第03章+水因子的生态作用及生物的适应

1、荒漠蝉之谜荒漠蝉之谜 ？ 它可以通过蒸发降温吗？它可以通过蒸发降温吗？ 它能背个水壶来解决水分损失吗？它能背个水壶来解决水分损失吗？How does the cicada remains active when environmental temperature exceeds its lethal maximum? 蝉躲在树丛中利用阴凉的小气候？蝉躲在树丛中利用阴凉的小气候？Toolson Toolson 及其学生深入研究了这及其学生深入研究了这一不为大家注意的问题！一不为大家注意的问题！ 如果是，那如何控制水分损失（因如果是，那如何控制水分损失（因为为 昆虫体小，表面积相对很大）？昆虫体小

2、，表面积相对很大）？第5章 水因子的生态作用及生物的适应水因子的生态作用及生物的适应 Water as an ecological factor关键概念关键概念在陆地和水域环境中水分沿浓度梯度下行，从而决定在陆地和水域环境中水分沿浓度梯度下行，从而决定着生物获得水分的状况着生物获得水分的状况 陆地动、植物通过平衡水分陆地动、植物通过平衡水分得失来调节体内水分得失来调节体内水分 海洋和淡水生物利用补偿机海洋和淡水生物利用补偿机制来调节体内水分和盐平衡制来调节体内水分和盐平衡 5.I 5.I 水的可利用性水的可利用性 Water availability (1) (1) 空气中的水分含量空气中的水

3、分含量 在陆地和水域环境中水分沿浓度梯度下行决定着生物在陆地和水域环境中水分沿浓度梯度下行决定着生物获得水分的状况获得水分的状况水汽密度水汽密度：单位立方米水汽分子的重量（：单位立方米水汽分子的重量（g/mg/m3 3). ).水汽压：水汽压：空气中气体分子产生的压力（空气中气体分子产生的压力（kPkPa a). ). 11帕帕pascalpascal (Pa) (Pa) = 1= 1牛顿力牛顿力/m/m2 2 相对湿度相对湿度(RH)(RH)：指单位容积空气中实际水汽含量与同一温度下：指单位容积空气中实际水汽含量与同一温度下饱和水汽含量之比饱和水汽含量之比(%)(%)。饱和差饱和差( (水汽

4、压赤字水汽压赤字 Vapor pressure deficit) )：指实际水汽含量与：指实际水汽含量与同一温度下饱和水汽含量之差。同一温度下饱和水汽含量之差。饱和水汽密度饱和水汽密度饱和水汽压饱和水汽压温度与水汽压（水温度与水汽压（水汽密度）的关系：汽密度）的关系：正相关正相关（续）（续）陆地生物的水汽压赤字与水分蒸发损失的关系陆地生物的水汽压赤字与水分蒸发损失的关系s水汽压赤字高，水汽压赤字高，体内蒸发就大体内蒸发就大水汽压赤字低，水汽压赤字低，体内蒸发就小体内蒸发就小(2)水域环境中水的运动水域环境中水的运动 水从高浓度向低浓度环境扩散，即水从高浓度向低浓度环境扩散，即渗渗透透( (作用

5、作用) osmosis) osmosis，从而产生，从而产生渗透压渗透压 ，那么溶液中物质的扩散方向与水相反。那么溶液中物质的扩散方向与水相反。根据生物体液与环境关系：根据生物体液与环境关系：低渗低渗高渗高渗等渗等渗等渗压的等渗压的( (生物生物) ) 体液中水浓度和盐体液中水浓度和盐浓度与环境中的相同；浓度与环境中的相同；高渗压的（生物）高渗压的（生物）体液中水的浓度体液中水的浓度低于环境，但盐浓度高于环境。低于环境，但盐浓度高于环境。低渗压的低渗压的 （生物）（生物）体液中水的浓度体液中水的浓度高于环境、但盐浓度低于环境。高于环境、但盐浓度低于环境。(3)(3)土壤与植物间的水分运动土壤与

6、植物间的水分运动 在陆地上，水分从生物体流向在陆地上，水分从生物体流向大气，其速率取决于生物与周大气，其速率取决于生物与周围空气的围空气的水汽压赤字水汽压赤字。水从土壤经过植物进入大气是水从土壤经过植物进入大气是沿沿水势能水势能 water potential （即（即水做功的能力）梯度而运动水做功的能力）梯度而运动（图解）。水做功的能力取决（图解）。水做功的能力取决于它的自由能，从高自由能向于它的自由能，从高自由能向低自由能运动。低自由能运动。 水势梯度水势梯度（续）（续）若设纯水的势能为若设纯水的势能为0 0，其它，其它任何液体的势能都为任何液体的势能都为负负值。值。故自然界的水势能一般为

7、负故自然界的水势能一般为负值，值， 因为在自然界几乎不因为在自然界几乎不存在绝对的纯净水。存在绝对的纯净水。 所以，水从势能较大的土壤所以，水从势能较大的土壤经过植物最后进入水势最小经过植物最后进入水势最小的干燥空气中（图解）。的干燥空气中（图解）。思考题思考题请绘制出夏季植物在一天中的叶片水势变化图。请绘制出夏季植物在一天中的叶片水势变化图。timeWaterpotential5.2 5.2 生物生物在陆地环境中的水分调节在陆地环境中的水分调节 Water Regulation on Land 陆地动、植物通过平衡水分得失来调节体内水分陆地动、植物通过平衡水分得失来调节体内水分陆生生物面临陆

8、生生物面临2个问题：身体水分蒸发散失、难以补充水。个问题：身体水分蒸发散失、难以补充水。陆生动物的水调节平衡陆生动物的水调节平衡：WiaWdWfWaWeWs Wia动物体内水动物体内水. .水来源水来源：Wddrink饮水；饮水；Wffood 食物水；食物水；Waair吸收空气中的水；吸收空气中的水；水散失：水散失：Weevaporation蒸发失掉水；蒸发失掉水；Wssecretions排泄水。排泄水。陆生植物水的调节陆生植物水的调节：WipWrWaWtWs获得水：获得水：Wrgainingwaterfromsoil( (根根) ) byroot ；Wa gainingwaterfromth

9、eair 从空气中吸收水。从空气中吸收水。散失的水有散失的水有：Wtlosingwaterbytranspiration(蒸腾蒸腾) ) Ws losingwaterbyvarioussecretions分泌和生殖结构分泌和生殖结构（花蜜、果实和种籽）。（花蜜、果实和种籽）。 Water gains and losses by terrestrial plants and animals 另一种伪步甲另一种伪步甲 OnyOny则采取图示的方式取水（图）。则采取图示的方式取水（图）。a)a)主动找水主动找水;b) ;b) 生活在水附近；生活在水附近；c)c)特殊方式工程节水：特殊方式工程节水：

10、在西在西南非洲纳米比沙漠，几乎没有南非洲纳米比沙漠，几乎没有雨，但雾多，那里的伪步甲：雨，但雾多，那里的伪步甲： 在沙丘上开沟凝结和收集雾汽，在沙丘上开沟凝结和收集雾汽，沟收集的湿气流到低处，甲虫等在沟收集的湿气流到低处，甲虫等在那里吸取湿气。那里吸取湿气。(1)(1)动物获得水的方式动物获得水的方式 （续）依靠代谢水的例子见图5.11 伪步甲体内水分平衡伪步甲体内水分平衡 Water balance inthe kangaroo rate 思考题思考题 本章中列举了干旱荒漠中伪步甲与水的关系。这一本章中列举了干旱荒漠中伪步甲与水的关系。这一科的昆虫也有生活在温带潮湿环境的种类，那么不科的昆虫

11、也有生活在温带潮湿环境的种类，那么不同环境中伪步甲的水分散失率有何不同？根据什么同环境中伪步甲的水分散失率有何不同？根据什么假设作出你的预测？你如何来验证你的预测？假设作出你的预测？你如何来验证你的预测？(2) (2) 植物获得水的方式植物获得水的方式 Soil moisture and root developmentby a grassland forb植物根系的发育程度常常植物根系的发育程度常常反映了可获得水的状况。反映了可获得水的状况。生长在干旱气候环境中的生长在干旱气候环境中的根系要大于湿润气候环境根系要大于湿润气候环境中的根系（图中的根系（图5 5.12.12）。）。 干旱环境中植

12、物的主根扎干旱环境中植物的主根扎得很深，有的深达得很深，有的深达30m30m。 研究实例研究实例Park (1990): Park (1990): 为什么马唐为什么马唐( (DigitariaDigitaria) ) 能够生长在海岸沙丘上而能够生长在海岸沙丘上而ElusineElusine 不能？对此不能？对此 研究了这研究了这2 2种草对水分缺乏的反应：种草对水分缺乏的反应：种籽在湿润的沙中萌发种籽在湿润的沙中萌发把苗移种在把苗移种在10X90 cm 10X90 cm 的的PVCPVC管（装有海岸沙）管（装有海岸沙）每种草种每种草种3636管，每管管，每管2 2株株每每1010天浇一次营养液

13、，持续天浇一次营养液，持续4040天天1818管继续浇水管继续浇水1919天天1818管停止浇水管停止浇水1919天天?Root growth by grass from dry and moist habitatsfrommoisthabitatfromadryhabitatLeafwaterpotentialsofgrassesfromdryandmoisthabitats(3) (3) 动植物的保水方式动植物的保水方式 防止水分蒸发的最明显的方式是被覆一层防水层，如蜡层。防止水分蒸发的最明显的方式是被覆一层防水层，如蜡层。但生物种类之间防水层的作用差异很大。干旱环境的生物水分但生物种类之

14、间防水层的作用差异很大。干旱环境的生物水分散失要慢于湿润环境的生物，这是生物在长期演化过程的适应散失要慢于湿润环境的生物，这是生物在长期演化过程的适应结果。结果。即使亲缘关系很近的即使亲缘关系很近的生物也可能有不同的生物也可能有不同的适应性适应性。生活在潮湿和干旱环境中不生活在潮湿和干旱环境中不同龟的水分散失率比较同龟的水分散失率比较Water loss rates by tiger beetles from moist and dry habitats（续）陆 生 昆 虫 表陆 生 昆 虫 表皮 的 防 水 是皮 的 防 水 是由 碳 氢 化 合由 碳 氢 化 合物 决 定 的 。物 决 定

15、 的 。 2 2种虎甲表皮种虎甲表皮碳氢化合物，碳氢化合物，见图见图 Cuticular(表皮）表皮）hydrocarbons（碳氢化合物）（碳氢化合物） of tiger beetles from moist and dry habitats续续植物也演化出多种保水方式。植物也演化出多种保水方式。植物保持水分的能力部分地决植物保持水分的能力部分地决定于定于: :叶面积叶面积根系面积（或长度）根系面积（或长度）单位根系长度的叶面积越大，单位根系长度的叶面积越大，散失水分越多。有些沙漠植物散失水分越多。有些沙漠植物在干旱季节脱落叶片，下雨后在干旱季节脱落叶片，下雨后生出叶片。生出叶片。 Dryp

16、eriodMoistperiod续续其它适应方式有叶片其它适应方式有叶片增厚、气孔减少、气增厚、气孔减少、气孔上有阻止水分运动孔上有阻止水分运动的结构、休眠等。的结构、休眠等。生长在热带空旷地的一种植物生长在热带空旷地的一种植物Piper auritum 为适应中午干燥的空气使叶片为适应中午干燥的空气使叶片萎焉，减小叶面积约萎焉，减小叶面积约55、叶面降温、叶面降温4-5，从而减小蒸腾率，从而减小蒸腾率3050.完全不同的生物采取近似的方式适应荒漠生活完全不同的生物采取近似的方式适应荒漠生活蝉和蝎子可能生活在相同的环境中，但蝉和蝎子可能生活在相同的环境中，但采取了完全不同的途经。采取了完全不同

17、的途经。 Heath &Wilkin (1970)Heath &Wilkin (1970)观察发现：观察发现：太阳出升前后，蝉栖息在豆灌木的大太阳出升前后，蝉栖息在豆灌木的大枝和嫩叶上吸食木质部汁液；当体温枝和嫩叶上吸食木质部汁液；当体温达到达到3939时，蝉移动到大树枝的被阴时，蝉移动到大树枝的被阴处，处，雄蝉开始鸣叫雄蝉开始鸣叫。如果温度在整个。如果温度在整个中午不超过中午不超过4040，它就不停地鸣叫。，它就不停地鸣叫。但当但当4848（1:001:003:00 P.M.3:00 P.M.）就停）就停止鸣叫；过了这个时间又鸣叫止鸣叫；过了这个时间又鸣叫(4)两种节肢动物采

18、取不同的方式适应沙漠生活两种节肢动物采取不同的方式适应沙漠生活 蝉蝉蝉的体温比气温低得多，蝉呆的地方（大树枝被阴处）很小，蝉的体温比气温低得多，蝉呆的地方（大树枝被阴处）很小，其主要捕食者鸟无法触及。这种其主要捕食者鸟无法触及。这种蝉还有别的方式调节体温吗蝉还有别的方式调节体温吗？ 把蝉放在培养箱中，人为把蝉放在培养箱中，人为控制温度或湿度控制温度或湿度来观察蝉的体温变化来观察蝉的体温变化100100RHRH下使蒸发停止，下使蒸发停止，则体温迅速上升则体温迅速上升蝉蝉这个结论符合实际吗？这个结论符合实际吗？ 用湿度传感器放在紧靠用湿度传感器放在紧靠体壁之上。因为他们预测，体壁之上。因为他们预测

19、，如果蒸发降温起作用，随如果蒸发降温起作用，随气温升高，水分散失就会气温升高，水分散失就会增大。实验结果验证了他增大。实验结果验证了他们的假说（图）们的假说（图） 续续 这种蝉能够在炎热的时间鸣叫，因为它能这种蝉能够在炎热的时间鸣叫，因为它能出汗出汗。蝉是如何散失水分的？蝉是如何散失水分的？思考题思考题 请解释荒漠蝉是如何运用蒸发冷却的而其它昆请解释荒漠蝉是如何运用蒸发冷却的而其它昆虫却做不到。虫却做不到。 很多荒漠生物有完备的防水机制。然而，进化很多荒漠生物有完备的防水机制。然而，进化不能阻止所有的水分蒸发散失，为什么？（提示：不能阻止所有的水分蒸发散失，为什么？（提示：围绕生物必须与环境保

20、持交流的方式）围绕生物必须与环境保持交流的方式）5.3 5.3 水域环境中水和盐的平衡水域环境中水和盐的平衡 海洋和淡水生物利用补偿机制来调节体内水分和盐海洋和淡水生物利用补偿机制来调节体内水分和盐 水生生物的体内水平衡等式：水生生物的体内水平衡等式：WWi i WWd d WWs s W Wo oWWi i: : 体内水分体内水分i internal water；WWd d: : 饮水饮水 drinkdrink；WWs s : : 泌尿泌尿 secretionsecretion；WWo o : : 渗透水分得失渗透水分得失 osmoticosmotic(1)海洋鱼类和无脊椎动物海洋鱼类和无脊

21、椎动物 微高渗压微高渗压shark水通过鳃水通过鳃进入体内进入体内盐离子被盐腺浓盐离子被盐腺浓缩后排除体外缩后排除体外大多数海洋大多数海洋无脊椎动物无脊椎动物属属等渗压等渗压动物基本无需克服渗透压梯动物基本无需克服渗透压梯度（但某些溶解质的浓度仍有差异）。度（但某些溶解质的浓度仍有差异）。鲨鱼、鳐、鳍鲨鱼、鳐、鳍属属高渗压高渗压动物，血液中盐溶液浓度高于海水。动物，血液中盐溶液浓度高于海水。Na+,CI+Osmo-regulation by marine fish and saltwater mosquitoes水分从海洋硬骨鱼体内向海水中扩散水分从海洋硬骨鱼体内向海水中扩散盐随浓缩尿盐随浓缩

22、尿形式排除，形式排除，但海洋硬骨鱼的体液但海洋硬骨鱼的体液强烈强烈低渗透低渗透，即，即失水失水。饮水同时也增加了盐饮水同时也增加了盐的进入。两种方式摆的进入。两种方式摆脱多余的盐。其脱多余的盐。其鳃基鳃基部的部的“氯化物氯化物”细胞细胞向水中直接分泌钠和向水中直接分泌钠和氯，而氯，而肾肾分泌镁和硫分泌镁和硫（随尿排掉）。盐水（随尿排掉）。盐水中生活的按蚊幼虫如中生活的按蚊幼虫如此。此。 Osmoregulation by freshwater fish and mosquitoes 淡水无脊椎动物体液也是淡水无脊椎动物体液也是低渗透性低渗透性的，要花的，要花能量能量泵出泵出水并主动吸收盐。但渗

23、透梯水并主动吸收盐。但渗透梯度不大，故用的能量不大。度不大，故用的能量不大。 淡水鱼是淡水鱼是低渗透性低渗透性，盐，盐通过鳃向外流而水向内流。通过鳃向外流而水向内流。鱼以鱼以多尿多尿的形式排除体内的形式排除体内的水，鳃基部的的水，鳃基部的“氯细胞氯细胞”从水中吸收钠和氯，并且从水中吸收钠和氯，并且通过通过取食取食获得盐获得盐(2) (2) 淡水鱼和无脊椎动物淡水鱼和无脊椎动物 思考题思考题很多海洋无脊椎动物与其环境是等渗透压的，保很多海洋无脊椎动物与其环境是等渗透压的，保持等渗透压有何益处？持等渗透压有何益处？THEEND!思考题思考题1. 1. 有人提出，等足虫在空旷环境中通过蒸发冷却方法保持较低有人提出，等足虫在空旷环境中通过蒸发冷却方法保持较低的体温。请解释为什么蒸发