2025年大学《地球系统科学》专业题库- 生物适应气候变化的机制与模式

2025年大学《地球系统科学》专业题库——生物适应气候变化的机制与模式考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、名词解释（每题4分，共20分）1.适应2.生理可塑性3.方向性选择4.表观遗传调控5.个体基于模型二、简答题（每题6分，共30分）1.简述遗传变异是生物进化的原材料，并说明其在适应形成中的作用。2.比较生理可塑性和遗传适应在应对环境变化方面的异同。3.列举三种生物在气候变化背景下的行为适应策略，并简要说明其作用机制。4.影响物种适应气候变化能力的因素有哪些？请至少列举四项。5.什么是适应的阈值效应？简述其在生物适应中的意义。三、论述题（每题10分，共40分）1.论述自然选择如何在种群水平驱动生物适应气候变化的过程，并说明选择压力可能来自哪些方面。2.结合具体实例，论述多物种协同适应或种间相互作用如何影响群落对气候变化的响应。3.谈谈你对“适应不是一个保证”的理解，分析生物在快速气候变化下可能面临的适应失败风险及其原因。4.试述个体基于模型在模拟生物适应过程中的应用潜力及其面临的挑战。试卷答案一、名词解释1.适应：指生物体（个体、种群或物种）通过遗传变异和自然选择，在长期进化过程中形成的、能够更好地生存和繁殖于特定环境条件下的状态或特征。其核心在于遗传结构上能够稳定传递有利于生存繁殖的性状。**解析思路：*定义需包含核心要素：生物体、长期进化、生存繁殖、遗传基础。2.生理可塑性：指生物体在不改变遗传结构的情况下，通过生理机制调整其内部生理状态或形态结构以应对环境变化的特性。它是生物体对环境变化的快速响应机制之一。**解析思路：*定义需强调“不改变遗传”、“生理调整”、“应对环境变化”这三个关键点。3.方向性选择：指环境压力使得具有某一特定性状（方向）的个体具有更高的生存和繁殖成功率，从而导致该性状的频率在种群中持续增加的选择类型。**解析思路：*关键在于理解“特定性状优势”、“频率增加”以及这种选择的“持续性”。4.表观遗传调控：指在不改变DNA序列碱基顺序的情况下，通过化学修饰（如DNA甲基化、组蛋白修饰）等方式调节基因表达状态的机制。它能在一定程度上影响个体表型，并可能部分遗传给后代。**解析思路：*定义需突出“不改变DNA序列”、“调节基因表达”、“化学修饰”等核心特征，并提及其对表型和潜在的遗传影响。5.个体基于模型：指一种生态模型，该模型将生态系统中的个体作为基本单元，模拟每个个体的行为和交互作用，进而通过个体行为的集合涌现出种群、群落或生态系统的宏观动态和适应性特征。**解析思路：*关键在于理解其建模单元是“个体”、“行为和交互”、“涌现宏观特征”这一方法论特点。二、简答题1.遗传变异是生物进化的原材料，因为它提供了种群中不同个体间存在的可区分的性状差异。这些变异可能源于基因突变、基因重组或染色体变异等。在气候变化导致环境条件改变时，如果某些变异的个体恰好拥有更适宜新环境的性状（例如，更能耐旱的植物、更能抵抗新病原体的动物），它们就能获得更高的生存率和繁殖率。自然选择作用将这些具有有利变异的个体保留并传递其基因给下一代，使得有利基因的频率在种群中逐渐增加，从而推动种群性状朝着适应新环境的方向进化。因此，遗传变异是启动适应过程的必要前提和基础。**解析思路：*需回答“是什么”（遗传变异的来源）和“怎么作用”（变异提供材料，选择决定哪些变异被传递并固定）。2.生理可塑性是生物体在不改变遗传密码的情况下，通过内部生理机制主动调整自身生理状态（如酶活性、离子浓度、代谢途径）或形态结构（如体型、器官大小）以适应环境变化的能力。它通常是快速的、可逆的响应。相比之下，遗传适应是通过自然选择，经过多代繁殖，将有利遗传性状固定在种群中的过程，是缓慢的、不可逆的。生理可塑性允许个体在生命周期内直接应对短期或波动性环境变化，而遗传适应则针对长期稳定的环境选择形成。两者都是生物适应的重要方式，但机制、速度和遗传效应不同，有时会相互作用。**解析思路：*首先分别清晰定义两者，然后重点比较它们的区别（速度、遗传性、可逆性、作用时间尺度），并指出它们的关系。3.生物在气候变化下的行为适应策略多种多样，例如：（1）迁徙：许多鸟类、鱼类和昆虫会根据气候变化信号（如温度、日照）改变其迁徙路线、时间和地点，以利用更适宜的繁殖或越冬环境。（2）繁殖时间调整（PhenologicalShift）：植物的开花、昆虫的孵化，或动物的繁殖期会提前或推迟，以匹配变化的环境周期（如升温后的植物开花提前）。（3）栖息地选择：动物可能主动寻找或改变其栖息地，例如向更高纬度或海拔迁移，以躲避不适宜的气候条件。这些行为策略通过学习、经验传递或遗传程序实现，帮助生物体在现有遗传基础上更灵活地应对环境变化。**解析思路：*列举至少两种具体策略，并要求简要说明其作用机制（如何应对气候变化）。4.影响物种适应气候变化能力的因素包括：（1）遗传多样性：遗传多样性高的种群拥有更多不同的基因变异，为自然选择提供了更丰富的原材料，从而更有可能产生适应新环境的个体。（2）气候变化速率：环境变化越快，物种适应的难度越大，因为进化速率通常较慢。（3）种群大小和结构：小种群更容易受到遗传漂变的影响，可能导致适应性降低；连接性差的隔离种群难以进行基因交流，限制了适应潜力。（4）生境特异性和可塑性：物种对特定生境的依赖程度高，若生境本身受影响或无法迁移，适应会更困难；生理和行为可塑性强的物种适应潜力通常更大。（5）种间相互作用：气候变化可能改变捕食-被捕食关系、竞争关系等，这些变化可能阻碍或促进物种适应。**解析思路：*列举至少四项影响因素，并简要解释每项因素如何影响适应能力。5.适应的阈值效应是指物种的适应能力或其种群动态对环境变化（如温度、降水）的响应并非线性连续的，而是存在一个或多个不连续的“阈值”。当环境变化尚未达到某个阈值时，物种可能通过生理调节或行为改变来维持稳定；一旦环境变化超过该阈值，物种的生存、繁殖或生长可能会突然发生剧烈下降甚至崩溃。这些阈值可能对应关键的生理限制点（如极端温度耐受上限）、繁殖关键期或种群密度临界点。阈值效应意味着物种适应能力存在上限，当气候变化速度超出物种阈值范围时，即使环境条件仍在“可适应”的范围内，物种也可能无法适应而面临灭绝风险。**解析思路：*首先定义阈值效应，然后解释其响应模式（低于阈值线性/稳定，超过阈值剧变），最后举例说明阈值可能对应的情况（生理、繁殖、种群）及其意义。三、论述题1.自然选择在种群水平驱动生物适应气候变化的过程中扮演着核心角色。其基本过程是：气候变化导致环境条件（如温度、降水、食物资源）发生变化，从而对种内个体的生存和繁殖产生不同的影响，形成了选择压力。具有某些遗传变异的个体，如果这些变异使得它们在新的环境条件下能够更有效地获取资源、躲避天敌、抵抗疾病或完成繁殖，它们就比其他个体具有更高的生存率和繁殖成功率。这意味着这些有利变异基因在种群中的传递概率会增加。经过多代连续的选择作用，有利基因的频率在种群中逐渐升高，不利基因的频率逐渐降低，最终导致种群的整体遗传结构发生改变，其平均性状朝着更适应新环境的方向进化。这个过程就是适应的进化基础，是自然选择通过改变种群基因频率实现的。**解析思路：*需要阐述自然选择驱动适应的完整链条：环境变化->选择压力->变异个体优势->基因频率改变->种群进化。强调选择是核心动力，进化是结果。2.多物种协同适应或种间相互作用对群落响应气候变化具有重要影响。例如，在气候变化下，优势物种的变化可能导致整个食物网结构的重塑。如果优势捕食者的适应性更强，它们可能捕食掉更多敏感的猎物种，导致猎物种群下降，进而影响更下一营养级的物种。反之，如果关键生产者（如某种植物）变得更具竞争优势，可能会改变群落的物种组成和结构。种间竞争关系也会响应气候变化，例如，随着温度升高，一个物种可能扩展其分布范围并进入另一个物种的领地，引发竞争加剧甚至导致一个物种被排挤。此外，共生关系（如传粉者与植物）的稳定性也受气候变化影响，例如传粉者种群的适应性变化可能直接影响依赖它们的植物的繁殖成功率。因此，群落的适应并非单一物种适应的简单叠加，而是物种间复杂的相互作用网络共同响应和演变的結果。**解析思路：*需要论述多物种/种间关系在群落层面的重要性，并结合具体例子（食物网、竞争、共生）说明气候变化如何通过这些关系影响群落结构和功能。3.“适应不是一个保证”意味着生物并非总能成功适应气候变化，存在适应失败的风险。这主要源于几个方面：首先，气候变化可能过快，超出了生物进化的速率。自然选择需要时间，如果环境变化比种群能够产生足够有利的遗传变异并使其扩散的速度还要快，种群可能来不及适应就被淘汰。其次，某些物种可能遗传多样性过低，缺乏足够的变异原材料供自然选择利用，导致适应潜力有限。再次，某些关键性状可能受强遗传连锁或存在发育阈值限制，难以通过自然选择发生有利改变。此外，生物的适应可能存在生理或生态上的“代价”，例如更耐热的植物可能需要更多水分，或者行为适应（如迁徙）本身也需要能量和风险。最后，气候变化往往伴随着其他压力（如污染、栖息地破坏、病原体新威胁），这些复合压力可能超出生物的承受能力，导致即使部分性状有所适应，整体也难以生存。因此，适应的成功并非必然。**解析思路：*需要提出核心观点（适应非必然），并从进化速率、遗传多样性、性状限制、适应代价、复合压力等多个角度论证为何会出现适应失败。4.个体基于模型（Agent-basedModels,ABMs）在模拟生物适应过程中具有显著的应用潜力。其优势在于能够详细刻画单个生物体（个体）的行为、决策、生理状态及其与环境的交互，从而模拟出宏观群体行为和生态系统动态的涌现过程。利用ABM，研究者可以：（1）模拟不同适应策略（如遗传变异、行为调整、生理耐受变化）在个体层面的表现及其对种群的影响。（2）探索环境变化对个体行为和决策的触发机制，以及这些行为如何汇聚成种群的适应响应。（3）研究种内和种间相互作用在适应过程中的作用，例如竞争如何筛选适应者，捕食者-被捕食者动态如何响应猎物的适应性变化。（4）评估不同环境情景下生物适应的可能性、速率和阈值。然而，ABM也面临诸多挑战。模型开发通常需要大量关于个体行为和生理的细节数据，这些数据可能难以获取。模型参数的确定和