温度对生物的影响2在线视频

同学们好

我是云南大学

生态学与环境学院的郭晓荣老师

这节课我们一起学习

极端温度对生物的影响

及生物的适应策略

极端温度

常常成为限制生物分布的重要因素

例如

分布在海拔3000米以上的杜鹃花

在往低海拔地区引种时

不容易成功

苹果

梨

桃这些温带水果

不能在热带地区栽培

一般来说

低温对生物分布的限制作用更明显

例如橡胶分布的最北界

是云南的盈江

位于北纬24°40'

海拔高度的上线是960m

也在云南盈江

椰子分布的最北界是厦门

北纬24°30'

海拔高度的上限是640m

位于海南岛

温度和降水

是影响生物在地球表面分布的

两个最重要的生态因子

两者的共同作用

决定着生物群落在地球上分布的

总格局

但在极端的温度条件下

依然有生物生存

它们通过气候驯化

或进化变异

在形态结构

生理

和行为等方面

表现出明显的适应特征

首先

我们来看生物对低温的适应

分布于高纬度和高山的植物

以及生活在这些区域的内温动物身上

有较典型的体现

在形态上

高纬度地区和高山植物的体表

有蜡质和毛覆盖

树干粗短弯曲

枝条常呈匍匐状

树皮坚厚

有发达的木栓层

这些特点可以减少热量散失

芽和叶片常有油脂类物质保护

芽外有鳞片包被

可以增强对低温的抵御能力

生理上

耐低温的植物细胞内

自由水相对含量减少

束缚水相对含量增加

细胞质内

糖等保护物质含量增加

以降低冰点

例如分布在高海拔地区的鹿蹄草

叶子中大量储存五碳糖和粘液物质

这可使其结冰温度下降到

-31℃

有些植物为了适应冬季的寒冷

体内激素的种类

及比例会发生变化

脱落酸含量增加

生长素

赤霉素

含量减少

进入休眠状态

种子的休眠和后熟作用

也对植物度过寒冷的冬季

有重要的意义

极地和高山植物

在可见光谱中的吸收带较宽

并能吸收更多的红外线

比如虎耳草的叶片在冬季时

由于叶绿素含量降低

花青素含量增加而变为红色

有利于吸收更多的热量

在分子水平上

耐低温植物体内拥有抗冻蛋白

能够抑制冰晶生长

保护植物体

在结冰和临近结冰状态下

不受伤害

形态上

寒冷地区的内温动物

往往比来自温暖气候的同类个体大

其单位体重的散热量相对较少

有利于抗寒

例如东北虎的颅骨长

331-345mm

而华北虎的仅283-318mm

这种现象称为贝格曼规律

另外

生活在寒冷地区的内温动物

相比它们生活在温暖地区的同类个体

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

这也是减少散热的一种形态适应

这种现象称为阿伦规律

比如非洲热带的大耳狐

温带地区的赤狐

和北极地区的北极狐

其外耳逐渐变小

恒温动物也通过换毛

换羽

也就是提高密度和改变质量

或增加皮下脂肪的厚度

从而提高身体的隔热性能

例如生活在

-30℃下的北极狐

无需增加产热

仅靠皮毛和皮下脂肪的隔热性

就能维持恒定的体温

海豹的皮下脂肪厚达60mm

在躯干的横切面上

58%的面积为脂肪

一些小型鸟兽

在寒冷季节

依靠增加体内产热来御寒

并保持体内恒定的体温

这主要通过增加基础代谢产热

和非颤抖性产热来实现的

非颤抖性产热是小型哺乳动物

在突然暴露在寒冷条件下的

主要产热方式

这个过程

主要发生在褐色脂肪组织中

另外

在低温环境中

减少身体散热的另一种适应

是大大降低身体终端部位的温度

而身体中央的温暖血液

则很少流到这些部位

允许身体异温

一只站立在冰面上的银鸥

它的体温为38-41℃

其脚掌的温度却为0-5℃

自脚掌向上温度逐渐升高

到达生有羽毛的胫部为32℃

在冬季

寒冷有时和食物短缺是并存的

一些动物采用冬眠的方式

度过不良环境

它们在冬眠前

在体内储存大量低熔点脂肪

进入冬眠后

代谢率比活动状态下低几十倍

甚至近百倍

核心体温可降到与环境温度

仅差1-2℃

心率及呼吸速率都大大降低

从而降低了对能量的需求

但如果环境温度过低时

内温动物会自发地

从冬眠中醒过来

恢复到正常状态

而不至于冻死

这是与外温动物冬眠的根本区别

动物对低温的行为适应

主要表现在迁徙和集群

前者是躲避不利环境

后者则是有意地创造有利条件

集群能建立一定的小气候

减少体温的散失

例如

皇企鹅栖居在

最冷的南极地区

在冬季的繁殖期

几乎100天左右不进食

消耗的脂肪量大约是25kg

这远远超过了它们越冬前的

脂肪储存量

实际情况是

在繁殖基地

数千只皇企鹅紧密聚集在一起

使冷暴露面积大大减少

紧贴的身体部位体温相同

类似于变成了一个扁平的庞然大物

同学们

以上提到不少动植物

在低温环境中的适应特征

请大家下课后

在不查找资料的情况下

设计一种人

从形态

生理

和行为等方面来适应

喜马拉雅山脉的低温环境

之后查找资料

看看现实中

生活在喜马拉雅山区的人类

是如何适应低温环境的

接下来

我们一起认识

生物对另一种极端温度环境

高温的适应

首先来看

植物对高温的适应

在形态上

有些植物体

呈白色

银白色

还有些植物叶片

革质发亮

可反射大部分阳光

减少对热能的吸收

有些植物生有密绒毛和鳞片

能过滤一部分阳光

有些植物叶片

几乎平行于茎排列

使叶缘向光

或在强光和高温下叶片卷曲

或对折

减少对光的吸收面积

如具有羽状复叶的

苏木科的某些乔木

叶片对折后

吸收的太阳辐射减少一半

有的植物树干和根茎

生有很厚的木栓层

具有绝热和保护作用

在生理上

植物对高温的适应主要表现在

降低细胞含水量

增加糖或盐的浓度

这有利于减缓代谢速率

和增加原生质的抗凝结力

其次

旺盛的蒸腾作用

可以避免植物体过热而受到伤害

还有一些植物具有反射红外线的能力

夏季反射的红外线比冬季多

这也是避免

使植物体受到高温伤害的一种适应

另外

高温会

损坏生物蛋白分子的结构

从而破坏植物细胞功能

科学家发现

植物在遭遇高温胁迫后会大量合成

热休克蛋白

它们可以帮助部分

遭到损坏的蛋白分子恢复原来的构造

并将完全毁坏掉的蛋白

搬运到特定位置

清除出细胞

从而防止了受损蛋白的累积

维护细胞内环境的稳定

以上我们对植物在高温下的形态

和生理调节有了基本的认识

接下来我们来了解

动物对高温的适应

动物对高温的适应

也表现在形态结构

生理和行为三方面

在形态结构上

内温动物主要用毛皮隔热

大型兽类

毛皮颜色浅

有光泽

能反射光

在高温环境中

可减少热辐射的吸收

动物身体上有些皮薄

无毛

血管丰富的部位

利于散热

如兔的耳朵

这些部位称为热窗

内温动物的脑

与精巢对高温敏感

易受高温伤害

多数哺乳动物的精巢

持久或季节性地下降到腹腔外

比体核温度低几度

羚羊类和其它的有蹄动物的劲动脉

在脑下部形成复杂的小动脉网

包围在从较冷的鼻区

过来的静脉血管外

通过逆流热交换

使流入脑的血液温度

比总动脉血低3℃

在生理上

动物在高温环境中

适当放松恒温性

允许体温有较大幅度的波动

高温炎热时

将热量储存于体内

使体温升高

等夜间环境温度降低时

或躲到阴凉处后

再通过自然的对流

传导和辐射等方式

将体内的热量释放出去

例如荒漠中的骆驼

饮水时体温昼夜变化幅达3℃

缺水时

变化幅达7℃

动物将热量储存在体内

减少了散发热量需要蒸发的水

这是对干旱高温环境的适应

当水分不受限时

动物主要通过蒸发降低低温

如出汗和喘气

行为上

夏眠

穴居

昼伏夜出

是沙漠中一些啮齿类动物的适应对策

比如黄鼠

在干旱炎热的夏季

体温调低

能量需求降低

进入夏眠

但北美地区有一种白尾黄鼠

是白天活动的

它们靠体内储热

和行为进行调节

当地面温度升高到43℃时

白尾黄鼠回到洞中

伸展躯体

紧贴在凉爽的洞壁上

待体温降低后又出洞活动

就这样进行周期性的体温升降

一些昆虫在夏季滞育时

甚至能使身体干透

或在体表分泌一些物质形成一层

不透水的外膜

以适应干热环境

相比较而言

内温动物对高温的适应

较低温更难

好了

温度与生物的关系

到这里就介绍完了

下节课中

我们将学习另一个重要的生态因子

光

及其对生物的影响

同学们

下节课见