进化生态学思考题

一、为什么通常是雄性竞争雌性，而非雌性竞争雄性?答：性冲突：雌雄动物在求偶和交配上存在利益的冲突和矛盾；两性结合是一种不稳定的联姻，其中每一性别都试图最大限度地传递自己的基因；合作是为了借助共同的后代传递自身的基因；但在配偶选择、合子的制备以及卵和幼体的哺育等需要双方投入能量的方面，两性的利益往往不是一致的；这种关系似乎是一性对另一性的利用，而不是和谐与合作。雌性与雄性的基本差异：1、两性特征有明显的差异：第一性征，第二性征；基本的差别是配子大小的不同：雌配子大而不动，含有丰富的营养；雄配子小而积极活动，只有极少量的遗传物质构成。由此导致的后代投资大小的不同，对动物的性行为产生深刻的影响。2、雌性动物通常要比雄性投入更多的资源，只能靠用较快的速度把营养物质转化为卵子或幼体来提高自己的生殖成功率；雄性动物具有使极多受精的潜力，靠为很多动物受精来提高自己的生殖成功率。雌性动物常被看成雄性动物为之竞争的稀缺资源。性选择：由于在大多数的种类中，雌性在对后代的投入要比雄性高，她们在选择配偶时常常是选择者；雌性通常选择雄性的标准有非遗传的利益和遗传的利益。雌性选择有优质领地的雄性个体做配偶；选择占有食物资源的雄性个体做配偶；选择具有优质基因（指能增加后代的生存、竞争、繁殖能力的基因）的雄性个体做配偶。1、性选择的强度依赖于配偶竞争的强度，而配偶竞争的强度又依赖于两个因素：双亲在生殖投入上的差异在任一时间可得到交配的性比2、性选择的强度：当双亲对子代的投入是大体相等的，比如在一雌一雄的鸟类中，雌雄亲代共同哺育他们的幼子，性选择相对的强度较低。3、如果雌性进入繁育的状态不是同步的，这样就为少量的雄性一个个控制雌性提供的机会，在这种具有高的潜在回报的情况下，性选择可能是强烈的。4、Bateman在1948预测，性选择通常在雄性演化中更具有压力。对于雄性来说，配偶获得是有限的资源，而对于雌性则不是。雄性性选择强度要大于雌性，性比失衡，往往雄性比雌性多，雄性的交配机会有限，这样雌性就变成了被选择的对象。但也不是与生俱来的，当雌性而不是雄性进行交配的机会变得有限，我们预测雌性也将相互间竞争，而雄性则成为被选择对象。二、何谓协同进化？简述植物与食草动物的协同进化过程？说明植物对食草动物危害后的防御反应的主要类型，解释为什么自然界仍然充满绿色？答：协同进化（co—evolution）是一个物种的性状作为对另一个物种性状的反应而进化，而后一个物种的这一性状本身又是对前一物种的反应而进化。植物与食草动物的协同进化过程：种子扩散是最主要的机制逃避种子捕食者。植物的防御：忍耐食草动物（便宜的植物部分，快速的生长速率：特变在资源丰富的环境中），某些植物可能受到食草动物的刺激，获得大的生产量和繁殖。构成防御（物理）：被植物固定的部分通常是植物非常重要的，例如包括茎和叶上的毛，刺或者那些没有被诱导的化学物质。可诱导的防御：可诱导的化学防御物质被储存在植物中但是不被运输，当植物受到攻击时成为非常活跃的。食草动物啃食具有诱导性防御化学物质的植物时选择合适的部位，特别是化学防御物质含量少部位。食草动物对植物反应的适应：发展特殊的酶进行解毒；调整取食时间以避开植物的有毒化合物或者生态适应。植物与食草动物的协同进化过程：植物祖先aa——食草动物造成严重的取食压力一一植物祖先的基因产生突变Aa——A植物对食草动物产生抵抗作用—一A植物和A基因的强大选择作用通过种群传播一一食草动物数量下降—一食草动物祖先中的突变可对A植物产生抗性障碍一一食草动物又造成巨大的取食压力——降低食草动物压力的任何防御机制的强大选择压力——对食草动物产生更强抵抗作用的植物变异型（循环）1）、补偿作用：植物因食草动物“捕食”而受损害，但植物不是完全被动的，植物有各种补偿机制。（1）在植物的一些枝叶受损害后，自然落叶（其光合作用弱而呼吸作用正常）减少，整株的光合率可能加强。（2）受害植物可能利用贮存于各组织和器官中的糖类得到补偿，或改变光合产物的分布，以维持根／枝比的平衡。（3）植物的受伤枝可能掉落，也可能将其糖类运输到未受伤害枝叶而得到补偿。（4）如果在繁殖期受害，例如大豆，能以增加种子粒重来补偿豆荚的损失。（5）动物啃食也可能刺激单位叶面积光合率的提高。例如冰草在实验“打叶”后的10天内，其单位叶面光合率提高10％。2）植物的防卫反应一一诱导抗性：食草动物的“捕食”还可能引起植物的防卫反应，如产生更多的棘（机械防御）或化学物（化学防御）。直接防御（局部防御和系统防御）和间接防御。植物防卫用的这些化学物，均属植物次生物质（Plantsecondarysubstance），是植物代谢过程的副产品，如尼古丁、咖啡因都是植物的生物碱，薄荷油和猫薄荷属萜类，丁香和肉桂香属苯丙烷。・世界大部分是绿色的，植物没有被动物吃尽，其解释有二：①食草动物在进化中发展了自我调节机制，如发展特殊的酶进行解毒、调整取食时间以避开植物的有毒化合物或者生态适应，以防止作为其食物的植物都毁灭掉；②植物在进化过程中发展了防卫机制。1、植物对动物的为害表现出：（1）避害性（2）无偏嗜性（3）抗性2、植物对危害后的反应：1）、补偿作用2）植物的防卫反应——诱导抗性：直接防御（局部防御和系统防御）和间接防御3、世界为什么仍然是绿色的。限制取食：Topdown下行控制（捕食者控制食草动物）上行控制Bottomup（植物营养品质不佳）植物蛋白不同于动物的蛋白，植物蛋白必须被动物消化，重新被食草动物合成。植物的蛋白质含量低。碳水化合物含量高，但是大多数都形成了难消化的形式（木质素和纤维素）。氮经常被束缚以相对不可取的形式，例如次生代谢物的形式。三、简述二个物种间相互作用关系的主要类型及其作用特点，论述自然界生物（植物、动物、微生物）间互利共生主要存在的方式？答：竞争关系；捕食者与猎物；植物与食草动物；寄主与寄生物；互利共生；答：种间相互作用关系类型如下：1、种间竞争：是指两种或更多种生物共同利用同一资源而产生的相互竞争作用。不对称性:是种间竞争的一个共同特点。不对称性是指竞争各方影响的大小和后果不同，即竞争后果的不等性。种间竞争的另一个共同特点是：对一种资源的竞争，能影响对另一种资源的竞争结果。2、捕食作用：一种生物攻击、损伤或杀死另一种生物，并以其为食，前者称为捕食者（predator），后者称为猎物或被食者（prey）。3、食草作用：食草是广义捕食的一种类型，其特点是被食者只有部分机体受损害，植物也没有主动逃脱食草动物的能力。4、寄生：寄生者通常较寄主个体小，且对寄主有害。5、偏利共生：仅一方有利称为偏利共生6、互利共生：对双方都有利称为互利共生种间相互作用主要包括两个方面：①两个或多个物种在种群动态上的相互影响，即相互动态（co-dynamics）；②彼此在进化过程和方向上的相互作用，即协同进化（co-evolution）。互利共生的主要存在方式：1．表现在行为上的互利共生如裂唇鱼和笛鲷2．种植和饲养的互利共生：人类与农作物和家畜3．有花植物和传粉动物的互利共生4．动物消化道中的互利共生：白蚁肠道内共生鞭毛类。5．高等植物与真菌的互利共生——菌根6．生活在动物组织或细胞内的共生体：根瘤菌和豆科植物的互利共生。综合题：1、何谓外来入侵种（invasivespecies）（3分）外来入侵物种，是指那些出现在其过去或现在的自然分布范围及扩散潜力以外的物种、亚种或以下的分类单元，包括其所有可能存活、继而繁殖的部分、配子或繁殖体。2、简述生物入侵的一般过程（5分）。传入，定居，适应，繁衍。3、目前在我国发现了一些外来入侵的植物（如紫茎泽兰）、外来入侵的植食性动物（如美国白蛾）暴发危害。试应用你所学的知识，以某种外来入侵的植物（如紫茎泽兰）或者外来入侵的植食性动物（如美国白蛾）为例（任选其中的一种），简明扼要回答以下问题：1）可以通过那些方法调查得出该外来种种群发生的绝对密度？（2分）2）假设该外来种与当地另一近缘种存在着竞争关系，试建立该外来种种群（N1）与当地另一近缘种种群（N2）竞争的作用关系模型，并分析它们之间竞争作用的可能结果？（5分）3）从该外来种自身遗传特性及侵入地自然、生物环境的角度，探讨该外来种暴发的可能机制？（8分）4）根据该外来种种群暴发的可能机制，从生态系统管理角度，提出对该外来种控制的对策（4分）。人工防治、机械去除、生物防治、综合治理、加强管理等紫茎泽兰（CroftonWeed），多年生草本或亚灌木。植物界里的“杀手”，所到之处寸草不生，牛羊中毒。可进行有性繁殖和无性繁殖，对环境的适应性极强，无论在干旱贫瘠的荒坡隙地、墙头、岩坎，在石缝里也能生长。在2010年中国西南大旱后疯长蔓延，威胁到农作物的生长。1）通过有意或无意的人类活动而被引入一个非本源地区域.2）在当地的自然或人造生态系统中形成了自我再生能力.3）给当地的生态系统或地理结构造成明显的损害或影响2、简述生物入侵的一般过程（5分）。传入，定居，适应，繁衍。3、目前在我国发现了一些外来入侵的植物（如紫茎泽兰）、外来入侵的植食性动物（如美国白蛾）暴发危害。试应用你所学的知识，以某种外来入侵的植物（如紫茎泽兰）或者外来入侵的植食性动物（如美国白蛾）为例（任选其中的一种），简明扼要回答以下问题：1）可以通过那些方法调查得出该外来种种群发生的绝对密度？（2分）2）假设该外来种与当地另一近缘种存在着竞争关系，试建立该外来种种群（N1）与当地另一近缘种种群（N2）竞争的作用关系模型，并分析它们之间竞争作用的可能结果？（5分）3）从该外来种自身遗传特性及侵入地自然、生物环境的角度，探讨该外来种暴发的可能机制？（8分）4）根据该外来种种群暴发的可能机制，从生态系统管理角度，提出对该外来种控制的对策（4分）。人工防治、机械去除、生物防治、综合治理、加强管理等紫茎泽兰（CroftonWeed），多年生草本或亚灌木。植物界里的“杀手”，所到之处寸草不生，牛羊中毒。可进行有性繁殖和无性繁殖，对环境的适应性极强，无论在干旱贫瘠的荒坡隙地、墙头、岩坎，在石缝里也能生长。在2010年中国西南大旱后疯长蔓延，威胁到农作物的生长。1）紫茎泽兰调查法：样方法：是指在被调查种群的生存环境内随机选取若干个样方，通过计数每个样方内的个体数，求得每个样方的种群密度，以所有样方种群密度的平均值作为该种群的种群密度。样方法具体步骤如下：①确定调查对象；②选取样方：必须选择一个该种群分布较均匀的地块，使其具良好的代表性；③计数：计数每个样方内该种群数量；④计算：取各样方平均数。3）一个外来物种进入一个新的生态系统，最后是否形成入侵通常取决于两个因素：进入新环境的外来物种的自身特点，以及这个环境是否容易被这个物种入侵。1、外来入侵种的特点：造成生物灾害的外来入侵种往往具有以下特点：（1）生态适应能力强；（2）繁殖能力强；（3）传播能力强。2、被入侵生态系统特点：（1）具有足够的可利用资源；（2）缺乏自然控制机制；（3）人类进入的频率高。4）a.人工防治：依靠人力，拔除紫茎泽兰，适宜还没有大面积扩散的情况。b、机械去除:利用专门设计制造的机械设备防治紫茎泽兰。C、替代控制：用臂形草、红三叶草、狗牙根等植物进行替代控制。D、生物防治：泽兰实蝇对植株生长有明显的抑制作用。上行控制效应（bottom-upeffect）（自下而上）是指较低营养阶层的密度、生物量等（资源限制）决定较高营养阶层的种群结构。如植物的生产力决定了植食者种群密度，植食者的生产力决定了它们天敌的密度。下行控制效应（top-downeffect）（自上而下）是指较低营养阶层的群落结构（多度、生物量、物种多样性）依赖于较高营养阶层的物种结构。如捕食者天敌的密度决定了植食者种群密度。四、动物对温度的进化适应策略（高温干旱，低温冷害）答：动物对寒冷的适应对策包括两大类：逃避对策和抵抗对策。逃避对策包括：1迁徙；2利用小环境气候；3冬眠或蛰伏；4增加皮毛隔热性能等。抵抗对策主要是增加产热能力，如增加基础代谢率、非颤抖性产热、颤抖性产热和活动产热等。动物对沙漠干旱环境的适应：1生理上的适应：充分利用代谢水，减少排尿；身体某些部分具有贮水功能；隔热良好，可减少排汗。2行为上的适应：多夜间活动，避开高温以减少水分散失；食物中含有大量水分；寻找水源能力强。五、瘦素的生理功能和进化意义答：瘦素（Leptin，LP）是由分泌的一种肽类激素，是一种由脂肪组织分泌的激素，人们之前普遍认为它进入血液循环后会参与糖、脂肪及能量代谢的调节，促使机体减少摄食，增加能量释放，抑制脂肪细胞的合成，进而使体重减轻。主要生理功能瘦素的功能是多方面的，主要表现在对脂肪及体重的调控：1、抑制食欲：瘦素可使人类进食明显减少，体重和体脂含量下降；2、增加能量消耗：瘦素可作用于中枢，增加交感神经活性，使大量贮存的能量转变成热能释放；3、对脂肪合成的影响：瘦素可直接抑制脂肪合成，促进其分解，也有人认为可促进脂肪细胞成熟；4、对内分泌的影响：胰岛素可促进瘦素的分泌，反过来瘦素对胰岛素的合成、分泌发挥负反馈调节。瘦素可调节布氏田鼠哺乳期高摄食行为通过施加外源瘦素处理实验进一步证明，哺乳期低水平的瘦素水平可以增加下丘脑的两种促进摄食的神经肽NPY(neuropeptideY)和AgRP(agouti-relatedprotein)的表达量，降低POMC的表达，来促进动物的摄食量和抑制动物的产热能力。无论是妊娠期还是哺乳期，当动物受到低温刺激时，血清瘦素的浓度没有发生明显变化，但能量摄入和褐色脂肪组织线粒体内膜上的解偶联蛋白一1(uncouplingprotein1,UCP1)的表达却显著增加，表明布氏田鼠能够通过提高产热能力和增加摄食量来应对寒冷和繁殖的双重压力，瘦素在寒冷环境条件下对能量代谢的调控作用与常温条件下不同。一些与冷有关的应激激素如去甲肾上腺素、皮质酮等可能也参与了对动物摄食和产热的调节,同时这些激素与瘦素之间可能存在互作作用。瘦素对啮齿动物适应寒冷环境具有重要作用但是,瘦素浓度冬季(寒冷季节降低)的生理地位是什么呢？一直不是很清楚。本研究中的工作假设是：低浓度的瘦素对于食物摄入增加和BAT(褐色脂肪组织)产热能力增加是有贡献的,并且可能是通过调整下丘脑的神经肽的变化来进行调节作用的。在冷驯化条件下布氏田鼠的摄食量明显减少，下丘脑AgRP和褐色脂肪组织BAT线粒体内膜上的解偶联蛋白1(uncouplingprotein1,UCP1)的表达也明显降低，统计发现AgRP和摄食量呈现显著的相关关系。这些结果表明,与常温条件下相比,在寒冷环境中瘦素水平对动物的摄食水平和产热能力的调控机制发生了改变，根据分析认为，神经肽AgRP在这个调节过程中可能扮演了重要角色。当然,这还需要进一步的实验验证。六、食草动物的消化策略(前肠发酵和后肠发酵)能量的获得与分配对于动物的生存是至关重要的,所以动物通常以最优消化对策即在最短的流通时间内,最小的消化道容积及最大的消化效率,使能量和营养的净获得速率最大。因此动物的消化道结构在动物的消化对策中起着关键作用。根据食草动物发酵部位的不同,动物对食物的消化方式一般分为前肠发酵和后肠发酵,这些动物分别称为前肠发酵动物和后肠发酵动物。1、前肠发酵动物分为反刍动物和非反刍动物,它们都具有膨大的前胃,在后肠中还有第二个发酵腔。这些动物包括偶蹄目的牛科(Bovidae)、长颈鹿科等。前肠发酵动物的前胃在长期的进化过程中膨大成囊状前胃或管状前胃。在囊状前胃中,新摄入的食物与前胃内的残渣充分混合。反刍动物的网状瘤胃和骆驼的前两个消化分室与此相似。在管状前胃中,新摄入的食物只和前胃中小部分残渣混合,消化道内容物在前胃中滞留时间较短。2、后肠发酵动物的发酵部位为前结肠或盲肠,分别称为结肠发酵动物(colonfermenters)和盲肠发酵动物(caecumfermenters)。结肠发酵动物包括偶蹄目的猪,奇蹄目的马、斑马和驴,有袋目的袋熊科动物,长鼻目的大象(Loxodontaspp.),灵长目的类人猿、人等。多数食草动物都不能依靠自身的消化酶完全消化纤维食物,而植物的大部分结构和营养贮存部位都含有大量的纤维素和半纤维素,动物自身不易消化这些化合物,只能通过与某些微生物(细菌、真菌等)共生,使得这些化合物在消化道中发酵,动物才能利用。大型后肠发酵动物的消化道容量较大,并且食物在消化道中的滞留时间较长,所以微生物有充足的时间发酵。而小型食草动物一般都具有很高的代谢率,需要迅速地从食物中吸取营养,因此食物在消化道中的滞留时间很短,尤其是食物质量很低时,滞留时间更短。所谓平均滞留时间是指消化道内容物在消化道某一器官中混合、消化、发酵和吸收所需要的时间。而在小型食草动物中,发酵所需时间几乎总是比食物的平均滞留时间长。为了解决发酵时间和食物的平均滞留时间之间的矛盾,小型食草动物通常从解剖结构和生理适应性方面形成一种机制即结肠分离机制(colonicseparationmechanism,CSM)。1结肠分离机制结肠分离机制是指消化道内容物在前结肠中发生分离,小颗粒(包括细菌)和水溶性物质通过结肠的逆蠕动流回盲肠,而粗糙的大颗粒向后结肠方向移动,排出体外,从而使得食物的平均滞留时间延长,微生物有足够的时间进行发酵。许多盲肠发酵动物,如兔形目动物、多数啮齿目动物及一些树栖有袋类如考拉(Phascolarctoscinereus)、奇卷尾袋貂(Pseudocheirusperegrinus)帚尾袋貂(Trichosurusvulpecula)等都具有结肠分离机制。食草动物通常采用以下两种基本策略,提高食物中营养物质的利用率,消化道内容物发生分离,易消化的食物颗粒随微生物和水滞留在前结肠中,回流进入盲肠,消化率低的纤维物质迅速通过消化道,排出体外;消化道内容物在分离时,只有微生物滞留在前结肠中,回流进入盲肠,使盲肠中的微生物密度增大,从而提高发酵速率,而其它流体物质和颗粒物质向后结肠方向移动,经消化后排出体外。为了弥补个体较小和前肠消化流通时间较短的缺陷，小型盲肠发酵形成的对策是利用较大的CSTR结构的盲肠，通过延长消化道内容物在消化道内的滞留时间,从而提高消化效率,如通过结肠分离机制(colonicseparationmechanism,CSM)或食粪行为(coprophagy)使滞留时间延长。食粪行为：1、在兔和其它部分齿类以及部分原猿类所具有的行为。实际上并非吃粪，而是吃含有大量粗蛋白的盲肠内容物。由于食物迅速通过消化道,使得大量营养物质,如细菌和小颗粒等营养物质随粪便排出而丢失。所以许多小型盲肠发酵动物通常重新摄入所排出的粪便,与消化道内容物混合后在消化道中再次消化和吸收,以充分利用食物中的营养物质。这种行为通常称之为食粪行为。2、食粪行为或食软便行为(caecotrophy)可以使反应物再循环,进一步消化利用营养物质。所谓食粪行为是指动物重新摄入粪便,进行再消化和吸收;而食软便行为较为复杂,消化物在进入盲肠之前,易消化的组分和不易消化的组分发生分离,不易消化的组分通过盲肠形成硬便团排出,易消化的组分在盲肠中发酵,形成外包一层粘液的软便团排出,动物通过再摄入这种软便团进一步对其发酵和消化,从而提高整个再循环过程的效率。食软便行为可使小型动物不需要较大的消化道容积,而只以较小的流通速率就可以提高消化效率。3、大型动物通常不具有食粪行为,因为食物在消化道内的流通时间足够长,微生物有充足的时间进行发酵。另外,大型后肠发酵动物单位体重的能量需求较低,因此,可能很容易利用诸如象富含能量的挥发性脂肪酸(volatilefatacid,VFA)等发酵终产品,而不必要支付物质再循环所消耗的能量。但在长期干旱、寒冷等食物资源匮乏的情况下,有些大型动物如马也可能具有食粪行为八、褐色脂肪组织是除单孔类、有袋类的几乎所有的真兽体内，都发现存在着一种高度特化的产热组织，这便是褐色脂肪组织(简称BAT)。体内褐色脂肪量在人的生长发育过程中是在不断发生变化的，婴幼儿期所占比例较高，随着年龄的增长，体内褐色脂肪量逐渐减少。成年人体内褐色脂肪的重量一般都低于体重的2％。褐色脂肪组织的外观呈褐色，细胞内含有大量的脂肪小滴及高浓度的线粒体，细胞间含有丰富的毛细血管和大量的交感神经纤维末梢，组成了一个完整的产热系统。目前认为，褐色脂肪组织的功能类似一个“产热器”，它主要通过细胞内脂肪酸的非耦联氧化磷酸化分解产热，当机体进食或遇寒冷刺激时大量产热。目前对褐色脂肪组织在肥胖发生过程中所起的作用和功能尚不清楚。但也有人开始认为肥胖是由于机体能量储存与消耗的失衡而产生的．褐色脂肪组织通过产热的形式，能够将体内过多的能量释放出来，以减少能量积累，避免造成肥胖。这种褐色脂肪组织除了一般脂肪组织所具有的营养成份储藏，以及寒冷时起保温作用外褐色脂肪组织，还进行着极为活跃的代谢活动。即它通过高效的代谢产热，起着相当于“电热毯”的作用。BAT对于动物的体温调节、冬眠觉醒、抵抗寒冷、防止肥胖、调节能量平衡，以及抵抗感染方面，都有着重要的生理意义。非颤抖性产热(nonshiveringthermogenesis)是小型哺乳动物冷适应性产热的主要热源，主要发生在褐色脂肪组织(brownadiposetissue)中。非颤抖性产热：由于代谢能