第03章-水因子的生態(tài)作用及生物的適應(yīng)剖析

荒漠蟬之謎？★它可以通過蒸發(fā)降溫嗎？★它能背個水壺來解決水分損失嗎？Howdoesthecicadaremainsactivewhenenvironmentaltemperatureexceedsitslethalmaximum?★蟬躲在樹叢中利用陰涼的小氣候？Toolson及其學生深化探討了這一不為大家留意的問題！★假如是，那如何限制水分損失（因為昆蟲體小，表面積相對很大）？第5章水因子的生態(tài)作用及生物的適應(yīng)

Waterasanecologicalfactor關(guān)鍵概念在陸地和水域環(huán)境中水分沿濃度梯度下行，從而確定著生物獲得水分的狀況陸地動、植物通過平衡水分得失來調(diào)整體內(nèi)水分海洋和淡水生物利用補償機制來調(diào)整體內(nèi)水分和鹽平衡5.I水的可利用性Wateravailability

(1)空氣中的水分含量在陸地和水域環(huán)境中水分沿濃度梯度下行確定著生物獲得水分的狀況水汽密度：單位立方米水汽分子的重量（g/m3).水汽壓：空氣中氣體分子產(chǎn)生的壓力（kPa).

[1帕pascal(Pa)=1牛頓力/m2]相對濕度(RH)：指單位容積空氣中實際水汽含量與同一溫度下飽和水汽含量之比(%)。飽和差(水汽壓赤字Vaporpressuredeficit)：指實際水汽含量與同一溫度下飽和水汽含量之差。飽和水汽密度飽和水汽壓溫度與水汽壓（水汽密度）的關(guān)系：正相關(guān)（續(xù)）陸地生物的水汽壓赤字與水分蒸發(fā)損失的關(guān)系s水汽壓赤字高，體內(nèi)蒸發(fā)就大水汽壓赤字低，體內(nèi)蒸發(fā)就小(2)水域環(huán)境中水的運動

水從高濃度向低濃度環(huán)境擴散，即滲透(作用)osmosis，從而產(chǎn)生滲透壓，那么溶液中物質(zhì)的擴散方向與水相反。依據(jù)生物體液與環(huán)境關(guān)系：低滲高滲等滲等滲壓的(生物)－體液中水濃度和鹽濃度與環(huán)境中的相同；高滲壓的（生物）－體液中水的濃度低于環(huán)境，但鹽濃度高于環(huán)境。低滲壓的（生物）－體液中水的濃度高于環(huán)境、但鹽濃度低于環(huán)境。(3)土壤與植物間的水分運動

在陸地上，水分從生物體流向大氣，其速率取決于生物與四周空氣的水汽壓赤字。水從土壤經(jīng)過植物進入大氣是沿水勢能waterpotential（即水做功的實力）梯度而運動（圖解）。水做功的實力取決于它的自由能，從高自由能向低自由能運動。水勢梯度（續(xù)）若設(shè)純水的勢能為0，其它任何液體的勢能都為負值。故自然界的水勢能一般為負值，因為在自然界幾乎不存在確定的純凈水。所以，水從勢能較大的土壤經(jīng)過植物最終進入水勢最小的干燥空氣中（圖解）。思索題

請繪制出夏季植物在一天中的葉片水勢變更圖。timeWaterpotential5.2生物在陸地環(huán)境中的水分調(diào)整

WaterRegulationonLand陸地動、植物通過平衡水分得失來調(diào)整體內(nèi)水分陸生生物面臨2個問題：身體水分蒸發(fā)散失、難以補充水。陸生動物的水調(diào)整平衡：Wia＝Wd＋Wf＋Wa–We－WsWia－動物體內(nèi)水.水來源：Wd－drink飲水；Wf－food食物水；Wa－air吸取空氣中的水；水散失：We－evaporation蒸發(fā)失掉水；Ws－secretions排泄水。陸生植物水的調(diào)整：Wip＝Wr＋Wa－Wt－Ws獲得水：Wr－gainingwaterfromsoil(根)byroot；Wa－gainingwaterfromtheair從空氣中吸取水。散失的水有：Wt－losingwaterbytranspiration(蒸騰)Ws－losingwaterbyvarioussecretions分泌和生殖結(jié)構(gòu)（花蜜、果實和種籽）。Watergainsandlossesbyterrestrialplantsandanimals★另一種偽步甲Ony則實行圖示的方式取水（圖）。a)主動找水;b)生活在水旁邊；c)特殊方式－工程節(jié)水：在西南非洲納米比沙漠，幾乎沒有雨，但霧多，那里的偽步甲：★在沙丘上開溝凝合和收集霧汽，溝收集的濕氣流到低處，甲蟲等在那里吸取濕氣。(1)動物獲得水的方式

（續(xù)）依靠代謝水的例子見圖5.11

偽步甲體內(nèi)水分平衡Waterbalanceinthekangaroorate

思索題

本章中列舉了干旱荒漠中偽步甲與水的關(guān)系。這一科的昆蟲也有生活在溫帶潮濕環(huán)境的種類，那么不同環(huán)境中偽步甲的水分散失率有何不同？依據(jù)什么假設(shè)作出你的預料？你如何來驗證你的預料？(2)植物獲得水的方式

Soilmoistureandrootdevelopmentbyagrasslandforb植物根系的發(fā)育程度常常反映了可獲得水的狀況。生長在干旱氣候環(huán)境中的根系要大于潮濕氣候環(huán)境中的根系（圖5.12）。干旱環(huán)境中植物的主根扎得很深，有的深達30m。探討實例Park(1990):為什么馬唐(Digitaria)能夠生長在海岸沙丘上而Elusine不能？對此探討了這2種草對水分缺乏的反應(yīng)：種籽在潮濕的沙中萌發(fā)把苗移種在10X90cm的PVC管（裝有海岸沙）每種草種36管，每管2株每10天澆一次養(yǎng)分液，持續(xù)40天18管接著澆水19天18管停止?jié)菜?9天?RootgrowthbygrassfromdryandmoisthabitatsfrommoisthabitatfromadryhabitatLeafwaterpotentialsofgrassesfromdryandmoisthabitats(3)動植物的保水方式

防止水分蒸發(fā)的最明顯的方式是被覆一層防水層，如蠟層。但生物種類之間防水層的作用差異很大。干旱環(huán)境的生物水分散失要慢于潮濕環(huán)境的生物，這是生物在長期演化過程的適應(yīng)結(jié)果。即使親緣關(guān)系很近的生物也可能有不同的適應(yīng)性。生活在潮濕和干旱環(huán)境中不同龜?shù)乃稚⑹时容^Waterlossratesbytigerbeetlesfrommoistanddryhabitats（續(xù)）陸生昆蟲表皮的防水是由碳氫化合物確定的。2種虎甲表皮碳氫化合物，見圖Cuticular(表皮）hydrocarbons（碳氫化合物）oftigerbeetlesfrommoistanddryhabitats續(xù)植物也演化出多種保水方式。植物保持水分的實力部分地確定于:葉面積﹕根系面積（或長度）單位根系長度的葉面積越大，散失水分越多。有些沙漠植物在干旱季節(jié)脫落葉片，下雨后生出葉片。DryperiodMoistperiod續(xù)其它適應(yīng)方式有葉片增厚、氣孔削減、氣孔上有阻擋水分運動的結(jié)構(gòu)、休眠等。生長在熱帶空曠地的一種植物Piperauritum為適應(yīng)中午干燥的空氣使葉片萎焉，減小葉面積約55％、葉面降溫4-5℃，從而減小蒸騰率30－50％.完全不同的生物實行近似的方式適應(yīng)荒漠生活蟬和蝎子可能生活在相同的環(huán)境中，但實行了完全不同的途經(jīng)。Heath&Wilkin(1970)視察發(fā)覺：太陽出升前后，蟬棲息在豆灌木的大枝和嫩葉上吸食木質(zhì)部汁液；當體溫達到39℃時，蟬移動到大樹枝的被陰處，雄蟬起先鳴叫。假如溫度在整個中午不超過40℃，它就不停地鳴叫。但當48℃（1:00－3:00P.M.）就停止鳴叫；過了這個時間又鳴叫(4)兩種節(jié)肢動物實行不同的方式適應(yīng)沙漠生活蟬蟬的體溫比氣溫低得多，蟬呆的地方（大樹枝被陰處）很小，其主要捕食者鳥無法觸及。這種蟬還有別的方式調(diào)整體溫嗎？把蟬放在培育箱中，人為限制溫度或濕度來視察蟬的體溫變更100％RH下使蒸發(fā)停止，則體溫快速上升蟬這個結(jié)論符合實際嗎？用濕度傳感器放在緊靠體壁之上。因為他們預料，假如蒸發(fā)降溫起作用，隨氣溫上升，水分散失就會增大。試驗結(jié)果驗證了他們的假說（圖）續(xù)這種蟬能夠在燥熱的時間鳴叫，因為它能‘出汗’。蟬是如何散失水分的？思索題★請說明荒漠蟬是如何運用蒸發(fā)冷卻的而其它昆蟲卻做不到?！锖芏嗷哪镉型陚涞姆浪畽C制。然而，進化不能阻擋全部的水分蒸發(fā)散失，為什么？（提示：圍繞生物必需與環(huán)境保持溝通的方式）5.3水域環(huán)境中水和鹽的平衡

海洋和淡水生物利用補償機制來調(diào)整體內(nèi)水分和鹽水生生物的體內(nèi)水平衡等式：Wi＝Wd－Ws±WoWi:體內(nèi)水分internalwater；Wd:飲水drink；Ws:泌尿secretion；Wo:滲透水分得失osmotic(1)海洋魚類和無脊椎動物

微高滲壓shark水通過鰓進入體內(nèi)鹽離子被鹽腺濃縮后解除體外大多數(shù)海洋無脊椎動物屬等滲壓動物－基本無需克服滲透壓梯度（但某些溶解質(zhì)的濃度仍有差異）。鯊魚、鰩、鰭屬高滲壓動物，血液中鹽溶液濃度高于海水。Na+,CI+Osmo-regulationbymarinefishandsaltwatermosquitoes水分從海洋硬骨魚體內(nèi)向海水中擴散鹽隨濃縮尿形式解除，但海洋硬骨魚的體液猛烈低滲透，即失水。飲水同時也增加了鹽的進入。兩種方式擺脫多余的鹽。其鰓基部的“氯化物”細胞向水中干脆分泌鈉和氯，而腎分泌鎂和硫（隨尿排掉）。鹽水中生活的按蚊幼蟲如此。Osmoregulationbyfreshwaterfishandmosquitoes淡水無脊椎動物體液也是低滲透性的，要花能量泵出水并主動吸取鹽。但滲透梯度不大，故用的能量不大。淡水魚是低滲透性，鹽通過鰓向外流而水向內(nèi)流。魚以多尿的形式解除體內(nèi)的水，鰓基部的“氯細胞”從水中吸取鈉和氯，并且通過取食獲得鹽(2)淡水魚和無脊椎動物

思索題很多海洋無脊椎動物與其環(huán)境是等滲透壓的，保持等滲透壓有何好處？THEEND!思索題1.有人提出，等足蟲在空曠環(huán)境中通過蒸發(fā)冷卻方法保持較低的體溫。請說明為什么蒸發(fā)冷卻在空曠環(huán)境中起作用而在石頭下幾乎沒有作用？2.

區(qū)分水汽壓赤字、滲透壓和水勢。這三種現(xiàn)象是否都能用相同的單位－“帕”測量？3.

葉片水勢一般在黎明前最高，然后漸漸下降直到中午以后，那么中午較低的葉片水勢是增大還是減小了從土壤到植物的水移動速率？假設(shè)土壤水勢在早晨和中午基本相同，植物在早晨還是中午須要更多的水？