（土壤、種間關系、地心引力）：影響種群的數量和分布，不影響發(fā)育周期；原初周期性因子（光、溫度）：固定周期，生物可很好地適應；次生周期性因子（降水、大氣濕度、生物量、種內關系）：周期性不固定，適應性較差。（4）生態(tài)因子按照對種群數量的影響來分：密度制約因子：食物、天敵、流行病等生物因

4、素；非密度制約因子：溫度、降水等氣候因素。二、生態(tài)因子作用的特點1.綜合性：每一種生態(tài)因子都是在與其他因子的相互影響、相互制約中起作用的，任何一種因子的變化都會在不同程度上引起其他因子的變化。例如，光強度的變化必然會引起大氣和土壤溫度和濕度的改變。2.非等價性（主導因子作用）：對生物起作用的諸多因子是非等價的，其中必有1-2個是起主要作用的主導因子。主導因子的改變會引起許多其他生態(tài)因子發(fā)生明顯變化或使生物的生長發(fā)育發(fā)生明顯變化，如光周期現象中的日照長度和植物春化階段的低溫因子就是主導因子。3.不可替代性和互補性（可調劑性）：生態(tài)因子雖然是非等價的，但都是不可缺少的，一個因子的缺失不能由另一個因

5、子來替代。但某一因子的數量不足，有時可以靠另一個因子的加強而得到調劑和補償，結果仍可以獲得相似的生態(tài)效應。例如，光強減弱所引起的光合作用下降可靠CO2濃度的增加得到補償，鍶大量存在時可減少Ca不足對動物造成的有害影響。4.限定性（階段性）：生物的不同發(fā)育階段往往需要不同的生態(tài)因子或生態(tài)因子的強度。某一生態(tài)因子的有益作用常常只限于生物生長發(fā)育的某一特定階段。例如，低溫對植物春化階段是必不可少的，但在其后的生長階段是有害的。三、生物對生態(tài)因子的耐受限度1.利比希最低因子定律利比希（Liebig）是19世紀德國的農業(yè)化學家，1840年，發(fā)現谷物的產量常不是受常量營養(yǎng)物質（N、P、K等）所限制，而是取

6、決于植物必需的微量元素（B、Mg、Fe等）。最小因子法則的內容是：作物的增產與減產是與作物從土壤中所獲得的礦物營養(yǎng)的多少呈正相關的。每一種植物都需要一定種類和一定數量的營養(yǎng)物，如果其中有一種營養(yǎng)物完全消失，植物就不能生存。如果這種營養(yǎng)物數量極微，植物的生長就會受到不良影響。最小因子法則的概念必須作兩點補充才能使它更為實用：（1）最小因子法則只能作用于穩(wěn)態(tài)環(huán)境下，也就是說，如果一個生態(tài)系統(tǒng)中，物質和能量的輸入和輸出不是處于平衡狀態(tài)，那么植物對于各種營養(yǎng)物質的需要量就會不斷變化，在這種情況下，Liebig的最小因子法則就不能應用。（2）應用最小因子法則的時候，還必須考慮到各種因子之間的相互關系。2

7、.謝爾福德的耐受性定律生態(tài)因子不僅處在最小量時可能成為限制因子，過量時也同樣可能成為限制因子。美國生態(tài)學家謝爾福德（1913）提出了耐受性定律：生物不僅受生態(tài)因子最低量的限制，而且受生態(tài)因子最高量的限制。生物對每一種生態(tài)因子都有其耐受的上限和下限，上下限之間就是生物對這種生態(tài)因子的耐受范圍，其中包括最適生存區(qū)。Shelford耐受性法則可形象地用一個鐘形耐受曲線來表示。耐受性定律是最低因子定律的進一步發(fā)展，表現在：（1）考慮了生態(tài)因子的上限；（2）不僅估計了生態(tài)因子量的變化，還估計了生物本身的耐受性問題；（3）允許生態(tài)因子之間的相互作用（替代和補償等）。耐受限度的說明：（1）生物的耐受范圍因發(fā)

8、育時期、季節(jié)、環(huán)境條件（生態(tài)因子）的不同而變化。如生長旺盛時，對一些生態(tài)因子的耐受性提高；當某一生態(tài)因子不是處在最適量時，生物對其它因子的耐受范圍可能隨之縮小。再如對某一個生態(tài)因子耐受范圍很寬，對另一個因子又很窄。（2）對很多生態(tài)因子耐受范圍都很寬的生物，分布一般很廣。生物對氣候因子的耐受范圍影響著生物的分布，但是，氣候因子只能說明生物不能分布的地區(qū)，卻不能準確地說明生物將會分布的地區(qū)。（3）生物的實際耐受范圍（自然界）幾乎都比潛在的范圍（生理耐受）狹窄。這可能是因為：在不利條件影響下，提高了對基礎代謝生理調節(jié)的代價；生態(tài)環(huán)境中的輔助因子降低了代謝強度的上限或下限水平。（4）生物的耐受范圍一般

9、都有其低限、高限和最適點。但是，對于某一生態(tài)因子，在自然界生物常不在最適范圍內的地方生活，而在不很適宜的地方生活，這可能是因為其它生態(tài)因子起著決定作用。由于種間競爭，常使生物的分布范圍偏離最適點。（5）繁殖期往往是一個臨界期，環(huán)境因子最可能在繁殖期中起限制作用。3.限制因子限制因子（limiting factors）：生物的生存和繁殖依賴各種生態(tài)因子的綜合作用，但其中必須有一種或少數幾種是限制生物生存和繁殖的關鍵性因子，這些關鍵性因子就是所謂的限制因子。任何一種生態(tài)因子只要接近或超過生物的耐受范圍，它就會成為這種生物的限制因子。限制因子的意義：由于眾多的生態(tài)因子的重要性不同，限制因子作用可能最

10、強大，因此，在生態(tài)學研究中，環(huán)境分析要集中在可能是限制因子的生態(tài)因素上。那些耐受范圍窄、在自然界變化幅度大的生態(tài)因子，最可能成為限制因子。限制因子的確定，要通過觀察、分析和實驗相結合的途徑。首先進行野外觀察和分析，找出可能起限制作用的因子；其次要分析這些因子如何對生物起作用；最后設計室內實驗，確定某一因子與生物的定量關系。一般地，實驗測定的耐受范圍要比野外實際范圍寬一點，因為野外可能還受其它因子的影響。四、大環(huán)境和小環(huán)境大環(huán)境：是指地區(qū)環(huán)境（具有不同氣候和植被特點的地理區(qū)域）、地球環(huán)境（包括各圈的全球環(huán)境）和宇宙環(huán)境。例如，三北防護林、厄爾尼諾和拉尼娜、太陽黑子等。小環(huán)境：是指對生物有著直接影

11、響的鄰接環(huán)境。例如，生物個體表面的大氣環(huán)境、土壤環(huán)境和動物穴內的小氣候等。大環(huán)境不僅直接影響小環(huán)境，而且對生物體也有直接和間接的影響。小環(huán)境直接地影響著生物的生存，生物也直接影響小環(huán)境。五、生物對生態(tài)因子耐受限度的調整1.馴化：是指在自然或人工環(huán)境條件下生物的適應變化，也可以理解為生物體內決定代謝速率的酶系統(tǒng)的適應性改變。氣候馴化（適應）指自然條件下所誘發(fā)的生理補償變化，這種生理適應需較長時間完成；適應指生物在生存競爭中適應環(huán)境條件而形成一定性狀的現象。這種形態(tài)適應需要很長時間。2.休眠：是生物抵御暫時不利環(huán)境條件的一種非常有效的生理機制。在休眠期，生物對環(huán)境條件的耐受范圍就會比正常活動時寬的

12、多。如動物學中學習過的動物冬眠、夏眠和日眠。植物種子休眠時代謝率幾乎下降到零。3.周期性變化：動物的補償能力表現出明顯的周期性變化，如季節(jié)性、晝夜變化和熱帶的干旱、雨季的周期性變化。耐受性的節(jié)律變化或對最適條件選擇的節(jié)律變化大多是由外在因素決定的，少數是由生物本身的內在節(jié)律引起的。六、內穩(wěn)態(tài)和非內穩(wěn)態(tài)生物內穩(wěn)態(tài)機制：是指生物控制自身體內環(huán)境，使其保持相對穩(wěn)定，是進化發(fā)展過程中形成一種更進步的機制，它或多或少能夠減少生物對外界條件的依賴性。具有內穩(wěn)態(tài)機制的生物借助于內環(huán)境而相對獨立于外界條件，大大提高了生物對生態(tài)因子的耐受范圍。根據生物對非生物因子的反應或者依據外部條件對生物體內狀態(tài)的影響，將生

13、物分為內穩(wěn)態(tài)生物和非內穩(wěn)態(tài)生物。這兩類生物之間的基本差異是決定其耐受限度的根據不同。內穩(wěn)態(tài)生物是廣生態(tài)幅、廣適應性物種。對于溫度因子，內穩(wěn)態(tài)生物保持體內恒溫；對于濕度因子，表現為廣濕性。非內穩(wěn)態(tài)生物則表現為體內環(huán)境隨外界環(huán)境而變化。內穩(wěn)態(tài)機制是生物進化、發(fā)展過程中形成的一種更進步的機制，它使生物減少了對外界條件的依賴性，提高了生物對生態(tài)因子的耐受范圍。生物為保持內穩(wěn)態(tài)，發(fā)展了很多復雜的形態(tài)和生理適應，如動物的羽和毛起保溫隔熱作用，高代謝率增加體內產熱。但動物最普遍的方法是行為適應。七、適應組合生物對一組特定環(huán)境條件的適應表現出彼此之間的相互關聯性，這一整套協(xié)同的適應特性就稱為適應組合。1.植物

14、的適應組合生活在沙漠中的常綠植物表皮增厚、減少氣孔數目、形成卷葉等適應干旱環(huán)境，對于沙漠環(huán)境是不夠的，最耐旱的肉質植物將雨季吸收的大量水分儲存在根、莖、葉中，它僅在晚間打開氣孔，并吸收環(huán)境中的CO2，合成有機酸儲存在組織中，白天有機酸脫羧將CO2釋放出來，供低水平光合作用使用。2.動物的適應組合駱駝清晨取食有露水的植物嫩枝葉或多汁的植物獲得必需的水分，尿濃縮減少水損失；駝峰和體腔中儲存脂肪，代謝時可產生代謝水；白天體溫升高減緩吸熱過程，晚上散熱時，皮下脂肪轉移到駝峰中，加快散熱，體溫變化減少出汗失水；駱駝一次飲水量大。八、光對生物的作用（一）光質對生物的影響1.光質對植物的影響陸生植物主要吸收

15、紅光和藍光，高山紫外抑制莖的伸長；海水表層綠色植物也吸收紅光和藍光；海水深層紅藻、紫菜等有效利用綠光。2.光質對動物的影響靈長類、鳥類、魚類、節(jié)肢動物等都有很發(fā)達的色覺；不同發(fā)育階段對光質反應不同，例如，紅光促進雞的繁殖，藍光有助于雞的生長；魚類對綠、藍、紅光比較敏感。（二）光強度對生物的影響1.光強度與陸生植物植物光合作用達到最大值時的光照強度，稱為該種植物的光飽和點，苗期和生育后期光飽和點較低，生長旺期光飽和點較高。光合作用和呼吸作用相等時的光照強度稱為光補償點。（1）陽地植物：適應于強光照地區(qū)生活的植物稱為陽地植物，這類植物光補償點較高，光飽和點一般也較高，光合速率和代謝速率都比較高，可

16、利用強光，如楊、柳、樺、槐、松、衫等。（2）陰地植物：適應于弱光照地區(qū)生活的植物稱陰地植物，這類植物的光飽和點較低，光補償點一般較低，光合速率和呼吸速率都比較低，可有效利用弱光，如人參、三七等。（3）耐陰植物：對光照具有較高的適應能力，對光的需要介于陰地植物和陽地植物之間，但是最適應在完全光照下生長，如玉竹、麥冬。2.光照對水生植物的影響水生植物只能生活在水體的透光帶；海帶等巨型藻類在大陸沿岸生活，單細胞浮游植物只能在海洋上層生活。3.光照對動物行為的影響光照強度決定動物開始活動的時間。根據動物的活動時間將動物分為：（1）晝行性動物：多數鳥類、靈長類、有蹄類等；（2）夜行性動物：夜猴、蝙蝠、家

17、鼠等。鱉屬夜行性，光照強度越低，攝食量越大，生長越快。大麻哈魚、鰈類等必須有一定的光照強度才能攝食。多數鳥類在光亮時活動，但光照過強時也抑制其活動。（三）光周期對生物的影響1.光周期對植物的影響光周期影響植物的生長、發(fā)育和繁殖，根據植物開花與光照周期關系，將植物分為：（1）長日照植物：通常是在日照時間超過一定數值才能開花，否則植物只進行營養(yǎng)生長，不能形成花芽。例如，冬小麥、大麥、油菜、蘿卜、甘藍、甜菜、菠菜等。人為延長光照時間可以促使這些植物開花。（2）短日照植物：通常是在日照時間少于一定數值才能開花，否則植物只能進行營養(yǎng)生長，不能形成花芽。例如，水稻、玉米、大豆、煙草、棉、菊等。（3）中性日

18、照植物：對于光照要求不嚴，只要其他條件適宜，在任何日照條件下都能開花的植物，例如，四季豆、番薯、黃瓜、番茄、蒲公英等。（4）中日照植物：花芽形成需要中等日照時間的植物。例如，甘蔗在光照為12h30min時才能開花。2.光周期對動物的影響光周期對動物的影響表現在以下幾個方面：（1）決定動物的遷徙、遷移或洄游的時間；（2）影響鳥獸換羽、毛（短光照、限食、限水）；（3）影響動物的生殖時間（鳥類在長光照一個月后可繁殖）；（4）影響動物的冬眠和滯育（常與溫度有關）。九、溫度與生物的關系溫度低于一定的數值，生物會因低溫而受害，該值稱為臨界溫度。低于臨界溫度生物受冷害；低于0受凍害（生物體內形成冰晶）。冷害

19、是指喜溫生物在0以上的溫度條件下受害或死亡；凍害是指冰點以下的低溫使生物體內形成冰晶而造成的損害。長期生活于低溫環(huán)境中的生物通過自然選擇，在形態(tài)、生理和行為上表現出很多明顯的適應。高溫使生物呼吸加強，多因缺水、代謝物積累、蛋白質凝固等體液不平衡所致。高溫使植物光合作用下降，呼吸作用加強，水分代謝不平衡，代謝物積累，蛋白質凝固；高溫使動物呼吸作用加強，排泄失調，蛋白質凝固，酶失活，神經麻痹。1.溫度對植物的影響（1）低溫對植物的影響形態(tài)上：葉片表面有油類物質，芽具鱗片，體表具蠟粉和密毛，矮?。簧砩希核纸档?，糖、脂、色素增加以降低細胞冰點，吸收光譜增寬，能吸收紅外線。（2）高溫對植物的影響形態(tài)

20、上：某些植物生有密絨毛和鱗片、體呈白色、可反射部分光線，葉片垂直排列，木栓層厚；生理上：含水少，糖、鹽濃度高，蒸騰作用旺盛。2.溫度對動物的影響（1）貝格曼定律：恒溫動物（內溫動物）在寒冷的氣候條件下，體型趨向于大，在溫暖的氣候條件下，體型趨向于小。因為個體大的動物，其相對表面積小，單位體重散熱量相對較少，這樣有利于保持體溫。（2）阿倫定律：恒溫動物身體的突出部分如四肢、尾巴和外耳等在低溫環(huán)境中有變小變短的趨勢，在溫暖地區(qū)有變長的趨勢。這也是在寒冷地區(qū)減少散熱和在溫暖地區(qū)增加散熱的一種形態(tài)適應。（3）喬丹定律：棲息于冷水水域中的魚類，比棲息于溫暖水域中的同種魚的脊椎骨數目多。低溫使魚類的生長和

21、發(fā)育速度變慢，因而延長了其性成熟時間，從而產生更大的個體，其脊椎骨的數目也增多。（4）葛洛格定律：一般來說，在干燥而寒冷的地區(qū)，動物的體色較淡；而在潮濕而溫暖的地區(qū)，其體色較深。溫熱地區(qū)動物毛色較深的原因，可能與色素產生和酶活動有關，較高的濕度和溫度能增強酶的活性，提高代謝速率，使皮膚中產生較多的黑色素，體色則較深。（5）阿利氏定律：動物有一個最適宜的種群密度，種群過密或過疏都可能對自身產生不利影響。隨著種群密度過大，將對整個種群帶來不利影響，如它將抑制種群的增長率，增大死亡率等。3.有效積溫法則（溫度與生物發(fā)育的關系）植物在生長發(fā)育過程中必須從環(huán)境中攝取一定的熱量才能完成某一階段的發(fā)育，而且

22、植物個體發(fā)育階段所需要的總熱量是一個常數，因此可以用公式N·TK表示，其中N為發(fā)育歷程，即生長發(fā)育所需要的時間，T為發(fā)育期間的平均溫度，K是總積溫，為一常數。生物的發(fā)育都是從某一溫度開始的，而不是從零度開始的，生物開始發(fā)育的溫度就稱為發(fā)育起點溫度，由于只有在發(fā)育起點溫度以上的溫度對發(fā)育才是有效的（C表示發(fā)育起點溫度），所以上述公式必須改寫成N（TC）K。有效積溫法則的應用：（1）預測生物發(fā)生的時代數；（2）預測生物地理分布的北界；（3）預測害蟲來年發(fā)生程度；（4）推算生物的年發(fā)生歷；（5）據此制定農業(yè)氣候規(guī)劃，合理安排作物，預報農時。有效積溫法則的局限性：（1）有效積溫和發(fā)育起點溫度

23、是在恒溫下測得的，變溫下昆蟲發(fā)育較快；（2）溫度和發(fā)育速度的關系為S型，而非直線型；（3）生物的生長還受溫度外其他因素的影響，如長日照促進小麥發(fā)育；（4）不能用于休眠、滯育生物的時代數計算。十、陸生生物與水的關系植物失水主要是蒸騰作用（運輸礦物元素、營養(yǎng)物質）、氣體交換（CO2含量低，0.03%），攝取CO2需交換的空氣量大；形態(tài)上，具細毛、棘刺（散熱、遮光）、蠟質表皮；生理上，氣門可自動開關，氣孔陷于葉中，攝O2快速（生化）、轉化儲存，晚上行光合作用。動物皮膚蒸發(fā)、呼吸、排泄失水；昆蟲有幾丁質的外骨骼和蠟質層，氣門由氣門瓣控制；爬行動物：具角質鱗和皮下脂肪；鳥獸：呼吸道長；腎重吸收能力強；排

24、尿酸和尿素；鳥類皮膚腺退化；某些鳥獸高溫時可提高體溫（黃鼠、羚羊和駱駝）；鼻腔冷凝水，重吸收。（一）水生植物水生植物的適應特點是體內有發(fā)達的通氣系統(tǒng)；葉片常呈帶狀、絲狀或極薄，有利于增加采光面積和對CO2與無機鹽的吸收；植物體具有較強的彈性和抗扭曲能力以適應水的流動；淡水植物具有自動調節(jié)滲透壓的能力，而海水植物則是等滲的。1.沉水植物整株植物沉沒在水下，為典型的水生植物。根退化或消失，表皮細胞可直接吸收水中氣體、營養(yǎng)物和水分，葉綠體大而多，適應水中的弱光環(huán)境，無性繁殖比有性繁殖發(fā)達。如貍藻、金魚藻和黑藻等。2.浮水植物葉片飄浮水面，氣孔通常分布在葉的上面，維管束和機械組織不發(fā)達，無性繁殖速度快

25、，生產力高。不扎根的浮水植物有鳳眼蓮、浮萍和無根萍等，扎根的有睡蓮和眼子菜等。3.挺水植物植物體大部分挺出水面，如蘆葦、香蒲等。（二）陸生植物1.濕生植物濕生植物抗旱能力小，不能長時間忍受缺水。生長在光照弱、濕度大的森林下層，或生長在日光充足、土壤水分經常飽和的環(huán)境中。前者如熱帶雨林中的各種附生植物（蕨類和蘭科植物）和秋海棠等；后者如水稻、毛茛、燈心草和半邊蓮等。2.中生植物中生植物適于生長在水濕條件適中的環(huán)境中，其形態(tài)結構及適應性均介于濕生植物和旱生植物之間，是種類最多、分布最廣和數量最大的陸生植物。3.旱生植物旱生植物能忍受較長時間干旱，主要分布在干熱草原和荒漠地區(qū)。又可分為少漿液植物和多

26、漿液植物兩類。前者葉面積縮小，根系發(fā)達，原生質滲透壓高，含水量極少，如刺葉石竹、駱駝刺和夾竹桃等；后者體內有發(fā)達的貯水組織，多數種類葉片退化而由綠色莖代行光合作用，如仙人掌、石蒜、景天和猴猻面包樹。十一、生物與土壤的關系1.巖石圈巖石圈主要由地球的地殼層構成，是生物所需要的各種元素和化合物的源泉，也是成土母質、海洋鹽類、大氣和一切自由水的源泉。土壤由固體、液體、氣體三種狀態(tài)的物質組成的，具有通氣性、持水性、濕度、熱容量等物理性質。土壤是陸生植物生長、動物棲息和活動的場所，完成生態(tài)系統(tǒng)的許多基本功能，如分解過程、固氮作用、脫氮作用、去污作用等。2.大氣圈大氣圈由圍繞地球的各種氣體混合物所組成。大氣圈的厚度可達10000km。從海平面往上，每升高275m（900英尺），氣壓下降1/30；隨海拔升高，氣壓降低的速率越來越小，50km（30英里）以上，氣壓變化極小。3.生物圈生物圈是指地球上存在生命的部分，它由大氣圈的下層（對流層）、水圈和巖石圈的上層（風化殼）組成。從地下12km至23km高空?，F代生態(tài)學認為，生物圈是生物與環(huán)境相互作用的產物，是地球上最大的生態(tài)系統(tǒng)。它既包括地球上全部生物，又包括生物賴以生存的全球性環(huán)境條件的總和。4.生物與土壤的關系（1）密度：有孔隙土壤，小型動物穿行，身體細長，角質表皮；松