草履虫种群数量增长与生态环境关系初探.doc

草履虫种群数量增长与生态环境关系初探摘 要 为了探索草履虫的种群数量增长模型，了解种群增长是否受环境条件限制。以草履虫为实验动物，采用稻草液，室温；稻草液，22；稻草液，25；稻草液，28；稻草液+0.5%葡萄糖，室温；稻草液+0.5%蔗糖，室温；稻草液+0.2%酵母，室温七种培养条件对其进行培养并监测草履虫种群的数量变化。结果表明：草履虫在28稻草液中培养时种群增长呈现S型，而在25时最大容纳量最大。关键词 草履虫；种群数量；生态环境；中图分类号: Q95331A study of the relationship between Paramecium population growth and ecological environment Abstract In order to explore the population growth model of paramecium ，and to understand whether the population growth is limited by environmental conditions . Use Paramecium as experimental animals , let it bring up on those seven kinds of culture conditions : straw liquid at room temperature ; straw liquid , 22 C ; straw liquid , 25 C ; straw liquid , 28 C ; straw liquid + 0.5% glucose , at room temperature ; straw liquid +0.5% sucrose at room temperature ; straw liquid +0.2 Yeast, at room temperature ; And monitor the change of the population the Paramecium . The results showed that : the population growth of the paramecium in 28 straw liquid culture showing the S-type , while the maximum capacity at 25 C .Key Words paramecium；Population；Ecological environment 种群生态主要涉及决定种群数量和种群变化的过程，而种群数量无疑是种群生态的核心，种群数量变化是种群变化的主要特征。 1 种群数量是种群与环境相互作用的结果，种群数量的变化也是对其生长环境的反应。现在人们已经展开大量实验对种群数量进行研究，例如一些濒危物种如水杉，南川升麻等，以及一些昆虫如桔小实蝇，飞蝗，褐飞虱等的研究，通过研究对濒危物种制定出适宜的保护措施，对害虫采取合适的防治措施，并且已经取得一定成就。在理想状态下种群数量呈J型增长，但由于受到环境资源和其它必要的生活条件限制,种群不可能长期而连续地按几何级数增长，到一定时候种群增长率随着密度的上升而下降。增长的数值,如以图表示,呈现S型曲线,可用逻辑斯谛(logistic)方程来描述。由于培养条件的不同，曲线也呈现出不同形式，该实验就以草履虫为实验材料探讨不同培养环境下其种群数量变化的规律。草履虫 ( Paramecium) 是原生动物门的代表动物 ,也是实验生物学的重要材料。由于其单细胞、 自由生活、 繁殖快 ,并且有 3万多个基因等特性 ,近年来在细胞生物学、 神经生理学、 分子遗传学、 分子生物学、 生物信息学、 仿生学等研究领域得到了广泛的应用 2,同时也是环境保护科学研究中用来进行环境监测和水质净化的活性生物材料 3。1 实验材料及方法1.1 草履虫的采集 草履虫多生活在湖沼、池塘、水田以及城市生活用水的下水沟中，以细菌、藻类和其他腐败的有机物为食。在水底沉渣表面浮有灰白色絮状物的有机物丰富的水中，有大量草履虫。采集时，先将水搅浑，然后用注射器吸起，装入矿泉水瓶中带回实验室。然后在显微镜下观察计数确定原液中草履虫密度。若原液中草履虫浓度较低则用稻草液培养一段时间直至草履虫密度达到实验所需。本实验中我们组采用的草履虫原液中草履虫密度为1000只/mL。1.2 培养液的配制1.2.1 稻草培养液 取稻草10g，剪成长3cm左右的小段，放在1000.0mL水中煮沸30min，煎出液呈淡黄棕色。冷却后纱布过滤，滤液置于加盖容器中，保存24h 后即可使用。1.2.2 稻草液+0.5%葡萄糖培养液 量取200.0mL稻草液，准确称取1.0g葡萄糖，充分溶解混匀。1.2.3 稻草液+0.5%蔗糖 量取200.0mL稻草液，准确称取1.0g蔗糖，充分溶解混匀。1.2.4 稻草液+0.2%酵母 量取200.0mL稻草液，准确称取0.4g酵母，充分溶解混匀。1.3 培养条件的设置一共设置了七种培养条件，每种培养条件设置了三组重复（即各实验小组进行的三个重复实验）分别为稻草液，室温；稻草液，22；稻草液，25；稻草液，28；稻草液+0.5%葡萄糖，室温；稻草液+0.5%蔗糖，室温；稻草液+0.2%酵母，室温。1.4 培养方法及种群数量监测取草履虫培养液200mL，倒在烧杯中。加入一定量草履虫原液，使草履虫密度为810只/mL。为可靠起见，再检测一下烧杯中培养液内草履虫的种群密度，并将其确定为培养液中第1d的种群密度。用清洁纱布罩上烧杯，放在相应培养条件下培养。每天定时计数1次，并对培养液的pH进行测定，连续监测九天。计数时，用移液枪准确吸取混匀后的草履虫培养液50uL，分多滴滴在载玻片上。在显微镜下观察计数。为减少误差要求各组成员之间吸取培养液的位置大致相同。此外，由于吸取的培养液较少，对培养液中草履虫浓度影响不大，且计数完后载玻片上培养液残余量不多，若对其进行回收很可能造成草履虫的死亡，所以我们组在这个实验中计数完后都未进行草履虫的回收。1.5 数据分析种群的种群数量增长一般都会受到各种环境条件下的因子的制约，其中受到密度因子影响最大，说明了一个种群即使在营养物质充足的情况下不能出现无限制的增长，而会由于种群密度到达了一个值以后使它不再增长。达到此值说明培养液中的种群的出生率等于死亡率。从而也说明它的种群数量增长曲线应该有个最大值而不是使最后的增长曲线呈J型增长，在这种情况下它的曲线应该呈S型增长趋势。1.5.1 逻辑斯谛方程种群在有限环境下的增长符合逻辑斯谛方程：dN/dt = rN(K-N)/K = rN1-(N/K)。这里，N是在时间t时的种群数量，K是环境条件所允许的种群数量的最大值，r是种群的瞬时增长率。上方程可通过逻辑斯谛的积分式进行运算。逻辑斯谛方程的积分式是:Nt=K/(1+ea-rt) 该模型有2个基本假设：（1）设想存在一个环境条件所允许的最大值K，当种群数量达到K时，不再增长，即dN/dt = 0；（2）假设制约种群增长的因素是简单地与个体数量的增加成正相关。1.5.2 计算K值（1）平均值法 以培养天数为横坐标、种群数量为纵坐标值，在坐标纸上描点。达到平衡点开始的一天与以后几天观测数据之和的平均值即为K值。例如草履虫增长数在培养第6天开始达高峰（即平衡），第78天不再增长（即已平衡了），则把68天观测的草履虫数之和除以3d，求得平均值。（2）三点法 按下列公式进行：K = 2y1y2y3 y22(y1 + y2)/(y1y3(y22)，其中y1、y2、y3是等距离横坐标上（培养天数）所对应的纵坐标值（种群数量）。1.5.3 逻辑斯谛方程的拟合求出K值以后，令y = ln(K - N) / N，x = t，r = b。则按方程y = a + bx运算。 把求得的值（a，b，N）代入逻辑斯谛积分方程Nt=K/(1+ea-rt) ，则得理论值，在坐标上描点，然后把点连接起来，即为逻辑斯谛曲线。逻辑斯谛积分方程Nt=K/(1+ea-rt)，移行变形得：ea-rt=（K-Nt）/Nt式中两端各乘以ln,得a-rt= ln（K-Nt）/Nt 用时间t为横坐标，用ln（K-Nt）/Nt 作为纵坐标，作图可得a（截距），再可求出r。把K、 a、 r的具体数值带入逻辑斯谛积分方程Nt=K/(1+ea-rt)，可得到本组实验的具体逻辑斯谛积分方程，再用此公式计算相应的理论值N。2 结果及分析2.1 数据的收集与处理实验结束后对全班实验结果进行统计。实验过程中虽然要求各组成员之间操作尽量统一以减少误差，但是由于操作的不熟悉以及不同的操作习惯，个别组的实验结果和理论差异太大。于是对上午、下午两个班数据进行分析比较和整理。对于个别组的存在较大争议的数据舍去，例如有的组在第二至第五天计数都是零，即未看到存活草履虫也未看到死亡的草履虫，可是突然后几天草履虫密度达到很高。后调查多因为不是一个成员计数，其计数方式差异较大。还有个别组的实验数据不完全，即缺少中间几天的实验数据。对于数据较完整，真实，组内成员之间计数不存在较大误差的小组的数据进行采用。同一培养条件下的数据采用两个班中较完整的数据，并对同一条件下的三个重复实验数据进行平均数计算，作为实验最终结果。表一 各培养条件下草履虫种群数量监测结果Table 1 Paramecium population monitoring results under various culture conditions培养条件第1天第2天第3天第4天第5天第6天第7天第8天第9天稻草液+0.2%酵母，室温5，pH6.04，pH6.05，,pH6.52，pH7.01，pH7.00，pH7.00，pH7.00，pH7.00，pH7.0稻草液+0.5%蔗糖，室温9，pH6.012，pH6.021，pH 5.549，pH5.485，pH5.4101，pH5.4145,pH5.4127,pH5.4143,pH5.4稻草液+0.5%葡萄糖，室温13,pH6.014,pH6.030,pH5.530,pH5.437,pH5.438,8pH5.453,pH5.446，pH5.450，pH5.4稻草液，室温9,pH6.011,pH6.029,pH6.421,pH6.213,pH5.87,pH6.03,pH6.20，pH6.20，pH6.2稻草液，229192331374926107316稻草液，2518,pH6.025,pH6.092,pH6.0303,pH6.01203,pH6.51286,pH6.51205,pH6.51212,pH6.51215，pH6.5稻草液，286，pH6.014，,pH6.0222，pH6.0310，pH6.0462，pH6.0485， pH=6.7502,pH=7.0551，pH6.0555，pH6.02.2 温度对草履虫种群变化的影响不同温度对草履虫种群增长速率以及最大环境容纳量都会产生影响，通过在四种不同温度下用相同浓度的稻草液培养草履虫，进过定时观察计数，其种群数量变化如图一。培养液中草履虫数量达到高峰的时间、数量及全部死亡的时间如表二所示。各种培养条件下种群达到最高峰时的种群数量也不同，如图二所示。图一 各培养温度下稻草培养液中草履虫数量监测结果Fig . 1 Paramecium population monitoring results under different temperature表二 不同培养温度下草履虫数量达到高峰的时间、数量及全部死亡的时间Table 2 The time and amount of Paramecium when they get the peak and the time of death in kinds of temperature培养温度达到高峰所需时间/d达到高峰时数量/(个/mL)全部死亡所需时间/d室温32982293162561286289555（注：由于条件限制实验一共进行了九天，所以表中22、25、28三种培养条件下并未观察到草履虫全部死亡的时间。）图二 各培养温度下稻草培养液中草履虫数量达到高峰时的数量Fig . 2 The amount of Paramecium when they get the peak under different temperature从图一可以看出，各培养温度下，草履虫种群数量变化呈现出不同的形式。在室温下培养的草履虫数量始终处于最低水平，基本未出现增长现象，最后全部死亡。在22下培养的，一开始种群数量也基本未变化，直到第八天才开始呈现增长趋势。28培养条件下的种群数量从第二天开始就一直呈现增长趋势，到第八、九天时基本达到稳定，25培养条件下的种群数量也会从第二天开始增长，尤其是第四天至第五天之间呈现剧烈增长，然后就基本稳定。从表二中草履虫达到高峰所需的时间可以看出，温度对草履虫的生长繁殖是有影响的。在室温下进行的实验草履虫多在第三天就全部死亡，到第八天时在培养液中已经看不到虫体。这可能是因为天气骤变的原因。草履虫作为一种原生动物，其对环境的适应能力是有限的。温度为22的培养条件下，到第八天才开始增长，第九天数量达到监测期的最大值，但从趋势线来看若继续培养，其种群数量还有可能继续增长。温度为25和温度为28的两种培养条件下其种群数量变化趋势基本完全相同。从图二还可得出，不同温度下环境最大容纳量也不同，25下最大。结合图一、图二和表二初步估计：实验中所用的草履虫最适生长温度为25。2.3 不同培养液对草履虫种群变化的影响通过在4种不同的培养液中在相同温度下（室温）培养草履虫 ,经过定时的观察统计,其种群数量变化如图三所示，培养液中草履虫数量达到高峰的时间、数量及全部死亡的时间如表三所示。各种培养液中种群达到最高峰时的种群数量如图四所示。图三 各培养温度下稻草培养液中草履虫数量监测结果Fig . 3 Paramecium population monitoring results in different medium表三 不同培养液中草履虫数量达到高峰的时间、数量及全部死亡的时间Table 3 The time and amount of Paramecium when they get the peak and the time of death in different medium培养液达到高峰所需时间/d达到高峰时数量/(个/mL)全部死亡所需时间/d稻草液+0.2%酵母156稻草液+0.5%蔗糖7145稻草液+0.5%葡萄糖753稻草液3298图四 各培养液中草履虫数量达到高峰时的数量Fig . 4 The amount of Paramecium when they get the peak in different medium从图三可以看出在室温下，稻草液+0.5%蔗糖，稻草液+0.5%葡萄糖以及稻草液三种培养液中的草履虫数量均出现增长，只有稻草液+0.2%酵母这种培养液中种群数量从未出现增长情况。从第二天就开始死亡，到第三天已经全部死亡。到第六天时再培养液中已看不到虫体。而该种培养液的pH一直维持在6.07.0。查阅资料知道草履虫生长繁殖最适宜的 pH值为7.0,即草履虫在近中性的培养液中生长得最为理想 4 .当培养液酸性较强时(pH值为3.0和4.0),草履虫均死亡;在弱酸性情况下,pH值为5.0时 ,能生长,但种群密度较小;即草履虫能在弱酸性条件下正常生长 ,对酸的耐受范围在 pH值5.07.0 5 。所以初步认为造成该培养条件下草履虫急剧死亡的原因为外界环境的影响。在稻草液中培养的草履虫种群数量在第三天时即达到高峰，然后数量开始下降，直至最后变为0；在稻草液+0.5%蔗糖和稻草液+0.5%葡萄糖这两种培养液中培养的草履虫数量在前七天一直呈现增长趋势，在第七天后出现稳定现象。从表三中可以得出：由于在稻草液和稻草液+0.2%酵母这两种培养液中的草履虫培养后急剧死亡，所以这两种培养液中最大容纳量还有待研究。而在稻草液+0.5%蔗糖和稻草液+0.5%葡萄糖这两种培养液中培养的草履虫种群数量达到高峰的时间接近，可是达到高峰时的数量存在明显差异，这个从图四中可以明显观察到。这可能是因为不同的培养液中营养物质含量不同，导致繁殖出的细菌数量不同，进而造成草履虫生长繁殖速率不同。2.4 不同培养条件下草履虫种群数量增长曲线及拟合逻辑斯蒂曲线对不同培养条件下统计得到的数据进行收集处理后，由三点法计算得出K值。然后令 y = ln(K - N) / N，x = t，r = b再按方程y = a + bx运算。 把求得的值（a，b，N）代入逻辑斯谛积分方程Nt=K/(1+ea-rt) ，则得理论值，然后以培养天数为横坐标，分别以实际观测到的虫体数量和逻辑斯蒂方程估计得虫体数量为纵坐标作图。由于室温下在稻草液和稻草液+0.2%酵母两种培养液中培养的草履虫，其种群数量未出现明显增长现象，尤其是在稻草液+0.2%酵母这种培养液中培养的草履虫数量一直呈现减少趋势，最后虫体数量为0 ，所以这两种培养条件下的种群数量为进行逻辑斯蒂拟合。2.4.1 室温下在稻草液+0.5%葡萄糖培养液中培养的草履虫增长数据统计分析表四 室温下在稻草液+0.5%葡萄糖培养液中培养的草履虫增长数据统计分析培养天数（t）观测虫数（只/mL) N(K-N)/N(K-N)/N逻辑斯蒂方程估计得Nt值1132.7691.01811 2142.5000.91617 3300.633-0.45724 4300.633-0.45731 5370.324-1.12737 6380.289-1.27342 7530.082-2.50145 8460.065-2.73347 9500.020-3.91248 图五 室温下在稻草液+0.5%葡萄糖培养液中培养的草履虫的实际增长曲线和逻辑斯蒂增长曲线从图五中可以看出实际观测到的种群数量随着培养时间的变化基本呈现缓慢增长趋势，如逻辑斯蒂增长曲线所示。在培养过程中出现了两次波动，可能是因为天气变化的原因。2.4.2 室温下在稻草液+0.5%蔗糖培养液中培养的草履虫增长数据统计分析表五 室温下在稻草液+0.5%蔗糖培养液中培养的草履虫增长数据统计分析培养天数（t）观测虫数（只/mL) N|(K-N)/N|(K-N)/N逻辑斯蒂方程估计得Nt值1622.000 3.091 6 21210.500 2.351 13 3215.571 1.718 27 4491.816 0.597 50 5850.624 -0.47279 61010.366 -1.004104 71450.048 -3.031121 81270.087 -2.446130 91430.035 -3.353135 图六 室温下在稻草液+0.5%蔗糖培养液中培养的草履虫的实际增长曲线和逻辑斯蒂增长曲线从图六中可以看出开始一段实际值和估计值基本重合，可是实际值在第69填之间出现了一次波动，这和室温下稻草液+0.5%葡萄糖培养液中培养的草履虫第二次波动的时间相同，所以可以初步判断这次的波动是由于外界环境的变化引起的。2.4.3 22下在稻草培养液中培养的草履虫增长数据统计分析表六 22下在稻草培养液中培养的草履虫增长数据统计分析培养天数（t）观测虫数（只/mL) N(K-N)/N(K-N)/N逻辑斯蒂方程估计得Nt值1933.000 3.497 6 21915.105 2.715 11 32312.304 2.510 19 4318.871 2.183 32 5377.270 1.984 53 6495.245 1.657 83 72610.769 2.377 123 81071.860 0.620 167 93160.032 -3.453208 图七 22下在稻草培养液中培养的草履虫的实际增长曲线和逻辑斯蒂增长曲线从图七种的逻辑斯蒂增长曲线看出在22下在稻草培养液中培养的草履虫在第九天时还为达到最高峰，以后还有增长的趋势。可能是在该温度下，草履虫种群的适应期过长的原因，所以认为该温度不适宜急需大量草履虫的实验。2.4.4 25下在稻草培养液中培养的草履虫增长数据统计分析表七 25下在稻草培养液中培养的草履虫增长数据统计分析培养天数（t）观测虫数（只/mL) N(K-N)/N(K-N)/N逻辑斯蒂方程估计得Nt值11866.778 4.201 18 22548.040 3.872 35 39213.043 2.568 66 43033.957 1.376 121 512030.996 -0.004214 612860.931 -0.072355 712050.993 -0.007538 812120.986 -0.014734 912150.983 -0.017904 图八 25下在稻草培养液中培养的草履虫的实际增长曲线和逻辑斯蒂增长曲线 从图八可以看出在25下培养的草履虫基本从第四天就开始大量繁殖，在第四至第五天之间出现种群数量增长速度的最大值，然后基本趋于稳定水平，所以在该条件下草履虫种群数量增长的稳定期较长。当有大量草履虫作为实验准备时，可在此条件下暂时保存。2.4.5 28下在稻草培养液中培养的草履虫增长数据统计分析表八 28下在稻草培养液中培养的草履虫增长数据统计分析培养天数（t）观测虫数（只/mL) N(K-N)/N(K-N)/N逻辑斯蒂方程估计得Nt值1691.000 4.511 9 21438.429 3.649 32 32221.486 0.396 99 43100.781 -0.248242 54620.195 -1.636405 64850.138 -1.979501 75020.100 -2.307537 85510.002 -6.312548 95550.005 -5.220551 图九 28下在稻草培养液中培养的草履虫的实际增长曲线和逻辑斯蒂增长曲线从图九可以看出28下在稻草培养液中培养的草履虫其种群数量增长呈现S型，在第一至第二天之间为适应期，种群数量基本不变，第二天后种群数量即开始增长，到第七天时达到最高峰，然后呈现一段稳定期。2.4.6 各培养条件下绘制的逻辑斯蒂曲线比较图十 各种培养条件下的草履虫种群数量逻辑斯蒂增长曲线汇总从图十中，可以看出28下在稻草液中培养的草履虫其种群数量增长呈现S型，与理论相符。对比可以发现28稻草液，室温稻草液+0.5蔗糖，室温稻草液+0.5葡萄糖三种培养条件下其种群数量达到最高峰的时间基本相同，但是最高峰时其种群数量不同。添加了葡萄糖和蔗糖的两种培养液其最大容纳量比其余三种条件下稻草液中的最大容纳量都小，这可能是因为溶液浓度影响了细菌的生长，从而影响了草履虫食物的获取。同在稻草培养液中培养的三组实验，其最大容纳量也不同，25最大，28居中，22最小，所以推测草履虫的最适生