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1、,生物学基础知识复习学案生态学-1全国生物学联赛辅导教案个体生态学主编：吴 波 修订：彭 鹏生态学（ecology）是研究生物与其环境相互关系的科学。按照Haeckel最初所给的定义，生态学是研究有机体与其周围环境，包括非生物环境和生物环境相互关系的科学。当今社会面临的五大问题主要包括：人口、环境、资源（粮食和能源）。当今生态学研究的三大方向主要包括：（1）全球环境变化；（2）生态系统的可持续性发展；（3）生物多样性的保护。一、环境与生态因子的概念1.环境环境是指某一特定生物体或生物群体以外的空间及其中可以直接或间接影响生物体或生物群体生存和发展的一切事物的总和。在生态学中，环境是相对于生物这
2、一主体的，环境是指围绕着生物体或者生物群体的一切事物的总和；在环境科学中，环境是以人类为主体的，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。由于生态学以生物的不同层次为对象进行研究，不同层次的对象对应的环境不同。2.生态因子环境因子是从环境中分离出来的条件单位，如气候因子、土壤因子、地形因子和生物因子等。生态因子是在环境因子中，对生物起直接作用的因子，如对生物形态、结构、生长、发育、生理、生化等有影响的环境因子。生态因子的总和为生态环境。在生态学中，将有机体生活和发育不可缺少的生态因子（食物、热、O2等对于动物，光、CO2和水对于植物）称为生存条件。特定群
3、落的生态因子的总和（无机环境）称为生境。（1）生态因子按照属性来分：非生物因素：温度、光、水、pH、氧等理化因子；生物因素：同种和异种生物。（2）生态因子按照性质来分：气候因子：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；人为因子：生物因素。（3）生态因子按照稳定性和作用来分：非周期因子（土壤、种间关系、地心引力）：影响种群的数量和分布，不影响发育周期；原初周期性因子（光、温度）：固定周期，生物可很好地适应；次生周期性因子（降水、大气湿度、生物量、种内关系）：周期性不固定，适应性较差。（4）生态因子按照对种群数量的影响来分：密度制约因子：食物、天敌、流行病等生物
4、因素；非密度制约因子：温度、降水等气候因素。二、生态因子作用的特点1.综合性：每一种生态因子都是在与其他因子的相互影响、相互制约中起作用的，任何一种因子的变化都会在不同程度上引起其他因子的变化。例如，光强度的变化必然会引起大气和土壤温度和湿度的改变。2.非等价性（主导因子作用）：对生物起作用的诸多因子是非等价的，其中必有1-2个是起主要作用的主导因子。主导因子的改变会引起许多其他生态因子发生明显变化或使生物的生长发育发生明显变化，如光周期现象中的日照长度和植物春化阶段的低温因子就是主导因子。3.不可替代性和互补性（可调剂性）：生态因子虽然是非等价的，但都是不可缺少的，一个因子的缺失不能由另一个
5、因子来替代。但某一因子的数量不足，有时可以靠另一个因子的加强而得到调剂和补偿，结果仍可以获得相似的生态效应。例如，光强减弱所引起的光合作用下降可靠CO2浓度的增加得到补偿，锶大量存在时可减少Ca不足对动物造成的有害影响。4.限定性（阶段性）：生物的不同发育阶段往往需要不同的生态因子或生态因子的强度。某一生态因子的有益作用常常只限于生物生长发育的某一特定阶段。例如，低温对植物春化阶段是必不可少的，但在其后的生长阶段是有害的。三、生物对生态因子的耐受限度1.利比希最低因子定律利比希（Liebig）是19世纪德国的农业化学家，1840年，发现谷物的产量常不是受常量营养物质（N、P、K等）所限制，而是
6、取决于植物必需的微量元素（B、Mg、Fe等）。最小因子法则的内容是：作物的增产与减产是与作物从土壤中所获得的矿物营养的多少呈正相关的。每一种植物都需要一定种类和一定数量的营养物，如果其中有一种营养物完全消失，植物就不能生存。如果这种营养物数量极微，植物的生长就会受到不良影响。最小因子法则的概念必须作两点补充才能使它更为实用：（1）最小因子法则只能作用于稳态环境下，也就是说，如果一个生态系统中，物质和能量的输入和输出不是处于平衡状态，那么植物对于各种营养物质的需要量就会不断变化，在这种情况下，Liebig的最小因子法则就不能应用。（2）应用最小因子法则的时候，还必须考虑到各种因子之间的相互关系。
7、2.谢尔福德的耐受性定律生态因子不仅处在最小量时可能成为限制因子，过量时也同样可能成为限制因子。美国生态学家谢尔福德（1913）提出了耐受性定律：生物不仅受生态因子最低量的限制，而且受生态因子最高量的限制。生物对每一种生态因子都有其耐受的上限和下限，上下限之间就是生物对这种生态因子的耐受范围，其中包括最适生存区。Shelford耐受性法则可形象地用一个钟形耐受曲线来表示。耐受性定律是最低因子定律的进一步发展，表现在：（1）考虑了生态因子的上限；（2）不仅估计了生态因子量的变化，还估计了生物本身的耐受性问题；（3）允许生态因子之间的相互作用（替代和补偿等）。耐受限度的说明：（1）生物的耐受范围因
8、发育时期、季节、环境条件（生态因子）的不同而变化。如生长旺盛时，对一些生态因子的耐受性提高；当某一生态因子不是处在最适量时，生物对其它因子的耐受范围可能随之缩小。再如对某一个生态因子耐受范围很宽，对另一个因子又很窄。（2）对很多生态因子耐受范围都很宽的生物，分布一般很广。生物对气候因子的耐受范围影响着生物的分布，但是，气候因子只能说明生物不能分布的地区，却不能准确地说明生物将会分布的地区。（3）生物的实际耐受范围（自然界）几乎都比潜在的范围（生理耐受）狭窄。这可能是因为：在不利条件影响下，提高了对基础代谢生理调节的代价；生态环境中的辅助因子降低了代谢强度的上限或下限水平。（4）生物的耐受范围一
9、般都有其低限、高限和最适点。但是，对于某一生态因子，在自然界生物常不在最适范围内的地方生活，而在不很适宜的地方生活，这可能是因为其它生态因子起着决定作用。由于种间竞争，常使生物的分布范围偏离最适点。（5）繁殖期往往是一个临界期，环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赖各种生态因子的综合作用，但其中必须有一种或少数几种是限制生物生存和繁殖的关键性因子，这些关键性因子就是所谓的限制因子。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。限制因子的意义：由于众多的生态因子的重要性不同，限制因子作用可能
10、最强大，因此，在生态学研究中，环境分析要集中在可能是限制因子的生态因素上。那些耐受范围窄、在自然界变化幅度大的生态因子，最可能成为限制因子。限制因子的确定，要通过观察、分析和实验相结合的途径。首先进行野外观察和分析，找出可能起限制作用的因子；其次要分析这些因子如何对生物起作用；最后设计室内实验，确定某一因子与生物的定量关系。一般地，实验测定的耐受范围要比野外实际范围宽一点，因为野外可能还受其它因子的影响。四、大环境和小环境大环境：是指地区环境（具有不同气候和植被特点的地理区域）、地球环境（包括各圈的全球环境）和宇宙环境。例如，三北防护林、厄尔尼诺和拉尼娜、太阳黑子等。小环境：是指对生物有着直接
11、影响的邻接环境。例如，生物个体表面的大气环境、土壤环境和动物穴内的小气候等。大环境不仅直接影响小环境，而且对生物体也有直接和间接的影响。小环境直接地影响着生物的生存，生物也直接影响小环境。五、生物对生态因子耐受限度的调整1.驯化：是指在自然或人工环境条件下生物的适应变化，也可以理解为生物体内决定代谢速率的酶系统的适应性改变。气候驯化（适应）指自然条件下所诱发的生理补偿变化，这种生理适应需较长时间完成；适应指生物在生存竞争中适应环境条件而形成一定性状的现象。这种形态适应需要很长时间。2.休眠：是生物抵御暂时不利环境条件的一种非常有效的生理机制。在休眠期，生物对环境条件的耐受范围就会比正常活动时宽
12、的多。如动物学中学习过的动物冬眠、夏眠和日眠。植物种子休眠时代谢率几乎下降到零。3.周期性变化：动物的补偿能力表现出明显的周期性变化，如季节性、昼夜变化和热带的干旱、雨季的周期性变化。耐受性的节律变化或对最适条件选择的节律变化大多是由外在因素决定的，少数是由生物本身的内在节律引起的。六、内稳态和非内稳态生物内稳态机制：是指生物控制自身体内环境，使其保持相对稳定，是进化发展过程中形成一种更进步的机制，它或多或少能够减少生物对外界条件的依赖性。具有内稳态机制的生物借助于内环境而相对独立于外界条件，大大提高了生物对生态因子的耐受范围。根据生物对非生物因子的反应或者依据外部条件对生物体内状态的影响，将
13、生物分为内稳态生物和非内稳态生物。这两类生物之间的基本差异是决定其耐受限度的根据不同。内稳态生物是广生态幅、广适应性物种。对于温度因子，内稳态生物保持体内恒温；对于湿度因子，表现为广湿性。非内稳态生物则表现为体内环境随外界环境而变化。内稳态机制是生物进化、发展过程中形成的一种更进步的机制，它使生物减少了对外界条件的依赖性，提高了生物对生态因子的耐受范围。生物为保持内稳态，发展了很多复杂的形态和生理适应，如动物的羽和毛起保温隔热作用，高代谢率增加体内产热。但动物最普遍的方法是行为适应。七、适应组合生物对一组特定环境条件的适应表现出彼此之间的相互关联性，这一整套协同的适应特性就称为适应组合。1.植
14、物的适应组合生活在沙漠中的常绿植物表皮增厚、减少气孔数目、形成卷叶等适应干旱环境，对于沙漠环境是不够的，最耐旱的肉质植物将雨季吸收的大量水分储存在根、茎、叶中，它仅在晚间打开气孔，并吸收环境中的CO2，合成有机酸储存在组织中，白天有机酸脱羧将CO2释放出来，供低水平光合作用使用。2.动物的适应组合骆驼清晨取食有露水的植物嫩枝叶或多汁的植物获得必需的水分，尿浓缩减少水损失；驼峰和体腔中储存脂肪，代谢时可产生代谢水；白天体温升高减缓吸热过程，晚上散热时，皮下脂肪转移到驼峰中，加快散热，体温变化减少出汗失水；骆驼一次饮水量大。八、光对生物的作用（一）光质对生物的影响1.光质对植物的影响陆生植物主要吸
15、收红光和蓝光，高山紫外抑制茎的伸长；海水表层绿色植物也吸收红光和蓝光；海水深层红藻、紫菜等有效利用绿光。2.光质对动物的影响灵长类、鸟类、鱼类、节肢动物等都有很发达的色觉；不同发育阶段对光质反应不同，例如，红光促进鸡的繁殖，蓝光有助于鸡的生长；鱼类对绿、蓝、红光比较敏感。（二）光强度对生物的影响1.光强度与陆生植物植物光合作用达到最大值时的光照强度，称为该种植物的光饱和点，苗期和生育后期光饱和点较低，生长旺期光饱和点较高。光合作用和呼吸作用相等时的光照强度称为光补偿点。（1）阳地植物：适应于强光照地区生活的植物称为阳地植物，这类植物光补偿点较高，光饱和点一般也较高，光合速率和代谢速率都比较高，
16、可利用强光，如杨、柳、桦、槐、松、衫等。（2）阴地植物：适应于弱光照地区生活的植物称阴地植物，这类植物的光饱和点较低，光补偿点一般较低，光合速率和呼吸速率都比较低，可有效利用弱光，如人参、三七等。（3）耐阴植物：对光照具有较高的适应能力，对光的需要介于阴地植物和阳地植物之间，但是最适应在完全光照下生长，如玉竹、麦冬。2.光照对水生植物的影响水生植物只能生活在水体的透光带；海带等巨型藻类在大陆沿岸生活，单细胞浮游植物只能在海洋上层生活。3.光照对动物行为的影响光照强度决定动物开始活动的时间。根据动物的活动时间将动物分为：（1）昼行性动物：多数鸟类、灵长类、有蹄类等；（2）夜行性动物：夜猴、蝙蝠、
17、家鼠等。鳖属夜行性，光照强度越低，摄食量越大，生长越快。大麻哈鱼、鲽类等必须有一定的光照强度才能摄食。多数鸟类在光亮时活动，但光照过强时也抑制其活动。（三）光周期对生物的影响1.光周期对植物的影响光周期影响植物的生长、发育和繁殖，根据植物开花与光照周期关系，将植物分为：（1）长日照植物：通常是在日照时间超过一定数值才能开花，否则植物只进行营养生长，不能形成花芽。例如，冬小麦、大麦、油菜、萝卜、甘蓝、甜菜、菠菜等。人为延长光照时间可以促使这些植物开花。（2）短日照植物：通常是在日照时间少于一定数值才能开花，否则植物只能进行营养生长，不能形成花芽。例如，水稻、玉米、大豆、烟草、棉、菊等。（3）中性
18、日照植物：对于光照要求不严，只要其他条件适宜，在任何日照条件下都能开花的植物，例如，四季豆、番薯、黄瓜、番茄、蒲公英等。（4）中日照植物：花芽形成需要中等日照时间的植物。例如，甘蔗在光照为12h30min时才能开花。2.光周期对动物的影响光周期对动物的影响表现在以下几个方面：（1）决定动物的迁徙、迁移或洄游的时间；（2）影响鸟兽换羽、毛（短光照、限食、限水）；（3）影响动物的生殖时间（鸟类在长光照一个月后可繁殖）；（4）影响动物的冬眠和滞育（常与温度有关）。九、温度与生物的关系温度低于一定的数值，生物会因低温而受害，该值称为临界温度。低于临界温度生物受冷害；低于0受冻害（生物体内形成冰晶）。冷
19、害是指喜温生物在0以上的温度条件下受害或死亡；冻害是指冰点以下的低温使生物体内形成冰晶而造成的损害。长期生活于低温环境中的生物通过自然选择，在形态、生理和行为上表现出很多明显的适应。高温使生物呼吸加强，多因缺水、代谢物积累、蛋白质凝固等体液不平衡所致。高温使植物光合作用下降，呼吸作用加强，水分代谢不平衡，代谢物积累，蛋白质凝固；高温使动物呼吸作用加强，排泄失调，蛋白质凝固，酶失活，神经麻痹。1.温度对植物的影响（1）低温对植物的影响形态上：叶片表面有油类物质，芽具鳞片，体表具蜡粉和密毛，矮小；生理上：水分降低，糖、脂、色素增加以降低细胞冰点，吸收光谱增宽，能吸收红外线。（2）高温对植物的影响形
20、态上：某些植物生有密绒毛和鳞片、体呈白色、可反射部分光线，叶片垂直排列，木栓层厚；生理上：含水少，糖、盐浓度高，蒸腾作用旺盛。2.温度对动物的影响（1）贝格曼定律：恒温动物（内温动物）在寒冷的气候条件下，体型趋向于大，在温暖的气候条件下，体型趋向于小。因为个体大的动物，其相对表面积小，单位体重散热量相对较少，这样有利于保持体温。（2）阿伦定律：恒温动物身体的突出部分如四肢、尾巴和外耳等在低温环境中有变小变短的趋势，在温暖地区有变长的趋势。这也是在寒冷地区减少散热和在温暖地区增加散热的一种形态适应。（3）乔丹定律：栖息于冷水水域中的鱼类，比栖息于温暖水域中的同种鱼的脊椎骨数目多。低温使鱼类的生长
21、和发育速度变慢，因而延长了其性成熟时间，从而产生更大的个体，其脊椎骨的数目也增多。（4）葛洛格定律：一般来说，在干燥而寒冷的地区，动物的体色较淡；而在潮湿而温暖的地区，其体色较深。温热地区动物毛色较深的原因，可能与色素产生和酶活动有关，较高的湿度和温度能增强酶的活性，提高代谢速率，使皮肤中产生较多的黑色素，体色则较深。（5）阿利氏定律：动物有一个最适宜的种群密度，种群过密或过疏都可能对自身产生不利影响。随着种群密度过大，将对整个种群带来不利影响，如它将抑制种群的增长率，增大死亡率等。3.有效积温法则（温度与生物发育的关系）植物在生长发育过程中必须从环境中摄取一定的热量才能完成某一阶段的发育，而
22、且植物个体发育阶段所需要的总热量是一个常数，因此可以用公式NTK表示，其中N为发育历程，即生长发育所需要的时间，T为发育期间的平均温度，K是总积温，为一常数。生物的发育都是从某一温度开始的，而不是从零度开始的，生物开始发育的温度就称为发育起点温度，由于只有在发育起点温度以上的温度对发育才是有效的（C表示发育起点温度），所以上述公式必须改写成N（TC）K。有效积温法则的应用：（1）预测生物发生的时代数；（2）预测生物地理分布的北界；（3）预测害虫来年发生程度；（4）推算生物的年发生历；（5）据此制定农业气候规划，合理安排作物，预报农时。有效积温法则的局限性：（1）有效积温和发育起点温度是在恒温下
23、测得的，变温下昆虫发育较快；（2）温度和发育速度的关系为S型，而非直线型；（3）生物的生长还受温度外其他因素的影响，如长日照促进小麦发育；（4）不能用于休眠、滞育生物的时代数计算。十、陆生生物与水的关系植物失水主要是蒸腾作用（运输矿物元素、营养物质）、气体交换（CO2含量低，0.03%），摄取CO2需交换的空气量大；形态上，具细毛、棘刺（散热、遮光）、蜡质表皮；生理上，气门可自动开关，气孔陷于叶中，摄O2快速（生化）、转化储存，晚上行光合作用。动物皮肤蒸发、呼吸、排泄失水；昆虫有几丁质的外骨骼和蜡质层，气门由气门瓣控制；爬行动物：具角质鳞和皮下脂肪；鸟兽：呼吸道长；肾重吸收能力强；排尿酸和尿素
24、；鸟类皮肤腺退化；某些鸟兽高温时可提高体温（黄鼠、羚羊和骆驼）；鼻腔冷凝水，重吸收。（一）水生植物水生植物的适应特点是体内有发达的通气系统；叶片常呈带状、丝状或极薄，有利于增加采光面积和对CO2与无机盐的吸收；植物体具有较强的弹性和抗扭曲能力以适应水的流动；淡水植物具有自动调节渗透压的能力，而海水植物则是等渗的。1.沉水植物整株植物沉没在水下，为典型的水生植物。根退化或消失，表皮细胞可直接吸收水中气体、营养物和水分，叶绿体大而多，适应水中的弱光环境，无性繁殖比有性繁殖发达。如狸藻、金鱼藻和黑藻等。2.浮水植物叶片飘浮水面，气孔通常分布在叶的上面，维管束和机械组织不发达，无性繁殖速度快，生产力高
25、。不扎根的浮水植物有凤眼莲、浮萍和无根萍等，扎根的有睡莲和眼子菜等。3.挺水植物植物体大部分挺出水面，如芦苇、香蒲等。（二）陆生植物1.湿生植物湿生植物抗旱能力小，不能长时间忍受缺水。生长在光照弱、湿度大的森林下层，或生长在日光充足、土壤水分经常饱和的环境中。前者如热带雨林中的各种附生植物（蕨类和兰科植物）和秋海棠等；后者如水稻、毛茛、灯心草和半边莲等。2.中生植物中生植物适于生长在水湿条件适中的环境中，其形态结构及适应性均介于湿生植物和旱生植物之间，是种类最多、分布最广和数量最大的陆生植物。3.旱生植物旱生植物能忍受较长时间干旱，主要分布在干热草原和荒漠地区。又可分为少浆液植物和多浆液植物两
26、类。前者叶面积缩小，根系发达，原生质渗透压高，含水量极少，如刺叶石竹、骆驼刺和夹竹桃等；后者体内有发达的贮水组织，多数种类叶片退化而由绿色茎代行光合作用，如仙人掌、石蒜、景天和猴狲面包树。十一、生物与土壤的关系1.岩石圈岩石圈主要由地球的地壳层构成，是生物所需要的各种元素和化合物的源泉，也是成土母质、海洋盐类、大气和一切自由水的源泉。土壤由固体、液体、气体三种状态的物质组成的，具有通气性、持水性、湿度、热容量等物理性质。土壤是陆生植物生长、动物栖息和活动的场所，完成生态系统的许多基本功能，如分解过程、固氮作用、脱氮作用、去污作用等。2.大气圈大气圈由围绕地球的各种气体混合物所组成。大气圈的厚度
27、可达10000km。从海平面往上，每升高275m（900英尺），气压下降1/30；随海拔升高，气压降低的速率越来越小，50km（30英里）以上，气压变化极小。3.生物圈生物圈是指地球上存在生命的部分，它由大气圈的下层（对流层）、水圈和岩石圈的上层（风化壳）组成。从地下12km至23km高空。现代生态学认为，生物圈是生物与环境相互作用的产物，是地球上最大的生态系统。它既包括地球上全部生物，又包括生物赖以生存的全球性环境条件的总和。4.生物与土壤的关系（1）密度：有孔隙土壤，小型动物穿行，身体细长，角质表皮；松软土壤，推进式挖掘，如蚯蚓；硬土壤，凿掘运动，动物具爪、颚器、门齿（鼹鼠）。（2）水分：
28、植物根系可从土壤中直接吸收水分，适当的水有利于营养物质的溶解和移动；水分的作用还包括磷酸盐的水解、有机磷的矿化，调节土壤温度。不同动物对土壤水分的要求不同，例如，节肢动物生活在水分饱和的土壤中，常进行周期性垂直迁移。土壤中充满水时，常使动物缺氧死亡。土壤的含水量影响昆虫的发育和生殖力。如东亚飞蝗，含水量8-22%时产卵量最大，最适孵化湿度3-16%，超过30%大部分不能正常发育。土壤动物比陆生动物更易失水，因为其适应潮湿环境，保水能力较差。（3）空气：土壤中的空气含氧量低（10-12%），CO2含量高（0.1%），各种成分的含量不稳定，有季节、昼夜和深度的变化。土壤动物的内呼吸能力强。通气不良
29、时，土壤中的空气含氧量会更低（10%以下），CO2含量高达10-15%，对动植物都有毒害作用，抑制好气微生物，减缓有机物质的分解活动；反之，通气过分，分解有机物加快，腐殖质数量减少，不利于营养物质长期供应。（4）温度：温度影响植物种子的萌发、实生苗的生长、根系的生长和呼吸能力。土壤动物对温度的适应，主要表现在垂直迁移上。（5）酸碱度：土壤酸碱度的划分：强酸性（pH8.5）。pH通过对土壤养分有效性的影响，pH6-7最好。动物对土壤酸碱度有不同的嗜好（适应）。如嗜酸性的金针虫（pH2.7-5.2）。嗜碱性的麦红吸浆虫（pH7-11）、蚯蚓（pH8.0）。（6）有机质：能改善土壤的物理结构和化学性质，有利于土壤团粒结构的形成，促进植物生长和养分的吸收。一般地，土壤有机质的含量越多，土壤动物的种类和数量也越多。（7）无机元素：土壤中的无机元素对动物的分布和数量有一定的影响。如石灰质土壤中蜗牛数量较多；鹿生活在母岩为石灰岩的土壤地区，其角坚硬、体重也大；NaCl丰富的土壤能吸引食草有蹄动物；缺钴常会使很多反刍动物变得虚弱、贫血、消瘦和食欲不振，严重缺钴甚至死亡。