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1、九、生物与环境有趣的巢寄生杜鹃巢寄生是一种鸟类将卵产在其它鸟的鸟巢中,由义亲代为孵化和育雏的一种特殊的繁殖行为。照片中所示的草地鹨（Anthus pratensis)喂食大杜鹃,就是一种种间巢寄生类型。大杜鹃是现有巢寄生鸟类80多种中最典型的一种鸟,它可把卵 寄生在125种其它鸟类的巢中。巢寄生行为表现在:宿主的选择,大杜鹃在繁殖期寻找与孵化期和育雏期相似、雏鸟食性基本相同、卵形与颜色易仿的宿主,多为雀形目鸟类。寄生时间上,大杜鹃多在宿主开始孵卵之前,乘宿主离巢外出时快速寄生产卵。巢寄生的协同进化,表现在宿主卵的形态特征上。寄生者的卵在颜色、大小、卵斑等许多方面与宿主相似,但存有不显差异。同时
2、宿主对卵的分 辨模糊也是一个方面。对宿主繁殖影晌,大杜鹃常表现在产卵前把宿主一枚卵移走,或全部推出巢外,迫使宿主重新产卵。而一旦巢寄生的雏鸟孵 出,它有将义亲的雏鸟推出巢外的习性,从而独享 义亲抚育,这样对宿主繁殖成功率将降低。编者注：杜鹃又称布谷鸟，多数居住在热带和温带地区的树林中。大约三分之二的杜鹃，包括所有北美的种类，会筑巢且哺育自己的幼鸟；只有约三分之一的杜鹃以寄生的方式养育幼鸟。竞争导致物种分化的实例加拉帕戈斯群岛离最近的南美大陆约900海里，此群岛因达尔文考察过而闻名。生活在群岛上的14种达尔文地雀都是这个群岛所特有的，它们是南美大陆一个祖种地雀的后裔。由于地理隔离，逐渐从一种地雀
3、形成现在的14种地雀。这些地雀有些生活在同一个岛上，它们的亲缘关系亲切，但为什么还能共同生活在一个小小的群岛上呢？关键就在于它们通过竞争已经有了明显的形态和生态分化。它们的栖息地和食性都截然不同：有地栖的，有树栖的，有仙人掌栖的；有食虫的，有食种子的，有食仙人掌的，有专食果实的；它们的大小和喙形都各不相同。可见，通过物种之间的竞争会导致形态和生态的分化，使种间的竞争有所缓解，使有限的空间和食物容纳更多的物种。巴克实验巴克在1948年和1954年将两种吃仓粮和面粉的甲虫赤拟谷盗和杂拟谷盗混合喂养，也发现了竞争排除现象。两个物种的形态越相似，它们的生态需求越是一致，竞争也就越激烈。几种典型适应的其
4、他实例1保护色的形式多种多样，如水母、海鞘等水生生物的躯体近乎透明，能巧妙地隐身于水域中；北极熊白色的皮毛和冰天雪地的背景十分协调；许多鱼类背部颜色深，腹部色浅，从上向下看，与水底颜色一致，从下向上看，却又像天空。分割色是保护色的又一种形式，如虎、豹、斑马、长颈鹿身上都有鲜艳的花纹，在光暗斑驳的环境配合下，能使其轮廓模糊不清。某些种类的比目鱼和蜥蜴能随背景变化而改变体色，以保护与环境的协调，这又是保护色的一种形式。2.警戒色：如毒蛾的幼虫多具有鲜艳的色彩和斑纹，误食这种幼虫的小鸟常被毒毛损伤口腔粘膜，以后这种易于识别的色彩和斑纹就成为小鸟的警戒色。又如欧洲有一种塔蛛，腹部呈现红色，其皮肤腺能分
5、泌毒液，当它受到攻击时，其腹部向上，显示红色肚皮以示对天敌的“警告”。其他如瓢虫的斑点，毒蛇鲜艳的花纹等。3拟态：如一些无毒的假珊瑚蛇也具有与剧毒的真珊瑚蛇相似的红、黑、黄相间的横纹。又如鮟鱇背上的棘形鳍很像蠕虫，当其他小鱼来吃“虫”时反而被它吃掉。猪笼草形似鲜花，能诱捕采蜜的小虫。杜鹃的拟态属于宿主拟态，它把卵产在其他鸟的巢中，其卵的大小、色泽等与原巢内的卵极其相似，因此杜鹃的卵可让其他的鸟来为其孵卵育雏。群落是如何演替的一个群落取代另一个群落的过程，这个过程直到出现一个顶极群落才会中止。群落这种依次取代现象就叫演替。如：一块农田，如果人们不去耕耘和种植，任其自然发展，不用多久，就会长满各种
6、野草。多年以后，农田又会发生变化，草本植物减少，各种灌木又繁茂儿生长起来。再过若干年，一些高大的乔木也在这里生长起来，灌木又处于次要地位。经过漫长的时间，最终这块农田演变为一片森林。在不受外力的干扰情况下，它将成为一个非常稳定的森林群落，而不会被别的群落所取代，成为顶极群落。种群为什么不能无限增长？种群所需要的资源（食物、空间等）是有限的，随着资源的枯竭，种群数量就会被迫下降。此外，种群内部的相互关系和其他一些环境因素，如气候、食物、空间、营巢地、天敌、疾病、种间竞争等环境阻力都会抑制种群数量无限增长。根据对很多生物种群在有限食物和有限空间条件下数量动态的研究，可以看出：种群在开始时增长比较缓
7、慢，以后逐渐加快，当种群数量达到环境所允许的最大数量的一半时，增长速度最快，但是以后由于环境阻力将随着种群的增长而成正比例增加，种群增长速度又逐渐缓慢下来，直到停止增长，这时种群数量将保持在一个相对恒定的水平上。生态系统学说的建立与中国哲学思想美国年轻的生态学家林德曼在创建生态系统学说之前，曾对一个小型湖泊进行了三年的定位研究，积累了大量的资料和数据，就是没有理出一个科学的头绪。他无意中从中国同学那里得到启发。一句最普通的中国谚语“大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃稀泥”，使他茅塞顿开。他从食物链和能量转换的角度揭开了生态系统的奥秘。1943年他的第一篇论文食物链和金字塔营养级的研究报告轰动了生物
8、界。他怀着激动的。心情在这篇论文的小标题上注明，这是在中国哲学思想的指导下写成的。“生物圈2号”试验1993年9月26日，世人瞩目的美国“生物圈2号”（人造生态系统）试验宣告结束。4男4女8名科学家在与世隔绝的人造“世外桃源”中度过了两年封闭式的生活之后，终于重返被称为“生物圈1号”的地球上。在美国的石油巨头爱德华巴斯的资助下，由美国太空生物圈投资公司经过七年的策划和兴建，1991年在亚利桑那州图森市东北部建起了一座占地面积约13万平方米的巨大水晶宫生物圈2号。这座高约26米，容积为204立方米的建筑实际上是一个巨大的温室，在其内部人为地建造了一个小生态系统。包括一片热带雨林、一片热带草原、一
9、片沙漠、一片灌木丛、一片沼泽、一个水深75米的小海洋和农场及居住地。环顾四周，还可以发现青蛙、蚂蚁、山羊等动物。它完全处于封闭状态，没有外界空气、食物和水的补充，是一个模拟大自然的人工生态系统。1991年9月26日，来自英、法、美和比利时的8名科学家进入“生物圈2号”，成了首批居民。8名勇士努力搜集各种科学数据，世界各地人们怀着极大热情和兴趣关注着他们的事业。“生物圈2号”的试验主要是为了人类未来向太空移民而进行的，其目的是试验人类是否能够不用外界的帮助而通过自身循环来达到生存的目的。然而，事实表明“生物圈2号”的设想是不现实的。科学家进入一年多后，由于土壤中的碳与氧气反应生成二氧化碳，部分二
10、氧化碳又与建筑混凝土中的钙反应生成碳酸钙，导致环境氧气含量从21降到了14。3年后，一氧化碳含量猛增到79，足以减弱人体合成维生素B12的能力，危害大脑健康。科学家还发现，除了藤本植物比较繁盛外，所有靠花粉传播繁殖的植物都灭绝了；大树也摇摇欲坠；昆虫中除了白蚁、蟑螂和蝈蝈外，基本死亡。生物圈2号上层的温度远高于预计的数字，而下层的温度又大大低于预计的数字。食物链与食物网精彩举例1达尔文在著名的物种起源一书中讲了一个饶有兴趣的“猫与牛”的故事。英国的牛主要靠优质的红三叶草为饲料，而红三叶草的兴衰与给它传粉的丸花蜂有很大关系。奇妙的是，丸花蜂的多少，又决定于田鼠的数量，因为田鼠吃蜂房和蜂幼虫，田鼠
11、势旺丸花蜂便衰败。而猫吃田鼠，猫多了，田鼠就少了，丸花蜂就多了，红三叶草就兴盛了，牛就养壮了。有趣的是当时英国海军的主要食品是牛肉罐头，看起来，英国海军的强大，猫应立一功。一切生物处于普遍联系之中，这是辩证法最基本的观点，表面看起来不相关的生物却盛衰依存，祸福倚伏。2.食物链的理论是美国生态学家林德曼在 1942年首先提出的。他曾描述了这样一个场景。这是一个风和日丽的春天，一只彩蝶翩翩飞来落在鲜花上津津有味地吮吸花蜜，冷不防背后划过一道绿色刀影，转眼之间，蝴蝶已在螳螂的绿色大刀下奄奄一息。螳螂正要品尝美餐，蛤蟆出其不意地吐射长舌，一下子把它卷入口中。蛤蟆还没来得及吞咽螳螂，悄悄爬到近旁的长蛇猛
12、地一窜，准确无误地一口咬住蛤蟆。正在这时，盘旋在天空中的鹰一个猛子扎下去用利爪紧紧攫住蛇。在大自然里，这只是一个很普通的场面。能量流动和热力学定律能量在生态系统中的流动、转移和转化是严格地遵守热力学第一定律和第二定律。热力学第一定律即能量守恒定律在热力学中的应用。“在自然界的一切现象中，能量既不能创造，也不能消灭，而只能以严格的化学计量比例，由一种形式转变为另一种形式。”绿色植物能够吸收太阳能，借助光合作用将光能转变为化学能；生物中的化学能可以转变成机械能；萤火虫能够把化学能转变成光能；电鳗则能把化学能转变成电能。这些例子都说明动能和潜能是可以转化的，但是在转化中，必须考虑到能量的总和，应该计
13、算进出一个系统全部能量的总和。热力学第二定律，最常见的有两种叙述形式。1850年劳休斯提出“热从低温物体传给高温物体而不产生其它变化是不可能的”。1851年开尔文提出：“从一个热源，使之完全转化为功而不产生其它变化是不可能的。”因此，能量在生态系统各营养级之间的流动是单向的，而且转化过程中不断有热的产生和消耗，从前面一个营养级能量转变为后面一个营养级的潜能不可能是百分之一百的。能量从集中型到分散型的衰败，可以不需外力的帮助而自动实现，热力学中将它称为自发过程或自动过程。为了判断自发过程的方向和限度，一般以摘和自由能为自发过程的两个状态函数来进行描述。热力学第二定律也称摘律。墙值可以作为一个系统
14、无序状态的量度。整个自然界的变化的趋势是从有序到无序，熵值增加，从而放出能量，例如生态系统中复杂的有机物，被还原者分解为无机物，这是一个自发过程。但是，生态系统作为开放系统，由于负熵流的不断输入，借助于光能，可以将水和二氧化碳变成有机物，从无序到有序。生态系统中生命成分的各种表现都与能量转化有关，生命的本质就是生长繁殖、物质合成等连续变化的过程，这一切都伴随着能量转化的过程。因此，没有能量的转化也就没有生命。显然，第二定律也在生物系统中起作用。例如当人体细胞中的糖经过氧化作用释放能量时，大约只有55的能量被固定在各种其它化学键之中，其余的则以热的形式消散到环境中去。熵值随着每一化学反应而增加。
15、同样，能量在营养级之间流动时，大部分能量都以热的形式散失。三种生物金字塔大草原上草丛一望无际，各种各样的昆虫随处可见，无需查数，鸟雀要比昆虫少，鹰比鸟雀少得多。食物链的营养级从低到高，生物数量越来越少。英国生态学家查尔斯研究了这种现象后，提出了生物金字塔的概念。下面是生物金字塔的例子。1生物数目金字塔：人们对一片草地上草牧链的所有生物成员作了统计：生产者 （野草） 5842 424株；消费者I（草原动物、昆虫）708 624只；消费者（肉食动物、吃昆虫的小鸟） 354 904只；消费者（肉食动物、吃小鸟的鹰）3只。2生物量金字塔：人们对一片海域中生态系统作了统计：生产者（大叶藻） 4 800万
16、吨；消费者 I（吃大叶藻的小鱼虾）1200万吨；消费者（吃小鱼虾的大鱼）17万吨；消费者（吃大鱼的鱼）3万吨。3生物能量金字塔：在某一生态系统1平方米的面积上：生产者（植物）净生产的能量是36 922千焦；消费者I（草食动物）净生产的能量是6 178千焦；消费者（肉食动物）净生产的能量是280千焦；消费者（肉食动物）净生产的能量是25千焦。生物地化循环的三大类型生物地化循环可分为三大类型，即水循环、气体型循环和沉积型循环。在气体型循环中，物质的主要储存库是大气和海洋，其循环与大气和海洋密切相联，具有明显的全球性，循环性能最为完善。凡属于气体型循环的物质，其分子或化合物常以气体形式参与循环过程，属于这类的物质有氧、二氧化碳、氮、氯、溴和氟等。参与沉积型循环的物质，其分子或
