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文档简介
第I部分个体生态学(autecology)Chap2.TemperatureasanecologicalfactorMacroclimateinteractswiththelocallandscapetoproducemicroclimate.MostspeciesperformbestinafairlynarrowrangeoftemperatureManyorganismshaveevolvewaystocompensateforvariationsinenvironmentbyregulatingbodytemperatureManyorganismssurviveextremetemeraturesbyenteringarestingstage第一页,共四十九页。Case1.MicroclimatesMacroclimate
iswhatweatherstationsreport.
Microclimate
isclimatevariationonasmallscale.
Vegetationonnorth–andsouth-facingslopes第二页,共四十九页。Plantheight,canopysize,andcoveraffectmicroclimate
Desertshrubsandmicroclimate第三页,共四十九页。第四页,共四十九页。WhitesandBlacksandColoroftheGround第五页,共四十九页。PresenceofBouldersandBurrows
Microclimatesunderstones第六页,共四十九页。AquaticTempPhysicsofwater,riparianvegetationMicroclimateinaquaticenvironmentsriffle:浅滩reed:芦苇第七页,共四十九页。Case2:TemperatureandperformanceoforganismsEnzymeactivity(a)TemperatureandperformanceatthemolecularlevelEnzyme-substrateaffinity(亲和力)乙酰胆碱酯酶鲑鱼第八页,共四十九页。(b)Extremetemperatureandphotosynthesis第九页,共四十九页。(C)Developmentand
TemperatureAnlinearrelationshipisexhibitedbetweenratesofgrowth
and
developmentofwholeorganismsandtemperatureinmostofectotherms.AprotistEggofabeetle第十页,共四十九页。Eggtoadultdevelopmentinamite24.22days8.18daysOrganismsrequireacombinationoftimeandtemperature–‘physiologicaltime’tocompleteacertainstageofdevelopment.K=N(T–C)K-积温常数(daydegrees);N-Developmenttime(day);T-Temperature(℃);C-Threshold发育起点(阈值)温度(℃);
有效积温法则-变温动物完成一定发育时期所需热量是一个常数第十一页,共四十九页。公式假定:Assumptionsoftheequation(1)Thereisalinearrelationshipbetweendevelopmentrateandtemperature;(2)Developmentisonlyaffectedbytemperature;(3)Temperatureisconstant.Applicationsoftheequation:(1)Predictingpotentialdistributionoforganisms.(2)Predictingemergenceofacertainstageoforganisms第十二页,共四十九页。Temperature-sizeruleTheratesofgrowthanddevelopmentdeterminethefinalsizeofanorganism.Iftheresponsesofgrowthanddevelopmenttovariationsintemperaturearenotthesame,temperaturewillaffectfinalsize.Infact,developmentusuallyincreasesmorerapidlywithtemperaturethandoesgrowth,suchthatfinalsizetendstodecreasewithrearingtemperature,forawiderangeoforganisms.RatestemperatureDevelopmentGrowthsize第十三页,共四十九页。Blackbeanaphidat15℃Blackbeanaphidsat30℃第十四页,共四十九页。(D)AdaptationstotemperatureAcclimation:Physiologicalchangesinresponsetoenvironmentalconditions
最佳温度相差8℃Pearcy(1977)collectedcuttings(插条)ofaplantfromtheDeathValley,California,andplantedthemundertwodifferenttemperatures.Growingtemperatureandoptimaltempforphotosynthesis第十五页,共四十九页。TemperatureandBacterialactivityTemperatureandpopulationgrowthbyanantarcticbacterium(南极)(Morita,1975)Temperatureandpopulationgrowthbyahotspringbacterium(黄石公园温泉)(Brock(1978)第十六页,共四十九页。CaseIII:Regulatingbodytemperature(A)BodytemperatureequationK.Schmidt-Nielsen(1983):Hs=Hm±Hcd±Hcv±Hr-HeHs-storage总热量;Hm-metabolic新陈代谢;Hcd-conduct传导;Hcv-convection对流;Hr-radiation辐射;He-evaporation蒸发
Manyorganismshaveevolvewaystocompensateforvariationsinenvironmentbyregulatingbodytemperature第十七页,共四十九页。生物与环境的热交换传导对流代谢辐射辐射蒸发第十八页,共四十九页。(B)植物的温度调节
沙漠植物-如何降温?
HeatexchangebyadesertplantHs=Hm±Hcd±Hcv±Hr-
He第十九页,共四十九页。北极和高山垫状植物的热交换北极和高山植物——如何保温?Hs=Hm+Hcd+Hcv+Hr-
He第二十页,共四十九页。第二十一页,共四十九页。斯堪蒂纳维亚植物体热收支Growthformandtemperature(datafromFitterandHay,1987)第二十二页,共四十九页。TropicalAlpinePlants
Littleannualvariationbutwidedailyfluctuationintemperature.Adaptation:1)Giantrosette(莲座)growthform;2)Retainingdeadleaves;3)Densepubescence(绒毛)4)Retainingalargeamountoffluid.a.非洲Kilimajaro山上的千里光,b.南美Andes山第二十三页,共四十九页。(C)TemperatureregulationbyectothermicanimalsTemperatureregulationbyalizardinthehighAndesLizard蜥蜴
—Afteranhourofsunbasking,asairtemperaturerisestoabout1.5℃,thebodytemperaturerisestoabout33℃,over30℃abovethatofthesurroundingair.Thevastmajorityofanimalsuseexternalsourcesofenergytoregulatebodytemperature.第二十四页,共四十九页。蝗虫Grasshopperstakethesunbaskingforheat,andprobablymore?
Bodytemperature(38-40℃)>airtemperature?透翅蝗CamnulapellucidaInArizonamountains第二十五页,共四十九页。Currathurs’sstudy(续)Question:Canthegrasshopperincreasethebodytemperature?
Experiment:twogroupsofinsectswereraisedattwodifferenttemperatures.Thebodytemperaturewasmeasured,andcompared.第二十六页,共四十九页。Currathurs’sstudy(续)温度与虫霉菌种群增长真菌数量(μlDoesthehighbodytemperaturesuppresspathogens?TemperatureandpopulationgrowthofEntomophagagrylli第二十七页,共四十九页。Whatisthelimitationofthisstudy?
Howdoestemperatureaffectthepathogeninthefield?Exposureto40℃temperatureforasfewas4hourseachdaysignificantlyreducedthenumberofgrasshoppersdyingofEntomophagainfections.
第二十八页,共四十九页。(e)TemperatureregulationbyendothermicanimalsEnvironmentaltemperatureandmetabolicrates
Whentheenvironmentaltemperatureisbeyondthethermalneutralzone,themetabolicratewillrapidlyincreasetotwo-threetimesrestingmetabolism.中温区(thermalneutralzone):therangeofenvironmentaltemperatureoverwhichthemetabolicrateofahomeothermic(恒温)animaldoesnotchange.指恒温动物代谢速率保持恒定时的温度范围。第二十九页,共四十九页。温度与北极和热带哺乳动物的中温区Twogroupsofanimalsaredefinedbythedifferenceintheneutralthermalzones:tropicalspeciesandarcticspecies.
Sharedrange第三十页,共四十九页。AquaticbirdsandMammals水生鸟和水生哺乳动物
So,howtokeepheataswellasgetoxygenforendotherms?1)Usingair-breathingtogetoxygen,insteadofgill-breathing2)Bearingathicklayeroffatorfur.Appendages(附肢)areoutfittedwithcountercurrentheatexchangers(逆流交换系统)
toreduceheatloss。1)Thecapacityofwatertoabsorbheatwithoutchangingtemperatureisca.3000timesthatofair;2)Butconductiveandconvectiveheatlosstowateraremuchmorerapidthantoair:over20timesfasterinstillwaterandupto100timesfasterinmovingwater.第三十一页,共四十九页。Countercurrentheatexchanger第三十二页,共四十九页。金枪鱼体侧肌肉中的逆流交换器WarmingtheSwimmingMusclesoflargemarineFish动脉静脉第三十三页,共四十九页。Watertemperatureandbodytemperatureofabluefintuna第三十四页,共四十九页。WarmingInsectFlightMuscles昆虫飞行肌加热机制Doessphinxmothsregulationbodytemperaturethroughchangingmetabolicrate?(Adams&Heath,1964)第三十五页,共四十九页。HawkmothHeinrichdidnotfindchangingofthemetabolicrateinresponsetovariationsintemperature.So,heproposedahypothesisthatsphinxmothsregulatebodytemperaturebychangingtheirratesofheatlosstotheenvironment.
第三十六页,共四十九页。烟草天蛾的体温调节和血液循环第三十七页,共四十九页。思考题1蝴蝶是变温动物,白天活动,从赤道雨林到北极都有分布,它们以晒太阳的方式提高体温。那么,随纬度的不同,它们用于晒太阳和飞行的时间比例会如何变化?蝴蝶晒太阳的时间会随着每天温度的变化而改变吗?2有人在新疆塔城的严冬雪地里发现一种会飞的蛾子,你分析它的体色是什么颜色?为什么?为什么能在零下20多度的冬天飞翔?第三十八页,共四十九页。东方臭甘蓝-恒温植物肉穗花序苞片主根(D)Temperatureregulationbythermogenicplants产热植物
第三十九页,共四十九页。气温与东方臭甘蓝的代谢速率代谢率(用耗氧率表示)第四十页,共四十九页。ManyorganismssurviveextremetemperaturesbyenteringarestingstageCaseIV:SurvivingExtremetemperature(a)InactivityTigerbeetle第四十一页,共四十九页。(B)ReducingMetabolicRateWhentouseTorpor蛰伏?Torporisastateoflowmetabolicrateandloweredbodytemperature.“Routinehypothesis”or“Emergency-onlyHypo”Howtotestthehypotheses?Hummingbird第四十二页,共四十九页。Howtoknowwhetherhummingbirdsgointotorporatnight?Byweightinghummingbirdsjustbeforetheywenttotheirnightroosts(鸟窝),andthenagainintheearlymorning.第四十三页,共四十九页。花蜜食物量与蛰伏状态的关系Calder’sobservationsupportedthe‘Emergency-onlyHypothesis’.Hummingbirdsgointotorporwhen:(1)flowersarenotabundant;(2)foo
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