荒漠蝉之谜？

荒漠蝉之谜？ ★ 蝉躲在树丛中利用阴凉的小气候？ ★ 它可以通过蒸发降温吗？ ★ 如果是，那如何控制水分损失（因为昆虫体小，表面积相对很大）？ ★它能背个水壶来解决水分损失吗？ Toolson 及其学生深入研究了这一不为大家注意的问题！ How does the cicada remains active when environmental temperature exceeds its lethal maximum?

第5章水因子的生态作用及生物的适应Water as an ecological factor 在陆地和水域环境中水分沿浓度梯度下行，从而决定着生物获得水分的状况陆地动、植物通过平衡水分得失来调节体内水分关键概念海洋和淡水生物利用补偿机制来调节体内水分和盐平衡

在陆地和水域环境中水分沿浓度梯度下行决定着生物获得水分的状况在陆地和水域环境中水分沿浓度梯度下行决定着生物获得水分的状况 5.I 水的可利用性 Water availability 水汽密度：单位立方米水汽分子的重量（g/m3). 水汽压：空气中气体分子产生的压力（kPa). [1帕pascal (Pa) = 1牛顿力/m2] 相对湿度(RH)：指单位容积空气中实际水汽含量与同一温度下饱和水汽含量之比(%)。饱和差(水汽压赤字 Vapor pressure deficit)：指实际水汽含量与同一温度下饱和水汽含量之差。 (1) 空气中的水分含量

温度与水汽压（水汽密度）的关系： 正相关饱和水汽压饱和水汽密度

陆地生物的水汽压赤字与水分蒸发损失的关系 （续）水汽压赤字高，体内蒸发就大水汽压赤字低，体内蒸发就小 s

水从高浓度向低浓度环境扩散，即渗透(作用) osmosis，从而产生渗透压，那么溶液中物质的扩散方向与水相反。根据生物体液与环境关系： (2)水域环境中水的运动等渗等渗压的(生物)－体液中水浓度和盐浓度与环境中的相同；高渗压的（生物）－体液中水的浓度低于环境，但盐浓度高于环境。低渗压的（生物）－体液中水的浓度高于环境、但盐浓度低于环境。高渗低渗

在陆地上，水分从生物体流向大气，其速率取决于生物与周围空气的水汽压赤字。在陆地上，水分从生物体流向大气，其速率取决于生物与周围空气的水汽压赤字。 (3)土壤与植物间的水分运动水从土壤经过植物进入大气是沿水势能 water potential（即水做功的能力）梯度而运动（图解）。水做功的能力取决于它的自由能，从高自由能向低自由能运动。水势梯度

若设纯水的势能为0，其它任何液体的势能都为负值。故自然界的水势能一般为负值， 因为在自然界几乎不存在绝对的纯净水。所以，水从势能较大的土壤经过植物最后进入水势最小的干燥空气中（图解）。（续）

思考题 请绘制出夏季植物在一天中的叶片水势变化图。 Water potential time

陆地动、植物通过平衡水分得失来调节体内水分陆地动、植物通过平衡水分得失来调节体内水分 5.2 生物在陆地环境中的水分调节Water Regulation on Land 陆生生物面临2个问题：身体水分蒸发散失、难以补充水。陆生动物的水调节平衡：Wia＝ Wd＋ Wf＋ Wa – We－ Ws Wia－动物体内水. 水来源：Wd －drink 饮水；Wf －food食物水； Wa－air 吸收空气中的水；水散失：We－evaporation 蒸发失掉水； Ws－secretions 排泄水。

陆生植物水的调节：Wip＝Wr ＋Wa－Wt－Ws 获得水： Wr －gaining water from soil (根) by root； Wa－ gaining waterfrom the air从空气中吸收水。散失的水有：Wt－losing water by transpiration (蒸腾) Ws－ losing water by various secretions分泌和生殖结构（花蜜、果实和种籽）。

Water gains and losses by terrestrial plants and animals

a)主动找水;b) 生活在水附近；c)特殊方式－工程节水：在西南非洲纳米比沙漠，几乎没有雨，但雾多，那里的伪步甲： (1)动物获得水的方式 ★在沙丘上开沟凝结和收集雾汽，沟收集的湿气流到低处，甲虫等在那里吸取湿气。 ★ 另一种伪步甲Ony则采取图示的方式取水（图）。

依靠代谢水的例子见图5.11 （续）伪步甲体内水分平衡

Water balance in the kangaroo rate

思考题 本章中列举了干旱荒漠中伪步甲与水的关系。这一科的昆虫也有生活在温带潮湿环境的种类，那么不同环境中伪步甲的水分散失率有何不同？根据什么假设作出你的预测？你如何来验证你的预测？

植物根系的发育程度常常反映了可获得水的状况。生长在干旱气候环境中的根系要大于湿润气候环境中的根系（图5.12）。 干旱环境中植物的主根扎得很深，有的深达30m。 (2) 植物获得水的方式 Soil moisture and root development by a grassland forb

Park (1990): 为什么马唐(Digitaria)能够生长在海岸沙丘上而Elusine不能？对此研究了这2种草对水分缺乏的反应：研究实例种籽在湿润的沙中萌发把苗移种在10X90 cm 的PVC管（装有海岸沙）每种草种36管，每管2株每10天浇一次营养液，持续40天 ? 18管继续浇水19天 18管停止浇水19天

from a dry habitat from moist habitat Root growth by grass from dry and moist habitats

Leaf water potentials of grasses from dry and moist habitats

防止水分蒸发的最明显的方式是被覆一层防水层，如蜡层。但生物种类之间防水层的作用差异很大。干旱环境的生物水分散失要慢于湿润环境的生物，这是生物在长期演化过程的适应结果。防止水分蒸发的最明显的方式是被覆一层防水层，如蜡层。但生物种类之间防水层的作用差异很大。干旱环境的生物水分散失要慢于湿润环境的生物，这是生物在长期演化过程的适应结果。 (3) 动植物的保水方式即使亲缘关系很近的生物也可能有不同的适应性。

生活在潮湿和干旱环境中不 同龟的水分散失率比较

Water loss rates by tiger beetles from moist and dry habitats

陆生昆虫表皮的防水是由碳氢化合物决定的。2种虎甲表皮碳氢化合物，见图陆生昆虫表皮的防水是由碳氢化合物决定的。2种虎甲表皮碳氢化合物，见图（续） Cuticular(表皮）hydrocarbons（碳氢化合物） of tiger beetles from moist and dry habitats

植物也演化出多种保水方式。植物保持水分的能力部分地决定于:植物也演化出多种保水方式。植物保持水分的能力部分地决定于: 叶面积﹕根系面积（或长度）单位根系长度的叶面积越大，散失水分越多。有些沙漠植物在干旱季节脱落叶片，下雨后生出叶片。续 Moist period Dry period

其它适应方式有叶片增厚、气孔减少、气孔上有阻止水分运动的结构、休眠等。其它适应方式有叶片增厚、气孔减少、气孔上有阻止水分运动的结构、休眠等。续生长在热带空旷地的一种植物Piper auritum为适应中午干燥的空气使叶片萎焉，减小叶面积约55％、叶面降温4-5℃，从而减小蒸腾率30－50％.

完全不同的生物采取近似的方式适应荒漠生活

(4)两种节肢动物采取不同的方式适应沙漠生活 蝉和蝎子可能生活在相同的环境中，但采取了完全不同的途经。 Heath &Wilkin (1970)观察发现：太阳出升前后，蝉栖息在豆灌木的大枝和嫩叶上吸食木质部汁液；当体温达到39℃时，蝉移动到大树枝的被阴处，雄蝉开始鸣叫。如果温度在整个中午不超过40℃，它就不停地鸣叫。但当48℃（1:00－3:00 P.M.）就停止鸣叫；过了这个时间又鸣叫

蝉的体温比气温低得多，蝉呆的地方（大树枝被阴处）很小，其主要捕食者鸟无法触及。这种蝉还有别的方式调节体温吗？ 蝉把蝉放在培养箱中，人为控制温度或湿度来观察蝉的体温变化 100％RH下使蒸发停止，则体温迅速上升

这个结论符合实际吗？ 蝉用湿度传感器放在紧靠体壁之上。因为他们预测，如果蒸发降温起作用，随气温升高，水分散失就会增大。实验结果验证了他们的假说（图）

蝉是如何散失水分的？ 这种蝉能够在炎热的时间鸣叫，因为它能‘出汗’。续

思考题 ★请解释荒漠蝉是如何运用蒸发冷却的而其它昆虫却做不到。 ★ 很多荒漠生物有完备的防水机制。然而，进化不能阻止所有的水分蒸发散失，为什么？（提示：围绕生物必须与环境保持交流的方式）

5.3 水域环境中水和盐的平衡 海洋和淡水生物利用补偿机制来调节体内水分和盐水生生物的体内水平衡等式： Wi＝ Wd － Ws ± Wo Wi: 体内水分internal water； Wd: 饮水 drink； Ws : 泌尿 secretion； Wo : 渗透水分得失 osmotic

大多数海洋无脊椎动物属等渗压动物－基本无需克服渗透压梯度（但某些溶解质的浓度仍有差异）。大多数海洋无脊椎动物属等渗压动物－基本无需克服渗透压梯度（但某些溶解质的浓度仍有差异）。 (1)海洋鱼类和无脊椎动物鲨鱼、鳐、鳍属高渗压动物，血液中盐溶液浓度高于海水。水通过鳃进入体内 Na+, CI+ 盐离子被盐腺浓缩后排除体外微高渗压shark

水分从海洋硬骨鱼体内向海水中扩散 但海洋硬骨鱼的体液强烈低渗透，即失水。饮水同时也增加了盐的进入。两种方式摆脱多余的盐。其鳃基部的“氯化物”细胞向水中直接分泌钠和氯，而肾分泌镁和硫（随尿排掉）。盐水中生活的按蚊幼虫如此。盐随浓缩尿形式排除， Osmo-regulation by marine fish and saltwater mosquitoes

淡水鱼是低渗透性，盐通过鳃向外流而水向内流。鱼以多尿的形式排除体内的水，鳃基部的“氯细胞”从水中吸收钠和氯，并且通过取食获得盐淡水鱼是低渗透性，盐通过鳃向外流而水向内流。鱼以多尿的形式排除体内的水，鳃基部的“氯细胞”从水中吸收钠和氯，并且通过取食获得盐 (2) 淡水鱼和无脊椎动物淡水无脊椎动物体液也是低渗透性的，要花能量泵出水并主动吸收盐。但渗透梯度不大，故用的能量不大。 Osmoregulation by freshwater fish and mosquitoes

思考题 很多海洋无脊椎动物与其环境是等渗透压的，保持等渗透压有何益处？ THE END !

1.有人提出，等足虫在空旷环境中通过蒸发冷却方法保持较低的体温。请解释为什么蒸发冷却在空旷环境中起作用而在石头下几乎没有作用？1.有人提出，等足虫在空旷环境中通过蒸发冷却方法保持较低的体温。请解释为什么蒸发冷却在空旷环境中起作用而在石头下几乎没有作用？ 2. 区分水汽压赤字、渗透压和水势。这三种现象是否都能用相同的单位－“帕”测量？ 3. 叶片水势一般在黎明前最高，然后逐渐下降直到中午以后，那么中午较低的叶片水势是增大还是减小了从土壤到植物的水移动速率？假设土壤水势在早晨和中午基本相同，植物在早晨还是中午需要更多的水？思考题

4. 本章中列举了干旱荒漠中伪步甲与水的关系。这一科的昆虫也有生活在温带潮湿环境的种类，那么不同环境中伪步甲的水分散失率有何不同？根据什么假设作出你的预测？你如何来验证你的预测？4. 本章中列举了干旱荒漠中伪步甲与水的关系。这一科的昆虫也有生活在温带潮湿环境的种类，那么不同环境中伪步甲的水分散失率有何不同？根据什么假设作出你的预测？你如何来验证你的预测？ 5. 请解释荒漠蝉是如何运用蒸发冷却的而其它昆虫却做不到。 6. 很多荒漠生物有完备的防水机制。然而，进化不能阻止所有的水分蒸发散失，为什么？（提示：围绕生物必须与环境保持交流的方式） 7. 本章我们集中讲水和盐的调节，而很多海洋无脊椎动物与其环境是等渗透压的，保持等渗透压有何益处？

荒漠蝉之谜 ？