1、荒漠蟬之謎荒漠蟬之謎 ？ 它可以通過(guò)蒸發(fā)降溫嗎？它可以通過(guò)蒸發(fā)降溫嗎？ 它能背個(gè)水壺來(lái)解決水分損失嗎？它能背個(gè)水壺來(lái)解決水分損失嗎？How does the cicada remains active when environmental temperature exceeds its lethal maximum? 蟬躲在樹(shù)叢中利用陰涼的小氣候？蟬躲在樹(shù)叢中利用陰涼的小氣候？Toolson Toolson 及其學(xué)生深入研究了這及其學(xué)生深入研究了這一不為大家注意的問(wèn)題！一不為大家注意的問(wèn)題！ 如果是，那如何控制水分損失（因如果是，那如何控制水分損失（因?yàn)闉?昆蟲(chóng)體小，表面積相對(duì)很大）？昆蟲(chóng)體小

2、，表面積相對(duì)很大）？第5章 水因子的生態(tài)作用及生物的適應(yīng)水因子的生態(tài)作用及生物的適應(yīng) Water as an ecological factor關(guān)鍵概念關(guān)鍵概念在陸地和水域環(huán)境中水分沿濃度梯度下行，從而決定在陸地和水域環(huán)境中水分沿濃度梯度下行，從而決定著生物獲得水分的狀況著生物獲得水分的狀況 陸地動(dòng)、植物通過(guò)平衡水分陸地動(dòng)、植物通過(guò)平衡水分得失來(lái)調(diào)節(jié)體內(nèi)水分得失來(lái)調(diào)節(jié)體內(nèi)水分 海洋和淡水生物利用補(bǔ)償機(jī)海洋和淡水生物利用補(bǔ)償機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)體內(nèi)水分和鹽平衡制來(lái)調(diào)節(jié)體內(nèi)水分和鹽平衡 5.I 5.I 水的可利用性水的可利用性 Water availability (1) (1) 空氣中的水分含量空氣中的水

3、分含量 在陸地和水域環(huán)境中水分沿濃度梯度下行決定著生物在陸地和水域環(huán)境中水分沿濃度梯度下行決定著生物獲得水分的狀況獲得水分的狀況水汽密度水汽密度：?jiǎn)挝涣⒎矫姿肿拥闹亓浚ǎ簡(jiǎn)挝涣⒎矫姿肿拥闹亓浚╣/mg/m3 3). ).水汽壓：水汽壓：空氣中氣體分子產(chǎn)生的壓力（空氣中氣體分子產(chǎn)生的壓力（kPkPa a). ). 11帕帕pascalpascal (Pa) (Pa) = 1= 1牛頓力牛頓力/m/m2 2 相對(duì)濕度相對(duì)濕度(RH)(RH)：指單位容積空氣中實(shí)際水汽含量與同一溫度下：指單位容積空氣中實(shí)際水汽含量與同一溫度下飽和水汽含量之比飽和水汽含量之比(%)(%)。飽和差飽和差( (水汽

4、壓赤字水汽壓赤字 Vapor pressure deficit) )：指實(shí)際水汽含量與：指實(shí)際水汽含量與同一溫度下飽和水汽含量之差。同一溫度下飽和水汽含量之差。飽和水汽密度飽和水汽密度飽和水汽壓飽和水汽壓溫度與水汽壓（水溫度與水汽壓（水汽密度）的關(guān)系：汽密度）的關(guān)系：正相關(guān)正相關(guān)（續(xù)）（續(xù)）陸地生物的水汽壓赤字與水分蒸發(fā)損失的關(guān)系陸地生物的水汽壓赤字與水分蒸發(fā)損失的關(guān)系s水汽壓赤字高，水汽壓赤字高，體內(nèi)蒸發(fā)就大體內(nèi)蒸發(fā)就大水汽壓赤字低，水汽壓赤字低，體內(nèi)蒸發(fā)就小體內(nèi)蒸發(fā)就小(2)水域環(huán)境中水的運(yùn)動(dòng)水域環(huán)境中水的運(yùn)動(dòng) 水從高濃度向低濃度環(huán)境擴(kuò)散，即水從高濃度向低濃度環(huán)境擴(kuò)散，即滲滲透透( (作用

5、作用) osmosis) osmosis，從而產(chǎn)生，從而產(chǎn)生滲透壓滲透壓 ，那么溶液中物質(zhì)的擴(kuò)散方向與水相反。那么溶液中物質(zhì)的擴(kuò)散方向與水相反。根據(jù)生物體液與環(huán)境關(guān)系：根據(jù)生物體液與環(huán)境關(guān)系：低滲低滲高滲高滲等滲等滲等滲壓的等滲壓的( (生物生物) ) 體液中水濃度和鹽體液中水濃度和鹽濃度與環(huán)境中的相同；濃度與環(huán)境中的相同；高滲壓的（生物）高滲壓的（生物）體液中水的濃度體液中水的濃度低于環(huán)境，但鹽濃度高于環(huán)境。低于環(huán)境，但鹽濃度高于環(huán)境。低滲壓的低滲壓的 （生物）（生物）體液中水的濃度體液中水的濃度高于環(huán)境、但鹽濃度低于環(huán)境。高于環(huán)境、但鹽濃度低于環(huán)境。(3)(3)土壤與植物間的水分運(yùn)動(dòng)土壤與

6、植物間的水分運(yùn)動(dòng) 在陸地上，水分從生物體流向在陸地上，水分從生物體流向大氣，其速率取決于生物與周大氣，其速率取決于生物與周?chē)諝獾膰諝獾乃麎撼嘧炙麎撼嘧帧Ｋ畯耐寥澜?jīng)過(guò)植物進(jìn)入大氣是水從土壤經(jīng)過(guò)植物進(jìn)入大氣是沿沿水勢(shì)能水勢(shì)能 water potential （即（即水做功的能力）梯度而運(yùn)動(dòng)水做功的能力）梯度而運(yùn)動(dòng)（圖解）。水做功的能力取決（圖解）。水做功的能力取決于它的自由能，從高自由能向于它的自由能，從高自由能向低自由能運(yùn)動(dòng)。低自由能運(yùn)動(dòng)。 水勢(shì)梯度水勢(shì)梯度（續(xù)）（續(xù)）若設(shè)純水的勢(shì)能為若設(shè)純水的勢(shì)能為0 0，其它，其它任何液體的勢(shì)能都為任何液體的勢(shì)能都為負(fù)負(fù)值。值。故自然界的水勢(shì)能一般為

7、負(fù)故自然界的水勢(shì)能一般為負(fù)值，值， 因?yàn)樵谧匀唤鐜缀醪灰驗(yàn)樵谧匀唤鐜缀醪淮嬖诮^對(duì)的純凈水。存在絕對(duì)的純凈水。 所以，水從勢(shì)能較大的土壤所以，水從勢(shì)能較大的土壤經(jīng)過(guò)植物最后進(jìn)入水勢(shì)最小經(jīng)過(guò)植物最后進(jìn)入水勢(shì)最小的干燥空氣中（圖解）。的干燥空氣中（圖解）。思考題思考題請(qǐng)繪制出夏季植物在一天中的葉片水勢(shì)變化圖。請(qǐng)繪制出夏季植物在一天中的葉片水勢(shì)變化圖。timeWaterpotential5.2 5.2 生物生物在陸地環(huán)境中的水分調(diào)節(jié)在陸地環(huán)境中的水分調(diào)節(jié) Water Regulation on Land 陸地動(dòng)、植物通過(guò)平衡水分得失來(lái)調(diào)節(jié)體內(nèi)水分陸地動(dòng)、植物通過(guò)平衡水分得失來(lái)調(diào)節(jié)體內(nèi)水分陸生生物面臨陸

8、生生物面臨2個(gè)問(wèn)題：身體水分蒸發(fā)散失、難以補(bǔ)充水。個(gè)問(wèn)題：身體水分蒸發(fā)散失、難以補(bǔ)充水。陸生動(dòng)物的水調(diào)節(jié)平衡陸生動(dòng)物的水調(diào)節(jié)平衡：WiaWdWfWaWeWs Wia動(dòng)物體內(nèi)水動(dòng)物體內(nèi)水. .水來(lái)源水來(lái)源：Wddrink飲水；飲水；Wffood 食物水；食物水；Waair吸收空氣中的水；吸收空氣中的水；水散失：水散失：Weevaporation蒸發(fā)失掉水；蒸發(fā)失掉水；Wssecretions排泄水。排泄水。陸生植物水的調(diào)節(jié)陸生植物水的調(diào)節(jié)：WipWrWaWtWs獲得水：獲得水：Wrgainingwaterfromsoil( (根根) ) byroot ；Wa gainingwaterfromth

9、eair 從空氣中吸收水。從空氣中吸收水。散失的水有散失的水有：Wtlosingwaterbytranspiration(蒸騰蒸騰) ) Ws losingwaterbyvarioussecretions分泌和生殖結(jié)構(gòu)分泌和生殖結(jié)構(gòu)（花蜜、果實(shí)和種籽）。（花蜜、果實(shí)和種籽）。 Water gains and losses by terrestrial plants and animals 另一種偽步甲另一種偽步甲 OnyOny則采取圖示的方式取水（圖）。則采取圖示的方式取水（圖）。a)a)主動(dòng)找水主動(dòng)找水;b) ;b) 生活在水附近；生活在水附近；c)c)特殊方式工程節(jié)水：特殊方式工程節(jié)水：

10、在西在西南非洲納米比沙漠，幾乎沒(méi)有南非洲納米比沙漠，幾乎沒(méi)有雨，但霧多，那里的偽步甲：雨，但霧多，那里的偽步甲： 在沙丘上開(kāi)溝凝結(jié)和收集霧汽，在沙丘上開(kāi)溝凝結(jié)和收集霧汽，溝收集的濕氣流到低處，甲蟲(chóng)等在溝收集的濕氣流到低處，甲蟲(chóng)等在那里吸取濕氣。那里吸取濕氣。(1)(1)動(dòng)物獲得水的方式動(dòng)物獲得水的方式 （續(xù)）依靠代謝水的例子見(jiàn)圖5.11 偽步甲體內(nèi)水分平衡偽步甲體內(nèi)水分平衡 Water balance inthe kangaroo rate 思考題思考題 本章中列舉了干旱荒漠中偽步甲與水的關(guān)系。這一本章中列舉了干旱荒漠中偽步甲與水的關(guān)系。這一科的昆蟲(chóng)也有生活在溫帶潮濕環(huán)境的種類，那么不科的昆蟲(chóng)

11、也有生活在溫帶潮濕環(huán)境的種類，那么不同環(huán)境中偽步甲的水分散失率有何不同？根據(jù)什么同環(huán)境中偽步甲的水分散失率有何不同？根據(jù)什么假設(shè)作出你的預(yù)測(cè)？你如何來(lái)驗(yàn)證你的預(yù)測(cè)？假設(shè)作出你的預(yù)測(cè)？你如何來(lái)驗(yàn)證你的預(yù)測(cè)？(2) (2) 植物獲得水的方式植物獲得水的方式 Soil moisture and root developmentby a grassland forb植物根系的發(fā)育程度常常植物根系的發(fā)育程度常常反映了可獲得水的狀況。反映了可獲得水的狀況。生長(zhǎng)在干旱氣候環(huán)境中的生長(zhǎng)在干旱氣候環(huán)境中的根系要大于濕潤(rùn)氣候環(huán)境根系要大于濕潤(rùn)氣候環(huán)境中的根系（圖中的根系（圖5 5.12.12）。）。 干旱環(huán)境中植

12、物的主根扎干旱環(huán)境中植物的主根扎得很深，有的深達(dá)得很深，有的深達(dá)30m30m。 研究實(shí)例研究實(shí)例Park (1990): Park (1990): 為什么馬唐為什么馬唐( (DigitariaDigitaria) ) 能夠生長(zhǎng)在海岸沙丘上而能夠生長(zhǎng)在海岸沙丘上而ElusineElusine 不能？對(duì)此不能？對(duì)此 研究了這研究了這2 2種草對(duì)水分缺乏的反應(yīng)：種草對(duì)水分缺乏的反應(yīng)：種籽在濕潤(rùn)的沙中萌發(fā)種籽在濕潤(rùn)的沙中萌發(fā)把苗移種在把苗移種在10X90 cm 10X90 cm 的的PVCPVC管（裝有海岸沙）管（裝有海岸沙）每種草種每種草種3636管，每管管，每管2 2株株每每1010天澆一次營(yíng)養(yǎng)液

13、，持續(xù)天澆一次營(yíng)養(yǎng)液，持續(xù)4040天天1818管繼續(xù)澆水管繼續(xù)澆水1919天天1818管停止?jié)菜芡Ｖ節(jié)菜?919天天?Root growth by grass from dry and moist habitatsfrommoisthabitatfromadryhabitatLeafwaterpotentialsofgrassesfromdryandmoisthabitats(3) (3) 動(dòng)植物的保水方式動(dòng)植物的保水方式 防止水分蒸發(fā)的最明顯的方式是被覆一層防水層，如蠟層。防止水分蒸發(fā)的最明顯的方式是被覆一層防水層，如蠟層。但生物種類之間防水層的作用差異很大。干旱環(huán)境的生物水分但生物種類之

14、間防水層的作用差異很大。干旱環(huán)境的生物水分散失要慢于濕潤(rùn)環(huán)境的生物，這是生物在長(zhǎng)期演化過(guò)程的適應(yīng)散失要慢于濕潤(rùn)環(huán)境的生物，這是生物在長(zhǎng)期演化過(guò)程的適應(yīng)結(jié)果。結(jié)果。即使親緣關(guān)系很近的即使親緣關(guān)系很近的生物也可能有不同的生物也可能有不同的適應(yīng)性適應(yīng)性。生活在潮濕和干旱環(huán)境中不生活在潮濕和干旱環(huán)境中不同龜?shù)乃稚⑹时容^同龜?shù)乃稚⑹时容^Water loss rates by tiger beetles from moist and dry habitats（續(xù)）陸 生 昆 蟲(chóng) 表陸 生 昆 蟲(chóng) 表皮 的 防 水 是皮 的 防 水 是由 碳 氫 化 合由 碳 氫 化 合物 決 定 的 。物 決 定

15、 的 。 2 2種虎甲表皮種虎甲表皮碳?xì)浠衔铮細(xì)浠衔铮?jiàn)圖見(jiàn)圖 Cuticular(表皮）表皮）hydrocarbons（碳?xì)浠衔铮ㄌ細(xì)浠衔铮?of tiger beetles from moist and dry habitats續(xù)續(xù)植物也演化出多種保水方式。植物也演化出多種保水方式。植物保持水分的能力部分地決植物保持水分的能力部分地決定于定于: :葉面積葉面積根系面積（或長(zhǎng)度）根系面積（或長(zhǎng)度）單位根系長(zhǎng)度的葉面積越大，單位根系長(zhǎng)度的葉面積越大，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節(jié)脫落葉片，下雨后在干旱季節(jié)脫落葉片，下雨后生出葉片。生出葉片。 Dryp

16、eriodMoistperiod續(xù)續(xù)其它適應(yīng)方式有葉片其它適應(yīng)方式有葉片增厚、氣孔減少、氣增厚、氣孔減少、氣孔上有阻止水分運(yùn)動(dòng)孔上有阻止水分運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)、休眠等。的結(jié)構(gòu)、休眠等。生長(zhǎng)在熱帶空曠地的一種植物生長(zhǎng)在熱帶空曠地的一種植物Piper auritum 為適應(yīng)中午干燥的空氣使葉片為適應(yīng)中午干燥的空氣使葉片萎焉，減小葉面積約萎焉，減小葉面積約55、葉面降溫、葉面降溫4-5，從而減小蒸騰率，從而減小蒸騰率3050.完全不同的生物采取近似的方式適應(yīng)荒漠生活完全不同的生物采取近似的方式適應(yīng)荒漠生活蟬和蝎子可能生活在相同的環(huán)境中，但蟬和蝎子可能生活在相同的環(huán)境中，但采取了完全不同的途經(jīng)。采取了完全不同

17、的途經(jīng)。 Heath &Wilkin (1970)Heath &Wilkin (1970)觀察發(fā)現(xiàn)：觀察發(fā)現(xiàn)：太陽(yáng)出升前后，蟬棲息在豆灌木的大太陽(yáng)出升前后，蟬棲息在豆灌木的大枝和嫩葉上吸食木質(zhì)部汁液；當(dāng)體溫枝和嫩葉上吸食木質(zhì)部汁液；當(dāng)體溫達(dá)到達(dá)到3939時(shí)，蟬移動(dòng)到大樹(shù)枝的被陰時(shí)，蟬移動(dòng)到大樹(shù)枝的被陰處，處，雄蟬開(kāi)始鳴叫雄蟬開(kāi)始鳴叫。如果溫度在整個(gè)。如果溫度在整個(gè)中午不超過(guò)中午不超過(guò)4040，它就不停地鳴叫。，它就不停地鳴叫。但當(dāng)?shù)?dāng)4848（1:001:003:00 P.M.3:00 P.M.）就停）就停止鳴叫；過(guò)了這個(gè)時(shí)間又鳴叫止鳴叫；過(guò)了這個(gè)時(shí)間又鳴叫(4)兩種節(jié)肢動(dòng)物采

18、取不同的方式適應(yīng)沙漠生活兩種節(jié)肢動(dòng)物采取不同的方式適應(yīng)沙漠生活 蟬蟬蟬的體溫比氣溫低得多，蟬呆的地方（大樹(shù)枝被陰處）很小，蟬的體溫比氣溫低得多，蟬呆的地方（大樹(shù)枝被陰處）很小，其主要捕食者鳥(niǎo)無(wú)法觸及。這種其主要捕食者鳥(niǎo)無(wú)法觸及。這種蟬還有別的方式調(diào)節(jié)體溫嗎蟬還有別的方式調(diào)節(jié)體溫嗎？ 把蟬放在培養(yǎng)箱中，人為把蟬放在培養(yǎng)箱中，人為控制溫度或濕度控制溫度或濕度來(lái)觀察蟬的體溫變化來(lái)觀察蟬的體溫變化100100RHRH下使蒸發(fā)停止，下使蒸發(fā)停止，則體溫迅速上升則體溫迅速上升蟬蟬這個(gè)結(jié)論符合實(shí)際嗎？這個(gè)結(jié)論符合實(shí)際嗎？ 用濕度傳感器放在緊靠用濕度傳感器放在緊靠體壁之上。因?yàn)樗麄冾A(yù)測(cè)，體壁之上。因?yàn)樗麄冾A(yù)測(cè)

19、，如果蒸發(fā)降溫起作用，隨如果蒸發(fā)降溫起作用，隨氣溫升高，水分散失就會(huì)氣溫升高，水分散失就會(huì)增大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了他增大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了他們的假說(shuō)（圖）們的假說(shuō)（圖） 續(xù)續(xù) 這種蟬能夠在炎熱的時(shí)間鳴叫，因?yàn)樗苓@種蟬能夠在炎熱的時(shí)間鳴叫，因?yàn)樗艹龊钩龊埂Ｏs是如何散失水分的？蟬是如何散失水分的？思考題思考題 請(qǐng)解釋荒漠蟬是如何運(yùn)用蒸發(fā)冷卻的而其它昆請(qǐng)解釋荒漠蟬是如何運(yùn)用蒸發(fā)冷卻的而其它昆蟲(chóng)卻做不到。蟲(chóng)卻做不到。 很多荒漠生物有完備的防水機(jī)制。然而，進(jìn)化很多荒漠生物有完備的防水機(jī)制。然而，進(jìn)化不能阻止所有的水分蒸發(fā)散失，為什么？（提示：不能阻止所有的水分蒸發(fā)散失，為什么？（提示：圍繞生物必須與環(huán)境保

20、持交流的方式）圍繞生物必須與環(huán)境保持交流的方式）5.3 5.3 水域環(huán)境中水和鹽的平衡水域環(huán)境中水和鹽的平衡 海洋和淡水生物利用補(bǔ)償機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)體內(nèi)水分和鹽海洋和淡水生物利用補(bǔ)償機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)體內(nèi)水分和鹽 水生生物的體內(nèi)水平衡等式：水生生物的體內(nèi)水平衡等式：WWi i WWd d WWs s W Wo oWWi i: : 體內(nèi)水分體內(nèi)水分i internal water；WWd d: : 飲水飲水 drinkdrink；WWs s : : 泌尿泌尿 secretionsecretion；WWo o : : 滲透水分得失滲透水分得失 osmoticosmotic(1)海洋魚(yú)類和無(wú)脊椎動(dòng)物海洋魚(yú)類和無(wú)脊

21、椎動(dòng)物 微高滲壓微高滲壓shark水通過(guò)鰓水通過(guò)鰓進(jìn)入體內(nèi)進(jìn)入體內(nèi)鹽離子被鹽腺濃鹽離子被鹽腺濃縮后排除體外縮后排除體外大多數(shù)海洋大多數(shù)海洋無(wú)脊椎動(dòng)物無(wú)脊椎動(dòng)物屬屬等滲壓等滲壓動(dòng)物基本無(wú)需克服滲透壓梯動(dòng)物基本無(wú)需克服滲透壓梯度（但某些溶解質(zhì)的濃度仍有差異）。度（但某些溶解質(zhì)的濃度仍有差異）。鯊魚(yú)、鰩、鰭鯊魚(yú)、鰩、鰭屬屬高滲壓高滲壓動(dòng)物，血液中鹽溶液濃度高于海水。動(dòng)物，血液中鹽溶液濃度高于海水。Na+,CI+Osmo-regulation by marine fish and saltwater mosquitoes水分從海洋硬骨魚(yú)體內(nèi)向海水中擴(kuò)散水分從海洋硬骨魚(yú)體內(nèi)向海水中擴(kuò)散鹽隨濃縮尿鹽隨濃縮

22、尿形式排除，形式排除，但海洋硬骨魚(yú)的體液但海洋硬骨魚(yú)的體液強(qiáng)烈強(qiáng)烈低滲透低滲透，即，即失水失水。飲水同時(shí)也增加了鹽飲水同時(shí)也增加了鹽的進(jìn)入。兩種方式擺的進(jìn)入。兩種方式擺脫多余的鹽。其脫多余的鹽。其鰓基鰓基部的部的“氯化物氯化物”細(xì)胞細(xì)胞向水中直接分泌鈉和向水中直接分泌鈉和氯，而氯，而腎腎分泌鎂和硫分泌鎂和硫（隨尿排掉）。鹽水（隨尿排掉）。鹽水中生活的按蚊幼蟲(chóng)如中生活的按蚊幼蟲(chóng)如此。此。 Osmoregulation by freshwater fish and mosquitoes 淡水無(wú)脊椎動(dòng)物體液也是淡水無(wú)脊椎動(dòng)物體液也是低滲透性低滲透性的，要花的，要花能量能量泵出泵出水并主動(dòng)吸收鹽。但滲

23、透梯水并主動(dòng)吸收鹽。但滲透梯度不大，故用的能量不大。度不大，故用的能量不大。 淡水魚(yú)是淡水魚(yú)是低滲透性低滲透性，鹽，鹽通過(guò)鰓向外流而水向內(nèi)流。通過(guò)鰓向外流而水向內(nèi)流。魚(yú)以魚(yú)以多尿多尿的形式排除體內(nèi)的形式排除體內(nèi)的水，鰓基部的的水，鰓基部的“氯細(xì)胞氯細(xì)胞”從水中吸收鈉和氯，并且從水中吸收鈉和氯，并且通過(guò)通過(guò)取食取食獲得鹽獲得鹽(2) (2) 淡水魚(yú)和無(wú)脊椎動(dòng)物淡水魚(yú)和無(wú)脊椎動(dòng)物 思考題思考題很多海洋無(wú)脊椎動(dòng)物與其環(huán)境是等滲透壓的，保很多海洋無(wú)脊椎動(dòng)物與其環(huán)境是等滲透壓的，保持等滲透壓有何益處？持等滲透壓有何益處？THEEND!思考題思考題1. 1. 有人提出，等足蟲(chóng)在空曠環(huán)境中通過(guò)蒸發(fā)冷卻方法保持較低有人提出，等足蟲(chóng)在空曠環(huán)境中通過(guò)蒸發(fā)冷卻方法保持較低的體溫。請(qǐng)解釋為什么蒸發(fā)