生物变化的知识点

　　第五章全球变化及其对生物的影响

生物变化的知识点

　　1全球变化及其研究进展

　　★全球变化（globalchange）：指在大气圈、水圈、生物圈和岩石圈组成的地球环境系统发生了异常变化，对人类和生物的生存产生不良影响的环境变迁。

　　★全球变化包括：全球气候变化及其效应和全球污染扩散及其效应。

　　人口增长

　　土地利用和覆盖的变化

　　生态系统结构和功能变化

　　生物多样性变化

　　土地沙漠化

　　臭氧层减薄及紫外线投射增加

　　气候变化

　　大气成分的变化

　　环境污染及其全球扩展

　　全球气候变化与大气成分的变化关系研究

　　土地利用和土地覆被变化的全球效应研究

　　全球变化对植物生产能力的影响研究

　　生物入侵与全球变化关联分析

　　海洋生态系统与陆地生态系统的互动研究

　　气候变化的对策研究

　　全球气候变化及其效应

　　全球污染扩散及其效应

　　※最早主要集中在臭氧层变薄及其短波紫外辐射的生物学效应；

　　1993年，有美国LaateRe-searchProgramme）

　　国际地圈生物圈计划（IGBP，InternationalGeosphere-BiosphereProgramme——AStudyofGlobalChange）

　　全球环境变化人文因素计划（IHDP，InternationalHumanDimensionofGlobalEnvironmentalChangeProgramme）

　　生物多样性计划（DIVERSITAS）

　　2温室效应及其对生物的影响

　　一、温室效应的概念

　　Green－houseeffect：大气层中的CO2等气体物质的大量聚集，可以吸收近地表的太阳长波辐射，并将其反射回地表，从而使地表增温的现象。

　　自然温室效应

　　地球保温的一种自然现象，使目前地球平均温度大约在15℃，从而使人类舒适的生存。人为温室效应

　　随着工业的发展和化石染料的大量使用，排放到大气中CO2等气体物质的含量越来越多。按照目前的排放速度，到2030～2050年，大气中CO2含量将比工业革命之前增加1倍，全球气温可能上升1.50～4.52℃

　　二、温室效应的机理

　　大气层中的温室气体能透过太阳辐射的短波光，同时能反射和吸收从地面反射的长波光，阻挡地面的热量向宇宙扩散，从而使地表增温。

　　CO2CH4N2OCFCl3CF2Cl2O3等

　　三、温室效应的环境效应

　　温度升高

　　海平面上升

　　降水量变化及灾变性气候的增多

　　海平面上升

　　全世界大约有1/3的人口生活在沿海岸线60公里的范围内，经济发达，城市密集。全球气候变暖导致的海洋水体膨胀和两极冰雪融化，可能在2100年使海平面上升50厘米，危及全球沿海地区，特别是那些人口稠密、经济发达的河口和沿海低地。这些地区可能会遭受淹没或海水人侵，海滩和海岸遭受侵蚀，土地恶化，海水倒灌和洪水加剧，港口受损，并影响沿海养殖业，破坏供排水系统。

　　加剧洪涝、干旱及其他气象灾害

　　气候变暖导致的气候灾害增多可能是一个更为突出的问题。全球平均气温略有上升，就可能带来频繁的气候灾害--过多的降雨、大范围的干旱和持续的高温，造成大规模的灾害损失。有的科学家根据气候变化的历史数据，推测气候变暖可能破坏海洋环流，引发新的冰河期，给高纬度地区造成可怕的气候灾难。

　　四、温室效应对生物的影响

　　（一）温室效应对作物的影响

　　（二）温室效应对生态系统的影响

　　对农业的有利影响

　　随着温度的升高，热带、亚热带的经济作物将北移，有利于一年多熟制。

　　据研究C3植物比C4植物对CO2浓度增加的反应更明显。如CO2浓度增加一倍，C3植物的产量将提高10％～5％，而C4植物近增加0～10％。全世界20种主要作物中16种是

　　C3植物（玉米、高梁、小米、甘蔗除外），18种主要有害杂草中有14种是C4植物。这些C3作物，可能获得更多的产量和更能免受杂草的危害。

　　随着二氧化碳浓度增加和气候变暖，可能会增加植物的光合作用，延长生长季节，使世界一些地区更加适合农业耕作。

　　对农业的不利影响

　　气候变暖将减少作物分布弹性而增加灌溉需要；

　　气候变暖导致农业发展的`地区不平衡显著；

　　随着CO2浓度增加，在农产品品质，病虫害控制和肥料使用等方面都会带来影响；气候变暖导致农业成本、投资大幅度增加，农业结构和布局都要做相应调整

　　全球气温和降雨形态的迅速变化，也可能使世界许多地区的农业和自然生态系统无法适应或不能很快适应这种变化，使其遭受很大的破坏性影响，造成大范围的森林植被破坏和农业灾害。

　　（二）对生态系统的影响

　　气候变化极大改变了植被类型的地理分布，从而使多样性减少，生态系统效益下降。

　　例如：亚寒带森林可能由目前的23％减少到1％以下，泰加林几乎消失。当CO2浓度增加到1倍时，森林生物量将由现在的58.4%降到47.4%；草地生物量将由现在的17.7%增加到28.9%

　　全球升温，植物种将会向北推移，迁移的速度超过植物每年的迁移能力，结构将导致森林生态系统崩溃

　　例：根据底层埋藏的花粉分析，冰期后到现在的2万年期间，移动最快的是赤扬、桤木，每年平均移动2000m，移动较慢的有枫树、冷杉，每年约40m

　　（三）对人类健康的影响

　　气候变暖有可能加大疾病危险和死亡率，增加传染病。高温会给人类的循环系统增加负担，热浪会引起死亡率的增加。由昆虫传播的疟疾及其他传染病与温度有很大的关系，随着温度升高，可能使许多国家疟疾、淋巴腺丝虫病、血吸虫病、黑热病、登革热、脑炎增加或再次发生。在高纬度地区，这些疾病传播的危险性可能会更大。

　　气候变化及其对我国的影响

　　﹡从中外专家的一些研究结果来看，总体上我国的变暖趋势冬季将强于夏季；

　　﹡在北方和西部的温暖地区以及沿海地区降雨量将会增加，长江、黄河等流域的洪水爆发频率会更高；东南沿海地区台风和暴雨也将更为频繁；

　　﹡春季和初夏许多地区干旱加剧，干热风频繁，土壤蒸发量上升。

　　﹡农业是受影响最严重的部门。温度升高将延长生长期，减少霜冻，二氧化碳的“肥料效应”会增强光合作用，对农业产生有利影响；

　　﹡土壤蒸发量上升，洪涝灾害增多和海水侵蚀等也将造成农业减产。

　　﹡对草原畜牧业和渔业的影响总体上是不利的。

　　﹡海平面上升最严重的影响是增加了风暴潮和台风发生的频率和强度，海水入侵和沿海侵蚀也将引起经济和社会的巨大损失。

　　3臭氧层的减薄与地表紫外辐射增强

　　一、臭氧层的形成与损耗

　　臭氧层存在于的平流层中，主要分布在距地面15-35km范围内，浓度峰值在20-25km处。由于臭氧层能够吸收99%以上来自太阳的紫外辐射，从而保护了地球上的生物不受其伤害。紫外线

　　UV-A（320～400nm）生物学作用较弱，具有色素沉积作用

　　UV-B（275～320nm）具有红斑作用（晒伤），抗佝偻作用

　　UV-C（200～275nm）对细胞有强烈作用，具有明显的杀菌作用

　　臭氧层的形成与损耗的化学反应

　　1、清洁大气中：O3的形成

　　O2+hv→2O

　　O+O2+M→O3+M

　　总反应：3O2+hv→2O3

　　2、O3的猝灭

　　O3+hv→O+O2

　　O3+O→2O2

　　两种反应动态平衡，维持臭氧层一定厚度。当大气被污后，导致O3的猝灭，影响O3的厚度。

　　HOx、NOx、ClOx等是导致O3猝灭的直接原因，把他们叫做活性物质。它们导致O3猝灭的反应如下：

　　HOx破坏O3的反应

　　HO+O3→HO2+O2HO2+O→HO+O2

　　总反应：O3+O→2O2

　　NOx破坏O3的反应

　　NO+O3→NO2+ONO2+O→NO+O2

　　总反应：O3+O→2O2

　　ClOx破坏O3的反应

　　Cl+O3→ClO+O2ClO+O→Cl+O

　　总反应：O3+O→2O2

　　活性物质来源主要是：

　　(1)NO的来源：

　　(a)N2O氧化N2O+O→2NO

　　NO+O3→NO2+O2

　　(b)飞机排入NO

　　(2)HOx的来源：

　　H2O+O→2HO

　　CH4+O→CH3+HO

　　H2+O→H+HO

　　(3)ClOx的来源：

　　CH3Cl(海洋生物产生)→CH3+Cl

　　CFCl3+hv→CFCl2+Cl

　　CF2Cl2+hv→CF2Cl+Cl

　　＊近10年全球臭氧层平均减少了2％～3％，并且还在加剧。

　　＊臭氧层的变化趋势在一年中的不同时间是不同的，不仅伴随纬度而且伴随经度的变化。＊臭氧层快速减薄已经通过卫星得到证实，最明显的减薄发生在南极大陆上空，在春季，衰

　　减率高达71％。

　　＊从1993年的卫星资料看，臭氧总量在我国上空异常低，过去10年我国北京香河和昆明两个监测站的监测结果表明，臭氧总量呈降低趋势，分别降低了5％和3％。据估计，如不加任何控制，发展到2075年臭氧层将减少40％

　　二、紫外辐射增强对生物的影响

　　（一）紫外辐射增强对植物的影响

　　（二）紫外辐射增强对微生物的影响

　　（二）紫外辐射增强对生态系统的影响

　　1、紫外辐射增强对植物生长的影响

　　◆UV-B辐射降低叶面积，在温室研究中，70多种作物品种，60％以上的作物在UV-B辐射下叶面积减少；

　　◆在敏感植物中，叶展开角度被UV-B缩小60％～70％。

　　◆UV-B辐射使叶片增厚，即在一定程度上增加了叶表皮与叶肉细胞之间的距离有助少减少DNA的损伤。

　　◆UV-B辐射使叶片产生伤害，如叶片卷曲、叶片变黄等

　　（一）紫外辐射增强对植物的影响

　　◆增强的UV-B辐射降低株高；

　　◆UV-B辐射降低植物的生物量；

　　◆UV-B辐射影响植物的根冠比

　　2、对植物生理生化的影响

　　UV-B引起叶绿体损伤，表现：失去完整性,基粒、基质类囊体的有序结构受到破坏，一些类囊体变得膨胀，大部分基质因水分胁迫而呈半透明状。

　　UV-B引起叶绿素合成受阻，或者加速叶绿素的降解，从而降低叶绿素含量。

　　PSⅠ,PSⅡ，虽然二者都是光合作用的反应中心.但对UV-B的反应有所差别.其中PSⅠ受影响小.甚至不受影响，主要是PSⅡ受损.

　　RuBP羧化酶。RuBP羧化酶是植物中固定CO2的酶.活性随着UV-B强度的增高而降低。UV-B使RuBP羧化酶失活。主要原因包括多肽发生变性、蛋白质降解、基因转录受抑制。UV-B辐射还降低作物的气孔导度和蒸腾速率，影响植物对CO2的吸收和水分代谢。

　　UV-B辐射增加了植物体内类黄酮含量（类黄酮、花色素、丹宁、水杨酸、黄酮醇、叶酸、羟基肉桂酸）

　　3、伤害植物的靶

　　DNA是UV-B伤害的主要靶分子之一。当DNA吸收UV-B之后会产生嘧啶二聚体，对DNA复制、转录产生影响，因为DNA、RNA酶不能识别它们。

　　由于芳香氨基酸的吸收作用.蛋白质在280nm及更短的波长处有强烈的吸收值.因此蛋白质可以成为UV-B直接影响的对象。UV-B辐射不仅能使氨基酸发生变异、失活.而且能导致整个蛋白质或酶失活。

　　UV-B能够诱使O2-,H2O2等自由基产生.使膜脂发生过氧化.导致膜结构变化.从而改变膜的透性。若环境胁迫过重.超氧歧化酶等酶系统被破坏.自由基大量产生.将导致丙二醛等有害物质的积累对细胞造成伤害。

　　激素对植物的生长、发育起着重要作用。紫外线能使激素浓度发生变化.从而对植物产生极大的影响.UV-B使IAA发生降解.从而抑制植物生长.这己在向日葵幼苗中得到证实.脱落酸对UV-B有强烈的吸收作用也会发生光解失活.

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