生物變化的知識點
第五章全球變化及其對生物的影響
1全球變化及其研究進展
★全球變化（globalchange）：指在大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈組成的地球環(huán)境系統(tǒng)發(fā)生了異常變化，對人類和生物的生存產(chǎn)生不良影響的環(huán)境變遷。
★全球變化包括：全球氣候變化及其效應(yīng)和全球污染擴散及其效應(yīng)。
人口增長
土地利用和覆蓋的變化
生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能變化
生物多樣性變化
土地沙漠化
臭氧層減薄及紫外線投射增加
氣候變化
大氣成分的變化
環(huán)境污染及其全球擴展
全球氣候變化與大氣成分的變化關(guān)系研究
土地利用和土地覆被變化的全球效應(yīng)研究
全球變化對植物生產(chǎn)能力的影響研究
生物入侵與全球變化關(guān)聯(lián)分析
海洋生態(tài)系統(tǒng)與陸地生態(tài)系統(tǒng)的互動研究
氣候變化的對策研究
全球氣候變化及其效應(yīng)
全球污染擴散及其效應(yīng)
※最早主要集中在臭氧層變薄及其短波紫外輻射的生物學效應(yīng)；
1993年，有美國LaateRe-searchProgramme）
國際地圈生物圈計劃（IGBP，InternationalGeosphere-BiosphereProgramme——AStudyofGlobalChange）
全球環(huán)境變化人文因素計劃（IHDP，InternationalHumanDimensionofGlobalEnvironmentalChangeProgramme）
生物多樣性計劃（DIVERSITAS）
2溫室效應(yīng)及其對生物的影響
一、溫室效應(yīng)的概念
Green－h(huán)ouseeffect：大氣層中的CO2等氣體物質(zhì)的大量聚集，可以吸收近地表的太陽長波輻射，并將其反射回地表，從而使地表增溫的現(xiàn)象。
自然溫室效應(yīng)
地球保溫的一種自然現(xiàn)象，使目前地球平均溫度大約在15℃，從而使人類舒適的生存。人為溫室效應(yīng)
隨著工業(yè)的發(fā)展和化石染料的大量使用，排放到大氣中CO2等氣體物質(zhì)的含量越來越多。按照目前的排放速度，到2030～2050年，大氣中CO2含量將比工業(yè)革命之前增加1倍，全球氣溫可能上升1.50～4.52℃
二、溫室效應(yīng)的機理
大氣層中的溫室氣體能透過太陽輻射的短波光，同時能反射和吸收從地面反射的長波光，阻擋地面的熱量向宇宙擴散，從而使地表增溫。
CO2CH4N2OCFCl3CF2Cl2O3等
三、溫室效應(yīng)的環(huán)境效應(yīng)
溫度升高
海平面上升
降水量變化及災(zāi)變性氣候的增多
海平面上升
全世界大約有1/3的人口生活在沿海岸線60公里的范圍內(nèi)，經(jīng)濟發(fā)達，城市密集。全球氣候變暖導致的海洋水體膨脹和兩極冰雪融化，可能在2100年使海平面上升50厘米，危及全球沿海地區(qū)，特別是那些人口稠密、經(jīng)濟發(fā)達的河口和沿海低地。這些地區(qū)可能會遭受淹沒或海水人侵，海灘和海岸遭受侵蝕，土地惡化，海水倒灌和洪水加劇，港口受損，并影響沿海養(yǎng)殖業(yè)，破壞供排水系統(tǒng)。
加劇洪澇、干旱及其他氣象災(zāi)害
氣候變暖導致的氣候災(zāi)害增多可能是一個更為突出的問題。全球平均氣溫略有上升，就可能帶來頻繁的氣候災(zāi)害--過多的降雨、大范圍的干旱和持續(xù)的高溫，造成大規(guī)模的災(zāi)害損失。有的科學家根據(jù)氣候變化的歷史數(shù)據(jù)，推測氣候變暖可能破壞海洋環(huán)流，引發(fā)新的冰河期，給高緯度地區(qū)造成可怕的氣候災(zāi)難。
四、溫室效應(yīng)對生物的影響
�。ㄒ唬厥倚�(yīng)對作物的影響
�。ǘ厥倚�(yīng)對生態(tài)系統(tǒng)的影響
對農(nóng)業(yè)的有利影響
隨著溫度的升高，熱帶、亞熱帶的經(jīng)濟作物將北移，有利于一年多熟制。
據(jù)研究C3植物比C4植物對CO2濃度增加的反應(yīng)更明顯。如CO2濃度增加一倍，C3植物的產(chǎn)量將提高10％～5％，而C4植物近增加0～10％。全世界20種主要作物中16種是
C3植物（玉米、高梁、小米、甘蔗除外），18種主要有害雜草中有14種是C4植物。這些C3作物，可能獲得更多的產(chǎn)量和更能免受雜草的危害。
隨著二氧化碳濃度增加和氣候變暖，可能會增加植物的光合作用，延長生長季節(jié)，使世界一些地區(qū)更加適合農(nóng)業(yè)耕作。
對農(nóng)業(yè)的不利影響
氣候變暖將減少作物分布彈性而增加灌溉需要；
氣候變暖導致農(nóng)業(yè)發(fā)展的`地區(qū)不平衡顯著；
隨著CO2濃度增加，在農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，病蟲害控制和肥料使用等方面都會帶來影響；氣候變暖導致農(nóng)業(yè)成本、投資大幅度增加，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局都要做相應(yīng)調(diào)整
全球氣溫和降雨形態(tài)的迅速變化，也可能使世界許多地區(qū)的農(nóng)業(yè)和自然生態(tài)系統(tǒng)無法適應(yīng)或不能很快適應(yīng)這種變化，使其遭受很大的破壞性影響，造成大范圍的森林植被破壞和農(nóng)業(yè)災(zāi)害。
�。ǘ⿲ι鷳B(tài)系統(tǒng)的影響
氣候變化極大改變了植被類型的地理分布，從而使多樣性減少，生態(tài)系統(tǒng)效益下降。
例如：亞寒帶森林可能由目前的23％減少到1％以下，泰加林幾乎消失。當CO2濃度增加到1倍時，森林生物量將由現(xiàn)在的58.4%降到47.4%；草地生物量將由現(xiàn)在的17.7%增加到28.9%
全球升溫，植物種將會向北推移，遷移的速度超過植物每年的遷移能力，結(jié)構(gòu)將導致森林生態(tài)系統(tǒng)崩潰
例：根據(jù)底層埋藏的花粉分析，冰期后到現(xiàn)在的2萬年期間，移動最快的是赤揚、榿木，每年平均移動2000m，移動較慢的有楓樹、冷杉，每年約40m
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氣候變暖有可能加大疾病危險和死亡率，增加傳染病。高溫會給人類的循環(huán)系統(tǒng)增加負擔，熱浪會引起死亡率的增加。由昆蟲傳播的瘧疾及其他傳染病與溫度有很大的關(guān)系，隨著溫度升高，可能使許多國家瘧疾、淋巴腺絲蟲病、血吸蟲病、黑熱病、登革熱、腦炎增加或再次發(fā)生。在高緯度地區(qū)，這些疾病傳播的危險性可能會更大。
氣候變化及其對我國的影響
﹡從中外專家的一些研究結(jié)果來看，總體上我國的變暖趨勢冬季將強于夏季；
﹡在北方和西部的溫暖地區(qū)以及沿海地區(qū)降雨量將會增加，長江、黃河等流域的洪水爆發(fā)頻率會更高；東南沿海地區(qū)臺風和暴雨也將更為頻繁；
﹡春季和初夏許多地區(qū)干旱加劇，干熱風頻繁，土壤蒸發(fā)量上升。
﹡農(nóng)業(yè)是受影響最嚴重的部門。溫度升高將延長生長期，減少霜凍，二氧化碳的“肥料效應(yīng)”會增強光合作用，對農(nóng)業(yè)產(chǎn)生有利影響；
﹡土壤蒸發(fā)量上升，洪澇災(zāi)害增多和海水侵蝕等也將造成農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。
﹡對草原畜牧業(yè)和漁業(yè)的影響總體上是不利的。
﹡海平面上升最嚴重的影響是增加了風暴潮和臺風發(fā)生的頻率和強度，海水入侵和沿海侵蝕也將引起經(jīng)濟和社會的巨大損失。
3臭氧層的減薄與地表紫外輻射增強
一、臭氧層的形成與損耗
臭氧層存在于的平流層中，主要分布在距地面15-35km范圍內(nèi)，濃度峰值在20-25km處。由于臭氧層能夠吸收99%以上來自太陽的紫外輻射，從而保護了地球上的生物不受其傷害。紫外線
UV-A（320～400nm）生物學作用較弱，具有色素沉積作用
UV-B（275～320nm）具有紅斑作用（曬傷），抗佝僂作用
UV-C（200～275nm）對細胞有強烈作用，具有明顯的殺菌作用
臭氧層的形成與損耗的化學反應(yīng)
1、清潔大氣中：O3的形成
O2+hv→2O
O+O2+M→O3+M
總反應(yīng)：3O2+hv→2O3
2、O3的猝滅
O3+hv→O+O2
O3+O→2O2
兩種反應(yīng)動態(tài)平衡，維持臭氧層一定厚度。當大氣被污后，導致O3的猝滅，影響O3的厚度。
HOx、NOx、ClOx等是導致O3猝滅的直接原因，把他們叫做活性物質(zhì)。它們導致O3猝滅的反應(yīng)如下：
HOx破壞O3的反應(yīng)
HO+O3→HO2+O2HO2+O→HO+O2
總反應(yīng)：O3+O→2O2
NOx破壞O3的反應(yīng)
NO+O3→NO2+ONO2+O→NO+O2
總反應(yīng)：O3+O→2O2
ClOx破壞O3的反應(yīng)
Cl+O3→ClO+O2ClO+O→Cl+O
總反應(yīng)：O3+O→2O2
活性物質(zhì)來源主要是：
(1)NO的來源：
(a)N2O氧化N2O+O→2NO
NO+O3→NO2+O2
(b)飛機排入NO
(2)HOx的來源：
H2O+O→2HO
CH4+O→CH3+HO
H2+O→H+HO
(3)ClOx的來源：
CH3Cl(海洋生物產(chǎn)生)→CH3+Cl
CFCl3+hv→CFCl2+Cl
CF2Cl2+hv→CF2Cl+Cl
＊近10年全球臭氧層平均減少了2％～3％，并且還在加劇。
�。粞鯇拥淖兓厔菰谝荒曛械牟煌瑫r間是不同的，不僅伴隨緯度而且伴隨經(jīng)度的變化。＊臭氧層快速減薄已經(jīng)通過衛(wèi)星得到證實，最明顯的減薄發(fā)生在南極大陸上空，在春季，衰
減率高達71％。
�。獜�1993年的衛(wèi)星資料看，臭氧總量在我國上空異常低，過去10年我國北京香河和昆明兩個監(jiān)測站的監(jiān)測結(jié)果表明，臭氧總量呈降低趨勢，分別降低了5％和3％。據(jù)估計，如不加任何控制，發(fā)展到2075年臭氧層將減少40％
二、紫外輻射增強對生物的影響
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�。ǘ┳贤廨椛湓鰪妼ι鷳B(tài)系統(tǒng)的影響
1、紫外輻射增強對植物生長的影響
◆UV-B輻射降低葉面積，在溫室研究中，70多種作物品種，60％以上的作物在UV-B輻射下葉面積減少；
◆在敏感植物中，葉展開角度被UV-B縮小60％～70％。
◆UV-B輻射使葉片增厚，即在一定程度上增加了葉表皮與葉肉細胞之間的距離有助少減少DNA的損傷。
◆UV-B輻射使葉片產(chǎn)生傷害，如葉片卷曲、葉片變黃等
（一）紫外輻射增強對植物的影響
◆增強的UV-B輻射降低株高；
◆UV-B輻射降低植物的生物量；
◆UV-B輻射影響植物的根冠比
2、對植物生理生化的影響
UV-B引起葉綠體損傷，表現(xiàn)：失去完整性,基粒、基質(zhì)類囊體的有序結(jié)構(gòu)受到破壞，一些類囊體變得膨脹，大部分基質(zhì)因水分脅迫而呈半透明狀。
UV-B引起葉綠素合成受阻，或者加速葉綠素的降解，從而降低葉綠素含量。
PSⅠ,PSⅡ，雖然二者都是光合作用的反應(yīng)中心.但對UV-B的反應(yīng)有所差別.其中PSⅠ受影響小.甚至不受影響，主要是PSⅡ受損.
RuBP羧化酶。RuBP羧化酶是植物中固定CO2的酶.活性隨著UV-B強度的增高而降低。UV-B使RuBP羧化酶失活。主要原因包括多肽發(fā)生變性、蛋白質(zhì)降解、基因轉(zhuǎn)錄受抑制。UV-B輻射還降低作物的氣孔導度和蒸騰速率，影響植物對CO2的吸收和水分代謝。
UV-B輻射增加了植物體內(nèi)類黃酮含量（類黃酮、花色素、丹寧、水楊酸、黃酮醇、葉酸、羥基肉桂酸）
3、傷害植物的靶
DNA是UV-B傷害的主要靶分子之一。當DNA吸收UV-B之后會產(chǎn)生嘧啶二聚體，對DNA復制、轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生影響，因為DNA、RNA酶不能識別它們。
由于芳香氨基酸的吸收作用.蛋白質(zhì)在280nm及更短的波長處有強烈的吸收值.因此蛋白質(zhì)可以成為UV-B直接影響的對象。UV-B輻射不僅能使氨基酸發(fā)生變異、失活.而且能導致整個蛋白質(zhì)或酶失活。
UV-B能夠誘使O2-,H2O2等自由基產(chǎn)生.使膜脂發(fā)生過氧化.導致膜結(jié)構(gòu)變化.從而改變膜的透性。若環(huán)境脅迫過重.超氧歧化酶等酶系統(tǒng)被破壞.自由基大量產(chǎn)生.將導致丙二醛等有害物質(zhì)的積累對細胞造成傷害。
激素對植物的生長、發(fā)育起著重要作用。紫外線能使激素濃度發(fā)生變化.從而對植物產(chǎn)生極大的影響.UV-B使IAA發(fā)生降解.從而抑制植物生長.這己在向日葵幼苗中得到證實.脫落酸對UV-B有強烈的吸收作用也會發(fā)生光解失活.
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