生态学精要速览系列.docx

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生态学精要速览系列

生态学－精要速览系列

A引言

A1什么是生态学

核心概念

生态学定义：

生态学是研究有机体与环境相互作用的科学。

“环境”是物理环境（温度、可利用水等）和生物环境（对有机体的、来自其他有机体的任何影响）的结合体。

个体、种群、群落和生态系统：

有4个可辨别尺度的亚部分：

1）探讨个体对其环境的反映；2）研究单个物种的种群对于环境的反映，和探讨诸如多度及其波动等的过程；3）群落的组成和结构；4）生态系统（群落与环境的非生物成分的结合）内的各种过程，例如能流、食物网和营养物的循环。

生态学研究并不局限于“自然”系统－了解人类对自然影响的人工生态系统（例如农田）的生态学也都是研究的重要领域。

生物环境即来自其他有机体的影响，如竞争、捕食、寄生和合作。

词汇索引

Ecology,Definitionof生态学，定义为

Peacock孔雀

Developmentrate发育率

Heritabletrait可遗传特征

“Forthegoodofthespecies”对物种有好处

ModelsinEcology生态学模型

Habitat生境（栖息地）

Multidimensionalnichespace多维生态位空间

Tradeoffs权衡

Constraints约束

Evolution进化的

Physical物理的

Naturalselection自然选择

词汇解析

Organism生物体

Bioticandabiotic生物性与非生物性

Cyclingofnutrients养分循环

Abundanceandevolution物种丰富度与进化

Energyflow能量流动

Foodwebs食物链

Comprise包括

Availability有效性与可得性

A2生态学的认知观

生态学是科学：

生态学是一们纯科学学科，目标是了解有机体与其环境的相互关系，要分清楚科学观点与生态学知识的政治和社会影响的事件。

生态学只有按照进化论才可理解：

有机体的多样性，以及其形态学、生理学和行为的变异的丰富性，全都是亿万年进化的结果。

“对物种有利”现象并不存在：

自然选择将会有利于那些传给大多数后裔的基因，即使这些基因有可能导致物种种群大小的下降。

基因和环境都都重要：

有机体自己所处的环境，对于它在开放的各种选择中决定取舍上，具有重要的作用。

决定有机体构造的基因，同样具有根本的重要性。

理解复杂性要求模型：

清楚的认识自然物种特异问题，然后形成可以检验的假设是必需的，并以数学的思想方法构造假说常是很有用的。

要有分层次的解释：

有些现象已经被“解释了”，更进一步的解释也是很好的。

有机体具有很多限制：

约束基本上有两类：

1）物理的；2）进化的。

机会是重要的：

随机事件在生态学中起关键的作用。

机会的作用也与有机体过去进化综合在一起，但它必然位于可预测的生态模式细节的潜在水平之边缘。

生态学家心目中的生态学边界：

生态学是一门广泛的科学，覆盖着生物和物理环境，数学、化学和物理学都是理解生态学的基本工具。

词汇索引

Realizedniche实际生态位

Mutualism互利共生

Competitionandpredation竞争与捕食

Environmentalvariation环境变化

Bacterialsymbionts细菌共生体

Phenotype表型

Phenotypeplasticity表型可塑性

Foragingbehavior觅食行为

Starlings椋鸟的

Bats蝙蝠的

Population种群

Oligotrophic贫营养的

Rain降雨

词汇解析

Ecosystem生态系统

Molecular分子的

Pitfall错误或陷阱

Discipline学科

Inthelightof根据

Species物种

Gene基因

Complexity复杂性

Scales尺度

Diagnose判断

Multiple多样的

B1适应

适合度：

是个体生产能存活后代、并能对未来世代有贡献的能力的指标。

个体的相对适合度是有变化的，这种变化部分决定于个体的遗传区别，部分决定于环境的影响。

自然选择：

种中具有最高适合度的个体将会对未来世代作出特别高的贡献。

如果适合度的差别含有遗传的成分，则后代的遗传组成会有改变。

适应：

有机体所具有的有助于生存和生殖的任何可遗传特征都是适应。

适应性特征可以是生理的或行为的。

适应是自然选择的结果。

基因型和表型:

基因型是个体的遗传组成。

表型是各个有机体，它是基因型与环境的相互作用的产物。

由于环境对基因型的影响，表型发生变化的能力叫做表型可塑性。

词汇索引

Bloodosmolarity血液渗透性

Conditions条件

Stickycatchfly麦瓶草

Tradewinds信风

Tolerance耐受

Fitness适合度

Survivalofthefittest适者生存

词汇解析

Domain领域

Canopy冠层

Breach违反

Boundaries界限

Exclude排除

Offspring子孙后代

Subsequent后来的

Humansuntan人的晒黑

Morph单生或群居方式

Acidity酸度

Salinity碱度

B2应付环境变异

条件：

引起有机体对其反应的、可变的环境因子是条件，例如温度、酸度和盐度。

条件是不可能被减少的---它不能被有机体消耗掉。

资源：

有机体消耗的任何东西，对该有机体而言，就是资源。

例如，光是一切绿色植物的资源。

环境变异：

大多数有机体都必须应付一定时间尺度范围内不断变化着的外界环境。

有些环境因子的变化以秒或分计，有些以更长时间如冰河周期。

内调节：

生物细胞不可能在剧烈的变动环境中运行，因此，有机体要采取行动以限制其内环境的变化。

稳态：

有机体在可变动的外部环境中维持一个相对恒定的内部环境，称为稳态。

大型有机体比小型的更易从其外部环境中退耦。

负反馈：

大多数生物稳态机制以大致一样的方式起作用；如果一个因子的内部水平太高（如温度或渗透性）太高，该机制将减少它；如果水平太低，就提高它。

负反馈反应的方向与信号的相反。

耐受性：

有机体能够应付其外部环境的变化。

种的成员能够生存的环境条件上限和下限是种的耐受限度。

在此极端中通常不出现生长，但在条件更狭窄的范围内能生长，而适合度最大只能出现在更窄的最适范围内。

词汇索引

Resources资源

Ostrich鸵鸟

Osmoregulation渗透调节

Cctopuseye章鱼

Mycorrhizae菌根

Chanceevents随机事件

Community群落

Spiderbeetle澳洲蛛甲虫

Bat,foragingbehavior蝙蝠觅食行为

Negativefeedback负反馈

Passengerpigeon旅鸽

Vertebrateeye,blindspot脊椎动物眼，盲眼

词汇解析

Parasitism寄生关系

Useupordeplete耗尽

Fluctuate波动

External外表的

Elevate提升

Utilize利用

Dimension维度

Prey被捕食者

Forage铸造

B3生态位

生态位：

有机体在它的环境中所处的位置，包括它发现的各种条件，它所利用的资源和它在那里的时间。

栖息地：

是它所处的物理环境，例如，温带阔叶林。

每一栖息地提供许多生态位。

多维生态位：

多维生态位：

有机体的每一个条件和资源，对于有机体能出现的空间提供一个维度。

全面确定所有维度，是多维生态位空间。

基础生态位：

在没有竞争和捕食出现时，有机体的生态位空间叫做基础生态位。

实际生态位：

当有竞争和捕食时，有机体所占有的生态位空间是实际生态位，实际生态位始终是基础生态位的一个子集。

词汇索引

Evolution进化的

Physical物理的

Naturalselection自然选择

Solarspectrums太阳光谱

Solarradiation太阳辐射

Energyflow能量流动

Chemicalproperties化学性质

Balance平衡

Heathbedstraw石南拉拉腾

词汇解析

Insectivorous以虫为食的

Dashline破折线

Hoarybat灰白蝙蝠

Illustration图解

Performance性能

Lethal致命的

Dilute稀释的

Kidney肾

Retinal视网膜

C1太阳辐射与气候

要点

太阳辐射：

太阳能使地球上的气候产生变化。

太阳的能量到达地球上时，高能量的光波被地球吸收，并以热辐射的形式再释放出来。

被加热的空气上升，与此同时膨胀。

此膨胀吸收了空气中的能量，导致空气温度下降，这个过程称为绝热冷却。

地球的风型：

地球上主要的风系是由环绕赤道的热空气的上升运动而引起的，从南北而来的较冷空气发替代了热空气，形成了信风。

科里奥利（Coriolus）效应（由地球的自转引起）使移动的空气在北半球向右偏转，在南半球向左偏转。

南北两半球的信风恰好在赤道北部于热带辐合区（ITCZ）相遇。

在南北纬40°地区的高层大气中，发生从西而来的“急流风”。

地球两极的冰群增加了地球表面的反射系数（或反照率），降低了空气的升温，产生了一些密集的冷空气带。

洋流：

风搅动着地球上的海洋，信风将海水掀起海浪冲向大陆，造成海平机的不平衡。

例如，北美洲的海平面在西洋一侧比太平洋一侧高一两米，这种差异形成了洋流。

因此，如在加勒比海堆聚的温暖海水，沿着美洲海岸向北移动，即墨西哥湾流，然后转向欧洲北部，对欧洲具有显著的增温作用。

降雨：

潮湿的空气遇冷形成降雨。

温暖的空气比冷空气携带更多的水，所以冷却使热空气凝结成小水滴。

例如，如果空气在海上流过，然后沿山上升，这空气将以绝热温度递减率冷却，即每上升1000米温度下降6～10℃，这还取决于空气中的含水量，并将导致降雨。

空气翻越山后，将下降并被压缩变暖，导致在山的背风面形成雨影。

灾害：

热带海洋的静止状态可导致风暴。

在数天内，温暖海水上方空气的极微小运动，可能被突然升起的一些暖空气柱扰乱，引起海水表面的风卷进不断升起的空气柱中。

上升的空气饱含了水分，在上升过程中，空气膨胀并冷却。

水蒸汽转变为水滴了，释放凝结热，并提供能量进一步推动此过程，这就可能发展成飓风。

C2微气候

要点

气候的局部变化：

全球的温度与降雨图掩盖了局部地区的变化。

然而，即使在很小的尺度范围内，也有大量的微气候变化。

微气候是动植物生活在其中的气候。

热：

在温带生态系统中，热的主要储存位置是土壤，白天土壤储存热，夜间作为热量的来源。

土壤的热传导（热流标准率测量）决定了热转换速率。

物体经历的温度变化是热传导的结果，将随着它的热容量而改变。

物质的热容量是1cm3物质上升1℃所需要的热量。

温度剖面：

温度剖面是在地面上的空气中形成的。

夜间，地面和庄稼表面迅速冷却，以致于表面变成温度剖面中最冷的部位。

因此，形成温度倒置，空气的温度随着高度而增加。

白天，地表面是温度剖面中最温暖的部位，在这种状态下，空气的温度随高度而下降。

相对湿度：

相对湿度是指空气的水蒸气含量，用在那个温度下饱和水含量的比率来表示。

水蒸气来自陆地、水和植被的蒸发表面的蒸发。

相对湿度的微气候变化甚至能够比所涉及到的温度变化现明显。

白天，水蒸气的转运通常是向上的。

D1水的特性

要点

水的化学特性：

水是所有有机体普遍的内部介质，构成90%以上的生命性质。

水分子是由具有105O角的氢-氧-氢组成，其形状导致有氢的一边显正电荷（正电子），而另一边显负电荷（负电子）。

这解释了与物理和化学反应有关的水的许多特性。

它也解释了为什么水被吸附到带电的离子上。

光线穿透水：

可见光穿过水体遵循一个称为“比尔定律”（Beer’slaw）的负指数关系。

由于水激烈地吸收了红外线的辐射，太阳光谱的红外线部分随水深增加而急剧耗竭。

因此，由于悬浮的固体（泥沙）引起的混浊，将急剧地使可见光衰竭。

水和温度：

水的两个特性使它特别适合于作为许多生物栖息的一种介质。

（i）水有高的热容量（ii）4℃时水的密度最大。

高热容量意味着它能吸收热能，而只增加很少的温度。

其结果使水生生物减少了受温度波动的影响。

在较低温度时，水的密度增加，因而也更重，最大的密度发生在4℃。

因此，冰浮在水上，水体从上向下冻结。

这种现象保护了水生生物，因为冰作为一种绝热体，阻止下层水的温度进一步降低。

能量转换和水相：

在陆地温度中，水很容易从蒸汽转化成液相和固相，同时释放或吸收大量的热。

例如，1g水蒸发，大约需要2430J的热量，即汽化潜在热。

水蒸气进入空气中直到冷凝，释放出热量2430J/g。

当水结冰时，大约335J/g被释放作为熔合热，而雪融化时也需要相同数量的能量。

因此，在水的相变化中这些能量的消耗和释放过程，提供了从地球表面和到地球表面的大量热的转化机制。

D2植物与水

要点

土壤水：

对于陆地植物，水的主要来源是土壤，它起了蓄水池的作用。

当下或雪融化时，水进入蓄水池，并流进土壤孔隙。

土壤的水容量上限称为田间持水量（fieldcapacity）。

这是土壤孔隙抗地心引力所储蓄的水量。

植物不能吸取土壤中储蓄的全部水，因为它们不能产生足够的吸力从更细的土壤孔隙中吸水。

因此可利用水的下限是由植物物种的生理特性所决定的，被称为永久萎蔫点（permanentwiltingpoint）——土壤水（soilwater）含量在这个点上，植物枯死，不能恢复。

根对水的吸收：

根以两种方式从土壤中捕获水：

要么水穿过土壤向根移动，要么根生长穿过土壤向水移动。

当根以它的表面从土壤毛细管孔隙吸水时，在根的周围产生了水耗竭区。

如果根从土壤中吸水很快，资源耗竭区（RDZ）将以一个低速率从周围土壤中接收水，从而限制了水的可利用性，使植物即使在含水丰富的土壤中也可能枯萎。

水生植物和水：

在水环境中，水显然是随意可利用的。

然而，内部体液的渗透压调节可能消耗能量，特别是在盐水环境中。

水环境的盐度和与沿海陆地栖息地的盐度，对植物分布和多度有重要的影响。

生长在高盐度中的植物，即盐生植物，它们的液泡中累积了电解质，但在细胞质和细胞器官中保持着低浓渡。

水的可利用性与植物生产力：

降雨量是森林植物生产量的关键决定因子，而在干旱地区，初级生产量随降雨量的增加大致呈一个线形增长。

假设一个地区没有土壤的水限制，并完全地被植物覆盖，水从这个地区的蒸发量就是潜在蒸发蒸腾速率（potentialevapotranspirationrate）。

这个指标和降雨量之间的差异决定了环境是潮湿的，还是干旱的。

D3动物与水

要点

2-

4

鱼类的水平衡：

在水环境中保持水平衡是有疑问的，它是通过渗透调节机制解决的。

淡水鱼必须连续地排泄过量的水，因为鱼与它的环境相比，它是高渗透性的（体液的溶质浓度比水的溶质浓度高），它们产生大量的低浓度的尿。

生活在海水中的硬骨鱼有相反的问题，它们相对于环境是低渗透性的。

海洋硬骨鱼的肾脏排泄极少的尿，主要的功能是去除两价的离子，如像Ca2+、Mg2+和SO。

两栖类的水平衡：

两栖类的肾功能很像淡水鱼的肾功能。

然而在陆地上，脱水对渗透调节是最重要的问题，蛙保存体液是通过膀胱上皮细胞的重吸收水。

陆生动物的水保持：

陆生动物面对的主要问题是连续地失水，这是供应到组织表面维持潮湿所必需的水。

当空气被吸入时，它沿着呼吸道进入肺，和潮湿的呼吸组织相接触。

如果潮湿的空气被呼出，水就会丢失。

大多数陆生动物呼吸湿度的维持包括了逆流交换（countercurrentexchange）。

从肺呼出的气体，在呼出的通道上有一个像逆流的梯度。

呼出的气体和呼吸表面间的相互作用，导致水分有效地返回组织。

哺乳动物肾脏的水保持：

哺乳动物肾脏的水保存能力表现出关键的陆生适应性。

尿离开肾脏之前，水在亨利氏袢中被回收。

适应于荒漠的哺乳动物，如根格卢鼠，排泄高浓度的高渗尿，它们有极长的亨利氏袢。

相反，河狸大部分时间是在淡水中渡过的，它们的肾单位具有很短的袢，产生低浓度的尿。

爬行动物的肾脏结构较简单，产生的尿最多也就是与体液等渗。

这意味着，尿的溶质浓度与体液的溶质浓度是相等的。

E1温度与代谢

要点

恒温动物和变温动物：

按照有机体的体温调节过程有可能对有机体进行分类。

一种可能的划分是恒温动物和变温动物。

当环境温度升高时，恒温动物保持着大致恒定的体温，而变温动物的体温随环境温度而改变。

这种分类的一个问题是，即使是典型的恒温动物也经历了降低体温的时期。

在有机体之间，可供选择的另一种划分描述如下。

外温动物和内温动物：

像植物、爬行动物和原生生物等有机体都属外温动物，它们很大程度地依赖于外来热来提高自己的体温。

内温动物是能够在体内产热以升高体温的有机体。

鸟和哺乳动物属于这一类。

热中性区（thermoneutralzone）是环境的温度范围，在这个温度范围内，内温动物仅使用一个最小的代谢率以维持恒定的体温。

环境温度离热中性区越远，内温动物维持恒定体温消耗的能量越多。

热交换：

所有的有机体从它们的环境中得到热，也将产生的热散失到它们的环境中。

种种生理学和行为学的机理被用于调节体热。

尽管有这些机理，外温性动物的体温还是明显地随环境条件而改变。

温度阈：

高湿可能导致酶失活或代谢组分不平衡，例如植物的呼吸作用快于光合作用而导致死亡。

然而高温对外温动物最普遍的影响是引起脱水。

所有陆生外温动物必须保护水，但在高温下失水率能够成为致死因子。

不同物种对低温的耐受性有很大的差异，这与结冰、寒冷和坚硬的过程有关。

温度低于-1℃时很多物种被冻死，这是由于细胞内冰晶形成的损伤效应；那些生活在整个冰冻冬天的种，经常是处于一种有抵抗力的休眠时期，这是它们生命周期中的一个阶段。

E2对温度的响应

要点

温度和酶反应速度：

酶催化反应的速度随温度而增加。

在外温动物中这意味着在较高的温度中代谢活力更快。

温度系数（Q10）是温度升高10℃对代谢速度影响到的指数，经常大约为2.0。

发育和生长的速度：

在非致死温度范围内，温度对外温动物最大的影响很可能是影响了发育和生长的速度。

当用发育速度对体温做图时，存在着一个直线相关的温度范围。

“生理时间”是将温度和时间相结合的一个测量，应用于外温动物，它反应了这些有机体的生长和发育依赖于环境温度及时间。

驯化和气候驯化：

温度能够作为一种刺激物起作用，决定有机体是否将开始发育。

春化法是通过低温诱导开花。

有机体在实验室里暴露到较高（或较低）的温度能够改变有机体的温度反应。

有机体对实验环境条件变化产生的适应性反应称为驯化（acclimation）。

有机体对自然环境条件变化产生的生理适应性反应称为气候驯化（acclimatization）。

E3温度与物种分布

要点

物种分布与温度：

地球上主要生物群系的分布反应了主要的温度带。

然而当考虑物种分布的时候，很难归结于温度的作用。

在某些情况下，一个物种的分布界限能够归结于阻止物种生存的致死温度。

然而，种的分布限与等温线间相一致，是一种更广泛分布的相关类型。

等温线是在地图上把具有相同平均温度的地方连结起来的线。

总的说来，一个有机体的分布界限不是由致死温度所决定，而是由造成竞争强弱条件所决定。

对温度的进化反应：

温度对个体的影响被进化的变异减弱。

阿伦法则（Allen’srule）陈述了来自冷气候中的内温动物与来自温暖气候的内温动物相比，趋向于具有更短的末端（耳朵和四肢）；因此降低了它们的表面积对体积的比率。

这个规律有很广的适用性。

贝格曼定律（Bergmann’srule）讲述了寒冷地区的哺乳动物比温暖地区的哺乳动物个体趋向于更大，也减低了它们的表面积与体积的比率。

这个规律没有广泛的种间的适用性，是由于在测定体重中牵涉到其它的重要因子，但是在种内经常是真实的。

F1太阳辐射与植物

要点

辐射能和光合作用：

绿色植物能够利用的惟一能源是辐射能。

当叶子截获辐射能时，它能被吸引、反射或者透射。

吸收的部分能量到达叶绿体，引发了光合作用，在这个过程中，辐射能被用于转化水和二氧化碳成为糖。

太阳辐射包含了不同波长的光谱。

然而，仅有一个有限的光谱带对光合作用的有效的。

这就是光合活性辐射（PAR）带，对绿色植物是位于380mm到700mm之间。

辐射能转换效率：

计算光合作用效率是有可能的。

作为生物化学过程，光合作用是高效率的；进入反应部位的可用辐射能的35%转化为潜在能量。

在植物水平上的真实效率在0.5%和3%之间变化，取决于植物和环境。

C3和C4植物：

植物光合能力中的主要差别是在C3和C4植物之间。

C4植物能捕获CO2，伴随着水的利用效率比C3植物更大，而这优点需要消耗能量。

在C4植物中，光合作用率随光强度而增加，而C3植物随光强度增加光合作用渐渐减小。

辐射强度的变化：

植物很难获得它们完全的光合作用潜能，是由于水短缺和辐射强度的改变。

光强度的系统变化是太阳辐射的日节律和年节律。

光强度中极少部分的系统变化是因叶子彼此的相对位置引起。

植物对辐射的战略和战术响应：

植物种间对辐射强度反应的主要战略差异显示为“阳地种”和“阴地种”，它们分别具有适应于高的和低的光辐射范围。

同样，植物能够在不同光条件下生长不同的叶子，作为对光环境的部分战术反应。

这一点最清楚地在单株植物叶冠内的阳叶和阴叶的结构上看到。

光合作用的控制：

气孔是为光合作用而吸引CO2的通路。

然而，如果气孔张开，允许CO2进入叶内，水通过蒸发将离开叶子。

在大多数陆地生态系统中，至少在一段时间内，当水的供应短缺时，光合作用控制的某些形式必定启用。

植物对这种的困境具有大量的对策回应。

光合作用的测量：

光合作用速率是总速率的测量，即植物捕获的辐射能，并把它固定到碳的化合物中。

光合作用净同化是同化量和呼吸的丢失量之差。

因此，净同化在黑暗中是负值，并随PRA增加而增长。

在光合作用的同化量等于呼吸消耗量时的PRA强度，称为补偿点（compensationpoint）。

G1资源与循环

要点

营养物资源：

群落以形形色色的方式获得和损失营养物。

机械风化、化学腐蚀，特别是碳酸化作用，都是重要的过程。

矿物质在水中的简单溶解也使营养物从岩石和土壤中获得成为可能。

在水流中水可能携带着营养物，给下流地区提供一个重要的资源。

大气也提供营养物，特别是二氧化碳和氮。

大气中其他营养物可能以湿降落（雨，雪和雾）和干降落（干燥期间的颗粒沉淀物）的方式回到群落。

陆地群落营养物预算：

有机体吸收的特定营养物微粒可连续地循环，直到营养物最终损失，这里通过许多过程中的任一个过程把营养物从系统中除去。

营养物释放可直接到达空气或通过细菌作用（如甲烷）。

对于许多元素来说，最重要的丢失途径是在水流中。

营养物损失的其他途径包括火灾、庄稼的收获和森林砍伐。

水生群落营养物预算：

水生系统从小流中得到它们所需的大量营养物。

在具有流出口的溪流、河流和湖泊中，水流出是个重要因素。

通常，无机营养物置换阶段与营养物固定在循环生物量中的时期是交替进行的。

浮游生物在湖泊中的营养物循环中起关键作用。

海洋含有温暖的表层水，生活着大多数的植物，还有冷的深层水（占总水容量的90%）。

表层水的营养物来源于两方面：

（i）深层水的上涌流（组成营养物预算的95%以上），（ii）河流的输入。

地球化学：

地球上的化学元素库存在于各种圈导（compartments）中：

在岩石（岩圈）和土壤水、溪